CN107130964A - 小型隧洞泥岩开挖施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型隧洞泥岩开挖施工方法，包括测量放线、开挖掌子面、掌子面修整、检测等步骤；本发明的优点在于：开挖泥岩速度最快，施工工艺较为简洁，工序衔接较快，大量的节省了时间，且开挖施工过程中对洞内施工环境作业较为良好，并减少对围岩的扰动。
Description
技术领域
本发明涉及一种隧洞开挖施工方法，具体地说是一种小型隧洞泥岩开挖施工方法，属于隧洞开挖施工方法领域。
背景技术
小洞径隧洞泥岩施工开挖过程中，使用小型挖掘机配液压破碎锤开挖的研究，在新疆地区近十年未见与本项目研究内容相同的文献公开报道。
泥岩是已固结成岩的，但层理不明显，或呈块状，局部失去可塑性，遇水不立即膨胀的沉积型岩石，它由泥巴和黏土固化而成，不显层理、呈块状，主要由细颗粒的沉淀物组成，其内聚力大，抗压强度低，透水性弱，吸水性强，遇水易软化、塑变，抗风化能力弱，易崩解。
洞室开挖一般分为3种：钻爆法开挖、机械开挖、人工开挖，除特殊地质采用人工开挖或人工与机械相结合开挖外，通常采用钻爆法开挖和机械开挖。小洞径隧洞泥岩开挖，由于受洞径、泥岩特性限制，采用钻爆法开挖施工，存在炸药审批难度大、看管及施工成本较高、安全隐患较大、对围岩稳定性破坏较大的问题。对于小洞径泥岩隧洞开挖施工，适宜采用机械开挖，而传统的机械开挖方法有：掘进机开挖、铣挖机开挖、挖掘机开挖等。
采用挖掘机施工，由于受洞径限制，大型挖掘机无法进入隧洞施工，而使用小型挖掘机进行开挖施工，泥岩在未失水崩解及风化的情况下，硬度较高，小型挖掘机功率不够，无法进行施工；铣挖机施工受限制情况与挖掘机开挖施工相同。
因此小洞径隧洞泥岩开挖可采用掘进机开挖，但掘进机开挖时会产生较大的灰尘（掘进机钻头通过旋转开挖把围岩磨成粉状），洞内能见度较低，对通风条件要求较高，若使用掘进机需进行降尘处理，增加通风设备投入及洒水降尘都会增加施工成本，若不进行降尘处理，则洞内施工作业环境较为恶劣，影响机械作业人员、值班人员及一衬作业人员的身体健康；且掘进机的动力来源为电力，需要专用的特高压变压器，用电量较大，且隧洞单一工作面里程较长，电缆需求量较大，且施工过程中用电安全隐患较大；且泥岩隧洞中若有渗水及出水现象，将会对掘进机收渣产生较大影响，因掘进机开挖后的泥岩成粉状，遇水将会变得粘稠，掘进机无法收渣，每开挖一米掘进机需退回洞外（洞内无错车道），其他出渣设备在进行出渣，因掘进机行走较慢，所需时间较长，直接影响施工速度。
发明内容
为了解决上述问题，本发明设计了一种小型隧洞泥岩开挖施工方法，开挖泥岩速度最快，施工工艺较为简洁，工序衔接较快，大量的节省了时间，且开挖施工过程中对洞内施工环境作业较为良好，并减少对围岩的扰动，提高了施工效率，缩短了工期，达到降低施工成本的目标。
本发明的技术方案为：
小型隧洞泥岩开挖施工方法，包括以下步骤：
（1）测量放线 在开挖掌子面上放出轮廓线点位，并交底每个点位的情况；根据提供的控制点、水准点，设立临时施工控制点及辅助施工基线；施工控制点和辅助施工基线应设置在不受干扰、牢固可靠且通视好、便于施工控制的地方；根据设计施工图纸的断面尺寸，隧洞两侧设立控制腰线，隧洞轴线上部安装红外线激光指向仪，以方便地控制标高和轴线位置；在红外线激光指向仪的前方设置不少于两个控制点，以在开挖后检查，或随时检查红外线激光指向仪是否发生偏移；
（2）开挖掌子面：采用小型挖掘机配液压破碎锤开挖，根据测量放样的设计开挖轮廓线；采用装载机装渣、运输至洞口或避车洞处装车，自卸汽车运至指定的弃渣场弃置；出渣过程中隧洞底部软弱处采用装载机装运戈壁料铺设，护洞室底部不受破坏；
（3）掌子面修整：大面积渣体运至洞外弃渣场，液压破碎机配合人工风镐开始修整轮廓线，待修整完毕，检测开挖轮廓面；
（4）检测：使用仪器检测开挖轮廓线，如果偏差较大，需要使用重新整修；如偏差较小，进入下一个工序。
特殊地质洞段施工措施。在隧洞施工地质预报中加强传统的地质方法，既要掌握原始地质资料，又要根据开挖的实际情况修正和补充原始地质资料，着重岩体结构面性质、特征、组合形式及地下水状态观测。通过观测、素描、地质作图，最后跟地质钻探法、测、分析、判断开挖面前方近距离地质构造。
1）对围岩较差洞段采用注浆小导管超前支护、成孔困难时，采用自进式锚杆超前支护；
2）在断层破碎地段，为保证开挖安全，对掌子面采用喷射砼进行封闭；
3）对围岩稳定性差的地段及时进行格栅支撑加强初期支护
隧洞排水：在隧洞开挖施工过程中，由于洞内地质条件复杂，有时会碰到夹砂层，此地段会存在出水现象，由于泥岩特性存在亲水性，遇水存在膨胀变形，为了保证施工安全，因喷护后岩体还是存在渗水现象，渗水会随着开挖的围岩面继续渗透，主要集中在拱脚位置，易使拱脚处泥岩受水影响膨胀变形，存在安全隐患，及施工进度顺利进行，需对渗水进行处理。
本发明采用液压挖掘机为动力、破碎锤为主要开挖工具，替代掘进机施工，开挖过程中根据洞径大小选择机械：型号小、重量轻、机械性能好，减少对围岩的扰动。
采用此方法施工，机械开挖过程中，开挖时按照从下至上、环形顺序、逐层扩大开挖面，开挖机械振动有限，有效保证围岩的完整性，最大程度的减小对围岩的扰动。
本发明的优点在于：使用小型挖掘机配液压破碎锤在小洞径隧洞泥岩开挖与传统开挖方法比较，液压破碎锤开挖具有简便、快捷、安全、经济的特点。在相同地质、相同洞径大小的隧洞开挖施工中，破碎机开挖泥岩速度最快，施工工艺较为简洁，工序衔接较快，大量的节省了时间，且开挖施工过程中对洞内施工环境作业较为良好，并减少对围岩的扰动。
经过预算评估及现场实验确定，采用小型挖掘机配液压破碎锤在小洞径隧洞泥岩开挖施工与传统的开挖施工方法如：掘进机开挖、铣挖机开挖、挖掘机开挖比较，较为经济合理且能保证工程施工的预期目标，使工程的质量、工期、安全和经济效益得到了可靠的保障
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
小型隧洞泥岩开挖施工方法，包括以下步骤：
（1）测量放线 在开挖掌子面上放出轮廓线点位，并交底每个点位的情况；根据提供的控制点、水准点，设立临时施工控制点及辅助施工基线；施工控制点和辅助施工基线应设置在不受干扰、牢固可靠且通视好、便于施工控制的地方；根据设计施工图纸的断面尺寸，隧洞两侧设立控制腰线，隧洞轴线上部安装红外线激光指向仪，以方便地控制标高和轴线位置；在红外线激光指向仪的前方设置不少于两个控制点，以在开挖后检查，或随时检查红外线激光指向仪是否发生偏移；
（2）开挖掌子面：采用小型挖掘机配液压破碎锤开挖，根据测量放样的设计开挖轮廓线；采用装载机装渣、运输至洞口或避车洞处装车，自卸汽车运至指定的弃渣场弃置；出渣过程中隧洞底部软弱处采用装载机装运戈壁料铺设，护洞室底部不受破坏；
（3）掌子面修整：大面积渣体运至洞外弃渣场，液压破碎机配合人工风镐开始修整轮廓线，待修整完毕，检测开挖轮廓面；
（4）检测：使用仪器检测开挖轮廓线，如果偏差较大，需要使用重新整修；如偏差较小，进入下一个工序。
特殊地质洞段施工措施。在隧洞施工地质预报中加强传统的地质方法，既要掌握原始地质资料，又要根据开挖的实际情况修正和补充原始地质资料，着重岩体结构面性质、特征、组合形式及地下水状态观测。通过观测、素描、地质作图，最后跟地质钻探法、测、分析、判断开挖面前方近距离地质构造。
1）对围岩较差洞段采用注浆小导管超前支护、成孔困难时，采用自进式锚杆超前支护；
2）在断层破碎地段，为保证开挖安全，对掌子面采用喷射砼进行封闭；
3）对围岩稳定性差的地段及时进行格栅支撑加强初期支护
隧洞排水：在隧洞开挖施工过程中，由于洞内地质条件复杂，有时会碰到夹砂层，此地段会存在出水现象，由于泥岩特性存在亲水性，遇水存在膨胀变形，为了保证施工安全，因喷护后岩体还是存在渗水现象，渗水会随着开挖的围岩面继续渗透，主要集中在拱脚位置，易使拱脚处泥岩受水影响膨胀变形，存在安全隐患，及施工进度顺利进行，需对渗水进行处理。
由于技术先进，施工控制得力，施工组织合理，节省开挖时间，加快了工程进度，节省施工成本，以农七师奎屯河七级水电站引水隧洞工程为例：
与掘进机施工作为比较：掘进机施工每天掘进平均每天为3.5米，隧洞全长1600米，无支洞，分为进、出洞口两个工作面，单一工作面平均每天开挖支护3.5米，所需时间为229天，采用破碎机开挖施工每天可开挖支护4米，所需时间为200天，节省时间为29天，按平均每天施工成本8800元（人工、机械设备租赁费、维修费等）计算，节省直接经济成本24.94万元，且开挖每方泥岩，使用破碎机开挖施工较掘进机施工成本降低约20%，节约成本140.43余万元，降低了成本，缩短了工期，取得了较好的经济效益。
应用实例
农七师奎屯河七级水电站引水隧洞开挖施工
1工程概况：奎屯河七级水电站引水隧洞工程，隧洞布置在奎屯河河左岸山体内，为无压隧洞，隧洞围岩主要为Ⅳ类围岩，岩石类别为泥岩，其最大埋深124m，最小埋深12m。隧洞断面为马蹄形断面，采用钢筋混凝土衬砌，衬后尺寸为4.5m×4.5m，衬砌厚度根据地质情况不同分为40cm和60cm，开挖洞径分别约为5.6m，6.0m。隧洞纵坡1‰，糙率取0.015。
于2014年10月31日施工至2015年11月30日竣工，造价22400000元。引水隧洞长1.6km，分为进、出洞口两个工作面。
2施工情况：采用液压破碎机施工，隧洞按照“短进尺、弱开挖、快封闭、勤测量”的原则组织施工，由下而上环形逐层开挖，沿开挖轮廓线进行破碎开挖，开挖后采用自卸车出渣。每循环进尺控制在3-4米，具体进尺根据围岩调整。
3工程结果评价：奎屯河七级水电站工程引水隧洞工程，通过采用液压破碎机进行施工，缩短工期29天，降低施工成本165.74万元。此工艺解决了施工准备期时间过长的弊端，大大降低了成本，提高了隧洞施工的安全性，确保了工程按照进度计划实施。
奎屯河三级水电站
1工程概况：奎屯河三级水电站装机容量为63mw,年发电量大约为22202万KWH，饮水隧洞长约10.86公里，集中水头146米，河道纵坡为15%，设计水头为145.8米，引水流量为50立方米/秒，电站装机4台，引水隧洞工程主要建筑物由取水口、引水暗渠、沉沙池、隧洞、厂房、升压站、尾水渠、进厂道路等组成。引水系统、发电厂房、升压站等主要建筑物均为三级建筑物；临时施工用房、施工道路等为四级建筑物。
2施工情况工程开工日期为2012年7月15日，全部工程竣工日期为2013年11月15日，总工期为480天。由于工程建址在河床岸边，老引水渠及原有道路全被洪水冲垮，加上开工较晚，正处洪水高峰期。60%以上的隧洞工程施工段无施工道路，施工物资运输受阻无法到场。同时，由于主隧洞地处高边坡，造成施工场地狭窄，施工供电供水困难。另外，由于河道地处山区，经常性风雨泥石流，损坏施工场地和道路等等复杂多变的施工条件，都影响正常的施工。
3地质复杂：由于引水隧洞地处第三系泥岩0+000-0+410，洞孔掘进与洞壁喷护须同步进行，导致工序不能穿插流水施工。特别是部分地段由于存在夹砂层及渗水，可能会导致坍塌。洞孔成形段面不规则，造成喷护和洞壁砼超预算工程量等等，也是影响制约工程质量和进度的重要因素。
4总体评价:该工程于2015年10月通过新疆发展和改革委员会、新疆七师水利局、七师水利工程建设管理处组成的竣工验收委员会验收。该工程经质量验收评定，工程质量等级达到优良，满足设计和规范要求，受到了业主、监理和上级部门一致好评，多次被评为样板工程。为今后推广该项施工技术提供了可靠的技术保证，该项工法的推广和应用，必将取得良好的经济效益和社会效益。
效益分析
相同断面大小的马蹄形小洞径泥岩隧洞，每米土方量为27.5方，若使用掘进机进行施工，开挖、出渣时间为3.5小时每米，且由于大型掘进机受洞径限制，无法进入洞内施工，采用小型掘进机，受掘进机自身臂长限制，开挖无法一次性到位，洞顶无法开挖，仍需其他开挖机械或人工辅助开挖，最少需2小时，以24小时为例，采用掘进机开挖施工每天只能开挖并完成一衬喷护一循环3.5米。
以上述相同断面大小的小洞径泥岩开挖为例，使用小型挖掘机配液压破碎锤开挖，所用机械设备较为简单，设备来源较广，在开挖施工时受洞内渗水等影响较为小；开挖时开挖料成块状，产生的粉尘较小，洞内影响作业环境的主要是开挖机械及出渣机械产生的尾气，通过洞外架设通风机，完全能够保证洞内作业环境良好，且使用小型挖掘机配液压破碎锤施工，小型挖掘机活动灵活，臂展较掘进机有很大提高，通过延伸及调节臂长及仰角，断面内任一位置都能够开挖到位，掘进速度较快，开挖出渣每延米所需时间为2-3小时，每一循环可以掘进4-5米，经过对比，采用液压破碎锤开挖施工，所以破碎机施工所需时间较短，工序衔接快捷，施工工艺较为简单，对洞内环境影响较小，施工成本较低，降低了工程造价。
本发明中所采用的各种设备，均为本领域生产工艺中使用的常规设备，且各设备的操作、参数等均按照常规操作进行，并无特别之处。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.小型隧洞泥岩开挖施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）测量放线：在开挖掌子面上放出轮廓线点位，并交底每个点位的情况；根据提供的控制点、水准点，设立临时施工控制点及辅助施工基线；施工控制点和辅助施工基线应设置在不受干扰、牢固可靠且通视好、便于施工控制的地方；根据设计施工图纸的断面尺寸，隧洞两侧设立控制腰线，隧洞轴线上部安装红外线激光指向仪，以方便地控制标高和轴线位置；在红外线激光指向仪的前方设置不少于两个控制点，以在开挖后检查，或随时检查红外线激光指向仪是否发生偏移；
（2）开挖掌子面：采用小型挖掘机配液压破碎锤开挖，根据测量放样的设计开挖轮廓线；采用装载机装渣、运输至洞口或避车洞处装车，自卸汽车运至指定的弃渣场弃置；出渣过程中隧洞底部软弱处采用装载机装运戈壁料铺设，护洞室底部不受破坏；
（3）掌子面修整：大面积渣体运至洞外弃渣场，液压破碎机配合人工风镐开始修整轮廓线，待修整完毕，检测开挖轮廓面；
（4）检测：使用仪器检测开挖轮廓线，如果偏差较大，需要使用重新整修；如偏差较小，进入下一个工序。
2.根据权利要求1所述的小型隧洞泥岩开挖施工方法，其特征在于：
1）对围岩较差洞段采用注浆小导管超前支护、成孔困难时，采用自进式锚杆超前支护；
2）在断层破碎地段，为保证开挖安全，对掌子面采用喷射砼进行封闭；
3）对围岩稳定性差的地段及时进行格栅支撑加强初期支护。
3.根据权利要求1所述的小型隧洞泥岩开挖施工方法，其特征在于：在隧洞开挖施工过程中，由于洞内地质条件复杂，有时会碰到夹砂层，此地段会存在出水现象，由于泥岩特性存在亲水性，遇水存在膨胀变形，为了保证施工安全，因喷护后岩体还是存在渗水现象，渗水会随着开挖的围岩面继续渗透，主要集中在拱脚位置，易使拱脚处泥岩受水影响膨胀变形，存在安全隐患，及施工进度顺利进行，需对渗水进行处理。
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