三臂凿岩台车配合玻纤锚杆加固掌子面技术
１ 工程概况
郑万高铁７标二分部承担的保康隧道进口里程为Ｄ１Ｋ４９９＋４２０，出口里程为Ｄ１Ｋ５１３＋９８０，全长１４５６０ｍ，为设计时速３５０ｋｍ的双线隧道。隧道最大埋深５０４ｍ，进口临近桥台，出口接路基。隧道地质情况为页岩夹砂岩，全隧以Ⅳ、Ⅴ级围岩居多，局部伴有Ⅲ级围岩。岩体破碎，节理裂隙发育，风化较为强烈，自稳能力差。隧道除进、出口及挑顶段落采用传统的施工方法外，其余段落采用全断面法施工，同时利用三臂凿岩台车、三臂拱架安装机、湿喷机械手等大型机械化配套作业。总工期６６个月。
２ 施工技术原理及特点
结合“新意法”施工理念，通过利用玻纤锚杆强度高、重量轻，锚固方便，加固效果好以及经济实用的特点进而对隧道掌子面前方起到了很好的超前预加固能力。此外通过三臂凿岩台车、湿喷机械手、移动注浆作业平台等机械的配合使用，在增加了掌子面稳定性的前提下，为隧道全断面的开挖施工奠定了良好的基础。可以达到挖除方便，减少施工作业人员，降低劳动作业强度，减少施工安全风险，快速而高效的施工目的。
３ 施工工艺流程
３．１ 施工准备
锚杆施工前，水、电、三臂凿岩台车、湿喷机械手、移动注浆作业平台，锚杆、水泥等辅助小型工具以及相关的人员要全部就位。
３．２ 喷射混凝土封闭掌子面
在掌子面钻孔前，先采用湿喷机械手对掌子面进行喷射混凝土封闭，厚度不小于１５ｃｍ，如遇到围岩较差地段可采用挂网喷锚，保证掌子面的初步稳定，防止出现掉块或围岩坍塌等情况。
３．３ 布孔、钻孔
在封闭完掌子面的基础上，再利用三臂凿岩台车全电脑系统进行布孔、钻孔。孔距、孔深由三臂凿岩台车自动控制。孔径应大于锚杆直径的１.５ｃｍ以上。玻璃纤维锚杆的横断面：外径φ２５ｍｍ，内径１２ｍｍ。钻孔钻头采用φ４５ｍｍ，成孔后直径相对于钻头有＋２～＋３ｍｍ误差。
掌子面布孔分３个区域进行，第一区域为从拱顶下６ｍ范围，锚杆间距１.０ｍ×１.０ｍ梅花形布置；第二区域为拱顶下６～９ｍ范围，锚杆间距１.５ｍｘ１.５ｍ梅花形布置。第三区域为拱顶下９ｍ至拱墙初支拱脚高度范围，视围岩情况而定，若围岩较差时，锚杆间距２ｍｘ２ｍ梅花形布置。若围岩较好时可不布设锚杆。所有锚杆的钻孔深度不小于１２ｍ，钻孔角度水平向下１°～３°。每循环的锚杆钻孔搭接长度不小于１ｍ。布孔如图１所示。钻孔操作如图２所示。
３．４ 锚杆安装
玻纤锚杆采用φ２５ＦＲＰ复合纤维锚杆，杆体安装采用三臂凿岩台车自带的挂篮并由人工配合推送的方式。凿岩台车挂篮上２～３人，１～２人安装锚杆，１人负责查孔、配合。为防止塌孔，杆体安装最好在钻孔后立即进行。当地层情况为软弱围岩，岩体较为破碎以及富水段，钻机无法成孔时则需要采取套管跟进的方式，通过套管插入玻璃纤维锚杆到指定位置，再将套管退出。玻纤锚杆插入孔内的长度不得短于设计长度的９５％。锚杆安装完毕后进行孔口锚固，防止注浆时浆液外溢。锚杆安装具体操作如图３所示。
３．５ 注浆
玻纤锚杆注浆时同样采用三臂凿岩台车挂篮配合进行，同时依靠移动注浆作业平台进行注浆，移动注浆作业平台由小型卡车、注浆机（压力流量可调节）、搅拌机、水流自动计量仪器、浆液流量自动记录仪、注浆软管等设备组成。浆液采用水泥单液浆，水泥选用ＰＯ４２.５普通硅酸盐水泥，配合比：１：１，注浆压力：０.５ＭＰａ。浆液搅拌时间不小于５ｍｉｎ。浆液要拌和均匀，防止结块。为防止出现堵管现象，注浆前需用清水润滑管道，同时需在搅拌机的出浆口设置过滤网防止浆液结块堵塞管路，网格尺寸为５ｍｍｘ５ｍｍ。注浆时锚杆端头要安装止浆阀。注浆采用注浆量和压力双重控制的方式。当注浆压力大于０.６ＭＰａ时停止注浆；每根锚杆注浆量不小于０.４ｍ³，若注浆压力大于１.１ＭＰａ，注浆量不小于０.０２ｍ³时同样可结束注浆。具体操作见图４。
４ 材料与设备
三臂凿岩台车配合玻纤锚杆加固掌子面主要材料及设备见表１。
５ 质量安全控制要点
５．１ 质量控制要点
（１）锚杆进场时，应平直、无损伤，直径、长度、抗拉强度等质量必须符合现行国家相关标准的规定和要求。
（２）锚杆孔应保持直线，一般情况下应保持与隧道掌子面方向水平向下１°～３°。
（３）锚杆安装的数量、长度应符合设计要求。
（４）锚杆的孔距、孔深、插入长度等必须符合相关的规范要求。
（５）浆液的原材料、强度等级、配合比、稠度等指标应符合要求。
（６）当采用套管跟进作业时，要确保达到设计深度。
（７）锚杆完成安装后，立即对孔口进行密封，再注浆，加快对围岩的加固进度，防止围岩坍塌，同时要确保玻璃纤维锚杆的注浆饱满度和加固质量。
５．２ 安全控制要点
（１）施工期间，要对初期支护以及隧道掌子面的稳定状态进行检查。尤其是不良地质地段，应安排专职安全管理人员进行监控。
（２）每循环施工前必须检查三臂凿岩台车及其他用电设备是否运转正常，有无漏电等情况。必须做到“一机、一闸、一箱、一漏”。
（３）洞内施工或夜间施工必须有足够的照明，且有警示灯。
（４）在三臂凿岩台车钻孔及扫孔过程中，人员要远离作业场所，防止孔内的高压风水吹出石碴伤人，同时人员不得位于注浆管口附近，防止爆管或高压喷出物射击伤人。
（５）进行钻孔作业时，还需要２～３人配合作业，作业人员应佩戴好劳保用品，严格按照安全操作规程作业。
（６）禁止在机械运转的情况下进行维修；注浆泵未停机或压力未降至零时，不得拆除管路或松开管路接头，防止浆液喷出伤人；凿岩台车和注浆泵由专人负责操作，未经同意其他人不得操作；注浆人员在拆管路、操作注浆泵时要戴护目镜，以防浆液溅人眼睛。
（７）注浆期间要加强围岩量测和人工检查的频率，及时掌控掌子面及周边初支的变化情况，如发现围岩有异常变形情况，立即组织人员和机械设备进行撤离。
６ 结论
随着科学技术的不断发展和社会的不断进步，机械作业代替人工作业已逐渐成为趋势。由于多功能三臂凿岩台车在隧道施工中的不断推广应用，同时结合了玻纤锚杆对隧道掌子面良好的加固效果，使得隧道开挖技术有了更长远的发展。保康隧道在采用该项技术后，软弱破碎围岩均可以采用全断面法施工，Ⅳ级围岩单口掘进平均日进度可以达到４ｍ，Ⅴ级围岩单口掘进平均日进度可以达到３ｍ，相较于传统工法施工进度（Ⅳ级围岩日进度２.５ｍ， Ⅴ级围岩日进度１.５ｍ）有极大的提高；此外减少了大量的人力，在安全保障方面也取得了显著成效，在铁路总公司及各级单位的考察和观摩当中，受到了表扬，全面实现了隧道机械化施工，提升了企业声誉和社会效益。