软岩大变形隧道自进式锚杆施工工艺探究

张 伟

（中铁十六局集团第二工程有限公司，天津 300162）

0 引言

软岩隧道围岩松散破碎、稳定性差，随着隧道开挖扰动，围岩在高应力作用下变形速度快、变形量大，很容易发生混凝土结构开裂掉块、拱架扭曲变形甚至折断、仰拱隆起、支护变形侵限等危害，大大增加施工难度，严重影响施工安全，需要针对围岩采取支护加固措施，才能保证施工与运营安全。自进式锚杆是一种集钻进、注浆、锚固功能为一体的锚杆,能够保证在复杂破碎地层和软弱松散地层中的锚固效果，在隧道开挖过程中起着至关重要的作用，可以有效地防止隧道结构变形。掌握自进式锚杆的原理和结构性能，明确自进式锚杆施工流程，对提高自进式锚杆施工质量至关重要。

1 工程概况

成兰铁路德胜隧道位于距岷江左岸0.5～3.5km 处的松潘县境内，与G213 路并行，洞身穿越多条地形起伏较大的横向支沟，穿越区最高峰的高程为3420m 的，相对高差在500m 以上。隧道东侧为岷江南北走向的活动断层带，西侧为东西走向的摩天山脊构造带。隧道位于与岷江活动断层带基本平行的被动盘上，相距0.5～3.5km；附近发育有雪山、虎牙活动断裂。洞体穿越断层1 处，褶皱17 处。隧道施工过程中穿过软岩大变形7 段，合计长度为810m，所占比重为6.9%；穿过预设计软岩大变形段落27处，总长度为6981m，所占比例为59%；穿越断层破碎带、沟槽和浅埋段（最小埋深只有7m）2处，合计405m，所占比重为3.4%。

2 自进式锚杆原理

锚杆在软岩大变形中的支护作用是显而易见的，它可以有效地控制隧道的变形，抑制塑性区的继续发展，防止隧道发生过度变形导致坍塌[1]。大变形的软岩段给锚杆作业造成了很大的难度。一是围岩薄弱，断层破碎带使钻孔极易垮塌，特别是像施作10m 长的锚杆，保证锚孔畅通的难度很大；二是锚杆施打的钻杆为柔性钻杆，难以保证锚杆孔的顺直，且锚杆较钻杆刚性较大，给锚杆输送造成一定程度的困难。而自进式锚杆是采用钻杆、锚杆、注浆管三体合一的方式分节钻进，上述问题均可以到有效解决，因此，在软岩大变形隧道中推荐采用自进式锚杆。

自进式锚杆杆身中空，杆身兼作钻杆、锚杆和输浆管，浆液经杆体钻头喷出，填满锚杆周围的孔隙，浆液通过锚杆孔渗透到周围破碎岩石的裂隙中然后固结，使围岩稳定性增强[2]。在具体操作和施工过程中，合金钻头通过连接套与施作机具上的螺旋形杆身连接，在施作机具的带动下，旋转式锚杆体在钻进作业中进行回转冲击，在钻进作业中按设计要求进行锚杆体加长[3]。自进式锚杆的杆身在回转冲击钻探时起到钻探作用；钻孔工序结束后，锚杆杆身及合金钻头不需取出而留在孔内，注浆时浆液从杆身的中孔穿过，利用杆体输送浆液；注浆过程结束后，杆身和钻头通过浆液与周围的围岩结合起到稳定围岩的作用，而此时的杆身就成为了锚杆，这是自进式锚杆杆身的多重作用[4]。

3 自进式锚杆的结构及性能

3.1 自进式锚杆的结构

自进式锚杆结构及组合如图1所示。

图1 自进式锚杆结构及组合

（1）合金钻头：能适应各类围岩，硬度高、韧性强，穿透力强。

（2）锚杆体：锚杆杆身采用便于钻头安装、接头套管和紧固螺母的全长国际标准波形连续螺纹，并可任意裁剪接续。锚杆体集钻杆、锚杆于一体，不需拔除，其中孔可用作注浆通道。

（3）连接套：在需加长锚杆时起连接作用，可适用于较小空间的施作。

（4）止浆塞：在止浆塞上钻有排气孔，用于排气，此外，止浆塞可以让浆液在充分填满围岩空隙的情况下，保持一定的压力。

（5）拱形垫板：能承受更大的围岩应力，设置尺寸为20cm×20cm、厚度为1cm 的垫板，增强锚杆对围岩的约束能力。

（6）螺母：可向垫板集中传递围岩应力，在洞壁围岩上均匀地传递深层围岩应力，实现围岩与锚杆互为支撑的目的。

（7）堵浆塞：可防止锚杆内出现跑浆现象。

3.2 自进式锚杆的性能

德胜隧道使用的GM32自进式锚杆性能参数见表1。

表1 GM32自进式锚杆性能参数

4 自进式锚杆钻进设备比选

以常规的钻进设备YT28 风枪与隧道锚杆台车为例，通过试验对比分析两种设备在自进式长锚杆施工中的优势与不足，从施工效率以及适用性等方面进行设备选型，详见表2。

表2 自进式锚杆施工机具的对比分析

根据表2 可看出，锚杆台车进行自进式锚杆钻进作业时，施工效率更高，而且锚杆台车施工场地适用性更灵活，因此，推荐采用锚杆台车。

5 锚杆台车施工自进式锚杆

5.1 锚杆台车主要性能参数

锚杆台车主要性能见表3。

表3 锚杆台车主要性能参数

5.2 施工准备

掌子面出渣完毕后平整场地，要求场地尽可能平整，以便锚杆钻机能够平稳行驶、出入和操作。设置排水沟将打锚杆时的水流引入集水坑排出，避免掌子面受浸。锚杆台车需配备专用配电箱以及钻进时所需水源。

5.3 自进式锚杆施工

自进式锚杆施工流程如图2所示。

图2 自进式锚杆施工工艺流程

（1）孔位标记：按设计要求，在初期支护混凝土面上定出锚杆孔位并标记。

（2）钻进前检查：钻进前做好设备检查工作，检查设备动力、液压装置等运转是否正常，检查钻头、钻杆以及各种管道是否畅通。

（3）锚杆钻进：首先是锚杆、钻头安装，专用钻头与自进式锚杆体在钻机定位完成后，再与钻机上的风水管进行连接；然后按标记的设计孔位对准锚杆，台车应先通水后旋转钻入，钻进至破碎岩时钻头水孔易被堵，钻入时应放慢钻入速度，多回转，注意钻孔中水流出的状况，如有水孔被堵住的现象，应将锚杆向后退50cm左右，并反复清孔，使水孔畅通，再缓慢向前推，直至设计钻孔深度；接着是锚杆台车在自进式锚杆钻入设计要求的深度后，使锚杆体和钎尾脱离，台车自动卸杆，继续钻进安装下根锚杆；最后是将排气管从止浆塞排气孔穿入，将排气管插入锚杆孔内，通过锚杆外露端用钢管将止浆塞打入孔内约100mm 后封口注浆，如围岩较破碎可用锚固剂将孔封死。

（4）锚杆注浆：首先检查注浆机是否准备齐全，各部件是否正常，检查水泥和砂的粒径、配比、温度等是否符合设计要求，可采用通水或通风的方式检查锚孔是否通畅。然后调节水流量计，使砂浆水灰比达到设计值，并记下流量计刻度，流量必须均匀，不能出现断续不均的现象；接着用快速接头迅速将锚杆、注浆管、泵等接好。开动注浆泵注浆，全程连续注浆，注浆必须一次完成，不停顿，从止浆塞边缘流出浆液或压力达到设计值，可以停止注浆。如有堵塞管道的现象，锚杆、注浆管、抽水机等要及时清理干净。当一根锚杆注浆完毕后，迅速将注浆胶管卸下，装到另一根锚杆上，再进行注浆作业；如果长时间停泵，需要将前段不均匀的浆液放出，以避免堵孔。在注浆过程中，接头处应及时进行清洗，以确保注浆过程的连贯性[5]。全部锚杆注浆完成后，要及时对注浆泵进行清洗和维护。在浆液达到初始设计强度后，安装垫板和螺母，并旋紧螺母。

6 采用锚杆台车施工自进式锚杆的效果及优缺点

6.1 使用效果及优点

（1）人员配备：在人员配备上，锚杆台车左右2 根钻臂各需1 名操作员，另需1 名辅助人员负责运送钻杆，共需要3 人。而根据施工经验，使用风枪施工自进式锚杆，相同隧道断面至少配备4把YT28风枪，每把风枪需配备人员2 名，共计8 人。在施工人员配备方面，锚杆台车相较风枪而言，可节约劳动力5人。

（2）施工速度：YT28 风枪正常工作时最大打设长度为8m，锚杆台车单臂打设1根8m 长的自进式锚杆用时11.8min，YT28 风枪打设1 根8m 长的自进式锚杆用时36min。隧道每延米施作自进式锚杆24.5根，锚杆台车两臂施工总用时144.55min，YT28 风枪按照4 台钻机同时工作，每延米用时220.5min。从施工时间上看，锚杆台车比YT28风枪节约时间75.95min。

（3）劳动强度：锚杆台车自带卸杆装置，只需人工将钻杆摆放在钻臂上，操作手使用操作台操作机器。而YT28 风枪需工人手持风枪进行钻进，卸杆时需2 名工人用2 个管钳同时工作，锚杆台车使劳动者劳动强度大大降低。

（4）施工空间：在施工空间方面，锚杆台车左右臂可根据需要升降和旋转以满足锚杆的打设角度和位置。对于高度较高的锚杆，YT28 风枪则需借助台架等工具才能完成锚杆的打设。

（5）施工安全：锚杆台车操作人员站在有支护的安全区域作业，消除了空顶作业的危险。

6.2 缺点和不足

（1）施工用水量大：锚杆台车在施工中较YT28 风枪用水量大，容易造成掌子面积水，施工中要采取有效的排水措施，做好排水工作。

（2）操作人员水平要求高：锚杆台车对操作手的操作技能要求更高。钻臂操作手的技术水平和熟练程度直接影响锚杆台车打设自进式锚杆的施工质量和施工速度。

7 结束语

自进式锚杆具有提高钻进效率、缩短施工工期、降低工程综合成本等多个优点，同时由于自进式锚杆可以任意切割或用连接套接长，因此可以在比较狭小的空间内施工，从而增强了自进式锚杆的适用性。自进式锚杆作为一种先进的锚固系统，在今后的应用肯定会更加广泛。随着机械化的发展，与其相适应的锚杆台车在国内隧道自进式锚杆施工中扮演举足轻重的角色，发挥重要的作用。