三臂凿岩台车全断面注浆快速钻孔施工技术

书书书三臂凿岩台车全断面注浆快速钻孔施工技术朱琴生（中铁隧道股份有限公司，河南新乡４５３０００）摘要：目前全断面钻孔注浆设备大都采用风动潜孔锤式单臂多功能钻机，成本高、效率低、速度慢、污染大。青岛胶州湾海底隧道钻孔注浆工程充分利用三臂液压凿岩台车作业范围大、灵活性强、空气粉尘污染小、安全文明、液压冲击钻高效的技术优势及专业化的管理优势，使三臂液压凿岩台车在隧道施工中，不仅具备了快速开挖的技术，还在不良地质的全断面深孔注浆施工中具备了快速、优质、安全、高效的施工技术。关键词：三臂液压凿岩台车；全断面；钻孔注浆技术中图分类号：Ｕ４５５．４文献标志码：Ｂ文章编号：１６７２－７４１Ｘ（２００９）增２－００８２－０５ＲａｐｉｄＢｏｒｅｈｏｌｅＤｒｉｌｌｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＦｕｌｌｆａｃｅＧｒｏｕｔｉｎｇｂｙ３ｂｏｏｍＨｙｄｒａｕｌｉｃＲｏｃｋｄｒｉｌｌｉｎｇＪｕｍｂｏｓＺＨＵＱｉｎｓｈｅｎｇ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＴｕｎｎｅｌＳｔｏｃｋＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｘｉｎｘｉａｎｇ４５３０００，Ｈｅｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｐｎｅｕｍａｔｉｃｄｏｗｎｔｈｅｈｏｌｅｈａｍｍｅｒｔｙｐｅｓｉｎｇｌｅｂｏｏｍｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎｄｒｉｌｌｓ，ｗｈｉｃｈｈａｖｅｓｕｃｈｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓａｓｈｉｇｈｃｏｓｔ，ｌｏｗｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｓｌｏｗｓｐｅｅｄａｎｄｈｅａｖｙｐｏｌｌｕｔｉｏｎ，ａｒｅｇｅｎｅｒａｌｌｙｕｓｅｄｔｏｄｒｉｌｌｔｈｅｂｏｒｅｈｏｌｅｓｏｆｆｕｌｌｆａｃｅａｄｖａｎｃｅｇｒｏｕｔｉｎｇ．ＦｏｒｔｈｅｇｒｏｕｔｉｎｇｂｏｒｅｈｏｌｅｄｒｉｌｌｉｎｇｉｎＪｉａｏｚｈｏｕＢａｙｓｕｂｓｅａｔｕｎｎｅｌｉｎＱｉｎｇｄａｏ，３ｂｏｏｍｈｙｄｒａｕｌｉｃｒｏｃｋｄｒｉｌｌｉｎｇｊｕｍｂｏｓａｒｅｕｓｅｄｄｕｅｔｏｔｈｅｉｒｌａｒｇｅｗｏｒｋｉｎｇｓｃｏｐｅｓ，ｈｉｇｈｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ，ｌｏｗｄｕｓｔｐｏｌｌｕｔｉｏｎ，ｈｉｇｈｓａｆｅｔｙａｎｄｃｉｖｉｌｉｚａｔｉｏｎｌｅｖｅｌ，ｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｉｍｐａｃｔｄｒｉｌｌｓａｎｄｓｐｅｃｉａｌｉｚｅｄｍａｎａｇｅｍｅｎｔ．３ｂｏｏｍｈｙｄｒａｕｌｉｃｒｏｃｋｄｒｉｌｌｉｎｇｊｕｍｂｏｓｎｏｔｏｎｌｙｃａｎａｃｈｉｅｖｅｒａｐｉｄｂｌａｓｔｉｎｇｈｏｌｅｄｒｉｌｌｉｎｇｉｎｔｕｎｎｅｌｅｘｃａｖａｔｉｏｎ，ｂｕｔａｌｓｏｃａｎａｃｈｉｅｖｅｈｉｇｈｓｐｅｅｄ，ｈｉｇｈｑｕａｌｉｔｙ，ｈｉｇｈｓａｆｅｔｙａｎｄｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｂｏｒｅｈｏｌｅｄｒｉｌｌｉｎｇｉｎｆｕｌｌｆａｃｅｄｅｅｐｈｏｌｅａｄｖａｎｃｅｇｒｏｕｔｉｎｇｕｎｄｅｒｐｏｏｒｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：３ｂｏｏｍｈｙｄｒａｕｌｉｃｒｏｃｋｄｒｉｌｌｉｎｇｊｕｍｂｏ；ｆｕｌｌｆａｃｅ；ｂｏｒｅｈｏｌｅｄｒｉｌｌｉｎｇａｎｄｇｒｏｕｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ０引言随着科学技术的发展，长大隧道及地下工程所处地质条件变得越来越复杂，穿江越海水下隧道工程大量增加，穿越岩溶、断层、软弱不良地质的施工规模和难度加大，需要采用超前注浆施工来确保施工安全质量的隧道工程数量大幅增加［１］。高技术含量的注浆作业在隧道施工中应用广泛，技术门槛高，而隧道钻孔注浆作业的质量和进度将直接影响到整个隧道工程的工期。三臂凿岩台车快速钻孔注浆施工技术的运用，拓展了台车的使用范围，提高了深孔注浆的效率。１工程概况胶州湾隧道北连青岛市团岛，南接青岛经济技术开发区薛家岛，下穿胶州湾湾口海域，是环胶州湾青岛市区范围交通系统中骨干网络的重要组成部分，主隧道全长６１７０ｍ，跨海域总长度约３９５０ｍ，线路等级为城市快速路，设计时速８０ｋｍ／ｈ，设２条３车道主隧道和１条服务隧道，主隧道中轴线间距５５ｍ。隧道断面为椭圆形，主隧道开挖断面高１１．２～１２．０ｍ，宽约１５．２３～１６．０３ｍ，隧道纵断面呈Ｖ型，最大纵坡３．５％。海域段主隧道埋深为２５～３５ｍ，是以城市道路功能为主兼有公路功能的隧道。海域段约１７５０ｍ，覆盖层厚度２５．４～３５．１ｍ。服务隧道ＦＫ２＋９００～ＦＫ６＋１５０，海域段约１７５５ｍ，覆盖层厚度２９．６～３９．０ｍ。隧道通过海域段最大水深约４２ｍ。２工程地质及水文地质２．１设计水文、地质资料Ｆ４－４断裂穿越ＹＫ６＋９６１～＋９１５段，长４６ｍ，高潮时水深２７～３０ｍ，海床呈缓坡状。海底覆盖层较收稿日期：２００９－０６－２９；修回日期：２００９－０９－０１作者简介：朱琴生（１９６５—），男，１９８７年毕业于长沙铁道学院机械系工程机械专业，大学本科，高级工程师，现从事隧道和地下工程施工技术和设备专业化管理等工作。　第２９卷　增刊２２００９年９月　　　　　　　　　　　　　　隧道建设ＴｕｎｎｅｌＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　　　　　　　　　　　　　　Ｖｏｌ．２９　Ｓｕｐ．２Ｓｅｐ．　２００９薄，一般２～３ｍ，主要为砂砾，局部沉积有淤泥。隧道拱顶覆盖层仅２４～２６ｍ。基岩以含晶屑火山角砾凝灰岩为主，局部夹凝灰岩、并有较多辉绿岩脉、石英正长岩脉侵入。破碎带内岩体为碎裂—镶嵌碎裂结构，裂隙以密闭型为主，少数为微张型，裂隙面浸染迹象不甚明显。岩体受构造影响严重，岩体完整程度和风化带厚度差异很大，含晶屑火山角砾凝灰岩和石英正长岩抗风化能力强，其顶部强—弱风化带一般不超过１０ｍ；辉绿岩抗风化能力差，其顶部有较厚的全—弱风化带，最大风化厚度可超过２５ｍ，而且辉绿岩及其两侧岩体往往较破碎或发育小断层。围岩在松弛变形时抗渗性能易恶化，可能发生渗透变形破坏。２．２超前地质预报探测成果２．２．１　ＴＳＰ２０３＋探测仪器对右线隧道ＹＫ６＋９６１～＋９１２段实施超前地质预报探测成果：ＹＫ６＋９６１～＋９１２围岩等级以Ｖ级为主，局部ＩＶ级，裂隙含水，有岩脉侵入，发育多组高角度大规模结构面；异常段ＹＫ６＋９７５～＋９６０裂隙发育，软弱泥质充填，整体性差，裂隙含水；ＹＫ６＋９２６～＋９１０发育多组高角度结构面，断层泥和强风化围岩充填，整体性差。２．２．２　右线隧道ＹＫ６＋９６１前方实施地质雷达探测探测成果：ＹＫ６＋９６１掌子面前方８ｍ范围的岩层总体上与现在掌子面情况类似，围岩较完整，无明显含水构造。掌子面中左部前方ＹＫ６＋９４３～＋９４９范围内结构面发育密集，围岩强度低，完整性差，自稳能力差，含裂隙水。２．３　超前地质取芯成果取芯长度ＹＫ６＋９６１～＋９２３．５，计３７．５ｍ。报告成果：ＹＫ６＋９５１～＋９４４处于断层影响带之中，岩性基本与掌子面前已开挖部分一致，岩体破碎，岩块强度较低，且遇水强度明显降低，建议谨慎开挖，加强支护，对该段进行注浆加固；ＹＫ６＋９３７～＋９３３处为断层影响破碎带，其中在ＹＫ６＋９３５附近岩芯尤其破碎，节理裂隙密集发育，节理面弱风化到强风化，成芯困难，沿取芯孔有裂隙水流出，岩芯获得率低；ＹＫ６＋９２８～＋９２３．５处为断层破碎带，尤其在ＹＫ６＋９２５附近岩芯非常破碎，节理裂隙发育，节理面中风化到强风化，成芯困难，岩芯获得率低。２．４　三臂凿岩台车超前深孔探测成果探测成果：上台阶完成探孔３个（拱顶１个，左、右侧拱腰各１个）。拱顶探测：探孔深度４５ｍ。钻进７．２ｍ前钻孔速度正常，７．２ｍ后速度减慢，且卡钻现象较多，从孔深２１．６ｍ处出水，经测定出水量达３６．５Ｌ／ｍｉｎ，岩屑紫褐色。左侧探测：探孔深度４５ｍ。钻进７．２ｍ前钻孔速度正常，７．２ｍ后速度减慢，且有卡钻现象，从孔深２１．６ｍ处出水，经测定出水量达１７Ｌ／ｍｉｎ，岩屑颜色紫褐色。右侧探测：探孔深度４５ｍ。钻进７．２ｍ前钻孔速度正常，７．２ｍ后速度减慢，且有卡钻现象，从孔深７．２ｍ处出水，经测定出水量达１６Ｌ／ｍｉｎ，岩屑颜色紫褐色。综合判定ＹＫ６＋９６１～＋９１６以Ｖ级为主，局部ＩＶ级。３注浆目的考虑胶州湾海底隧道覆盖层薄，右线隧道Ｆ４－４断层破碎带覆盖层仅２４～２６ｍ，长度４６ｍ，围岩地质条件差，容易出现突泥、涌水险情。所以胶州湾隧道注浆应以堵水和加固为目的，采用以工作面预注浆为主，辅以洞内径向后注浆。４注浆方案综合各方地质资料及设计要求，胶州湾隧道出口右线隧道Ｆ４－４断层破碎带采取全断面帷幕超前预注浆进行止水和加固不良地质体［２］。４．１超前地质预报成果判定本段为断层（裂）破碎带，主要为Ⅴ级围岩，局部为Ⅳ级围岩，为确保隧道施工生产安全，须进行全断面超前预注浆。４．２方案选择本断层全断面预注浆实施里程为主隧道ＹＫ６＋９６１～＋９１５，共４６ｍ，分为２循环。第１次施作里程ＹＫ６＋９６１～＋９３１，计３０ｍ，预留５ｍ止浆岩盘；第２次施作里程ＹＫ６＋９３６～＋９１５，计２１ｍ。４．３　全断面超前（帷幕）预注浆施工工艺根据钻孔涌水量和裂隙发育程度以及现场施钻情况确定注浆方案：当岩石裂隙发育、钻孔涌水量较大、易卡钻时，采取前进式分段注浆工艺；当岩石裂隙不够发育、钻孔涌水量较小、成孔较好时采取后退式分段注浆工艺；当裂隙不发育、水量小、成孔很好时可采取全孔一次性注浆。结合各方资料，胶州湾隧道出口右线隧道Ｆ４－４断层破碎带初步选用前进式注浆工艺［３］。超前帷幕预注浆施工工艺流程图如图１。５参数设计胶州湾隧道Ｆ４－４断层第１循环全断面超前预注浆参数见表１。６Ｒ３５３Ｅ三臂凿岩台车钻孔注浆施工６．１设备配置６．１．１三臂液压台车介绍［４］在胶州湾隧道全断面超前预注浆、超前探孔以３８　增刊２　　　　　　　　　　　　　　　　　朱琴生：　三臂凿岩台车全断面注浆快速钻孔施工技术　图１超前帷幕预注浆施工工艺流程图Ｆｉｇ．１Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆａｄｖａｎｃｅｃｕｒｔａｉｎｇｒｏｕｔｉｎｇ表１Ｆ４－４第１循环全断面超前预注浆参数表Ｔａｂｌｅ１ＰａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｆｉｒｓｔｃｙｃｌｅｏｆｆｕｌｌｆａｃｅａｄｖａｎｃｅｇｒｏｕｔｉｎｇｆｏｒＦ４４ｆａｕｌｔ参数名称参数值备注纵向注浆加固长度／ｍ３０加固范围／ｍ开挖面开挖轮廓线外５浆液扩散半径／ｍ１．５～２．０注浆压力／ＭＰａ２～３，最大不超过５注浆孔直径／ｍｍ９０开孔直径／ｍｍ１３０注浆速度／（Ｌ／ｍｉｎ）５～１１０终孔间距／ｍ≤３．５注浆方式前进式分段注浆分段长度５～７ｍ注浆孔数量／个１４７孔口管１０８无缝钢管，Ｌ＝２．２ｍ及管棚施工中使用最先进的液压凿岩台车，由南京阿特拉斯公司组装的全液压火箭式ＲＢ３５３Ｅ三臂台车。ＲＢ３５３Ｅ台车具有ＢＵＴ３５重型的可伸缩１．６ｍ并可以自由回转３６０°液压钻臂，就位和移动迅速而准确，在工作面上没有作业盲区，并且能适用于各种作业环境的优点，加上优越的Ｂ６８１８型液压推进器配上长达７．２ｍ推进梁，再具有鹰式臂的臂座，从而使ＲＢ３５３Ｅ三臂台车的作业半径大大提高，施工作业区宽达１５．３ｍ，高达１２．６ｍ。而且３５３Ｅ三臂台车还配置有ＨＬ２３０ＭＢ型的液压作业平台（吊篮），平台能伸缩５ｍ并能左右摆动，上下升降达到工作面的任何一处地点，平常平台用于掌子面的检查，测量，锚杆安装等，在钻孔注浆中用于拆卸钻杆及安装快速接头，非常便利快捷。６．１．２　液压和钻孔冲水系统火箭式ＲＢ３５３Ｅ三臂台车采用ＤＣＳ１８液压凿岩系统，油泵主电机功率５５ｋＷ，采用具备缓冲功能的大功率ＣＯＰ１８３８ＭＥ钻机，使钻机的功率和可靠性得到提高，７．５ｋＷ（１．２ＭＰａ水压）水冲洗系统使洗孔能力增强，并具备选配风冲洗系统的特性，吐碴效果明显，也为深孔施工提供了保证。在胶州湾隧道施工中，通过大胆的探索、实践和尝试，正洞超前探水孔的钻孔最深已经达到４５ｍ，目前正常的超前探孔都保持在４０ｍ左右，在Ｆ４－４第１循环全断面超前预注浆中施作的１４７个孔，有７７个孔都在３０～３４ｍ，其独特而强大的液压系统和钻孔冲水系统使ＲＢ３５３Ｅ三臂台车施作深长孔成为可能。６．１．３　钻具选择及安装拆卸１）钻具选择台车钻孔用的钻具包括钻头、钻杆、钎尾、连接套４种，钻头根据用途不同有大小不等的规格型号，进口的阿特拉斯的钻头有６５、７６