CN107842368B - 城市隧道钻凿铣机械组合非爆开挖工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种城市隧道钻凿铣机械组合非爆开挖工艺，按以下步骤进行，(1)施工测量；(2)机械钻孔；在上台阶掘进施工时，采用钻机钻孔以形成临空面，对拱墙沿开挖边线钻孔切割，在掌子面上钻设炮头诱导孔；(3)掘进开挖；采用台阶法在掌子面开挖；(4)铣挖修边；采用铣挖机进行修边，铣挖欠挖体、切割残留物，并清理拱顶和掌子面上破碎岩体；(5)隧道出渣；(6)初期支护及二次衬砌；每环隧道掘进完成在掌子面清理干净后，及时进行初期支护施工，采取锚、网、顶、喷相结合的方式固结、封闭围岩体。该工法从源头上杜绝了爆破振害的产生，减少对围岩及地表建构筑物的扰动，降低了地表沉降和隧道垮塌风险。

Description

城市隧道钻凿铣机械组合非爆开挖工艺

技术领域

本发明属于隧道掘进技术领域，尤其涉及一种隧道的非爆开挖方法。

背景技术

由于城市隧道位于或邻近城区，其场址及周边开发程度较高，地形受人类活动影响大，其顶部往往分布较多建筑物，加之埋深较浅，施工中传统的钻爆法难免对建构筑物造成影响，引起地面沉降、建构筑物开裂等，造成社会不稳定和其它社会矛盾，给隧道建设者们带来严峻考验，由此可见，本领域技术人员亟待设计出一种有效避免爆破震害，有效杜绝常规钻爆法对周边环境的影响，保障建构筑物的安全的施工方法。

发明内容

本发明的目的在于解决上述技术问题，提供一种城市隧道钻凿铣机械组合非爆开挖工艺，该工法从源头上杜绝了爆破振害的产生，减少对围岩及地表建构筑物的扰动，降低了地表沉降和隧道垮塌风险。

本发明的技术方案如下：

一种城市隧道钻凿铣机械组合非爆开挖工艺，按以下步骤进行，

(1)施工测量；在隧道外设置水准点、中线点，定期复核，洞内控制点在掘进过程中按施工进度设定；每次掘进前应根据设计尺寸实地放样，在掌子面上标出开挖轮廓线；开挖完成后及时复核，采用全站仪或经纬仪定出隧道中线和拱顶高程，隧道中线及高程经复核无误后，由测量人员现场实地放样，以隧道中线为参照，按孔位设计图在掌子面上标出周边孔和诱导孔，孔位采用红油漆标；

(2)机械钻孔；在上台阶掘进施工时，必须采用钻机钻孔以形成临空面，对拱墙沿开挖边线钻孔切割，在掌子面上钻设炮头诱导孔；周边切割孔和诱导孔均采用φ100mm钻头成孔，拱部周边钻孔间距为20～30cm；钻机就位后先实施周边切割孔，钻孔深度不超过3m，切割孔角度按外插角2～3度控制；周边切割孔钻设完成，按至上而下的顺序钻诱导孔，诱导孔钻孔深度在掘进进尺基础上加深20cm，钻孔角度宜尽量水平；

(3)掘进开挖；采用台阶法在掌子面开挖，上台阶安排两台、下台阶安排一台破碎锤联合作业；拱墙切割孔、掌子面诱导孔钻设完毕，液力破碎锤自行就位后，调整大臂，以各诱导孔口作为支点，将炮头插入孔内，通过液压驱动产生的持续冲击力，将掌子面岩石破碎；上台阶掘进开挖时，破碎锤应按由中间向两边、自下而上的顺序分层破碎、凿打；下台阶开挖时，则按由外向里、由中间向两边的顺序破碎、凿打；

(4)铣挖修边；采用铣挖机进行修边，铣挖欠挖体、切割残留物，并清理拱顶和掌子面上破碎岩体；

(5)隧道出渣；

(6)初期支护及二次衬砌；初期支护紧跟掌子面，每环隧道掘进完成在掌子面清理干净后，及时进行初期支护施工，采取锚、网、顶、喷相结合的方式固结、封闭围岩体；二次衬砌采用全断面自行式液压模板台车整体浇筑，泵送入模，人工结合机械振捣密实。

进一步地，对于大跨径隧道的施工，台阶高度宜结合拱部矢跨比和机械需用空间共同确定，拱部矢跨比不小于1/5。

进一步地，按照1/2～2/3H的矢跨比确定拱部第一台阶高度。

进一步地，拱部第一台阶高度为5～6m，下台阶高度为3～4.5m。

进一步地，大跨径隧道机械开挖采用长台阶，台阶留置长度以不超过5倍隧道开挖跨度，下台阶开挖后及时进行仰拱施工。

进一步地，在对砂质泥岩进行机械钻孔时，上台阶的掌子面诱导孔间距按80cm×80cm设置，且诱导孔呈等边三角形布置。

进一步地，在机械钻孔时，应尽快接好钻孔用的电源、水源，调整钻杆、钻头，进入钻孔状态，钻头必须紧顶在掌子面上，按标记的诱导孔位钻进，钻孔深度达20cm后升至额定钻速钻进，孔深达到要求后，钻机反转使钻杆、钻头退出，然后进行下个孔位钻设。

进一步地，在隧道出渣时，洞内出渣运输过程必须连续进行，根据掘进进度及产量，配备足够数量的运输车辆运渣，弃渣直接运往渣场堆放。

进一步地，对于采用机械开挖的浅埋隧道，除了实施常规监测项目外，还应重点进行洞内外地质及支护状况观察、洞周及水平收敛、拱顶及地表下沉、周边建筑物沉降和地下管线变形测量、超前地质预报。

本发明的有益效果：本发明相对于传统的钻爆法隧道掘进成功解决了爆破振害大(冲击波、爆破振动、有毒有害气体等)、引起地面沉降、建构筑物开裂以及造成社会不稳定和其它社会矛盾的难题，采用非爆破开挖从源头上杜绝了爆破振害的产生，减少对围岩及地表建构筑物的扰动，降低了地表沉降和隧道垮塌风险。同时，机械开挖振动较小(仅炮机凿打时有微弱冲击振动)，对地表建构筑物和设施基本无影响，避免了房屋炮损赔偿和扰民事件的发生，与钻爆法相比经济效益和社会效益显著。其具体表现为：(1)主要是采用钻机+液压破碎锤+铣挖机等机械组合，破除掌子面围岩从而实现隧道非爆破法掘进开挖。(2)本工法机械化程度高，操作简单、灵活多变、适用性强，可用于各种断面和围岩的隧道开挖作业，分台阶开挖有利于断面控制和开挖面稳定；掌子面机械组合使开挖进尺可控，纵向跨度减小，提高安全性能。(3)相比于常规钻爆法，机械开挖有效避免爆破震害(爆破振动、冲击波、飞石、有毒有害气体、爆破松动圈等)的产生，减少了对施工人员和周边环境的不利影响，对维持社会稳定有积极作用。(4)机械开挖破坏强度较小，对周边围岩扰动小，围岩变形不大，确保了开挖面和边线的稳定和完整，隧道垮塌、冒顶、掉块等风险降低；另机械操作便捷灵活，使开挖轮廓线准确易控，大大减少了超欠挖现象。(5)在地质条件发生变化(如砂泥岩互层)时，通过监控量测数据分析，便于及时准确的进行工序转换和施工方法调整，从而减小安全风险、防止事故发生。

附图说明

图1为本发明流程示意图。

图2为台阶法施工步序横断面示意图。

图3为台阶法施工步序纵断面示意图。

图4为五寸台法绘出的隧道断面施工示意图。

图5为拱墙周边切割孔布置示意图。

图6为掌子面诱导孔布置示意图。

图7为横截面掘进方向示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1—7所示，一种城市隧道钻凿铣机械组合非爆开挖工艺，按以下步骤进行：

1、台阶高度和长度确定

如图2—3所示，为便于设备摆放、除渣运输、台架就位，保证初期支护有足够操作空间，大跨径隧道台阶高度宜结合拱部矢跨比和机械需用空间共同确定，拱部矢跨比不小于1/5，且在满足作业空间前提下宜尽量低，一般按照A＝1/2～2/3H的矢跨比确定拱部第一台阶1(上台阶)的高度，H为隧道的洞高。拱部第一台阶1的高度A实际取值一般取5～6m，下台阶2高度D一般为3～4.5m。同时，为便于材料和弃方运输，大跨径隧道机械开挖宜采用长台阶，台阶留置长度以不超过5B(B为隧道开挖跨度)或50m为宜，下台阶2开挖后及时进行仰拱施工；图中箭头3为掘进方向。

2、施工测量

在隧道外设置水准点、中线点，定期复核，洞内控制点在掘进过程中按施工进度设定。为使开挖断面符合设计要求，在每次掘进前应根据设计尺寸实地放样，在掌子面上标出开挖轮廓线。开挖完成后及时复核，采用全站仪或经纬仪(附加竖直角法)定出隧道中线和拱顶高程，用“五寸台”法绘出隧道断面(见图4)，C＝500mm，精度为±10mm。隧道中线及高程经复核无误后，由测量人员现场实地放样，以隧道中线为参照，按孔位设计图在掌子面上标出周边孔和诱导孔，孔位采用红油漆标记。

3、机械钻孔

⑴考虑到液力破碎锤掘进时，隧道拱部成型效果差，局部位置无法凿打，且掌子面上破碎锤定位较困难，导致工作效率严重下降。为提高炮机工作效率和成型效果，在上台阶掘进施工时，必须采用钻机(钻孔台车或挖改液压凿岩机(挖机钻))钻孔以形成临空面，即对拱墙沿开挖边线钻孔切割，在掌子面上钻设炮头诱导孔。

⑵根据隧道设计断面和现场实际情况，周边切割孔4和诱导孔5均采用φ100mm钻头成孔(孔径为100mm)，拱部周边钻孔间距E为20～30cm(即沿开挖边线预裂)。结合液力破碎锤炮头工作影响半径，上台阶1掌子面诱导孔5的间距F按80cm×80cm设置(该间距适用于砂质泥岩断面，如遇砂岩等较硬岩石，其孔眼间距可适当加密，可设试验段进行验证)，诱导孔5呈等边三角形布置，即看上去每相邻的3个诱导孔为等边三角形的三个顶点，亦即上下相邻两行的诱导孔彼此不一一正对，而是相互错开；切割孔4和诱导孔5的孔眼布置情况见图5—6。

⑶考虑到设备就位和工作效率因素，钻机就位后先实施周边切割孔，钻孔深度可结合钻机钻杆长度确定，原则上不超过3m，切割孔角度按外插角2～3度控制；周边切割孔钻设完成，按至上而下的顺序钻诱导孔，诱导孔钻孔深度在掘进进尺基础上加深20cm，钻孔角度宜尽量水平。

⑷钻机就位后，应尽快接好钻孔用的电源、水源，调整钻杆、钻头，进入钻孔状态，为提高施钻精度，防止钻杆颤动，钻头必须紧顶在掌子面上，按标记的诱导孔位钻进，钻机开孔时钻速宜低(低于额定转速)，钻孔深度达20cm后采用正常钻速(额定钻速)钻进，孔深达到要求后，钻机低速反转使钻杆、钻头退出，然后进行下个孔位钻设。

4、掘进开挖

大跨径隧道掘进采用台阶法在掌子面开挖时，为提高工作效率，上台阶安排两台(左、右侧各一台)、下台阶安排一台破碎锤联合作业。拱墙切割孔、掌子面诱导孔钻设完毕，液力破碎锤自行就位后，调整大臂，以各诱导孔口作为支点，将炮头插入孔内，通过液压驱动产生的持续冲击力，将掌子面岩石破碎。上台阶掘进开挖时，破碎锤应按由中间向两边、自下而上的顺序分层破碎、凿打(横断面上掘进方向如图7所示，单线箭头6分别代表了破碎锤6的破碎方向)；下台阶开挖时，则按由外向里、由中间向两边的顺序破碎、凿打，如采用带钩推土机，则应由里向外、一侧向另一侧顺序作业。

5、铣挖修边

上台阶开挖时，局部受设备自身限制无法凿打或凿打不到位(欠挖)，如拱顶两侧、台阶分界线靠近边墙底部等部位，以及相邻周边切割孔交界处残留体，将对初期支护的钢拱架(或钢格栅)安装造成影响，必须进行修边处理。为确保施工安全，提高拱架安装精度和效率，对上述部位采用铣挖机进行修边，铣挖欠挖体、切割残留物，并清理拱顶和掌子面上破碎岩体。

6、隧道出渣

隧道开挖过程中，为避免破碎洞渣堆积太高(特别是上台阶)，影响工作面和炮机凿打效率，应及时将凿出的松散岩体清运出场。城市隧道中大都采用无轨运输的出碴方式，采用侧翻式装载机装渣，自卸汽车运输和转运。每循环掘进开挖结束，在开挖面安全处理完成后，由专职安全员进洞检查，查看洞顶有无裂缝、悬石、吊块和松散体等情况，在确认安全后进行出渣。洞内出渣运输过程必须连续进行，根据掘进进度及产量，配备足够数量的运输车辆运渣，弃渣直接运往渣场堆放。

7、初期支护及二次衬砌

隧道尽可能的采用复合式衬砌，初期支护紧跟掌子面，每环隧道掘进完成在掌子面清理干净后，及时进行初期支护施工，采取锚、网、顶、喷相结合的方式固结、封闭围岩体。为确保型钢拱架安装进度和安全，采用我司的实用新型发明产品--附着型隧道拱架快速安装机械手(ZL201020500830.8)进行拱架安装，使围岩与初支体系共同形成支撑环，相互牵制、联合受力，最大限度地保持围岩稳定。二次衬砌则是通过监控量测进行动态分析，在围岩与初期支护变形达到基本稳定前提下实施，及时封闭成环，使围岩和支护结构形成整体，达到支护体系绝对安全的效果。二次衬砌采用全断面自行式液压模板台车整体浇筑，泵送入模，人工结合机械振捣密实，其施工涉及的工序(防水、接缝、钢筋、混凝土)和内容，请参照相关规范和工法，在此不再赘述。

8、监测量测

监控量测是隧道施工的重要组成部分，通过现场量测掌握围岩和支护的动态，对围岩支护体系稳定性进行评价，指导施工，预报险情，达到确保施工及结构安全的目的。对于采用机械开挖的浅埋隧道，除了实施常规监测项目外，还应重点进行以下项目的监测，包括洞内外地质及支护状况观察、洞周及水平收敛、拱顶及地表下沉、周边建筑物沉降和地下管线变形测量、超前地质预报等。所涉及的监测项目断面布置和测点布置情况如下：施工过程中，应根据量测频率定期准确地实施现场监测，在对量测数据进行分析和计算后，找出回归方程，绘出回归曲线，根据所绘曲线的变化情况与趋势，判定围岩的稳定性，为险情预报、修正支护参数、确定二衬时机提供参考。

施工注意事项：

采用机械开挖的城市隧道施工质量应满足《城市隧道工程施工质量验收规范》(DBJ50-107-2010)相关规定和设计要求。工程正式开工前，深入做好调查研究，了解施工区域内原有地下构筑物位置、地面建筑物及其它设施资料。当开挖接近原建筑时，应采取连续作业和可靠的安全技术措施。核对设计文件，充分了解工程地质、水文地质勘测资料，了解对隧道有影响的水源治理措施，以及隧道穿过复杂的不良地段的设计施工方法和有关技术措施是否符合实际。

洞室开挖前应根据地质条件、开挖断面等因素，确定开挖与支护及所需材料、构件和设备，备好抢险物资，并在现场堆码整齐，专料专用；所用材料、构件和设备应符合现行国家或行业标准的规定，以及设计要求，应具有出厂合格证和质量证明文件。隧道的开挖时应采取超前支护和地层预加固措施，做到预加固、开挖、支护三环节紧密衔接。当地层自稳能力较差或开挖工作面停工时间较长时，应采取稳定工作面的措施。严格测量，采用激光导向仪和断面检测仪进行快速和高精度的中线控制、开挖轮廓控制和开挖成形效果、隧道净空检查反馈，以科学的检测手段确保隧道开挖质量。

开挖前，根据工程地质条件、开挖断面、方法和进尺、支护方式等进行方案设计，认真选择施工机具、科学确定施工方法。不良地质段开挖前应做好预加固、预支护，当遇前方地质异常或接近围岩分界线时，应进行超前地质预报探明水文和地质情况，提前优化施工方法。严格控制开挖循环进尺，对不良地质地段，适当缩短开挖进尺，并选用具有足够刚度和早强的支护设计，如适当加厚喷层，喷射早强砼，及早完成锚喷网联合支护。必要时采用双层钢筋网或增设临时钢支撑措施，以控制围岩变形。

开挖边线应按设计要求预留围岩变形量，避免因预留量不足造成侵限、侵界，施工中要根据监控量测信息和围岩级别及时纠偏并优化开挖方法和支护参数。

浅埋隧道开挖时严格控制地表沉陷，减少循环开挖进尺以防止塌方。严格控制隧道开挖断面，准确定位放线和测量复核，确保轮廓圆顺，做到不欠挖，防止净空不足，超挖控制在规范规定范围内。当隧道开挖工作面接近贯通时，应加强进出口两端联系，统一指挥，当开挖工作面贯通距离剩下1.5倍洞跨时，另一端所有工作必须暂停，加强测量控制和施工监测，保证贯通质量和施工安全。开挖过程中监控测量发现拱顶、拱脚或边墙位移速率值超过设计允许值或出现变形时，及时加强对临时支护体系的实施。加强现场监测，结合施工对地面、地层和支护结构等动态量测，掌握围岩和支护的力学动态及稳定程度，及时反馈信息，保证施工安全。

施工原理说明：

1、采用台阶法将隧道断面分成两个或多个水平工作面，变大断面为小断面，化大为小，分步开挖，使隧道开挖高度减小、横向跨度缩短，同时利用地层纵向承载拱作用和岩体自身承载力，确保围岩、开挖面的稳定安全。

2、隧道上台阶利用钻机+液压破碎锤(液压锤)+铣挖机等机械组合进行开挖，以液压破碎为主，辅以钻孔、修边完成掘进工序，具体为机械钻孔形成临空面、液压破碎锤凿除岩体、铣挖机修整边角，下台阶开挖采用液力破碎锤凿打或带钩推土机破除的方式施工。

3、在挖掘机斗齿部位安装液力破碎锤，通过液压驱动方式使破碎锤(炮头)产生持续冲击力，作用于掌子面上而导致岩石解体、破碎，但是炮头在往上和水平作业时效率较低，需在掌子面上预钻诱导孔加以克服。

4、周边切割孔使掌子面和母岩提前分离确保隧道成型质量，根据不同岩性的岩石破裂机理，掌子面上设诱导孔可使围岩产生微裂缝，岩石在外力条件下，朝着微裂缝方向扩张造成拉张破坏进而破碎。

5、隧道施工遵循“短进尺、早封闭、强支护、勤量测、循序渐进”的施工原则，每环掘进进尺以能够安装1～2榀拱架的距离为宜，可根据地质情况变化灵活调整，初期支护及时跟进，全过程融入信息法施工，加强监控，动态管理。

适用范围：

尤其适用于软弱地层和硬质岩等地质条件下，覆盖层薄、埋深浅，周边环境复杂，构建筑物密集、管线众多以及对爆破振速要求高(或不允许爆破)，对安全和社会稳定要求高的，各种不同跨度和断面形式的城市隧道工程。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种城市隧道钻凿铣机械组合非爆开挖工艺，其特征在于：按以下步骤进行，

(1)施工测量；在隧道外设置水准点、中线点，定期复核，洞内控制点在掘进过程中按施工进度设定；每次掘进前应根据设计尺寸实地放样，在掌子面上标出开挖轮廓线；开挖完成后及时复核，采用全站仪或经纬仪定出隧道中线和拱顶高程，隧道中线及高程经复核无误后，由测量人员现场实地放样，以隧道中线为参照，按孔位设计图在掌子面上标出周边孔和诱导孔，孔位采用红油漆标；

(2)机械钻孔；在上台阶掘进施工时，必须采用钻机钻孔以形成临空面，对拱墙沿开挖边线钻孔切割，在掌子面上钻设炮头诱导孔；周边切割孔和诱导孔均采用φ100mm钻头成孔，拱部周边钻孔间距为20～30cm；钻机就位后先实施周边切割孔，钻孔深度不超过3m；周边切割孔钻设完成，按至上而下的顺序钻诱导孔，诱导孔钻孔深度在掘进进尺基础上加深20cm，钻孔角度宜尽量水平；

(3)掘进开挖；采用台阶法在掌子面开挖，上台阶安排两台、下台阶安排一台破碎锤联合作业；拱墙切割孔、掌子面诱导孔钻设完毕，液力破碎锤自行就位后，调整大臂，以各诱导孔口作为支点，将炮头插入孔内，通过液压驱动产生的持续冲击力，将掌子面岩石破碎；上台阶掘进开挖时，破碎锤应按由中间向两边、自下而上的顺序分层破碎、凿打；下台阶开挖时，则按由外向里、由中间向两边的顺序破碎、凿打；

(4)铣挖修边；采用铣挖机进行修边，铣挖欠挖体、切割残留物，并清理拱顶和掌子面上破碎岩体；

(5)隧道出渣；

(6)初期支护及二次衬砌；初期支护紧跟掌子面，每环隧道掘进完成在掌子面清理干净后，及时进行初期支护施工，采取锚、网、顶、喷相结合的方式固结、封闭围岩体；二次衬砌采用全断面自行式液压模板台车整体浇筑，泵送入模，人工结合机械振捣密实。

2.根据权利要求1所述城市隧道钻凿铣机械组合非爆开挖工艺，其特征在于：对于大跨径隧道的施工，台阶高度宜结合拱部矢跨比和机械需用空间共同确定，拱部矢跨比不小于1/5。

3.根据权利要求2所述城市隧道钻凿铣机械组合非爆开挖工艺，其特征在于：按照1/2～2/3H的矢跨比确定拱部上台阶高度，其中，H为隧道的洞高。

4.根据权利要求2所述城市隧道钻凿铣机械组合非爆开挖工艺，其特征在于：拱部上台阶高度为5～6m，下台阶高度为3～4.5m。

5.根据权利要求3或4所述城市隧道钻凿铣机械组合非爆开挖工艺，其特征在于：大跨径隧道机械开挖采用长台阶，台阶留置长度以不超过5倍隧道开挖跨度，下台阶开挖后及时进行仰拱施工。

6.根据权利要求1所述城市隧道钻凿铣机械组合非爆开挖工艺，其特征在于：在对砂质泥岩进行机械钻孔时，上台阶的掌子面诱导孔间距按80cm×80cm设置，且诱导孔呈等边三角形型布置。

7.根据权利要求1所述城市隧道钻凿铣机械组合非爆开挖工艺，其特征在于：在机械钻孔时，应尽快接好钻孔用的电源、水源，调整钻杆、钻头，进入钻孔状态，钻头必须紧顶在掌子面上，按标记的诱导孔位钻进，钻孔深度达20cm后升至额定钻速钻进，孔深达到要求后，钻机反转使钻杆、钻头退出，然后进行下个孔位钻设。

8.根据权利要求1所述城市隧道钻凿铣机械组合非爆开挖工艺，其特征在于：在隧道出渣时，洞内出渣运输过程必须连续进行，根据掘进进度及产量，配备足够数量的运输车辆运渣，弃渣直接运往渣场堆放。

9.根据权利要求1所述城市隧道钻凿铣机械组合非爆开挖工艺，其特征在于：对于采用机械开挖的浅埋隧道，除了实施常规监测项目外，还应重点进行洞内外地质及支护状况观察、洞周及水平收敛、拱顶及地表下沉、周边建筑物沉降和地下管线变形测量、超前地质预报。