多臂凿岩台车在矿山法暗挖隧道超前预注浆施工中的应用技术研究

1、多臂凿岩台车在犷山法暗挖隧道超前预注浆施工中的应用技术研究娄掌印（中铁隧道股份有限公司，郑州450003）摘要：结合厦门翔安海底隧道应用三臂凿岩台车进行钻孔注浆施工的案例，通过多臂凿岩台车与其他钻孔设备的比较，介绍多臂 凿岩台车在山法喑挖隧道全虽风化地层进行超前预注浆的应用技术及相应适用范围，供类似工程施工参考。关键词：多锊凿岩台车；矿山法；超前预注浆；全?虽风化地层中图分类号：u 455 3+2文献标志码：b文章编号：1672 - 741x（2009）05 - 0582 - 05application ofmultqboom rock dr fling jumbos h advance pr

2、e2groutng hole drfllhg durhg construction of m hed tunnelslou zhangyin（china raikvay tunnel stock ca , ltd，zhengzhou 453000，china）abstract: taking the application of the 32boom lock drilling jumbos in the advance prcmuting hole drilling during the construction ofxiangan sub2sea tunnel in xiamen as a

3、n example，the author presents the application technologies anc application scopes of muiti2boom rock drilling jumbos in advance pre為touting hole drilling in liilly2heavily weatherec ground during construction of mined tunnels, by making comparison and contrast be kveen mu iti2boom rock drilling juri

4、z bos and other drilling machines this paper can provide reference f)r sinilar pinjects in the fukirckeywords: multi2boom rock drilling junbo; mining method; advance preiouting; fully 2heavily weathercd ground0引言随着我囯隧道施工技术的发展，特别是超前预a 浆超前大管棚超前小导管等预支护及玻璃纤维锚朽 超前加固地层的应用，隧道幵挖在各种条件和地层下 建设成为可能，超前预注浆也因此成为保证

5、隧道施.工 的关键，但由于受注浆方式成孔设备及隧道断面等痒 件的影响，制约了隧道幵挖进度，甚至危及隧道施工5 全。目前超前预注浆多采用深孔注浆，一次注浆深度 30 m。关宝树阐述了国内外隧道工程施工中重点郊 点问题的解决方法，并围绕工要点问题探讨了隧道邡 工技术的发展和趋势1u ;陈豪雄等介绍了隧道工程的 勘测设计隧道主体及附属建筑结构隧道围岩分级及 围岩压力隧道支护结构计算燧道施工方法塍道诏 计中的有限元法隧道施工组织设计隧道运营管理与 养护等121;徐传禄通过分析隧道滲漏水病害的原因另 析，提出了其治理技术m :而对于多臂凿岩台车的应 用阐述比较欠缺，通过结合厦门翔安隧道及两岸接线工程两阶

6、段施工图设计141与工程地质整合勘察报 告151，翔安海底隧道在服务隧道全-强风化花岗岩地 段和土石交界地段进行了三臂凿岩台车成孔，进行注 浆的配套施工技术应用试验，取得了较好的预期目的， 缩短了工期。1工程概况厦门翔安海底隧道是中国大陆第1条大断面采用钻爆法幵挖的海底隧道，设双向6车道，采用行车左 洞右洞服务洞的三管”隧道方案，采取新奥法理念 设计和施工。隧道全长6 050m，岩性主要为花岗岩， 跨越海域总长约4 200m，两端陆域段为全-?虽风化花 岗岩段4和1），长6791 400m，设计为v级b 岩，是翔安隧道工程修建成败的第2大重难点。全- 强风化正常地段采取超前小导管预支护辅助工法

7、后sf 可保持正常幵挖，对于小型构造带局部富含水带和.士 岩交界段则需要采用超前预注浆辅助手段方可维持正 常幵挖，尤其是海域水下段更需要采取超前注浆预加收稿日期：2009 - 04 - 15;修回日期：2009 - 05 - 05作者简介：娄掌印（1974），2006年毕业于中国石油大学土木工程专业，本科，工程师,主要从事隧道工程的施工工作。罔地层以防止施工中出现涌水;因此，需要根据每一処 的工程地质条件及水文地质条件的实际需要來确定超 前注浆方式和注浆规模，并选择注浆技术和注浆设备。2应用段地质条件2 1工程地质翔安海底隧道所在场区地层为第四系覆盖层和奔 山期侵人的花岗闪长岩，隧道所穿越地层

8、主要是全风 化带（w4）强风化带（w3）弱风化带（w2）和微风仆 带（w,）以及微风化破碎带。隧道全虽风化地层的地质特征见表1，岩体物理力学参数见表2。22水文地质2 2 1地下水类型翔安海底隧道地下水根据其赋存 形式分为松散岩类孔隙水风化基岩孔隙裂隙水基岩裂隙水3种。1）陆域地下水分布于陆域范围内地层中，地层中除可能存在的 富水性好的基岩破碎带外，均属松散岩类孔隙水，弱'塵 水，渗透性较差，属于弱或微含水层，总体上属于潜水。表1风化岩体地质特征表table 1 geobgical characteristics of weathered lock mass风化程度主要地质特征纵波速度

9、/（m/s）范围平均值全风化全部变色，为灰白色杂棕红色;岩石的组织结构完全破坏.呈土状或砂状； 除石英颗粒外，其余矿物大部分风化蚀变为次生矿物瀬击有松软感，出现凹 坑，岩心用手可捏碎1 330 1 8461 722强风化大部分变色，为棕红色杂灰白色;只有局部岩块保持原色:岩石的组织结构 大部分已破坏;沿裂隙面含次生夹泥;除石英外，长石，云母和铁镁矿物已风 化蚀变:锤击哑声，岩石变酥，易碎，用镐撬可以挖动1 918 2 1711 997弱风化岩石衷面或裂隙面大部分变色，但断口仍保持新鲜岩石色泽，岩石原始组 织结构淸晰完整，呈块状，裂隙面风化剧烈，岩石f物淸晰:钝击声脆汧挖需 爆破3 938 4

10、4534 100表2全一?虽风化地层物理力学参数table 2 physical and mechanical parameters of fully2ieavily weathered ground地层代号岩土名称容许承载 工程特性力lj/kpa压缩模量mpa重力密度口（lnzm3）动弹性 模堡£d/ gpa动剪切模 虽（;d / gpa静弹性模 景£/ gpa泊松比计算摩 擦角 / 0咿擦系 数的工 与围岩）/w4全风化带中等压缩性，承载力较高-209. 018a 70. 2ft 1a 4825q 3w3强风化带中等压缩性，,nn 承载力较商30010. 0192 4a

11、 81q 4630q 42）海域地下水分布于海域范围内地层中，地层中除海积的砂层 注要赋存于k10 +900以东，西滨滩涂地段）及可銥 存在的富水性好的基岩破碎带外，总体上富水性弱，渗 透性较差，为弱或微含水层。2 2 2地下水动态及补迳排条件大气降水是陆域 地下水的主要补给源，降水垂直人渗后，由高処向低洼処迳流。低洼処孔隙水除受大 气降水的直接人渗补给外，还受侧向迳流补给，局部受 岩性影响略具承压性。海域地下水主要受海水的垂a 入渗补给。松散岩类孔隙水除蒸发人工抽取排泄外，多排向 沟溪河海，少部分入渗补给下部弱含水岩组。岩层 孔隙裂隙水直接受上部松散岩类孔隙水的下渗补给， 然后又缓慢的迳流或

12、侧向补给基岩裂隙含水岩组。 223地层中小型构造带和土岩交界段水文地质地层中小型构造带和土岩交界処水文地质条件总 体复杂，类型不易确定，总体富含水，渗透性强，在水作用下地层总体呈软塑状（易坍塌掉块）和流塑状。典 型地质情况见图1。图i小型构造带土岩交界処典型地质fig 1 typical ground in small structural /ones and at ihe inter? face belveen soils and mcks2 2 4地层渗透系数各风化地层设计渗透系数见表3。3目前国内常用超前预注浆施工设备针对需采用超前预注浆加固地层方可维持正常幵挖工况，目前国内注浆施工所选

13、用设备主要以国产 mk系列钻机为核心配合相应流以和浆压的国产注浆 机曝常用的是国产kby系列注浆机)。随着国内施 工技术的进步和工程建设规模的发展，先进的多功能 钻机也逐步得到应用，最常用的是以日本矿岩钻机和 意大利卡萨钻机为核心配合相应的进口大流w:中压a 浆机(以进口法基ph系列注浆机为主)系列钊 主要性能参数见表4,多功能钻机主要性参数见表5。表3各风化地层设计渗透系数table 3 peimeability of each type of weathered gtound yecified in the design工程位罝岩性-渗透系数均值/( m0-5cmzs)渗透系数建议偾/火室

14、内测试抽水试验m /dm04an/s全风化层3q 249. 0ft 0343. 96陆域强风化层48& 541. 6q 48526 51全风化岩层29. 4& 2tt 0151. 71海域及n风化槽强风化岩层3q 10. 0192 14弱风化岩层0. 0293. 30注:实际幵挖揭露衣明衷中数据不适用于小型构造带局部富含水带和土岩交界地段。表4 mk系列钻机主要性能参数tabic 4 major pcrfonnancc parameters of drilling machines ofmk series钻机机型钻孔深 度/m终孔直 径/mm钻杆直 径 /nun钻孔倾 角，()

15、回转速 度 z(r/min)般大扭 矩 /(nm)功率/kw整机质m /kg主机外形尺寸 (长宽高)/m参考价 格/万元mkd - 570 /250200/9473/63. 50加85 3001 500301 8402 38 >4. 56约 13. 5mkd - 5s100/35()200/94200/940 :&()85 3001 900372 0402 3156约 19. 5mkd - 5s (3200)150/40()200/94200/940加50 1753 20()372 10()2 3 >4. 1 >4. 65约 24. 9表5多功能钻机主要性能参数表 t

16、able 5 major perfomiance parameters of niulti2functbn drilling machines钻机机型钻孔深 度/m终孔直 径/mm钻杆直 径/mm钻孔倾 角/()回鞞速 度 / (r/m in)最大扭 矩 /(nm)功率/kw整机质 量/kg主机外形尺寸 (长宽高)/mm参考价格历元曰本矿岩pd 150c150101170 (最大至225)73 90 +3036 808 00011115011 5007 250 >2 450 )2 550约670配 取芯器)意大利卡 萨c612073-106 + 1353013 5509312 7007

17、528 >2 250 )2 767约5804多臂凿岩台车在全一虽风化土质地层注浆 施工中的应用全虽风化土质地层正常地段采取超前小导管预 支护措施可保持正常幵挖。对于小型构造带局部富 含水带和上土下岩交界地段则需要采用超前预注浆、 管棚注浆等辅助措施进行正常幵挖，该地层由于钻孔 一般无法成型，通常需要采用跟管钻进或顶管注浆施 工技木，必须选择合适的注浆方式与范围对地层进行 预加固，防止坍塌，并主动有效地提前对地层沉降进行 控制。目前国内多臂凿岩台车最常用的是瑞典阿特拉斯 353e型三臂凿岩台车，工作覆盖面积迖130n?，作业 臂冲击功率1520 kw 采用多臂凿岩台车进行跟管 钻进或顶管注

18、浆施工主要是充分利用其优越的液压推进冲击性能何转性能(与风动钻相比)以及多臂 同时作业，快速高效。翔安海底隧道服务隧道nk7 +500処和翔安隧道 a2标斜井土岩交界段均采用阿特拉斯353 e三臂凿岩 台车进行超前顶管预注浆施工，见图2。经试验，根据 顶管直径大小较适合于620m的中深孔注浆。此工艺是在每根管材尾端加工1个与钎尾相连的 套筒用于顶推管材，套筒比管材直径适当大102( mm，并利用凿岩机钻臂作导向架进行顶进。钢质管材 <4295 mm，大直径管适合于施作周边的管棚超前 支护并注浆，小直径管适合用于隧道断面内的地层超 前预注浆加固。根据地层密实性情况管材前端可加工 成尖”型，

19、并将割口缝缝焊，以防粉砂粒进入管内，影图2采用多臂凿岩台车顶管注浆作业fig 2 grouting by inulti2booni rock drilling jumbo响注浆效果。如果地层较为密实，经试顶迖不到设计 长度，则可以考虑将管前端敞口或加工为单边斜口，以 充分发挥台车的顶推效率，保证顶进长度，顶进到位后 将管内的土体掏尽再进行注浆：或者采取先使用与管 材直径相同的钻头胺设计深度或略短于设计深度进 行）钻孔将孔位内土体搅碎并排出部分土体，退钻后再 顶进管材至设计深度。管材应按设计要求加工成花孔， 为保证注浆效果，花孔钻孔宜采锥形钻头，并对花孔进行贴片处理何采用铝铂薄片，用胶粘），胶粘

20、力保证在 设计注浆压力下浆液能冲幵贴片进人地层为宜。5多臂凿岩台车在断层和破碎地层注浆施工 中的应用强弱风化岩质地层通常由于节理裂隙极其发育， 岩体破碎严重，基岩裂隙富含水，地下水补给充足，极 易引起坍塌，若不采取有效的超前预注浆加固地层并 堵水，如果隧道在水下，后果则更不堪设想；通常注浆 方式选取超前大管棚超前全断面注浆等。多臂凿岩台车应用于注浆施工，能够满足304（ m的深孔注浆施工需要。用多臂凿岩台车钻孔，孔c 先行安设 150 mm孔口管，完毕后对作业面施作喷渴 凝土止浆墙，为确保注浆效果，防止漏浆串浆，应对作 业面进行全断面封闭，混凝土最小厚度不得少于5（ cm，在混凝土迖到设计强度

21、的70 %后即可安排进行3 浆。多臂凿岩台车与多功能钻机成孔实例见表6。6多臂凿岩台车与其它钻孔设备的比较多臂凿岩台车与其它钻孔设备的优缺点及适应性 比较见表7。表6多臂凿岩台车与多功能钻机成孔实例比较tabic 6 comparison and contrast between multi2boan rock drilling jinibos and multi2functbn drilling machines in terns of advance prc2 giouting hole drilling机沏钻孔深度/m钻孔直径/mm钻孔数景钻孔部位钻孔时间 统计/d平均每天 成孔傲萤工作

22、环境多臂凿岩台 车臂）4013036拱部103. 6凿岩台车采用电动机作为 动力源，无尾气排放散热少， 对施工环境污染小多功能钻机 （意大利卡萨c6）4036拱部351. 0卡萨c6采用内燃机作为动 力源，尾气排胶萤大，散热萤 大，对施工环境污染大注:由于服务洞断面较小，多臂凿岩台车使用两臂同时钻孔。表7多臂凿岩台车与其他钻孔设备的优缺点及适应性比较table 7 advantages，disadvantages and applicability of multi3xxm iock drilling jumbos and other iock drilling machines in tem

23、is of ad2vance prcgrouting hole drilling项目注浆成孔设备多臂凿岩台车国产mk系列钻机多功能钻机优点定位准确，作业范围大，效率髙，施工 进度快，与开挖设备可通用，设备不需 转场，设备利用率商，设备损坏率低配套设铪配件成本低，可施作长距 离探孔效率较高，施工进度快，设备损坏率 低，可施作长距离探孔配套设备配件成本较高，不可施作 长距离探孔配套设备配件成本萵，与幵挖设备缺点人工成本q，效率低，施工进度慢，设 格定位困难，利用率低不通用，设备作业范围有限，设备利用 率较低适用地层黏土e全风化及中硬岩地层中硬岩地层粘土层砂层及中硬岩地层适用范围中深孔（640m）注

24、浆，适用范围较深孔（18 m以上）大规模注浆，适合深孔（18 m以上）大规模注浆.适合大，适合隧道大中断而隧道中小断面隧道中小断面注：6m以内的浅孔可由风动（气腿式）凿岩机进行施工。7结论多臂凿岩台车能够在全1风化岩断层和破碎地层中快速成孔，适合于大断面隧道注浆，能够加快在软弱围岩和破碎带地段进行超前预注浆施工速度，从而提高隧道开挖速度，保证隧道安全。在隧道深孔预注浆施工中，大多数情况下在成孔方面采用mk系列钻机和多功能钻机成孔，多臂凿岩台车在隧道预注浆成孔的应用也仅在少数隧道试用，在隧道中深孔预3浆成孔速度方面，多臂凿岩台车具有明显的优势。多臂凿岩台车在隧道中深孔预注浆施工中的应用，大大缩短

25、了成孔的时间，在技术质量安全和成本方面怒果显著，丙此，在青海胶州湾隧道施工中得到了的相广，并得到了一致的认可。多臂凿岩台车应用于超前预注浆施工，实现机械化快速施工的配套条件配套技术尚需进一步完善和研究，同时在遇到围岩破碎，极易 造成卡钻或塌孔的情况下，多臂凿岩台车无法实现套 管跟进技术，将导致成孔困难。多臂凿岩台车在隧道 预注浆中的应用及进一步研究，将更加丰富和完善隧 道注浆技术，促进我囯隧道施工技术的发展。参考文献：1 关宝树.隧道工程施工要点集m.北京:人民交通出版 社，200q2 陈豪雄，殷杰.隧道工程|m|.北京：中国铁道出版社，1995.徐传禄.谈隧道渗漏水病杏治理技术隧道建设，3

26、2003,23(增)：197-19&中交二院，重庆交通科研院.廈门翔安隧道及两岸接线工 14程两阶段施工图设计i r 1.武汉:中交二院，2005.中交二院，重庆交通科研院.厦门翔安隧道及两岸接线工程地质 ,、，综合勘察报告i r 1.武汉:中交二院，2005.世界最长引水隧洞成功实现通水近曰，一股宽迖8 m的巨大水流从辽宁省新宾县一座山峰下的隧洞口喷涌而出，这标志着世界®长引水隧洞一辽宁大伙房 输水工程一期工程成功实现通水。中铁隧道集团等单位承建的辽宁大伙房引水隧洞，东起辽宁省桓仁县西至辽宁省新宾县，穿越50多座山峰、50多条河谷、2$ 条断层，长迖85. 3 kin，设计水