CN110067564A - 一种软岩大断面隧道大型机械化开挖施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种软岩大断面隧道大型机械化开挖施工方法，包括以下步骤：S1：获取隧道地质信息；S2：进行超前支护施工；S3：进行钻爆施工；S4：对隧道进行初期支护并注浆加固。本发明适用于铁路、高速公路等所有地下隧道软弱围岩施工，通过三臂凿岩台车、锚杆钻安注一体机等加强型机械进行超前预加固和径向注浆加固，提高软弱围岩等级，强化围岩应力拱形成，实现加强型机械化配套软弱围岩大断面快速施工，且满足验标要求、技术标准。

Description

一种软岩大断面隧道大型机械化开挖施工方法

技术领域

本发明属于隧道施工技术领域，尤其涉及一种软岩大断面隧道大型机械化开挖施工方法。

背景技术

随着科技的进步，我国隧道工程的建设日益增多且对工程施工要求也越来越严格。为了从根本上提高我国的隧道工程建设，必须实现隧道工程的机械化。将加强型机械化与施工技术和施工工艺科学的结合，是隧道工程发展的必然趋势，特别是隧道软岩大断面施工采用加强型机械化配套有利于保证施工人员安全和加快施工进度。

发明内容

本发明提供一种软岩大断面隧道大型机械化开挖施工方法，通过三臂凿岩台车、锚杆钻安注一体机等加强型机械进行超前预加固和径向注浆加固，提高软弱围岩等级，强化围岩应力拱形成，实现加强型机械化配套软弱围岩大断面快速施工。

本发明是这样实现的，一种软岩大断面隧道大型机械化开挖施工方法，包括以下步骤：

S1：获取隧道地质信息；

S2：进行超前支护施工；

S3：进行钻爆施工；

S4：对隧道进行初期支护并注浆加固。

进一步的，在步骤S2中，超前支护施工，包括：掌子面加固和采用管棚高压注浆。

进一步的，所述掌子面加固包括：开挖时按照1:0.1放坡处理，对掌子面采用C30喷射混凝土喷浆封闭。

进一步的，所述掌子面加固还包括：采用12～18m长Φ25FER纤维锚杆加固，纵向搭接不小于2m，按间距1.5×1.5m梅花型布置；所述纤维锚杆采用三臂凿岩台车引孔，布设角度与隧道轴线方向一致。

进一步的，采用管棚高压注浆，包括：采用喷射混凝土作止浆墙，孔口采用锚固剂封堵，注浆方式采用隔孔注浆，由下向上交错进行，注浆压力达到5MPa，稳定10min后结束注浆。

进一步的，采用管棚高压注浆，还包括：所述管棚安装前，采用2榀钢架打孔来对管棚进行定位。

进一步的，所述钻爆施工包括：爆破设计和现场施做。

进一步的，爆破设计步骤包括：线路线形导入→添加断面轮廓→断面轮廓载入→炮孔布置→分臂钻孔顺序布置→分臂钻孔顺序模拟。

进一步的，所述步骤S4具体包括：

S41：初喷完成后使用锚杆钻机对初喷面进行径向钻锚杆孔；

S42：将锚杆孔周边进行粗整平处理，或用水泥浆找平，确保垫板安装与岩面或初支面基本密贴；

S43：将预应力锚杆推送安装至锚杆孔；

S44：对锚杆尾部螺栓进行紧固，紧固压力约为42KN；

S45：注浆前采用用棉纱或锚固剂对孔口进行封堵；注浆时先用较小的压力送浆，将孔内空气慢慢排出，逐步加大压力注浆直至孔口返浆，稳定一段时间后孔口持续返浆时停止。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明适用于铁路、高速公路等所有地下隧道软弱围岩施工，通过三臂凿岩台车、锚杆钻安注一体机等加强型机械进行超前预加固和径向注浆加固，提高软弱围岩等级，强化围岩应力拱形成，实现加强型机械化配套软弱围岩大断面快速施工，且满足验标要求、技术标准。

软岩大断面隧道大型机械化开挖施工具有以下的优越性：

(1)减小施工人员安全风险。隧道加强型机械化配套施工，特别是软弱围岩，存在大变形、坍塌、冒顶等风险，采用大机配套施工能减少掌子面作业人数，降低安全风险能保证隧道施工安全；

(2)保证软岩隧道的施工质量。采用加强型机械化配套软岩大断面开挖，较传统分部台阶法开挖，减少了隧道开挖的扰动次数，隧道开挖后初支快速封闭成环且能整体受力，确保了初期支护的施工质量；

(3)施工工序较传统台阶法简单；

(4)缩短施工工期。机械化配套软岩大断面施工，通过超前预加固，能提高掌子面前方围岩强度，强化围岩应力拱形成，实现大型机械软弱围岩全断面快速施工的目标。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种技术方案：一种软岩大断面隧道大型机械化开挖施工方法，包括以下步骤：

S1：获取隧道地质信息；

S2：进行超前支护施工；

S3：进行钻爆施工；

S4：对隧道进行初期支护并注浆加固。

超前支护采用管棚进行高压注浆，达到超前预加固效果。施工管棚前先对掌子面采用C30喷射混凝土喷浆封闭，喷砼厚度4～6cm，喷射混凝土表面密实、平整，无裂缝、脱落、漏喷、空鼓和渗漏水；超前管棚采用铁建重工三臂凿岩台车施工，管棚采用2榀钢架打孔来对管棚进行定位；

管棚均采用壁厚6mm热轧无缝钢花管加工，根据不同围岩情况分别采用外径60、76、108mm等导管，环向间距设置根据地层性质等一般为30cm～50cm，节间采用外丝扣连接，施工时可根据实际情况调整外插角，范围在1°～5°。注浆采用超前高压注浆，浆液为单液水泥浆，水灰比1:1，注浆压力3～5Mpa。

表1超前支护措施表

采用三臂凿岩台车施工超前管棚能缩短管棚施作时间，且不需要考虑管棚操作平台，相对传统钻机施工工效明显提高。以施工一环9m长Φ60管棚为例，若采用三臂凿岩台车相对传统钻机施工超前管棚单个循环可节约2h。

表2三臂凿岩台车和传统钻机施工管棚工效对比表

为增加掌子面稳定性，开挖时按照1:0.1放坡处理，掌子面均采用C30喷射混凝土喷浆封闭，其中Ⅳ级围岩段喷砼厚度4cm，Ⅴ级围岩段喷砼厚度6cm，喷射混凝土表面密实、平整，无裂缝、脱落、漏喷、空鼓和渗漏水。

当掌子面围岩稳定性非常差、围岩非常软弱时采用12～18m长Φ25FER纤维锚杆加固，纵向搭接不小于2m，按间距1.5×1.5m梅花型布置；纤维锚杆采用三臂凿岩台车引孔，布设角度基本和隧道轴线方向一致。

当围岩软弱富水无法成孔时需采取套管跟进成孔，通过套管下入纤维锚杆到设计位置，再退出套管，进行纤维锚杆安设及注浆作业。注浆采用超前高压注浆，浆液为单液水泥浆，水灰比1:1，注浆压力3～5Mpa。

高压注浆采用三川德清3SNS-A的高压注浆机进行作业，注浆压力最高可达到10MPa，通过超前管棚、纤维锚杆及径向预应力锚杆进行高压注浆对围岩进行加固，浆液充填节理、裂隙，形成网络浆脉，提高围岩的自稳性，有效抑制围岩收敛及沉降，为软弱围岩大断面快速施工提供保障。

注浆材料采用水泥浆液，水灰比1:1，压力3～5MPa，作业时采用喷射混凝土作止浆墙，孔口采用锚固剂封堵，注浆方式采用隔孔注浆，由下向上交错进行，注浆压力达到5MPa，稳定10min后结束注浆。注浆过程中随时关注压力变化，注浆压力长时间无升高现象，采用间歇注浆，若压力突然升高，可能发生堵管，立即停机检查防止爆管伤人。

钻爆施工过程可以分为爆破设计与现场施做，三臂凿岩台车施工的钻爆过程与传统的人工钻爆相比，从爆破设计到现场施钻实现了智能的三维一体化，利用配套的爆破设计软件可以实现三维化的爆破设计。

铁建重工全电脑三臂凿岩台车爆破设计方法为：线路线形导入→添加断面轮廓→断面轮廓载入→炮孔布置→分臂钻孔顺序布置→分臂钻孔顺序模拟。

线路线形导入：提前将导线坐标，导入三臂凿岩台车电脑，电脑可以自动精准定位，这是三臂凿岩台车自动化施钻的前提条件。

添加断面轮廓：输入设计断面参数，通过三臂凿岩台车自动定位确定开挖断面轮廓来确定掌子面开挖范围。

炮孔布置：根据围岩特性进行爆破设计，将炮孔布置、深度和角度等相关参数载入到软件，可精确布置设计炮孔位置、精准控制炮眼深度及角度。

分臂打孔顺序布置及模拟：三臂凿岩台车有三个机械作业臂，需要避免臂与臂之间出现相互干扰和碰撞，这也就需要对三个作业臂施钻位置和顺序进行设计，避免作业臂之间碰撞或者作业距离过近造成相关干扰。同时在现场施做前可通过软件进行模拟施钻过程，检查臂与臂之间是否存在碰撞或者距离过近现象。

三臂凿岩台车现场施钻前需进行控制点对位，施钻时导入爆破设计，即可实现全电脑控制的自动找孔位和自动钻眼。通过爆破效果检查，不断优化爆破参数，达到最佳爆破效果。

WMD地质云图是三臂凿岩台车自带的地质分析系统软件，该系统软件通过采集施钻过程中钻孔的速度、扭矩、压力等参数，对前方围岩软硬进行分析，形成云状地质图，通过云状地质图的颜色区分，判定前方围岩的软硬程度及基本地质情况。

地质云图可以有效的对掌子面前方围岩进行一个直观的分析，从而有利于下一循环的爆破设计优化，为达到最佳爆破效果创造了好的条件。

多功能拱架安装台车将型钢在掌子面地面进行分部预拼装，并检查型钢长度、弧度、连接是否符合要求，操作简单，减轻劳动力，再通过遥控台车操作臂将型钢安装到设计指定位置，单个操作臂有单独的操作平台可由现场工人灵活操作，拱架拼装着重控制型钢竖向垂直、横向平行于隧道法线，并保证型钢立架质量。

隧道拱部采用涨壳式预应力锚杆施工，预应力锚杆杆体外径Φ25mm，初喷完成后使用锚杆钻机对初喷面进行径向钻孔，采用φ45mm钻头，钻孔直径为50mm，钻孔时间1.5min～3min/孔。钻孔结束后检测孔径、孔深、孔距是否符合设计要求；钻孔完成后前先使用电筒检查孔内是否坍孔，如有坍孔则使用直径20mm半圆小钢管或高压风对孔内进行清掏。荣家湾隧道进口主要为灰岩及岩溶填充物，遇到有填充物地段时钻孔完成后需利用钻杆多次洗孔，以减少塌孔造成的堵塞；锚杆安装前需对涨壳头先将塑料波纹套管旋入注浆囊小端(内螺纹)，再将锚杆体穿入塑料波纹套管直至从注浆囊穿出约10cm，然后在波纹套管端的锚杆体上旋入钢质涨壳锚杆件，并使用塑料扎带进行绑扎固定，以防止涨壳头在推送过程中涨壳提前涨开造成推送困难。

锚杆安装前先将锚杆孔周边进行粗整平处理，或用水泥浆找平，确保垫板安装与岩面或初支面基本密贴，减少漏浆，锚杆推送安装完成后，使用BOOXT波世特BX-4300(最大扭矩1500NM，风压0.52MPa)风炮扳手对锚杆尾部螺栓进行紧固，紧固压力约为42KN。

采用耿立双液注浆泵注浆，浆液釆用水泥净浆，配合比：0.3～0.4，注浆压力:0.2～0.25Mpa；为避免因垫板与围岩或初支面不密贴造成漏浆，注浆前可用棉纱或锚固剂对孔口进行封堵；注浆时先用较小的压力送浆，将孔内空气慢慢排出，逐步加大压力注浆直至孔口返浆，稳定一段时间后孔口持续返浆时停止；注浆时应先用清水将注浆泵润湿，并将清水泵出，注浆管尽量避免出现接头，同时保证连续施工，避免注浆机具堵塞。

本方法重点为实现软弱围岩大断面施工，通过加强型机械进行超前预加固和径向注浆加固，提高软弱围岩等级，强化围岩应力拱形成，能提高隧道施工安全性，保证隧道施工实体质量，加快隧道施工速度，是中国未来隧道施工的趋势，带来的社会效益极大。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种软岩大断面隧道大型机械化开挖施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：获取隧道地质信息；

S2：进行超前支护施工；

S3：进行钻爆施工；

S4：对隧道进行初期支护并注浆加固。

2.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于，在步骤S2中，超前支护施工，包括：掌子面加固和采用管棚高压注浆。

3.根据权利要求2所述的施工方法，其特征在于，所述掌子面加固包括：开挖时按照1:0.1放坡处理，对掌子面采用C30喷射混凝土喷浆封闭。

4.根据权利要求3所述的施工方法，其特征在于，所述掌子面加固还包括：采用12～18m长Φ25FER纤维锚杆加固，纵向搭接不小于2m，按间距1.5×1.5m梅花型布置；所述纤维锚杆采用三臂凿岩台车引孔，布设角度与隧道轴线方向一致。

5.根据权利要求2所述的施工方法，其特征在于，采用管棚高压注浆，包括：采用喷射混凝土作止浆墙，孔口采用锚固剂封堵，注浆方式采用隔孔注浆，由下向上交错进行，注浆压力达到5MPa，稳定10min后结束注浆。

6.根据权利要求5所述的施工方法，其特征在于，采用管棚高压注浆，还包括：所述管棚安装前，采用2榀钢架打孔来对管棚进行定位。

7.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于，所述钻爆施工包括：爆破设计和现场施做。

8.根据权利要求7所述的施工方法，其特征在于，爆破设计步骤包括：线路线形导入→添加断面轮廓→断面轮廓载入→炮孔布置→分臂钻孔顺序布置→分臂钻孔顺序模拟。

9.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

S41：初喷完成后使用锚杆钻机对初喷面进行径向钻锚杆孔；

S42：将锚杆孔周边进行粗整平处理，或用水泥浆找平，确保垫板安装与岩面或初支面基本密贴；

S43：将预应力锚杆推送安装至锚杆孔；

S44：对锚杆尾部螺栓进行紧固，紧固压力约为42KN；

S45：注浆前采用用棉纱或锚固剂对孔口进行封堵；注浆时先用较小的压力送浆，将孔内空气慢慢排出，逐步加大压力注浆直至孔口返浆，稳定一段时间后孔口持续返浆时停止。