刘红伟 阮国见 王众乐
[摘 要]：文章以丽香铁路中义隧道为例，介绍了预应力树脂锚杆施工机械设备及其施工工艺，分析对比了在不同施工节点安装预应力树脂锚杆的优缺点，计算了每延米锚杆材料成本与施工成本。
[关键词]：预应力树脂锚杆; 机械设备; 施工工艺
U 455.7+1A
控制隧道围岩变形速率与累计变形量一直以来是个困扰复杂地质条件下隧道施工的难题。尤其是在我国的西南地区，山地地形占据多数，地质条件复杂，构造运动强烈，在这些地方修建隧道工程，往往面临严峻的大变形问题[1-2]，严重威胁施工人员安全，阻滞施工进度。应对大变形危害，工程中常常采用喷射混凝土、钢拱架、预应力锚杆（索）等主动支护措施[3]。
不同于喷射混凝土和型钢拱架，预应力锚杆的安装施工对于施工机械装备的要求更高，经过一段时期的发展，已经形成了锚杆钻机和智能锚杆台车2类能应对不同工作面要求的较为完备的装备体系。
本文旨在以中义隧道为例，对预应力树脂锚杆施工配套装备及施工工艺进行介绍，并分析施工成本。
1 施工装备
锚杆施工所采用的施工装备应与现场的施工方法，作业面条件相适应。在台阶法施工的隧道中，主要采用锚杆钻机进行钻孔。在机械化施工的大断面隧道中，主要采用锚杆台车进行钻孔。施工采用三台阶法，钻孔主要是锚杆钻机。
1.1 锚杆钻机
在锚杆支护发展的不同时期，国内外出现了多种不同形式和规格的锚杆钻机，如图1所示。
按锚杆钻机与掘进机的关系分为独立式和机载式。独立式锚杆钻机与掘进机是分开的，又分单体式和钻车式。单体锚杆钻机轻便、灵活，适用范围广;钻车式锚杆钻机机械化程度高、扭矩大、功率大、钻进速度快，但一般适用于巷道断面大或多巷布置的条件。
机载式锚杆钻机分为掘进机载锚杆钻机和掘锚联合机组。前者是在现有掘进机上配置1～2台锚杆钻机，以实现掘锚一体功能;后者是将掘进与锚固功能一体化设计，制造出兼顾掘进与锚固的掘锚联合机组，是隧道快速高效掘进技术的发展方向。
按锚杆钻机动力源分为气动、液压和电动式。按锚杆钻机破岩方式分为旋转式、 冲击式和冲击—旋转式。
1.2 锚杆台车
在适合大型机械化施工的隧道中，锚杆施工可采用锚杆台车，是主要用于钻凿锚杆孔并完成部分或全部锚杆安装工序的自移式专用设备。目前，国内已研发有系列的功能齐全、自动化程度高的智能型锚杆台车装备，如XD20智能型锚杆台车、MTZ141智能型锚杆台车等，可实现锚杆施工的高度机械化、智能化，减轻了工人劳动强度，提高了工作效率和施工质量。
1.2.1 XD20智能型锚杆台车
XD20智能型锚杆台车（图2）可实现钻、装、注一体化作业，台车配有1个工作臂和1个辅臂，主要由钻、装、注一体化执行装置，底盘，控制系统，防卡钻系统，水气回路系统，动力系统等组成。作业臂主要用来完成钻孔作业的姿态角度调整，辅臂可用来完成钻孔作业过程中辅助工作以及隧道内的一切高空作业，比如安装通风管路等。
1.2.2 MTZ141智能型锚杆台车
MTZ141智能型锚杆台车（图3）可满足国内大多数隧道的锚杆施工要求，具有钻、锚、注和钻、注、锚2种自动化施工模式，主要由锚杆单元、底盘与传动系统、柴电双动力系统、智能控制系统、水气润滑系统、智能注浆系统等组成。具有设计数据导入、自动移臂钻孔、自动钻锚注、智能注浆、自动记录施工日志等功能，台车配备一臂一篮，不仅可完成隧道内锚杆的全工序自动化施工，还可满足铁路双线隧道无死角高空作业。
2 施工工艺
2.1 施工方法
根据现场围岩情况，树脂锚杆施工段采取三台阶开挖工法，上、中、下台阶同时开挖，下台阶左、右错开单侧开挖;为尽量不影响开挖循环时间，树脂锚杆从中、下台阶开始施作，并同步与立拱左、右侧交替进行（下台阶部分锚杆在初支后补打），上台阶在初期支护后在中台阶利用台架适时施工。
三台阶法（图4）上台阶高度2.2 m，长度4～6 m，中台阶高度为2.78 m，长度为4～6 m，下台阶高度均为3.58 m，为确保后续喷混凝土、仰拱施工快速平行开展，仰拱采取单独开挖方式。
2.2 锚杆施作时机
锚杆施作可在开挖后直接安装或者在钢拱架安装之后安装、亦可在喷射混凝土施作后打设。在不同时间点施工，各有优缺点。
开挖后即开始打设锚杆，因围岩破碎，受打孔扰动影响坍塌严重，不仅造成大量超挖，而且工人直接暴露在围岩下施工，危险性高。围岩面不平整不利于锚杆垫板紧贴，锚杆受力条件变差，减弱它的抗外载能力;另外工序循环时间将延长2～3 h（图5）。
立架后打设，且将锚垫板锚固在工字钢上受力。虽然可以避免坍塌给施做带来安全的危险，但是坍塌体全部集中在拱架背后，无法清理，最后造成拱架背后和拱脚大量虚渣。另外工序循环时间将延长1～2 h（图6）。
喷混凝土后打设，优点能够保证不增加对围岩的破坏，且因初支面大致平整，易于保证锚垫板的安装质量和螺母拧紧。此时打设避免和立架、锁脚施工冲突，但因交叉作业影响，最终工序时间增加1 h左右。从锚杆安装效果与效率出发应优先选择此时安装锚杆（图7）。
2.3 锚杆施工流程
预应力树脂锚杆的安装一般分7步完成，具体步骤：
（1）隧道开挖完成后，进行必要的安全排查。
（2）由现场技术管理人员确定树脂锚杆具体打设位置，并做出明显标识，锚杆施作地点应尽量靠近掘进工作面，围岩较平整，确保锚杆垫板能夠与围岩密贴的位置;如果打设后出现掉块现象，导致垫板不能密贴，需在安装好锚杆后施加预应力前采用人工对锚杆垫板周边围岩进行修整;试验锚杆应避开后续初支钢架安装，尽量设置于初支拱架纵向间距中间部位。
（3）施钻。采用钻机（根据孔径、部位确定钻机型号）进行钻孔，钻孔过程中技术员做好钻孔直径、钻孔深度、钻孔时间等相关记录。
（4）清孔。施钻完成后，利用高压风对孔内虚碴进行清理，确保孔底无虚碴、冲洗液等杂物。
（5）树脂锚固剂安装。将树脂锚固剂放入孔中，树脂锚固剂使用数量为2节/孔，用PVC管将其慢慢推到孔底。
（6）安装锚杆、垫板及螺母。用锚杆钻机将锚杆边旋转边推进到孔底，然后再旋转20～30 s停止;等待30 s后，退下锚杆钻机，先安装垫板和螺母，再进行高速旋转。
（7）施加预应力。使用重型风炮机扭紧锚杆螺母，再使用扭力扳手（带数值刻度）进行检查预应力值，确保锚杆达到设计预应力力矩。
3 施工工效和成本
3.1 施工工效
由表1中对比可以看出，在一个标准循环中，安装树脂锚杆用时15 h，不安装树脂锚杆用时14 h。安装树脂锚杆实际用时超出预计标准时间35 min，树脂锚杆占整个循环用时7%左右。未安装树脂锚杆循环时间较标准时间缩短7 min。时间偏差可能与树脂锚杆钻孔过程中发生的卡钻有关，相关工艺与设备存在进一步优化的空间。此外立架与安装锁脚及锚杆时均存在出标准用时现象，应注意加强对工人的安全保护。
3.2 施工成本
测算树脂锚杆材料及人工成本于表2和表3。6.5 m长的树脂锚杆材料费为每延米55.016元，施工成本为每延米104.12元;3.5 m长的树脂锚杆材料费为每延米67.15元，施工成本为每延米116.25元。
4 结束语
隧道锚杆安装施工机械经过发展已经形成了由锚杆钻机与锚杆台车两大类组成的能适应不同工作面的体系。本文以丽香铁路中义隧道为例，介绍了预应力树脂锚杆的施工工艺，分析对比了不同时刻安装锚杆的优缺点，并测算了材料与人工成本。
参考文献
[1] 李贵民.丽香铁路玄武岩隧道大变形段施工控制技术[J].隧道建设（中英文），2018，38（S1）：167-174.
[2] 崔光耀，王雪来，王明胜.高地应力深埋隧道断裂破碎带段大变形控制现场试验研究[J].岩土工程学报，2019，41（7）：1354-1360.
[3] 田四明，吴克非，刘大刚，等.软弱围岩隧道变形控制主動支护理念及技术[J].铁道学报，2021，43（6）：158-164.
猜你喜欢 机械设备施工工艺 机电安装工程电气施工工艺及其控制管理探究河南科技(2022年8期)2022-05-31山区峡谷大跨径桁式钢管混凝土施工工艺浅析交通科技与管理(2022年9期)2022-05-24风景园林施工关键技术措施及施工工艺分析电子乐园·下旬刊(2021年7期)2021-07-07水中灌注桩施工工艺探讨科学与财富(2021年36期)2021-05-10食品机械设备的维修管理策略科技创新导报(2021年31期)2021-05-10地铁信号系统车站施工工艺研究科学家(2021年24期)2021-04-25电气设备安装技术重点及施工工艺探讨电子乐园·下旬刊(2021年3期)2021-02-08装卸机械设备的维修和保养问题浅谈数码世界(2019年6期)2019-09-09论提升工程施工机械设备管理水平的研究分析大陆桥视野·下(2017年9期)2017-09-17浅析建筑安装企业中机械设备管理城市建设理论研究(2012年22期)2012-09-06