軟巖擠壓型大變形隧道錨桿施工特性及工藝優(yōu)化

郭新新1，楊鐵輪2，馬振旺1，王志偉1, 3，汪波1

(1. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2. 甘肅長(zhǎng)達(dá)路業(yè)有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030；3. 上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司 貴陽(yáng)分公司，貴州 貴陽(yáng) 550000)

摘 要：以渭武高速木寨嶺隧道大變形段為工程依托，基于對(duì)巖石可鉆性與鉆機(jī)性能間關(guān)系的分析，選擇5種不同類型的錨桿施工機(jī)具，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)鉆孔試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：低強(qiáng)度炭質(zhì)板巖擠壓型大變形隧道，旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)應(yīng)優(yōu)選額定鉆速較高的液壓型鉆機(jī)，沖擊-旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)應(yīng)優(yōu)選沖擊頻率f較高的鉆機(jī)；鉆孔深度以5 m左右為界，超過(guò)此深度，鉆孔易出現(xiàn)塌孔、卡鉆及鉆機(jī)鉆進(jìn)效率低下等問(wèn)題，建議5 m以上長(zhǎng)錨桿采用自進(jìn)式；對(duì)于5 m內(nèi)短錨桿的施工，MYT-125/330液壓錨桿鉆機(jī)施工拱頂部位錨桿的有效鉆速(除去鉆桿加長(zhǎng)耗時(shí))約0.8 m/min，YT28鉆機(jī)施工邊墻部位錨桿的有效鉆速(除去鉆桿加長(zhǎng)耗時(shí))約0.4 m/min，施工效果均較為理想；對(duì)于10 m長(zhǎng)錨桿，采用“大功率臺(tái)車式鉆機(jī)+自進(jìn)式錨桿”，施工功效可達(dá)10 m/30 min。

關(guān)鍵詞：隧道工程；軟巖大變形；錨桿施工；錨桿鉆機(jī)；功效分析

高地應(yīng)力引起的軟巖隧道擠壓型大變形課題，已成為了現(xiàn)今及后續(xù)一段時(shí)期內(nèi)建設(shè)者們必須克服的工程難題[1?3]?？v觀軟巖擠壓型大變形隧道的建設(shè)歷史，錨桿，尤指長(zhǎng)錨桿，均被用作為核心的支護(hù)措施之一。國(guó)內(nèi)著名軟巖擠壓型大變形隧道，包括家竹箐隧道[4]、躍龍門隧道[5]、木寨嶺鐵路隧道[6]等，均在大變形地段采用了8 m及以上的長(zhǎng)錨桿，并輔以其他支護(hù)強(qiáng)化措施；國(guó)外著名軟巖擠壓型大變形隧道，如日本惠那山2號(hào)公路隧道[7]、瑞士圣歌達(dá)鐵路隧道[8]和奧地利阿爾貝格公路隧道[9]等，也主要以采用“長(zhǎng)錨桿+可縮剛架”作為主要的支護(hù)措施。錨桿作為初期支護(hù)體系中唯一可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)支護(hù)效應(yīng)的支護(hù)措施，其可顯著改善錨固區(qū)(峰后)圍巖力學(xué)性能與應(yīng)力狀態(tài)，故在大變形支護(hù)過(guò)程中的重要性是不言而喻的?，F(xiàn)今各種擠壓型大變形隧道支護(hù)理念(強(qiáng)支硬頂、雙層支護(hù)和可讓式支護(hù)等)，均強(qiáng)調(diào)支護(hù)措施的及時(shí)性[10?11]。對(duì)于擠壓型大變形隧道中的錨桿支護(hù)而言，影響支護(hù)及時(shí)性的首要因素當(dāng)為鉆孔時(shí)效性。受圍巖巖性軟、巖體破碎、鉆孔孔縮等不利因素影響，極易出現(xiàn)卡鉆、掉鉆及鉆孔效率低下等問(wèn)題[12]，極大地影響了錨桿，尤其是長(zhǎng)錨桿，在大變形隧道中的成功應(yīng)用。目前隧道工程中，常用的錨桿鉆機(jī)設(shè)備按破巖方式分，主要有2種：旋轉(zhuǎn)式和沖擊?旋轉(zhuǎn)式。對(duì)于旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)影響鉆進(jìn)速度的主要控制參數(shù)為扭矩、轉(zhuǎn)速、推進(jìn)力等[13]，同時(shí)，液壓旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)的性能一般要優(yōu)于氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)。對(duì)于沖擊?旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)，其主要控制參數(shù)為沖擊功率，以氣動(dòng)式鑿巖機(jī)應(yīng)用最為廣泛[14]。實(shí)際隧道工程中，對(duì)于采用何種錨桿鉆機(jī)，一般均優(yōu)先選用大功率機(jī)型，如鉆車式錨桿鉆機(jī)，亦或僅根據(jù)普式系數(shù)f選擇鉆機(jī)，忽略了具體工程的圍巖條件，也缺乏對(duì)各控制參數(shù)適用性的評(píng)價(jià)與優(yōu)選[4]。為此，以渭武高速木寨嶺隧道為工程背景，結(jié)合對(duì)巖石的可鉆性分析，選擇適宜的錨桿施工機(jī)具，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)鉆孔試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)不同鉆機(jī)的成孔效率及錨桿施工工藝開展系統(tǒng)研究，提出擠壓型軟巖大變形隧道錨桿適宜施工機(jī)具及工藝，以期為實(shí)現(xiàn)錨桿的主動(dòng)及時(shí)支護(hù)提供實(shí)際應(yīng)用支撐。

1 工程概況

渭武高速木寨嶺隧道穿越漳河與洮河的分水嶺木寨嶺，橫跨漳縣、岷縣兩縣。隧道采用分離式設(shè)計(jì)，其中左線進(jìn)口里程ZK210+635，出口里程ZK225+856，全長(zhǎng)15 231 m；右線進(jìn)口里程K210+ 635，出口里程K225+798，全長(zhǎng)15 173 m；洞身最大埋深約 629.1 m。隧址區(qū)板巖及炭質(zhì)板巖段合計(jì)長(zhǎng)8 850 m，占全隧46.5%以上，發(fā)生大變形地段為炭質(zhì)板巖、板巖以及斷層巖(圖1)。隧區(qū)內(nèi)以水平構(gòu)造應(yīng)力為最大主應(yīng)力，方向N34°E，水壓致裂法實(shí)測(cè)最大水平主應(yīng)力達(dá)24.95 MPa。

圖1 木寨嶺公路隧道地質(zhì)縱斷面圖(右線)

Fig. 1 Geological longitudinal section map of muzhailing highway tunnel (right line)

原初期支護(hù)體系采用現(xiàn)今在擠壓型大變形隧道處治中被廣泛應(yīng)用的“及時(shí)強(qiáng)支護(hù)”體系。如2號(hào)斜井里程XK1+525～XK1+564(埋深568～597 m，薄層狀炭質(zhì)板巖)設(shè)計(jì)變更(加強(qiáng))后的初期支護(hù)體系為Φ42超前注漿小導(dǎo)管L-330 cm@40 cm；Φ42徑向全環(huán)注漿小導(dǎo)管 L-400 cm @100*60cm；?8鋼筋網(wǎng)@25*25cm(雙層)；HW200b 型鋼鋼架@60 cm(含仰拱)；C25早強(qiáng)混凝土厚30 cm。然實(shí)測(cè)的累計(jì)下沉量仍高達(dá)240～565 mm，累計(jì)收斂值637～3 145 mm；最大變形收斂速率831 mm/d，初支混凝土開裂破壞嚴(yán)重，鋼架扭曲初支變形侵限拆換段約39 m長(zhǎng)，如圖2所示。有鑒于此，提出采用以(長(zhǎng))錨桿為核心的及時(shí)主動(dòng)支護(hù)理念(預(yù)應(yīng)力)，以更好地保持圍巖的完整性，減小巖體強(qiáng)度的降低，構(gòu)建以“錨桿?圍巖”為主的支護(hù)體系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)隧道斷面位移的成功控制。

大數(shù)據(jù)技術(shù)不僅為高校全面監(jiān)測(cè)和評(píng)估大學(xué)生的生活提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，而且這種時(shí)效性與人性化特點(diǎn)突出的分析模式，多與大學(xué)生后期的成長(zhǎng)與發(fā)展同樣具有極為重要的意義[2]。以一站式數(shù)據(jù)資源平臺(tái)為基礎(chǔ)建立的數(shù)據(jù)分析體系，充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)分析手段的手勢(shì)，整合與大學(xué)生相關(guān)的飯卡消費(fèi)狀況、勤工儉學(xué)、兼職以及學(xué)習(xí)成績(jī)等相關(guān)的信息，從而達(dá)到全面和準(zhǔn)確掌握大學(xué)生信息的目的。此外，以移動(dòng)終端為基礎(chǔ)的大數(shù)據(jù)技術(shù)，不僅對(duì)大學(xué)生參與社團(tuán)、班級(jí)等相關(guān)活動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)的記錄，而且通過(guò)對(duì)大學(xué)生成長(zhǎng)情況的分析，為學(xué)校與家長(zhǎng)提供了具有針對(duì)性的建議，確保了大學(xué)生群體的健康發(fā)展。

稻鴨共育是以水田為基礎(chǔ)，在水稻田進(jìn)行家鴨野養(yǎng)的一項(xiàng)生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)，具有除草吃蟲、增肥控蘗、提高品質(zhì)、增加效益、減少污染等優(yōu)點(diǎn)，是目前較為理想的優(yōu)質(zhì)高效技術(shù)之一。同時(shí)，稻鴨共育技術(shù)的實(shí)施及示范減少了農(nóng)藥和化肥用量，保護(hù)了環(huán)境，提高了農(nóng)民的收入，也滿足消費(fèi)者對(duì)綠色食品、無(wú)公害農(nóng)產(chǎn)品的需求。為有效控制水稻蟲害，提高水稻害蟲的控制水平，減少農(nóng)藥在稻米和環(huán)境中的殘留，保障稻米質(zhì)量安全，于2007～2011年推廣實(shí)施稻鴨共育技術(shù)，取得了顯著的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。

圖2 K1+525~K1+564左邊墻~左拱腰初期支護(hù)變形

Fig. 2 Initial support deformation of k1+525~k1+564 left side wall~left arch waist

2 鉆孔特性分析

2.1 巖石特性

木寨嶺公路隧道區(qū)域內(nèi)，除石炭系砂巖及灰?guī)r為硬質(zhì)巖外，二疊系炭質(zhì)板巖、砂巖均為較硬巖，單軸飽和抗壓強(qiáng)度很難達(dá)到 30 MPa 以上；古近系砂礫巖、泥巖均為軟巖。鑒于木寨嶺公路隧道大變形段圍巖以炭質(zhì)板巖為主，如圖3所示，故后續(xù)分析以其為對(duì)象進(jìn)行。

木寨嶺公路隧道炭質(zhì)板巖巖性致密，結(jié)構(gòu)細(xì)。單軸飽和抗壓強(qiáng)度15~30 MPa，力學(xué)特性上表現(xiàn)為微膨脹性，遇水易軟化，隧道開挖臨空后，圍巖易發(fā)生塑性變形而擠入?？傮w上，該炭質(zhì)板巖在巖性上表現(xiàn)為強(qiáng)度低、塑性高、組成顆粒細(xì)膩、微膨脹性和遇水易軟化等特性，結(jié)合高地應(yīng)力、巖體破碎及水鉆(鉆孔)工藝等不利因素影響，預(yù)計(jì)鉆孔過(guò)程中將不可避免且極易出現(xiàn)鉆進(jìn)慢、塌孔、孔徑縮小和卡鉆等現(xiàn)象。

比喻要新穎別致，才能讓人難以忘懷?！秹毫馇颉芬徽n中，馬老師讓學(xué)生用吹氣球的方式把自己的思緒理一理，覺(jué)得有壓力的事兒，就往氣球里吹一口氣：帶給你的壓力大，就吹猛一點(diǎn)；壓力小，就吹輕一點(diǎn)；如果沒(méi)有什么壓力，可以不吹。這樣的活動(dòng)吸引了學(xué)生，大家紛紛投入其中。接下來(lái)的分享交流讓學(xué)生明了：大家都有壓力，壓力是可以承受的，壓力的釋放很重要。在緊張的高三學(xué)習(xí)中，有這樣一個(gè)溫馨別致的活動(dòng)，心情會(huì)好許多。這一課將成為學(xué)生高三生涯的驛站，讓大家調(diào)整后再出發(fā)。

圖3 典型炭質(zhì)板巖(薄層狀)

Fig. 3 Typical carbonaceous slate (thin layer)

2.2 鉆機(jī)動(dòng)力參數(shù)與鉆進(jìn)速度

常用錨桿鉆機(jī)破巖方式有2種：旋轉(zhuǎn)式和沖擊?旋轉(zhuǎn)式。

對(duì)于旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)，影響鉆進(jìn)速度的主要因素為轉(zhuǎn)速N，推進(jìn)力F和回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩M。

鉆機(jī)的適宜轉(zhuǎn)速N與巖石的普氏系數(shù)有關(guān)[15]：

(1)

式中：C為切削速度常數(shù)，6 000~10 300 mm.r/min；D為鉆頭直徑，mm；f為巖石普氏硬度系數(shù)。根據(jù)2.1節(jié)，取C=10 300 mm?r/min(軟巖)，f=5，D=32 mm，計(jì)算得到最優(yōu)額定轉(zhuǎn)速N=364 r/min。

卡爾·奧韋·克瑙斯高：在你有所準(zhǔn)備或只把音樂(lè)當(dāng)背景時(shí)，便能輕松抵抗音樂(lè)的影響，因?yàn)樗菃渭兊摹⒉豢燎蟮?、傷感的；但是在沒(méi)有準(zhǔn)備的情況下，就像現(xiàn)在，或是認(rèn)真去聽，它會(huì)直抵內(nèi)心……那正是我想寫作的原因，也是唯一的原因，我想去觸動(dòng)音樂(lè)觸動(dòng)的東西。人聲里的哀慟和悲傷、喜悅和歡樂(lè)，我想去喚起世界贈(zèng)予我們的一切。

鉆機(jī)的適宜推力F，其與侵入巖石深度h存在下述關(guān)系[16]：

(2)

式中：k為侵入系數(shù)，t/mm；m為常數(shù)，0.5~2，軟巖取1。而鉆(進(jìn))速(度)v與侵入巖石深度h和轉(zhuǎn)速N間則存在如下關(guān)系：

(3)

現(xiàn)設(shè)定目標(biāo)鉆速v=1 m/min=0.016 7 m/s，根據(jù)文獻(xiàn)[16]，f=5，取k=5 500 N/mm2，計(jì)算得F= 7.55 kN。

鉆機(jī)的適宜轉(zhuǎn)矩M[17]，一般指鉆進(jìn)過(guò)程中鉆頭受到的阻力轉(zhuǎn)矩，計(jì)算公式如下：

(4)

式中：k′為側(cè)面剪切系數(shù)，；τp為巖石抗剪強(qiáng)度，Pa；μ為摩擦因數(shù)。根據(jù)地勘資料木寨嶺炭質(zhì)板巖取τp=65 N/mm2，μ=0.17，得到M=57.92 N?m。

上述分析可看出，木寨嶺公路隧道特點(diǎn)地質(zhì)條件下，選定鉆孔直徑D=32 mm，旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)適宜參數(shù)指標(biāo)為：轉(zhuǎn)速N=364 r/min；推力F=7.55 kN；轉(zhuǎn)矩M=57.92 N?m。

對(duì)沖擊?旋轉(zhuǎn)式，影響鉆進(jìn)速度的因素，主要是沖擊功率P(沖擊能e和沖擊頻率f)。文獻(xiàn)[18]給出了鐵路隧道一般巖石、釬頭直徑 40 mm 時(shí)的鉆速計(jì)算公式：

(5)

式中：kd為釬頭直徑修正系數(shù)，40 mm，kd=1；38 mm，kd=1.324；42 mm，kd=0.907。kd為壓氣壓力對(duì)鑿碎比功影響的修正系數(shù)，當(dāng)壓氣壓力為 0.63 MPa，kd=1。但實(shí)際工程中，對(duì)于沖擊?旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)鉆進(jìn)，存在最優(yōu)沖擊頻率與沖擊能。主要基于下述2點(diǎn)：一為如功率過(guò)高，巖渣無(wú)法及時(shí)排出，堆積于底部，吸收沖擊能量；二為如沖擊頻率過(guò)高，破巖過(guò)程不充分。

企業(yè)的發(fā)展，凝結(jié)著無(wú)數(shù)基層員工群眾的智慧和汗水，在倡導(dǎo)政治待遇和經(jīng)濟(jì)待遇的同時(shí)，更應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)情感待遇。所謂情感待遇，就是領(lǐng)導(dǎo)者以真摯的情感，通過(guò)雙向交流和溝通，增強(qiáng)與員工之間情感聯(lián)系和思想溝通，平衡心理需求，建立和諧融洽的關(guān)系。注重情感待遇，是以人為本、適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的新型思想政治工作模式，著力構(gòu)建尊重人、關(guān)心人、理解人的人文環(huán)境和生動(dòng)活潑、團(tuán)結(jié)和諧的工作生活氛圍，使廣大員工能夠快樂(lè)工作、幸福生活。

3 現(xiàn)場(chǎng)鉆孔試驗(yàn)

隧道錨桿施工，目前仍舊以獨(dú)立式鉆機(jī)為主，其一為單體式鉆機(jī)，二為鉆車式鉆機(jī)。為此，結(jié)合對(duì)木寨嶺隧道圍巖地質(zhì)、施工特點(diǎn)(三臺(tái)階)及鉆機(jī)動(dòng)力參數(shù)與鉆速間關(guān)系的分析，共計(jì)選擇5種鉆孔機(jī)具。旋轉(zhuǎn)式單體鉆機(jī)選擇礦山隧道應(yīng)用最廣的MQT-130/3.2氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)和MYT-125/330液壓錨桿鉆機(jī)；沖擊?旋轉(zhuǎn)式單體鉆機(jī)選擇YG80導(dǎo)軌式鑿巖機(jī)(大功率)和YT28型氣腿式鑿巖機(jī)(公路隧道應(yīng)用最廣)；鉆車式鉆機(jī)選擇四川鉆神ZLS-120。

其中，裝藥比ξ1=mex/(mpb+M0)。該模型相當(dāng)于不區(qū)分第1和第2個(gè)階段，因此第2階段的瞬時(shí)速度v1=v0。

3.1 旋轉(zhuǎn)式單體鉆機(jī)

采用旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)打設(shè)φ32 mm鉆孔，根據(jù)第2.2節(jié)計(jì)算，鉆孔直徑D=32 mm時(shí)，旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)適宜參數(shù)指標(biāo)為：轉(zhuǎn)速N=364 r/min；推力F=7.55 kN；轉(zhuǎn)矩M=57.92 N?m。表1~2分別為MQT-130/3.2氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)和MYT-125/330液壓錨桿鉆機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)，可看出，二者的關(guān)鍵參數(shù)除鉆速較低外均能符合計(jì)算參數(shù)值。

表1 MQT-130/3.2氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)關(guān)鍵參數(shù)

Table 1 Key parameters of MQT-130/3.2 pneumatic anchor drill

基本性能參數(shù) 整機(jī)重量/kg工作壓力(氣壓)/MPa額定轉(zhuǎn)速N/(r?min?1)最大推力F/kN額定轉(zhuǎn)矩M/(N·m) 550.632608150

注：適用于f≤10的各種煤巷、半煤巖巷、巖巷的錨護(hù)作業(yè)。

表2 MYT-125/330液壓錨桿鉆機(jī)參數(shù)

Table 2 Parameters of MYT-125/330 hydraulic anchor drill

基本性能參數(shù) 整機(jī)重量/kg工作壓力(液壓)/MPa額定轉(zhuǎn)速N/(r?min?1)最大推力F/kN額定轉(zhuǎn)矩M/(N?m) 531533012125

注：適用于f≤8的各種煤巷、半煤巖巷、巖巷的錨護(hù)作業(yè)。

MQT-130/3.2氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔試驗(yàn)共開展2次。試驗(yàn)例1，木寨嶺隧道2號(hào)斜井里程K1+ 710，炭質(zhì)板巖，拱頂沉降382 mm，于右邊墻部位，鉆φ32 mm孔，0~3 m耗時(shí)約8 min，3~4 m出現(xiàn)嚴(yán)重卡鉆，無(wú)法繼續(xù)；試驗(yàn)例2，同一位置，鉆進(jìn)4 m，鉆桿折斷。

MYT-125/330液壓錨桿鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔試驗(yàn)共開展2次。試驗(yàn)例1，木寨嶺隧道2號(hào)斜井里程K1+ 717，炭質(zhì)板巖，巖體破碎，拱頂沉降376 mm，于拱頂部位，鉆5 m深φ32 mm孔，共計(jì)10個(gè)，每孔耗時(shí)8~10 min，有效鉆速(除去鉆桿加長(zhǎng)耗時(shí))約0.8 m/min；試驗(yàn)例2，木寨嶺隧道2號(hào)斜井里程K1+720，炭質(zhì)板巖，巖體破碎，拱頂沉降368 mm，于拱頂部位，鉆10 m深φ32 mm孔，共計(jì)1個(gè)，耗時(shí)約 1 h。

總體而言，MYT-125/330液壓鉆機(jī)施鉆效率明顯要高，究其原因應(yīng)為關(guān)鍵參數(shù)?轉(zhuǎn)速(330 r/min，260 r/min)的差異，結(jié)合巖性分析，表明軟巖隧道(f<5)優(yōu)選額定轉(zhuǎn)速高的旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)。對(duì)于長(zhǎng)錨孔的施工，MQT-130/3.2不具備適用性；MYT-125/330的效率不高，同時(shí)其只可施工拱頂部位(基本不存在返渣問(wèn)題)的錨桿，適用性亦不高。

3.2 沖擊?旋轉(zhuǎn)式單體鉆機(jī)

沖擊旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)的關(guān)鍵鉆進(jìn)參數(shù)主要為沖擊能e和沖擊頻率f，表3~4分別給出了YG80導(dǎo)軌式鑿巖機(jī)和YT28氣腿式鑿巖機(jī)的關(guān)鍵性能參數(shù)。

從課程導(dǎo)入開始，課堂教學(xué)就已經(jīng)交給了學(xué)生。在每一個(gè)環(huán)節(jié)中教師引導(dǎo)學(xué)生闡明自己的觀點(diǎn)和看法，其他學(xué)生觀察、思考、討論、補(bǔ)充說(shuō)明。讓學(xué)生都有發(fā)言的機(jī)會(huì)，教師與學(xué)生共同類比、分析、歸納、綜合，得出正確結(jié)論。教師在整個(gè)課堂教學(xué)中起到穿針引線的作用，并以多媒體及導(dǎo)圖式板書，層層遞進(jìn)實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)。

表3 YG80鑿巖機(jī)參數(shù)

Table 3 YG80 rock drill parameters

基本性能參數(shù) 整機(jī)重量/kg工作壓力(氣壓)/MPa沖擊能量e/J沖擊頻率f/Hz 690.6321532

注：適用于中硬或堅(jiān)硬(f=8~18)巖石的多方位巖孔。

表4 YT28鑿巖機(jī)參數(shù)

Table 4 YT28 drill parameters

基本性能參數(shù) 重量/kg工作氣壓/MPa沖擊能量e/J沖擊頻率f/Hz 260.63≥ 70≥ 37

注：適用于中硬或堅(jiān)硬(f=8～18)巖石上鉆鑿水平或傾斜方向炮孔或錨桿孔。

YG80鑿巖機(jī)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔試驗(yàn)共開展1次。木寨嶺隧道2號(hào)斜井里程K1+725，炭質(zhì)板巖，巖體破碎，拱頂沉降348 mm，于左邊墻部位，鉆7.5 m深(極限深度)φ50 mm孔，共計(jì)1個(gè)，耗時(shí)1 h。鉆孔過(guò)程顯示，巖層大多表現(xiàn)為軟弱堅(jiān)硬夾層互層，鉆進(jìn)過(guò)程中需放緩鉆速，出現(xiàn)卡鉆趨勢(shì)時(shí)，應(yīng)停止鉆進(jìn)，反復(fù)掏孔空鉆，清除碎渣，而后方可繼續(xù)鉆進(jìn)，孔深度超5~6 m時(shí)，卡鉆趨勢(shì)愈發(fā)明顯。

YT28鑿巖機(jī)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔試驗(yàn)共開展2次。試驗(yàn)例1，木寨嶺隧道2號(hào)斜井里程K1+728，炭質(zhì)板巖，巖體破碎，拱頂沉降344 mm，于右邊墻部位，鉆4.5~5 m深φ42 mm孔，共計(jì)3個(gè)，每孔平均耗時(shí)約15~20 min，有效鉆速(除去鉆桿加長(zhǎng)耗時(shí))約0.4 m/min；試驗(yàn)例2，木寨嶺隧道2號(hào)斜井里程K1+730，炭質(zhì)板巖，巖體破碎，拱頂沉降346 mm，于右邊墻部位，鉆10 m深φ42 mm孔，共計(jì)4個(gè)，耗時(shí)分別為1，1.5，1.4和2 h，其中3個(gè)鉆孔無(wú)法成功塞入錨桿。表5給出了1 h耗時(shí)的具體功效。表5所示，0~3 m耗時(shí)8 min，3~6 m耗時(shí)16 min，6~10 m耗時(shí)36 min，表明隨鉆進(jìn)深度增加每延米的成孔耗時(shí)逐漸增大。

表5 10 m鉆孔功效表

Table 5 10 m drilling efficiency table

序號(hào)長(zhǎng)度/m項(xiàng)目釬桿 耗時(shí)/min 第1根3鉆進(jìn)78 加連接套1 第2根3鉆進(jìn)1416 加連接套2 第3根4鉆進(jìn)3636 總耗時(shí)(含鉆孔定位時(shí)間)60

總體而言，YT28鉆效率明顯要高，究其原因主要為沖擊頻率和沖擊能的差異，結(jié)合巖性分析，表明軟巖隧道(f<5)中較高的沖擊頻率可提升鉆孔效率，但沖擊能不宜提升過(guò)多，以免不利于鉆渣排出。對(duì)于10長(zhǎng)錨孔的施工，YG80鉆不具備適用性；YT28鉆的效率亦不高，超1 h，同時(shí)邊墻處的成孔率(該處特指可順利塞入錨桿)低。

本文利用數(shù)字仿真技術(shù)對(duì)運(yùn)載器數(shù)字樣機(jī)和制造資源開展構(gòu)建，構(gòu)造了虛擬裝配環(huán)境，規(guī)劃運(yùn)載器的裝配路徑并完成裝配過(guò)程碰撞檢查，在虛擬裝配仿真過(guò)程中引入人的因素，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人的裝配動(dòng)作仿真，驗(yàn)證了操作過(guò)程的合理性和裝配資源可達(dá)性；對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行工程判讀，并根據(jù)需求進(jìn)行優(yōu)化，研究了可視化工藝文件在工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

在創(chuàng)造了眾多機(jī)遇的同時(shí)，供給側(cè)改革也為新一輪國(guó)有企業(yè)的改革和發(fā)展增加了很多挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

3.3 四川鉆神ZLS-120

對(duì)于5 m左右的鉆孔，液壓錨桿鉆機(jī)和YT28鑿巖機(jī)均有很好的施鉆效率，可滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需求，但對(duì)10 m左右的長(zhǎng)錨桿，耗時(shí)普遍較長(zhǎng)，同時(shí)鉆孔成功率低，為此選用大功率的機(jī)載式四川鉆神ZLS-120(選擇式)配以自進(jìn)式工藝，鉆機(jī)關(guān)鍵參數(shù)如表6所示。

木寨嶺隧道2號(hào)斜井里程K1+735，炭質(zhì)板巖，巖體破碎，拱頂沉降341 mm，于右邊墻部位，采用自進(jìn)式工藝，施打φ32，10 m長(zhǎng)錨桿2根，耗時(shí)分別為28 min和27 min。具體功效如表7所示。圖4為鉆孔處圍巖巖性，圖5為所用錨桿與鉆頭。

表6 鉆神ZSL-120關(guān)鍵參數(shù)

Table 6 Key parameters of drilling Shen ZSL-120

基本性能參數(shù) 整機(jī)重量/kg額定功率/kW額定轉(zhuǎn)矩/(N?m)額定轉(zhuǎn)速/(r?min)最大推力/kN 約5 000374 000(最大)約500~20(可調(diào))

表7 “鉆神+自進(jìn)式錨桿”功效表

Table 7 “Drilling Shen+Self-propelled Bolt” efficiency table

序號(hào)項(xiàng)目10 m錨桿110 m錨桿2 耗時(shí) 第1根鉆進(jìn)2 m 36 s5 m 36 s3 m 40 s4 m 47 s 加連接套3 m1 m7 s 第2根鉆進(jìn)2 m 40 s3 m 40 s2 m 40 s3 m 45 s 加連接套1 m1 m 5 s 第3根鉆進(jìn)3 m 10 s5 m 18 s2 m 48 s3 m 56 s 加連接套2 m 8 s1 m 08s 第4根鉆進(jìn)3 m 51 s4 m 46 s3 m 17 s4 m 32 s 加連接套55 s1 m 15 s 第5根鉆進(jìn)3 m 33 s3 m33 s4 m 32 s4 m 32 s 總耗時(shí)(含鉆孔定位時(shí)間)28 min27 min

圖4 K1+735左側(cè)邊墻圍巖

Fig. 4 Surrounding rock of K1+735 left side wall

鉆進(jìn)試驗(yàn)表明，大功率液壓旋轉(zhuǎn)式鉆車配以自進(jìn)式施工工藝，可較好地實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)錨桿的快速施工，且施工功效明顯優(yōu)于單體鉆機(jī)，同時(shí)鉆進(jìn)過(guò)程平穩(wěn)，穩(wěn)定性佳。故此，建議長(zhǎng)錨桿應(yīng)選用自進(jìn)式，鉆機(jī)選擇大功率的錨桿鉆車。

圖5 自進(jìn)式錨桿

Fig. 5 Self-propelled bolt

4 結(jié)論

1) 軟巖擠壓型大變形隧道，旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)的控制性參數(shù)指標(biāo)為轉(zhuǎn)速，應(yīng)優(yōu)選額定鉆速較高的液壓型鉆機(jī)；沖擊?旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)的控制性指標(biāo)為沖擊頻率f，應(yīng)優(yōu)選沖擊頻率高的鉆機(jī)，且沖擊能不宜過(guò)大。

2) 木寨嶺特定地質(zhì)條件(炭質(zhì)板巖、f<5)，基于各類鉆機(jī)施鉆成孔過(guò)程分析，超5 m深度時(shí)，鉆孔易出現(xiàn)塌孔、卡鉆及鉆機(jī)鉆進(jìn)效率低下等問(wèn)題，建議5 m以上長(zhǎng)錨桿優(yōu)選自進(jìn)式。

3) 5 m內(nèi)短錨桿的施工，MYT-125/330液壓錨桿鉆機(jī)施工拱頂部位錨桿的有效鉆速(除去鉆桿加長(zhǎng)耗時(shí))約0.8 m/min，YT28鉆施工邊墻部位錨桿的有效鉆速(除去鉆桿加長(zhǎng)耗時(shí))約0.4 m/min；10 m長(zhǎng)錨桿施工，可采用大功率臺(tái)車式鉆機(jī)+自進(jìn)式錨桿，施工功效30 min/根以內(nèi)。

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Optimization of construction machine and technology of bolt for large squeezing deformation tunnel in soft rock

GUO Xinxin1, YANG Tielun2, MA Zhenwang1, WANG Zhiwei1, 3, WANG Bo1

(1. Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2. Gansu Changda Highway Co., Ltd, Lanzhou 730030, China;3. Guiyang Branch of Shanghai General Institute of Political Engineering Design and Research (Group) Co., Ltd, Guiyang 550000, China)

Abstract: Based on the large deformation section of Muzhailing Highway Tunnel and the analysis of the relationship between rock drillability and drilling rig performance, five different types of bolt construction tools were selected to conduct field drilling tests. The results show that in large squeezing deformation tunnel of low strength carbonaceous slate, rotary drilling rig should select hydraulic drilling rig with higher rated drilling speed, and impact-rotary drilling rig should select drilling rig with higher impact frequency f; The drilling depth should be about 5 m. Once this depth is exceeded which problems such as hole collapse, sticking and low drilling efficiency can easily occur in drilling. It is suggested that self-propelled anchor rods above 5 m should be adopted. For the construction of short bolts within 5 m, the effective drilling speed of MYT-125/330 hydraulic anchor drill is about 0.8 m/min at the vault top and 0.4 m/min at the side wall of YT28 drill, and the construction effect is ideal;For the 10 m long bolts, the construction work of “high-power trolley drill+self-propelled bolt” is adopted. The effect can reach 10 m/30 min. The research results can provide a reference for the selection of bolt tools in large deformation tunnel.

Key words:tunnel engineering; large deformation of soft rock; bolt construction; bolt drilling machine; efficiency analysis

中圖分類號(hào)：U451

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672 ? 7029(2020)04 ? 0924 ? 07

DOI: 10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190547

收稿日期：2019?06?20

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51578456，51878571)；甘肅省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(19ZD2GA005)

通信作者：汪波(1975?)，男，安徽郎溪人，教授，博士，從事隧道工程研究；E?mail：ahbowang@163.com

(編輯 陽(yáng)麗霞)