三臂液压凿岩台车及隧道钻孔注浆施工方法 【技术领域】
本发明涉及一种三臂液压凿岩台车及隧道钻孔注浆施工方法，属交通施工技术领域。
背景技术
隧道及地下工程在穿越断裂破碎带、岩溶、高承压水、软弱地层等不良地质段时，由于节理裂隙切割岩层，以及地下水补给，在工程施工中面临涌水突泥、坍塌等各类地质风险，为有效规避此类风险，确保人员及机械设备安全，需要对前方不良地质段实施钻孔注浆作业，达到止水和加固围岩的目的，而近些年，随着施工技术和机械化水平的提高，一些长大交通隧道和物流隧道、大型的地下仓储厂房及国防人防工程的修建，也使钻孔注浆这门学科迅速成长并发展起来。
目前三臂液压凿岩台车仅仅适用于围岩地质情况较好的隧道及地下工程爆破开挖作业，对于断层及软弱破碎带，三臂液压凿岩台车这种大型设备常处于闲置状态，通常采用多功能钻机进行深孔注浆施工，但效率低，费时费力。
【发明内容】
为提高三臂液压凿岩台车的使用率，本发明目的在于将三臂液压凿岩台车应用于钻孔注浆作业，提供一种隧道钻孔注浆施工方法，进一步拓展三臂液压凿岩台车的应用领域。
三臂液压凿岩台车原属于爆破开挖专用设备，我们通过对台车的认识，经过不断的钻研、实践、改造和改进，挖掘台车潜在功能，发现三臂液压凿岩台车不仅适用于爆破开挖施工，还适用于超前预注浆施工，进而将三臂液压凿岩台车使用范围拓展到新的施工领域。为实现本发明目的，本发明对三臂液压凿岩台车在以下方面作了突破和改进：
1、三臂液压凿岩台车钻具的改进
超前探孔及超前预注浆都面临深孔施工，深孔施工钻具必须满足强度和刚度要求，即“粗、重、刚、直”原则，因台车属于开挖专用设备，配置用于打设炮孔和锚杆孔的R38(H35/R32)×5.5m六角型钻杆，此类钻具根本无法满足深孔施工要求，经过反复试验，采用T38×3.66圆型加长钻杆，配套三臂凿岩台车使用，这种钻杆满足一定的强度和刚度要求，为台车深孔施工提供了保证。
2、吐渣冲洗系统改进
由于三臂液压凿岩台车对围岩及地质条件要求高，一般使用于I～III级围岩施工，所以吐渣系统配置7.5kw(1.2Mpa水压)水冲洗系统，然而水冲洗系统不适应于强风化及软弱地层带，否则由于泥沙冲蚀，造成塌孔卡钻，甚至潜涌及更大的渗流破坏，所以要使三臂液压凿岩台车满足不同地质围岩的要求，必须对吐渣冲洗系统进行改进，否则台车的使用领域将受到很大的局限。而传统多功能钻机风动原理在一定的程度上避免此类情况，本发明正是通过对这两种冲洗系统的研究，不断的创新尝试，建立水洗和风洗的双重系统，在钻孔过程中如果围岩较好，就使用高压水冲洗系统，如果围岩破碎，存在断层泥等不良地质因素，则使用高压风或水风混合冲洗系统，防止卡钻和钻杆掉失、或者由于泥沙潜失而造成的渗流破坏。
三臂液压凿岩台车经改进后，可适用隧道及地下工程超前预注浆、超前地质探孔、基础及地面沉陷等软基处理加固。
本发明利用三臂液压凿岩台车对隧道钻孔注浆施工方法如下：
1、对隧道进行勘测、制定注浆方案；
2、喷射混凝土施工止浆墙；
根据掌子面地质情况，采用20-25cm厚喷射混凝土做为止浆墙，要求喷射混凝土表面平整，强度不低于20Mpa。
3、开孔
按照设计及现场情况，计算出各注浆孔孔位在止浆墙体上的坐标，标识注浆孔的准确位置，利用三臂液压凿岩台车钻孔，钻孔深2.2m。为防止串浆，可适当拉开作业臂之间的距离，一般控制在2.0m左右。孔位误差应≤±1cm，开孔前保持钻机端头中点与掌子面注浆孔孔位于同一轴线上，固定钻机，调整钻杆中心线与设计注浆孔中心线相吻合，钻机定位误差≤±5cm，角度误差≤±0.5°，在钻孔过程中随时检查校正钻杆方向。超前注浆孔的孔底偏差应不大于孔深的1/40孔深，注浆检查孔的孔底偏差应不大于孔深的1/80孔深。
4、孔口管安装
钻孔后退出钻杆，利用台车作业平台安装孔口管，孔口管端口缠绕有纺锤体麻丝，外涂有锚固剂，在5min之内用钻机将孔口管顶入孔内，以防止锚固剂凝固，孔口管统一外露止浆墙20～30cm，以便于连接注浆管件。
5、制浆
考虑到浆液后期强度及灌注性能，结合室内试验及以往工程钻孔注浆施工经验，隧道钻孔注浆以超细水泥浆为主，必要时的堵漏采用超细水泥-水玻璃双液浆。
超细水泥浆配置：水灰重量比0.8∶1～1.2∶1，先在高速搅拌机内放入定量清水进行搅拌，同时视设计及现场要求加入速凝剂，待全部溶解后再放入配比设计水泥重量，再搅拌4分钟即可，为确保浆液的良好灌注性能，高速搅拌机转速应大于1200r/min，而且浆液在通过二级搅拌桶时过筛，一般从制备至用完的时间宜小于2小时。
双液浆的配制：水泥浆的配制同上，水玻璃浆的配制在搅拌桶内加一定量的清水，再放入一定量的水玻璃搅拌均匀即可，两种浆液通过注浆机在混合器处混合。
6、钻孔注浆
孔口管的孔位采用台车Φ130mm钻头开孔，待孔口管安装固定后，改用Φ85mm钻头施作Φ90mm注浆孔。注浆顺序：
按步序孔从外圈向里圈、自上而下进行钻孔注浆。每环注浆孔先施工奇数编号(如A1、A3……)注浆孔，然后施工偶数编号(如A2、A4……)注浆孔，偶数编号注浆孔同时可作为注浆检查孔。为防止临近孔位在注浆过程中发生浆液串流，孔位间隔一般控制在2.0米左右。注浆结束标准应以定压和定量相结合为主，当注浆过程中长时间压力不上升，并且达到设计注浆量时，应缩短浆液的凝胶时间，并采取间歇注浆措施，控制注浆量。
本发明优点在于：在钻孔注浆施工中三臂液压凿岩台车取代常规的地质钻机及多功能钻机，突破传统的钻孔注浆模式，和常规设备相比存在明显的操控、工期、环境、效益等优势。提高了台车在不同地质条件下的适用性，对于节约成本，保护环境有很高的经济效益和社会效益。三臂液压凿岩台车作业平台在钻孔注浆中的运用，使孔口管安装及钻杆拆卸更加的便利和快捷，也使一线施工人员作业环境更加舒适安全。通过在海底隧道超前预注浆施工中验证，三臂液压凿岩台车表现突出，施工工艺先进，获得了满意的效果。
【附图说明】
图1为钻孔注浆施工流程图；
图2为三臂液压凿岩台车钻孔注浆现场布置示意图；
图3双液浆施工流程图；
图4为单孔前进式分段注浆施工流程图。
【具体实施方式】
为对本发明进行更好地说明，举实施例如下：
某海底隧道在进入海域段后，地质情况复杂多变，隧道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，岩体完整程度和风化带厚度差异很大，多为碎裂～镶嵌破碎结构，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，造成突泥涌水、坍塌等地质灾害。因此在隧道掘进施工中，超前预注浆是确保施工安全的关键环节、工作的重中之重，也是隧道施工“预注浆、再管棚、小导管、后开挖、补注浆、快衬砌”施工部署先决条件，具体流程图见图2所示。某海底隧道F4-4断层超前预注浆分为两个循环施作，第一循环施作里程YK6+961～+931，计30m，采用全断面帷幕超前预注浆，第二循环施作里程YK6+936～+911，计25m，采用局部超前预注浆，注浆工艺采用分段前进式和全孔一次性注浆，注浆参数设计见表：
某隧道超前预注浆施工简况表
施工里程 YK6+961～+931 YK6+936～+911 YK6+900～+865 YK6+645～+615 YK6+514～+479 加固长度 30m 25m 35m 30m 35m 所属断层 F4-4 F4-4 F4-2 围岩 V级，局部IV级 IV级，局部V级 IV级 IV级 IV级，IV级加强
施工里程 YK6+961～+931 YK6+936～+911 YK6+900～+865 YK6+645～+615 YK6+514～+479 岩性 以火山角砾凝 灰岩为主，辉绿 岩、石英正长岩 侵入，存在断层 泥。 以火山角砾凝 灰岩为主，辉绿 岩、石英正长岩 侵入。 以火山角砾凝 灰岩为主，辉绿 岩、石英正长岩 侵入，局部有断 层泥。 以火山角砾凝 灰岩为主，辉绿 岩、石英正长岩 侵入。 以火山角砾凝 灰岩为主，辉绿 岩、石英正长岩 侵入，存在断层 泥。 单孔最大 出水量 Qmax＝ 36.5L/min Qmax＝ 1.7L/min Qmax＝ 24L/min Qmax＝ 8L/min Qmax＝ 12L/min 注浆方案 全断面帷幕超 前预注浆 局部超前 预注浆 周边帷幕 超前预注浆 局部超前 预注浆 局部超前 预注浆 注浆工艺 前进式分段 前进式分段、全 孔一次性 前进式分段 前进式分段、全 孔一次性 前进式分段、全 孔一次性 注浆孔 147孔 48孔 75孔 36孔 66孔 设计依据 勘测资料、TSP、 地质雷达、超前 探孔、取芯 勘测资料、TSP、 超前探孔 勘测资料、TSP、 超前探孔 勘测资料、TSP、 超前探孔 勘测资料、TSP、 超前探孔 开工、竣 工时间 2008.12.31～ 2009.2.4 2009.2.26～ 2009.3.10 2009.4.8～ 2009.4.21 2009.3.31～ 2009.4.7 2009.3.24～ 2009.4.5
1、止浆墙施工
根据掌子面地质情况，结合施工方法，考虑注浆加固段前方10m围岩完整性较好，能够形成稳定的止浆岩盘，故隧道F4-4断层两个注浆段都采用20cm厚喷射混凝土做为止浆墙，要求喷射混凝土表面平整，强度不低于20Mpa。
2、施工准备
钻孔前要按照设计及现场情况，计算出各注浆孔孔位在止浆墙体上的坐标，标识注浆孔的准确位置，合理布置施工用风、水、电，场地平整时要考虑顺畅的排水系统，注浆材料堆放台架放置距地面50cm高，严防水淹而板结，现场注浆站布置详见图2所示。
3、开孔
因三臂液压凿岩台车左右作业范围可达15.3m，而且台车三个臂可独立完成钻孔作业任务，为提高钻孔注浆施工工效，最优发挥凿岩台车快速施钻能力，可根据现场实际情况，灵活安排三个施工臂的钻孔任务，但为防止串浆，可适当拉开作业臂之间的距离，一般控制在2.0m左右。孔位误差应≤±1cm，开孔前保持钻机端头中点与掌子面注浆孔孔位于同一轴线上，固定钻机，调整钻杆中心线与设计注浆孔中心线相吻合，钻机定位误差≤±5cm，角度误差≤±0.5°，在钻孔过程中随时检查校正钻杆方向。超前注浆孔的孔底偏差应不大于孔深的1/40孔深，注浆检查孔的孔底偏差应不大于孔深的1/80孔深。
4、孔口管安装
钻孔2.2m后退出钻杆，利用台车作业平台安装孔口管，孔口管端口缠绕有纺锤体麻丝，外涂有锚固剂，在5min之内用钻机将孔口管顶入孔内，以防止锚固剂凝固，孔口管统一外露止浆墙20～30cm，以便于连接注浆管件。
5、制浆
考虑到浆液后期强度及灌注性能，结合室内试验及以往工程钻孔注浆施工经验，海底隧道钻孔注浆以超细水泥浆为主，必要时的堵漏采用超细水泥-水玻璃双液浆，制浆过程如下：超细水泥浆配置：水灰比0.8∶1～1.2∶1，先在高速搅拌机内放入定量清水进行搅拌，同时视设计及现场要求加入速凝剂，待全部溶解后再放入配比设计水泥重量，再搅拌4分钟即可，为确保浆液的良好灌注性能，高速搅拌机转速应大于1200r/min，而且浆液在通过二级搅拌桶时过筛，一般从制备至用完地时间宜小于2小时。
双液浆的配制：水泥浆的配制同上，水玻璃浆的配制在搅拌桶内加一定量的清水，再放入一定量的水玻璃搅拌均匀即可，两种浆液通过注浆机在混合器处混合。
6、钻孔注浆
孔口管的孔位采用台车Φ130mm钻头开孔，待孔口管安装固定后，改用Φ85mm钻头施作Φ90mm注浆孔，单孔分段前进式注浆工艺流程图见图5所示。
某海底隧道F4-4断层注浆设计参数表
按步序孔从外圈向里圈、自上而下进行钻孔注浆。每环注浆孔先施工奇数编号(如A1、A3……)注浆孔，然后施工偶数编号(如A2、A4……)注浆孔，偶数编号注浆孔同时可作为注浆检查孔。为防止临近孔位在注浆过程中发生浆液串流，孔位间隔一般控制在2.0米左右。
注浆结束标准应以定压和定量相结合为主，注浆结束标准的判定决定注浆质量的优劣好坏，是钻孔注浆成败的决定性因素。
单孔结束标准：
(1)、注浆压力达到设计终压；
(2)、注浆量达到设计注浆量80％以上；
(3)、注浆速度小于5L/min超过10min时，或者注浆速度小于初速的1/4。
全段结束标准：
(1)、所有的注浆孔都达到结束标准；
(2)、没有出现漏孔或分段漏注现象。
当注浆过程中长时间压力不上升，并且达到设计注浆量时，应缩短浆液的凝胶时间，并采取间歇注浆措施，控制注浆量。
超前预注浆机械设备配套表
序号 设备名称 性能型号 单位 数量 1 注浆泵 0～7MPa 台 3 2 三臂液压凿岩台车 ATLAS RB353E 台 1 3 二级搅拌桶 300L容积 台 2 4 高速搅拌机 转速大于1200r/min 台 1 5 注浆管 注浆高压胶管(16Mpa) m 80 6 材料放置台架 自制 套 1 7 混合器 T型(单向阀式) 个 5 8 抗震压力表 量程0～16MPa 个 8 9 高压球阀 Φ108(防突使用) 个 5 序号 设备名称 性能型号 单位 数量 10 地质罗盘 钻孔定位 个 2 11 管钳 中号 把 2 12 注浆接头 含高压闸阀， 另一端与注浆管匹配 套 20 13 三参数注浆记录仪 套 1
序号 设备名称 性能型号 单位 数量 14 其它 零碎物品及工具 足量
该方法达到如下效果：
1、提高效率、节能
在隧道超前预注浆施工中，台车和多功能钻机钻孔机械综合单耗见下表：
在进行超前预注浆施工中，一般钻孔工程量大，钻孔工作量约占整个注浆段施工工期的70％左右，因此钻孔的快慢影响和制约施工计划的进展和工程工期能否按时完成，而三臂液压凿岩台车快速的施钻能力，使这一问题得到了解决。三臂液压凿岩台车为液压传动，而多功能钻机和水平地质钻机设备多数为风能传动，从现场施工来看风能传动设备的施钻效率仅有液压传动的三分之一，在隧道钻孔注浆施工中同时在使用三臂液压凿岩台车和多功能钻机来进行深孔施工，通过同类围岩施工情况相比较(见下表所示)。
从上表分析来看，台车一个臂的施钻效率近乎相当于3倍多功能钻机的施钻效率，如果台车保持两个臂同时作业，基本相当于7倍多功能钻机的施工效率，在F4-4断层超前预注浆施工中，三臂液压凿岩台车在施钻Φ90mm注浆孔曾创下单天最大钻孔量468.1m的成绩，这是多功能钻机根本无法完成的。
2、环境污染小，施工条件舒适
在多功能钻机施工中，如果采用常规压力0.6～0.7MPa压缩空气来钻孔，钻孔速度较慢，平均每天钻孔量不到90m，如果改用2.2MPa压缩空气来进行钻孔，虽然钻孔速度有所提高，但需要在掌子面增加一台空压机，粉尘则更大，按隧道施工断面来看，一个工作面需要两台多功能钻孔，则开钻一小时离掌子面400m的距离能见度不足5m，而三臂液压凿岩台车采用电力驱动、液压传动、水风双重冲洗系统，对环境污染极小，施工条件相对比较舒适。
3、三臂液压凿岩台车作业范围大，在工作面上没有作业盲区
由于台车优越的BMH6818型液压推进梁长达7.2m，再具有鹰式臂的臂座，从而使RB353E三臂液压凿岩台车的作业范围大大提高，施工作业区宽达15.3m，高达12.6m。不论是国产M808多功能钻机，还是意大利C6钻机、日本RPD钻机等，工作范围都要比台车小很多，多功能钻机一般只能在0.5～2.8m高和一次定位在左右不超过1.1m的范围内施钻，超过此范围则先需要垫渣或者挖底，其次多功能钻机一般每施工2～4个孔就要移动钻机，极大浪费作业时间。
4、定位速度快
由于三臂液压凿岩台车具有BUT35重型的可伸缩1.6m、并可以自由回转360度液压钻臂，定位迅速而准确，而多功能钻机有时需要来回的走机才能调整到需要的孔位角度。
5、行进速度快
国产多功能钻机，包括意大利C6钻机、日本RPD钻机都是采用履带行走，设计时速极慢，新机每小时约800m，从停机位置到工作地点往往需要1小时左右才能就位，而台车采用轮胎行走，一般10多分钟就能从停机位到达掌子面。
6、安装孔口管及拆卸钻杆极为方便
三臂液压凿岩台车配置有HL230MB型的液压作业平台，平台能伸缩5米并能左右摆动，升降可达到工作面的任何地点，在钻孔注浆施工中用于拆卸钻杆及安装孔口管非常便利快捷，而多功能钻机根本不具备此类功能。
7、有利于设备保护和安全施工
国产多功能钻机、水平地质钻机、以及C6钻机、RPD钻机等工作时需要紧贴掌子面，施工过程中吹出的土石、粉尘使设备则长期处于极度恶劣的施工环境中，设备使用寿命较低，而三臂液压凿岩台车停机位一般保持在离掌子面5m的范围外，施工环境相对较好，利于设备保护和安全施工。
以某隧道F4-4断层钻孔注浆施工为例，通过实施全断面超前预注浆后，F4-4断层第一循环达到了如下效果：
1、通过全断面超前预注浆后，掌子面止浆墙及孔口管干燥，无滴水和渗水情况；
2、注浆结束后，掌子面施作检查孔10个，检查孔空置12h后，10个检查孔除3个滴水外，其余均无水，成孔良好，无塌孔，最大滴水量为1.8L/h。
3、对F4-4断层第一循环注浆段进行数字全景钻孔摄像，经监测，经过注浆后，围岩完整性较好，大部分裂隙已经被浆液充填密实，摄像孔内无裂隙水。
4、对隧道F4-4断层实施TSP超前地质预报，经监测，F4-4断层第一循环经注浆加固之后，裂隙充填较密实，围岩整体性变好，强度与密度较之前有所提高。
5、F4-4第一循环注浆已达到了设计要求，工艺先进，注浆堵水率达到了98％以上，实施效果良好。
6、围岩开挖后揭示，可以清楚看到浆液随节理裂隙面扩散，扩散痕迹明显，由于注浆后浆液对节理及裂隙进行了有效的封堵，在开挖过程中掉块及片帮现象明显减少，确保施工人员安全。