CN103643958A - 液压破碎锤开挖软弱围岩隧道施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软弱围岩隧道开挖施工方法，包括上导洞开挖、出渣、初支，左下导洞开挖、出渣、初支，右下导洞开挖、回填便道、初支，仰拱和洞室开挖、出渣，仰拱、填充、小边墙、二衬等的施工。本发明液压破碎锤开挖软弱围岩隧道施工方法，采用动态监测，科学组织施工，避免使用炸药，粉尘产生量少，具有极强的适应性，对于超挖、欠挖控制性能好，围岩的扰动小，使围岩力学特性更接近设计情况，衬砌质量高，稳定性、可靠度、安全度高。

Description

液压破碎锤开挖软弱围岩隧道施工方法

技术领域

本发明涉及一种软弱围岩隧道开挖施工方法，特别涉及一种液压破碎锤开挖软弱围岩隧道施工方法。 

背景技术

隧道作为铁路土建施工的重点工程、节点工程和难点工程，历来受到业界重视，虽然目前隧道施工理论发展成熟，技术和装备先进，经验丰富。但是针对不同的地质情况，如何选择合适的施工方法或者最佳施工方法一直是各施工单位研究的重难点。 

软弱泥质沉积岩属于Ⅲ、Ⅳ类软弱围岩，围岩强度不高，遇水易膨胀风化或者遇空气便风化为粘土。由于此类围岩易膨胀、黏粘特性，采用爆破钻孔的时候常常是容易打入，难拔出，深度钻孔难度大，所以传统施工方法认为对此类围岩施工的时候应当尽量避免对围岩扰动，多采用弱爆破、短开挖的施工方法。 

世界上大多数国家对炸药的管制十分严格，审批程序复杂，而且当施工毗邻市区的时候，还必须考虑到爆破施工对附近居民的影响，必须向有关部门提前提出申请。而且，在严格的政制性管制下炸药的市场供应量少，直接导致某些地区的工程炸药价格持续走高，并常常出现有价无市的情况。 

弱爆破、短开挖施工方法具有爆破次数多、频率高的特点，直接导致钻爆施工受到上述情况限制，严重影响工期进展。因此，无论对工程结构还是施工进度和成本控制，传统的钻爆法都不是最优施工方法。如何选择一种更适于弱围岩隧道的施工方法就成了亟需解决的问题。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中弱爆破、短开挖的施工方法的不足，提供一种液压破碎锤开挖软弱围岩隧道施工方法。 

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案： 

一种液压破碎锤开挖软弱围岩隧道的施工方法，包括以下步骤：

（1）上导洞开挖施工：

1a. 测量绘制上导洞开挖边线，采用挖掘机装备液压破碎锤开挖，将挖出的矿石渣运出；

1b. 挖进进尺量达到80cm-150cm时，测量挖掘量是否达到上导洞开挖边线，没有达到开挖边线的继续用液压破碎锤挖掘欠挖部分，达到边线后修理平整开挖面；

1c. 初衬台车就位，依次安装工字钢拱架、锁脚锚杆、钢筋网片，并焊接牢固构成钢筋骨架；

1d. 向1c步骤安装好的钢筋骨架上喷射混凝土料，进行初期支护；

1e. 喷浆完成后，撤走台车，重复1a-1d。

（2）当上导洞开挖长度达到30m～35m，，开始下导洞开挖施工： 

2a. 测量绘制下导洞开挖边线，采用挖掘机装备液压破碎锤对下导洞的一侧进行开挖施工，将挖出的矿石渣运出；

2b. 当2a的挖进进尺量达到80cm-120cm时，测量当前开挖侧的挖掘量是否达到下导洞该侧的开挖边线，没有达到开挖边线的继续用液压破碎锤挖掘欠挖部分，达到边线后修理平整开挖面；

2c. 依次安装工字钢拱架、锁脚锚杆、钢筋网片，焊接牢固，喷射混凝土料； 

2d. 当2a-2b中单侧开挖的长度达到1.5-2倍隧道宽时，开始下导洞另一侧的开挖施工，施工方法与2a-2c相同，只是挖出的矿石渣回填至2c施工完成的下导洞开挖处，形成施工便道。

（3）仰拱开挖： 

   3a. 根据监控量测结果分析，待下导洞的喷射混凝土形成的初期支护收敛在预设范围内时，开始仰拱开挖施工，仰拱施工前于隧道边墙每隔5米施放测量控制点，作为仰拱开挖及混凝土施工控制点。用挖掘机装备液压破碎锤开挖；同时仰拱开挖长度应控制在2.4m-10m之间，将挖出的矿石渣运出。

3b. 再次测量仰拱和洞室，如果挖掘量没有达到开挖边线，则继续对欠挖部分挖掘；达到到开挖边线后，修理平整开挖面，进行初期支护。 

（4）保持下导洞与上导洞的施工间距30m～35m范围内，重复步骤2-3，直到隧道贯通。 

由于采用液压破碎锤进行上导洞、下导洞、仰拱和洞室开挖，无需深入钻孔爆破。液压破碎锤具有良好的可调整性，有效避免了隧道软岩开挖施工过程中的超挖、欠挖，使围岩的扰动尽可能得到减少，使围岩力学特性更接近设计情况，衬砌质量高，稳定性、可靠度和耐久性得到有力保障。当挖掘达到设计量，即达到测量绘制开挖的边线，可以快速的进行初期支护，减少围岩风化，尽量保存岩石因有的支持强度，减少了混凝土方施工用量。 

尤其是对于欠挖部分快速补充挖掘，应对岩层强度变化，可快速调整挖进量，保证施工的安全可靠。本发明施工方法与传统弱爆破施工方法相比，具有安全性、适应性、经济性、灵活性、低噪声、对围岩扰动小、易控制超欠挖、机械化程度高、工序简单及对环境污染小等优点。优选的，液压破碎锤为装备在反铲履带挖掘机上使用。 

进一步，步骤（1）中先用液压破碎锤对岩石进行试打，如果岩石较硬能够达到自稳，便从掌子面下部进行开挖破碎，由下至上对上导洞的开挖面破碎挖掘；否则，由上至下对上导洞进行开挖，并且留置核心土，保证开挖后隧道掌子面岩石达到自稳。 

将配有液压破碎锤的挖掘机开至掌子面附近，在指挥人员的指导下，机械手对掌子面岩石进行试打。如果岩石较硬能够达到自稳的情况下，便从掌子面下部进行开挖破碎，并由现在指挥人员站在安全区域利用聚光灯，或聚光手电照向掌子面进行指挥，由下至上对掌子面大部进行开挖。如果岩石不能够自稳，指挥人员便会指挥机械手操作液压破碎锤由上至下对掌子面进行大部开挖，并且根据现场围岩情况选择性的留置核心土，保证开挖后隧道掌子面岩石达到自稳。 

现场由专业的指挥人员监查指挥上导洞的开挖，实时观察掌子面上挖掘机对上导洞的开挖情况，并进行专业的记录，进行信息化管理。每日再根据量测数据，由专家团队进行分析、判断围岩和支护的稳定状态，科学组织施工，安全有保障。 

进一步，在步骤（1）中，当遇到硬岩石时，用液压破碎锤变换不同的角度及部位，对岩石进行破碎，不得从一个角度或一个点强行破碎。当遇到硬岩石时，挖掘机装配液压破碎锤，由挖掘机大臂、小臂及液压破碎锤间变换不同的角度，从岩石的不同部位、角度进行破碎，岩石在多角度的破碎力锤打下快速破碎为矿石渣，不影响整体施工进度。 

进一步，在步骤1c中工字钢节点处设置锁脚锚杆，并与工字钢焊接。工字钢加设置锁脚锚杆焊接固定，防止钢筋骨架中主要承力的工字钢在喷射混凝土时发生变化，保证喷射上去的初支混凝土结构稳定。 

进一步，上导洞中喷射混凝土的初期支护完成后，立即开始钢拱架安装。。钢拱架分为6节制作，根据测设的位置，各节钢架在掌子面以四颗螺栓连接，连接板应密贴。为保证各节钢架在全环封闭之前置于稳固的地基上，安装前应清除各节钢架底脚下的虚碴及杂物。同时每侧安设2根锁脚锚杆将其锁定，底部开挖完成后，底部初期支护及时跟进，将钢架全环封闭。 

进一步，工序1c中还设置有系统锚杆。系统锚杆是为保证隧道围岩的稳定安全而采用的一种锚固措施。优选的，系统锚杆呈梅花形交错布置。 

根据围岩情况酌情设置系统锚杆，锚杆长度根据实际情况确定，且呈梅花形布置。钢筋网片需搭接在工字钢与围岩之间，每片钢筋网片的搭接长度不小于5cm。现场技术员需严格检查螺栓、锁脚锚杆、钢筋网片的施工质量。 

进一步，喷射混凝土是湿喷作业。喷射混凝土用自卸车运送拌合好的喷浆料到现场，采用喷浆机湿喷作业，湿喷作业可以缩短围岩临空面暴露的时间。优选的，喷浆作业期间，用鼓风机加强通风。湿喷作业，喷浆中含水，不同于干喷作业，混凝土中原本含有的水价必须快速由空气带出，增加鼓风通风，保持洞内通风良好，有利于喷射混凝土达到早期粘接强度，保证初支结构的稳固性。 

进一步，在仰拱开挖的同时，绘制避车洞开挖边线，并标明开挖深度，用液压破碎锤与仰拱一起开挖。每段仰拱和其中的洞室开挖完成后，运出矿石渣，再次测量开挖量是否达到开挖边线，未达到的用破碎锤对欠挖部分进行修整，挖掘量达到开挖边线的，修整平面，进行初期支护。优选的，此步骤的开挖可以与上导初期支护平行施工。 

进一步，液压破碎锤工作机械是现代290型挖掘机和水山SB121型破碎锤组合而成，尤其是将其组合应用于Ⅲ类围岩的开挖掘进。水山SB121型破碎锤总重量2413kg，钎杆直径155mm，打击频率300-450Bpm，工作压力160-180 kgf/cm??，钎杆较为粗钝，打击力度更大，对于具有较高刚强度的岩石有很好的破碎力，适用于Ⅲ类围岩的开挖掘进。 

进一步，液压破碎锤工作机械是现代210挖机和水山SB81型破碎锤组合而成，尤其是将其组合应用于Ⅳ类围岩的开挖掘进。总重量1740kg，钎杆直径140mm，打击频率350-500Bpm，工作压力160-180kgf/cm??，钎杆相对较为纤细，打击频率更高，对于岩石强度略低的岩石层具有很好的破碎速度，适用于Ⅳ类围的开挖掘进。 

本发明方法在Ⅲ～Ⅳ类围岩，尤其是具有一定自稳能力的Ⅲ～Ⅳ类围岩中的应力。 

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明采用液压破碎锤开挖软弱围岩隧道施工方法，加强了对围岩和支护的动态监测，进行信息化管理，根据量测数据，分析、判断围岩和支护的稳定状态，科学组织施工，安全有保障。 

然后，在环保方面，由于液压破碎锤对于隧道软岩施工中粉尘产生量少，对环境影响小，工人工作环境得到改善，施工进度得到加快。而且液压破碎锤和挖掘机具有极强的适应性，是常用的工程机械，可重复利用，不会闲置。相对于钻爆法，节省了钻孔、爆破费用以及炸药材料的开支，也避免了因为爆破炸药保管可能引发的不安全因素。 

最后，液压破碎锤具有良好的可调整性，有效避免了隧道软岩开挖施工过程中的超挖、欠挖，使围岩的扰动尽可能得到减少，使围岩力学特性更接近设计情况，衬砌质量高，稳定性、可靠度和耐久性得到有力保障。 

附图说明：

图1为本发明施工开挖的示意图；

图2为本发明施工开挖的左侧视图；

图3为本发明施工开挖的俯视图；

图4为本发明施工方法的一个优先方案的工艺流程图；

图中标记：（1）－上导洞；（2）、（3）－下导洞；（2）－左下导洞；（3）－右下导洞；    （4）－落底；4－仰拱；5－栈桥；101－上导洞初支；201－下导洞初支；401－渣土便道。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。本发明中部分专业术语解释如下，按本领域常规技术人员理解为准：“BPM”，是blows per minute的缩写，每分钟气锤打击的次数。“工序”，也称为步骤，均表示本发明中某一小段特定的工艺流程段。“掌子面”，上导洞与下导洞之间形成的阶梯平台称为掌子面。根据实际施工情况，按照相关施工工艺和规范进行填充、小边墙、二衬的修建，相关施工工艺和规范是中华人民共和国建筑行业隧道建造相关国家标准或行业规范等。“仰拱”，又叫底拱，是指隧道初期底部支护也称一次衬砌的的底环部分，在轨面线以下的部分，其上还有填充层和铺底层也叫隧道底板两层结构；下导是指隧道分部开挖方法中靠近仰拱的一个或多个坑道。 

在某地的Ⅲ、Ⅳ类软弱围岩的开挖施工中采用本发明方法，具体施工过程如下： 

液压破碎设备准备：采用现代290挖掘机和水山SB121型破碎锤组成液压破碎锤施工机械1，主要用于Ⅲ类围岩的开挖掘进。采用现代210挖掘机和水山SB81型破碎锤组成液压破碎锤施工机械2，主要用于Ⅳ类围岩的开挖掘进。所用到的机械为韩国现代机械公司、韩国水山机械公司（SOOSAN）的生产的破碎机械。

按照图4所示施工流程进行施工，首先S1，上导开挖：在Ⅲ类围岩的开挖掘进中，用上述液压破碎锤施工机械1或液压破碎锤施工机械2，进行上导开挖。Ⅲ类围岩进尺在120cm左右，Ⅳ类围岩不超过80m。如图1所示，先对Ⅰ部分进行开挖。 

液压破碎锤开挖前，需对操作手进行培训，开挖全程需安排专人指挥。将配有液压破碎锤的现代290挖机主机开至掌子面附近，对掌子面进行开挖，指挥人员，先指挥机械手对掌子面岩石进行试打。如果岩石较硬能够达到自稳的情况下，便从掌子面下部进行开挖破碎，由现在指挥人员站在安全区域利用聚光手电照向掌子面进行指挥，由下至上对掌子面大部进行开挖。如果岩石不能够自稳，指挥人员便会指挥机械手操作液压破碎锤由上至下对掌子面进行大部开挖，并且根据现场围岩情况选择性的留置核心土，保证开挖后隧道掌子面岩石达到自稳。 

当遇到硬岩石时，挖机大臂、小臂及液压破碎锤间可变换不同的角度及部位，依次从上、左、右、下的次序进行破碎打击，每个方向重复打击2-3次，每次2-4秒，轻松的将坚硬岩石破碎。 

大部开挖后由现场指挥人员指挥对初支断面边缘进行小部的开挖破碎及修整后进行排险。整个开挖过程掌子面对于液压破碎锤来说不存在盲点，均可利用液压破碎锤完成。开挖、出渣、初支作为一个单独小循环，不间断，保证掘进速度。施工流程为：测量放线→液压破碎锤就位开挖→出渣→复测→修理开挖面→台车就位→安装工字钢拱架→打锁脚锚杆→安装钢筋网片→喷射混凝土料→测量放线→液压破碎锤就位开挖。 

运渣：开挖完成后采用装载机装渣，自卸车经过渣土便道401、栈桥5，送出隧道，运到弃渣场倾倒。清运完渣土后立即对对面进行复测，用液压破碎锤进行修整。 

钢筋工程：上导工字钢分六节制作，每节用四颗螺栓拧紧，工字钢节点处打锁脚锚杆，并焊接；根据围岩情况酌情设置系统锚杆，锚杆长度根据实际情况确定，且呈梅花形布置。钢筋网片需搭接在工字钢与围岩之间，每片钢筋网片的搭接长度不小于5cm。现场技术员需严格检查螺栓、锁脚锚杆、钢筋网片的施工质量。 

喷浆：钢筋工程完成合格后，用自卸车运送拌合好的喷浆料到现场，采用两台喷浆机同时湿喷作业，以缩短围岩临空面暴露的时间。喷浆作业期间，需保持洞内通风。喷浆完成后，上导洞初支101完成，撤走台车，即可进行下一榀上导的测量放线及开挖工作。 

然后S201,左下导洞（图中标记Ⅱ）开挖、出渣、初支：上导洞开挖一定长度后，即可开始下导洞开挖。下导洞开挖方法与上导洞相同，采用液压破碎锤纵向掘进，进尺不得超过三榀。左下导洞初支201和上导洞初支101相同，可用一台喷浆机喷锚。左下导洞初支201需留出避车洞开挖的位置。 

然后S202，右下导洞（图中标记Ⅲ）开挖、回填便道、初支：右下导开挖与左下导相同，但开挖的渣土需回填到左下导以留出施工便道，初支同上导。 

然后S3，仰拱4和洞室开挖、出渣：仰拱开挖前将便道松土清除，测量放线，用液压破碎锤开挖。仰拱开挖长度与下导开挖进尺基本一致，每段仰拱开挖3片拱架跨度，III类围岩3.6m；IV类围岩为2.4m。如果围岩条件较好，也可增加仰拱开挖长度，但不得超过10m。避车洞开挖需精确放线，画出轮廓线，标明开挖深度，用液压破碎锤与仰拱一起开挖。每段仰拱和其中的洞室开挖完成后，用装载机装载渣土，自卸车运至弃渣场按要求倾倒。出渣完成后复测仰拱和洞室，用破碎锤对欠挖部分进行修整。此步骤可与上导初期支护平行施工。 

然后S4，仰拱、填充、小边墙、二衬等的施工，根据实际情况与隧道开挖平行施工，按照相关施工工艺和规范进行。 

整个施工过程液压破碎锤开挖不停歇，充分利用机械，并注意的是对挖掘机主机和破碎锤的保养和维修，漏油应及时处理，以免随染隧道弃渣，污染水源。 

将上述施工方案应用于Ⅲ、Ⅳ类围岩开挖施工中，在总长3591m的4座隧道施工中，采用液压破碎锤开挖比传统的“钻爆法”施工节约时间2个月。液压破碎锤开挖方法的应用一是降低了成本，节约了昂贵的炸药和雷管费用；二是有效控制了超欠挖，减少了对隧道围岩的扰动；三是加快了工序转换时间和减少了爆破后的空气污染；四是更加安全可靠；五是保证了掘进速度。特别是采用液压破碎锤开挖比传统的“钻爆法”施工减少安全投入少30%，施工总体成本减少20%。此方法的应用不仅取的了良好的经济效益也得到了业主、监理的一致好评。 

Claims (8)

1.一种液压破碎锤开挖软弱围岩隧道的施工方法，包括以下步骤：

（1）上导洞开挖施工：

1a. 测量绘制上导洞开挖边线，采用挖掘机装备液压破碎锤开挖，将挖出的矿石渣运出；

1b. 挖进进尺量达到80cm-150cm时，测量挖掘量是否达到上导洞开挖边线，没有达到开挖边线的继续用液压破碎锤挖掘欠挖部分，达到边线后修理平整开挖面；

1c. 初衬台车就位，依次安装工字钢拱架、锁脚锚杆、钢筋网片，并焊接牢固构成钢筋骨架；

1d. 向1c步骤安装好的钢筋骨架上喷射混凝土料，进行初期支护；

1e. 喷浆完成后，撤走台车，重复1a-1d；

（2）当上导洞开挖长度达到30m～35m时，开始进行下导洞开挖施工：

2a. 测量绘制下导洞开挖边线，采用挖掘机装备液压破碎锤对下导洞的一侧进行开挖施工，将挖出的矿石渣运出；

2b. 当2a的挖进进尺量达到80cm-120cm时，及时测量开挖是否达到开挖边线，没有达到开挖边线的继续用液压破碎锤挖掘欠挖部分，达到边线后修理平整开挖面；

2c. 依次安装工字钢拱架、锁脚锚杆、钢筋网片，焊接牢固，喷射混凝土料； 

2d. 当2a-2b中单侧开挖的长度达到1.5-2倍隧道宽时，开始下导洞另一侧的开挖施工，施工方法与2a-2c相同，挖出的矿石渣回填至施工完成的下导洞开挖处，形成施工便道；

（3）仰拱开挖：

   3a. 根据监控量测结果分析，待初期支护收敛在预设范围内时，开始仰拱开挖施工，仰拱施工前于隧道边墙，每隔5米施放测量控制点，作为仰拱开挖及混凝土施工控制点；用挖掘机装备液压破碎锤开挖；同时每次仰拱开挖长度应控制在2.4m-10m之间，将挖出的矿石渣运出；

3b. 再次测量仰拱和洞室，如果挖掘量没有达到开挖边线，则继续对欠挖部分挖掘；达到到开挖边线后，修理平整开挖面，进行初期支护；

（4）保持下导洞与上导洞的施工间距30m～35m，重复步骤2-3，直到隧道贯通。

2.如权利要求1所述液压破碎锤开挖软弱围岩隧道的施工方法，其特征在于，步骤（1）中先用液压破碎锤对岩石进行试打，如果岩石较硬能够达到自稳，便从掌子面下部进行开挖破碎，由下至上对上导洞的开挖面破碎挖掘；否则，由上至下对上导洞进行开挖，并且留置核心土，保证开挖后隧道掌子面岩石达到自稳。

3.如权利要求1所述液压破碎锤开挖软弱围岩隧道的施工方法，其特征在于，在步骤（1）中，当遇到硬岩石时，挖机大臂、小臂及液压破碎锤间变换不同的角度及部位，依次从上、左、右、下的次序进行破碎打击，每个方向重复打击2-3次，每次2-4秒，将坚硬岩石破碎。

4.如权利要求1所述液压破碎锤开挖软弱围岩隧道的施工方法，其特征在于，在步骤1c中工字钢节点处设置锁脚锚杆，并与工字钢焊接。

5.如权利要求1所述液压破碎锤开挖软弱围岩隧道的施工方法，其特征在于，初期支护喷射混凝土采用湿喷作业。

6.如权利要求1或5所述液压破碎锤开挖软弱围岩隧道的施工方法，其特征在于，喷浆作业期间，用鼓风机加强通风。

7.如权利要求1所述液压破碎锤开挖软弱围岩隧道的施工方法，其特征在于，工序1c中还设置有系统锚杆。

8.如权利要求7所述液压破碎锤开挖软弱围岩隧道的施工方法，其特征在于，系统锚杆呈梅花形交错布置。

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