隧道锁脚锚管预注浆台架设计与应用
时间：2023-06-20 14:55:06 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
刘章宝、颜维贵
（1.甘肃路桥公路投资有限公司，甘肃 兰州 730030；
2.中铁十四局集团第三工程有限公司，山东 济南 250300）
随着《国家综合立体交通网规划纲要》印发、交通强国建设步伐加快，对我国西部地区交通运输高质量发展提出了更高要求，西部地区高速公路建设速度、规模即将跑出新的“加速度”。黄土隧道施工难度大，主要体现在围岩整体性差、松散，开挖易受扰动，遇水易失稳、沉降，超欠挖、钢拱架沉降、仰拱基底虚渣、渗水等质量通病防治难度较大，各类锚管无法注浆，渗水引排困难且极易引起沉降，由于开挖扰动导致初支钢拱架安装难度大，危险系数高，要求工人快速、精准、牢固完成钢拱架安装。隧道锁脚锚管是隧道初支施工过程中在拱部和边墙施工作业的一种锚头端与钢拱架牢固焊接，并按力学平衡设计的一种具有一定长度、直径、倾斜角和数量的预注浆锚管，其刚度越大，提供的承载力越大[1]。由于黄土质地密实，空隙较小，全长黏结性锚杆无法施作，同时，为了不减弱锚杆支撑力和刚度，设计采用了预注浆锚管[2]。
公路黄土隧道台阶法施工过程中，由于围岩受机械开挖扰动，原有稳定性被破坏，不同程度松弛变形，导致初支钢拱架承受的围岩压力增大，未成环阶段整体不稳定性增加，节段安装过程安全隐患增大，锁脚锚管通过支承作用将初期支护和围岩联结成整体[3]，有效改善了支护效果，增加了台阶段初支的稳定性和作业环境的安全性。同时，为了钢拱架安装方便，拱脚处于悬空状态，采用临时垫块支撑后仍不密实，致使初支结构由无铰拱转变为悬臂梁结构，降低了承载力，易引发初支沉降和收敛变形，锁脚锚管的应用将钢拱架承受的松动层围岩压力传递给更稳定的深层围岩[4]，加固了围岩，增加了围岩的稳定性。
以S36 临康广高速公路建设项目象山隧道为例说明，象山隧道穿越黄土山梁，山梁周围沟道较发育，两个浅埋段冲沟都有常流地表水，地下水主要为黄土裂隙孔隙水、松散岩类孔隙潜水和碎屑岩类裂隙层间水，泥岩段为贫水区，中下更新统圆砾分布区为贫水区～弱富水区，断层带为中等富水区；
隧道围岩类型主要为上更新统风积黄土、冲积粉质黏土，中下更新统冲湖积粉质黏土、圆砾，下更新统冲积钙质胶结圆砾，基岩为新近系上新统临夏组泥岩，围岩级别Ⅴ级。在自重应力的作用下围岩强度应力比较小，主要表现为软岩局部的收敛变形、拱顶掉块和侧壁膨胀等；
开挖过程中易出现洞壁岩体位移，成洞性差，基坑有隆起现象。
设计锁脚锚管L＝4.0m，φ＝42mm，前端缩尖15cm，以30～45°夹角斜向下打入围岩，以控制拱脚沉降；
左、右拱脚部位锁脚锚管设置在距离钢拱架底端0.4～0.6m 处，采用两个φ22U 型圆钢包裹并与钢架堆焊为一体，采用预注砂浆方式增大锚管刚度，施工过程中要求预注砂浆饱满、密实。
锁脚锚管传统注浆方式采用人工自流式灌注法，面对小管径长锚管，无法振动，孔内浆体中易出现空气包、空隙，导致注浆不密实，锚管刚度不能保证；
同时，人力消耗多，工效慢，占用场地多，材料浪费大，经济效益低下，易污染环境。
S36 临康广项目根据锁脚锚管设计指标及预注砂浆要求，优化工艺工法，创新设计研发了半自动化固定台架，集中批量进行锁脚锚管预注浆生产，该台架操作简易，安全可靠，加工效率高，节省人力，预注砂浆饱满、密实，满足设计对质量的要求。
2.1 台架结构设计
该台架为自带钢斜扶梯且具备自动灌浆与振动密实功能的悬空操作平台，如图1所示。该作业平台占地面积小，包括半成品空管转运、成品锚管存放，仅需100m2即可；
作业中仅需3 名工人就能完成全过程操作，如果需求量大，该平台也可设置于室内，24h 不间断流水加工作业；
工人操作的安全系数高，平台不仅设置有护栏，还加设了安全绳可伸缩的防坠器，既可防止高空坠落，又可避免安全绳绊脚；
单次可完成20 根锚管注浆作业，加工效率高，自动注浆，全程振动，实现了批量半自动生产[5]。
图1 大样图
2.1.1 支撑架
支撑架由4 根φ60 无缝钢管组成，底端带0.3m×0.2m×0.01m 钢板预埋于3.0m×2.5m×0.3m 的C20混凝土基座中，钢板自带地脚锚栓，支撑架杆各自带一根辅助支腿，夹角30°，顶部固定安装有操作台。经过抗倾覆验算得出，支撑架和混凝土基座完全能满足作业过程中整个平台的稳定性、牢固性要求。
2.1.2 操作台
操作台固定安装于支撑架顶部，离地面高度h＝3.0m，长a＝2.0m，宽b＝1.5m，平台底板由φ20 钢筋网加铺防滑橡胶板构成，外侧固定安装1.2m 防护栏杆，由φ42 无缝钢管制作，立杆间距50cm，上横杆高1.2m，下横杆高0.6m，下设0.18m 挡脚板，可以对工作人员在操作台作业时提供防护。该平台顶板面积为3m2，完全满足1 名工人作业需求，牢固、密集的护栏保证了作业安全，橡胶地板既防滑又耐腐蚀和便于清洗，挡脚板可防止高空落物。
2.1.3 钢斜扶梯
基座顶部的一侧固定安装有钢斜扶梯，扶梯顶端与操作台边缘固定，扶梯自带0.9m 高延长扶手，便于工人往返操作台和地面之间，能起到有效的保护作用，延长扶手的设计能保证操作台护栏及扶梯扶手的全闭环，形成全封闭操作，充分保证工人的安全。
2.1.4 防坠器
防护栏杆后侧固定安装安全杆，安全杆外壁安装有滑套，滑套可以在安全杆外壁左右滑动，滑套通过卡环连接防坠器，其输出端配有可伸缩的连接绳，连接绳可与操作台上的作业人员进行连接，进而保护工作人员在操作台作业时避免发生坠落事故。该防坠器可自动伸缩连接绳利用了汽车安全带原理，当连接绳快速输出时（即发生工人坠落时），卡轮被离心力带出，迅速将安全绳锁死，防止快速下坠，正常工作时可顺畅输出而不会有多余连接绳致使工人绊脚失稳，如图2所示。
图2 防坠器
2.1.5 振动加固器
操作台防护栏杆前侧预留1.0m 开口，活动安装两组安装套，由定位轴固定在防护栏杆立柱上，安装套之间固定安装加固杆，加固杆背部等距离设置20 组定位槽，外侧钢管自带手动锁扣；
通过加固杆背部的定位槽及外侧锁扣可以对倚靠在操作台前侧的锁脚锚管进行压紧固定，从而增加工作人员对锁脚锚管注浆作业时的稳定性；
弧形定位槽能有效增加加固杆和锚管的接触面积，从而增加锚管倾斜倚靠时的稳定性，外侧锁扣可手动完成紧锁，防止锚管倾覆失稳，能有效保证地面作业工人的安全，如图3所示。
图3 振动加固器
2.1.6 注浆槽
振动加固器两侧安装可拆卸式多孔口注浆槽支架，注浆槽净宽0.3m、净高0.3m、长1.1m，底部设置20 个φ25 注浆孔，短边一侧安装导浆接口，自带控制球阀，底部各注浆孔设置同轴阀门，便于统一开关。该注浆槽为可拆卸式组装件，便于凝固浆液清理和各类阀门清洗。
2.1.7 支撑振动板
支撑振动板放置在基座前侧，平面尺寸为1.6m×1.0m，底部两侧固定安装有支撑弹簧，支撑弹簧安装在放置板上，放置板底部安装有两组支撑管；
通过支撑弹簧可以对支撑板进行弹性支撑，滚筒式支撑板底部的中央位置固定安装有振动电机，振动电机与支撑弹簧配合，可以对支撑板与锁脚锚管进行振动作业，进而加速浆液流动，同时避免出现孔内空隙，提高注浆密实度；
支撑振动板顶部固定安装有防滑槽，长1.0m、宽0.05m、深0.15m，防滑槽两侧固定安装有定位板，防滑槽和定位板配合可以对锁脚锚管底部的缩尖部支撑定位，增加对锁脚锚管振动时的稳固性；
支撑振动板是该平台的核心构件，既能有效提高注浆效率，又能充分保证注浆密实度，如图4所示。
图4 支撑振动板
2.2 辅助设备
辅助设备有砂浆储备搅拌桶和输送泵。
2.3 操作流程
由2 名工人配合安装已缩尖处理的空芯锚管，确保注浆孔插入锚管内，缩尖部伸入支撑振动板防滑槽内，单层整齐排列；
操作台上1 名工人在防坠器连接绳的保护下进行操作，依次关闭振动加固器外侧锁扣，同步引导开启砂浆输送泵、注浆槽球阀及支撑振动板振捣器，2min 后依次关闭输送泵、球阀，振捣器续振1min 后关闭，槽内剩余砂浆进行二次补助，然后由地面工人转运已注浆锚管。
该预注浆台架仅需3 人配合作业，单批次可完成20 根锁脚锚管预注浆作业，注浆时间（包含振捣自密实、二次补注浆时间）为5min，每小时可完成3 批次、60 根锚管注浆作业，日加工预注浆锁脚锚管可达400根以上；
采用传统方法，3 名工人每天仅能完成200 根锁脚锚管预注浆作业，使用该台架工效提高1 倍，工期缩短一半，人力成本节省近一半；
以4000 根锁脚锚管为例具体说明，见表1。
表1 传统工艺与台架工艺对比分析
S36 临康广项目各隧道均采用该型号台架进行锁脚锚管预注浆作业，已完成31.96 万根、127.84 万延米，经抽样破损检测密实度合格率100%，如图5所示。事实证明，利用该台架预注浆密实，锁脚锚管质量有保证，同时节省人力、缩短工期、降低成本、作业更加环保。
图5 台架注浆锚管破检断面
近年来，“一带一路”倡议持续深入推进，西部地区高速公路进入快速建设阶段，复杂地质水文隧道越来越多，随着社会劳务人力减少、劳务成本和作业素养需求越来越高，标准化、精细化、机械化、自动化、绿色环保作业是发展趋势。S36 临康广高速公路建设项目设计、研发、应用的隧道锁脚锚管预注浆台架创新了作业工艺，提高了作业质量和安全性，取得了明显的社会与经济效益，为后续隧道锁脚锚管预注浆作业提供了参考。在后续优化设计中将重点考虑成组转运锚管套架，依靠小型叉车或小型转载机实现锚管自动化转运，进一步提高注浆工效，减少人力投入。
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