三臂液压凿岩台车注浆钻孔钻进施工分析
隧道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，为有效规避突泥涌水、坍塌等各类地质风险，需要对前方实施预加固处理措施，而注浆作为一种重要的施工方法，起到很好止水和加固围岩的作用。在超前预注浆施工中，钻孔工程量很大，约占整个注浆段施工工期的７０％以上，是超前预注浆施工的控制因素。
延庆至崇礼高速公路棋盘梁隧道，工程地质复杂，断裂破碎带多，地下水丰富，钻孔注浆量大，通过对三臂液压凿岩台车的不断改造和改进，不仅使三臂液压凿岩台车适用于爆破开挖施工，还适用于超前预注浆作业，在棋盘梁隧道开挖及超前预注浆施工中进行了成功的应用和验证，获得了满意的效果，缩短了工期，取得了较好的技术、环境、经济和社会等综合效益。
１ 工程概况
棋盘梁特长隧道起点位于河北省张家口市赤城县炮梁乡砖楼村北，终点为崇礼区棋盘梁村东，为分离式隧道，是延庆至崇礼高速公路河北段的关键控制性工程。隧道左幅全长５８７４ｍ，隧道右幅全长５８９８ｍ，总体地形起伏较大，天然地表未见滑坡等迹象，但地表岩层风化破碎。隧道区以二长花岗岩为主，夹磁铁石英岩，围岩整体性差。本项目时间紧、任务重、技术复杂性高，施工单位为提高工作效率，采用三臂液压凿岩台车进行钻孔钻进施工。
２ 施工原理及工法特点
２．１ 施工原理
发挥三臂液压凿岩台车快速、灵活的施钻能力，满足不同孔径和工程范围的作业要求，将原台车的钻杆更换为钻孔深度、钻杆强度和刚度更高的美国Ｔ３８×３.６６圆形加长钻杆，钻孔中的排渣采用改进后的高压水洗和高压风洗双重系统，按设计孔径大小配置相应大小的钻头由台车进行钻孔，用符合设计要求的设备、机具、材料、工艺进行施工组织，最终完成注浆孔及其它深管孔的钻进作业和检验。
２．２ 施工工法特点
（１）将原属于爆破开挖的专用设备三臂液压凿岩台车进行改造和改进，使其不仅适用于爆破孔和锚杆孔的钻进，同时还适用于注浆孔、管棚孔等深度小于５０ｍ、孔径Φ４５～Φ１３０ｍｍ各种钻孔的施工。
（２）与其他钻孔设备相比，三臂液压凿岩台车钻孔速度快，钻孔定位、孔口管安装、钻注工序转换更加便利和快捷，施工作业环境舒适安全。
（３）适用于Ⅰ～Ⅲ级围岩超前预注浆钻孔、超前地质钻孔、管棚孔及锚杆孔的钻进，经前进式注浆或其它处理措施后，亦可应用于Ⅳ、Ⅴ级围岩中各种钻孔的施工。因此，在断层及软弱破碎带，三臂液压凿岩台车仍能得到运用，提高了台车的使用率，拓展了台车的应用领域。
３ 施工操作要点
３．１ 施工准备
施工前合理布置风、水、电管线，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。检查设备是否能满足正常施工需要，施工人员是否全部到位，各工种人员是否做好各工序的有效衔接准备，是否进行详细的质量、安全技术交底。
３．２ 台车改造
（１）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。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六角形钻杆。此类钻具根本无法满足深孔施工要求，经过反复试验，最终引进美国生产的用于潜孔钻使用的Ｔ３８×３.６６ｍ圆形加长钻杆，配套三臂液压凿岩台车使用。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）吐渣冲洗系统的改进
由于三臂液压凿岩台车对围岩及地质条件要求较高，一般适用于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。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。正是通过对这两种冲洗系统的研究，不断的尝试试验，最终建立高压水洗和高压风洗双重系统。
３．３ 钻孔施工作业
（１）止浆墙施工
止浆墙通常结构为较简单的模筑混凝土或喷射混凝土墙，在注浆前先施工。混凝土墙必须内实外光，喷射混凝土墙要内部密实、表面平整，强度不低于设计值。待墙体混凝土强度达到设计强度值后方可进行注浆孔钻进施工。
（２）钻孔作业施工
钻孔前按照设计、机械设备配套及现场情况，合理布置注浆孔施工区域，然后计算出各注浆孔的孔位坐标参数，并准确的标识在止浆墙体上。开孔前保持三臂液压凿岩台车钻头与掌子面孔位标识点重合，然后推上台车推进梁，拉伸台车大臂及旋转翻转油缸，使用地质罗盘仪调整钻杆中心线与设计注浆孔中心线吻合，实施开孔的钻孔作业。因三臂液压凿岩台车左右作业范围可达１５.３ｍ，宽达１２.６ｍ，而且台车三个作业臂可独立完成钻孔作业。为提高钻孔注浆施工工效，最优发挥三臂液压凿岩台车快速施钻能力，可根据现场实际情况，灵活安排三个作业臂的钻孔施工。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。
钻孔至孔口管设计长度要求后退出钻杆，利用台车作业平台安装孔口管。孔口管管身缠绕由纺锤体麻丝，外涂有锚固剂，在５ｍｉｎ之内用钻机将孔口管顶入口内，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。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，存在粉细砂、断层泥等不良地质因素，则使用高压风或高压水雾化混合冲洗系统，防止卡钻和钻杆掉失或者泥沙潜失而造成的渗流破坏。三臂液压凿岩台车的司钻手钻孔施工中要合理控制高压风和高压水的流量，既要防止塌孔卡钻，又要避免高压风吹出的粉尘太大而污染环境。在遭遇断裂破碎带及涌水量大等不良地质地段时，可采用前进式注浆或经其它注浆施工工艺处理后，再实施钻孔作业。在钻孔过程中，应及时进行洗孔，防止石渣在注浆孔内堆积太多而造成卡钻。
钻孔顺序应按照注浆孔布局从外圈向里圈、自上而下进行钻进。每环注浆孔先施工奇数编号注浆孔，然后施工偶数编号注浆孔，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２.０ｍ左右，尽量避免在整个工作面“一上一下、一左一右”施工，否则会导致机械设备来回移位幅度过大而影响施工效率。注浆孔钻至设计深度后，将冲洗系统流量调整到最大，反复推拉钻杆，排出注浆孔内残留的石渣。然后退出钻杆，连接注浆管路，开始注浆作业。
４ 施工注意事项
（１）开孔偏差必然引起终孔坐标偏差，定位过程中严格要求，精益求精。
（２）开孔钻进一定要采取低冲击、慢钻进的操作方法，减少开孔段的钻进偏差，对随后的深钻孔起到很好的导向作用。钻孔过程中随时检查校正钻杆方向。
（３）台车行走时要平稳，避免紧急操作发生意外事故；台车在施钻过程中作业臂下严禁站人，保证施工人员在作业臂移位时能触及的安全距离以外。
（４）隧道作业面应无杂物，场地整洁，现场材料堆放及管线布置整齐美观，规范有序。
５ 效益分析
（１）节约资源
为全面掌握台车在注浆孔钻进施工中的使用性能和施工效率，现场还配备了一台国产ＨＴＹＭ８０８多功能钻机。为提高钻孔速度，又配备一台２.２ＭＰａ的ＡＴＬＡＳ柴油ＸＲＨＳ８３６０Ｄ空压机配套多功能钻机使用。经过２０１７年９～１２月同类围岩施工累计采集的数据分析来看，三臂液压凿岩台车在资源节约方面存在很大优势。根据统计，多功能钻机和空压机燃油消耗每延米７.７Ｌ，而三臂液压凿岩台车由于采用电力驱动，仅在行走和维修时采用内燃动力，燃油消耗小，每延米为０.３Ｌ。截至２０１８年５月，棋盘梁隧道累计注浆孔钻进２２７６６ｍ，燃油节约１６８４６８Ｌ，约１４３ｔ，有效地保护了不可再生资源。
（２）经济效益好
在２０１７年９～１２月棋盘梁隧道施工中，三臂液压凿岩台车和多功能钻孔机械综合单耗对比如表１所示。
根据钻孔每延米机械消耗情况，如果全部注浆孔都采用多功能钻机钻进，需要费用３１１万元，而三臂液压凿岩台车需要费用１４８万元，节省费用１６３万元，工期提前５个月左右。
（３）钻进速度快
根据施工统计，台车一个作业臂的施钻效率约相当于４倍多功能钻机的施钻效率。如果台车保持两个作业臂同时施工作业，约相当于７倍多功能钻机的施工效率，三臂液压凿岩台车在施钻Φ１０８ｍｍ注浆孔时，平均钻孔深度为３００～３５０ｍ，这是多功能钻机无法完成的。
（４）环境污染小
根据现场情况，一个工作面需要两台多功能钻机，配套空压机使用，施工过程中产生大量粉尘，现场能见度很低。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，大大降低了现场的粉尘浓度，对环境污染很小，施工条件相对比较舒适。
（５）施工安全，劳动强度低，设备使用率高
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５ｍ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钻杆装卸及孔口管安装非常便利，相对于多功能钻机，提高了施工工效，减轻了施工劳动强度。此外，三臂液压凿岩台车还具备掘进开挖功能，这是多功能钻机不具备的。
６ 效果评价
通过现场规范有序的施工生产组织管理，严格要求的施工工艺和质量控制，以及三臂液压凿岩台车优越的机械设备性能，在实际施工中表现出极其明显的操控、环保、工期等优势，对节约成本、保护环境具有很大的经济效益及社会效益。