CN111550259A - 一种小断面长距离软岩隧洞施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于基础设施工程技术的施工领域，涉及一种小断面长距离软岩隧洞施工方法。本发明总结针对小断面长距离软岩隧洞开挖技术；施工过程中通过对隧洞的通风、排烟、排水方法的研究；根据隧洞围岩类型，设计初期支护断面形式；通过对围岩类型为Ⅳ类、Ⅴ类，岩石为软岩、极软岩，再加上受制于“小”和“长”的影响，在洞身衬砌施工中，混凝土运输及入仓强度困难的研究，结合工程自身特点以及工程施工技术和质量要求，通过现场施工工艺改进及优化，逐步达到安全高效的施工目的。

Description

一种小断面长距离软岩隧洞施工方法

技术领域

本发明属于基础设施工程技术的施工领域，涉及一种小断面长距离软岩隧洞施工方法。

背景技术

最近几年国内外已建成的软岩隧洞较多，但因线路长，断层多，高外水、水文地质条件等较复杂，前期地勘工作难以搞清，且目前国内外设计理论尚不完善，要用多种理论和方法进行分析计算，结合经验、工程类比等进行综合分析研究进行预设计，施工期现场设代和施工地质编录人员结合实际开挖地质条件和安全监测等资料进行围岩稳定分析，修整预设计参数；

隧洞钻爆法超前地质预报技术研究目前进展较快，但在小断面、长距离隧洞方面超前地质预报技术尚有很多不足，有待提升和突破，针对于小断面、长距离隧洞预报技术和设备的现状以及存在的问题，有待继续研究和提升；

小断面长距离的防排水技术不成熟，尚有许多技术问题需要解决。一是防排水原则和选择方法不统一，与国外相比，现有的防排水设计规范和标准不明确，从而防排水技术措施的实施带来了困难；

掘进机隧洞施工的通风和除尘方式的选择一般采用压入式和混合式两种，压入式通风除尘方案的优点是能很快地排除工作面的污浊空气，缺点是污浊空气流经全洞，因此一般只适用于距离较短的隧洞。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种适用于小断面长距离软岩隧洞施工方法，总结针对小断面长距离软岩隧洞开挖技术；施工过程中通过对隧洞的通风、排烟、排水方法的研究；根据隧洞围岩类型，设计初期支护断面形式；通过对围岩类型为Ⅳ类、Ⅴ类，岩石为软岩、极软岩，再加上受制于“小”和“长”的影响，在洞身衬砌施工中，混凝土运输及入仓强度困难的研究，结合工程自身特点以及工程施工技术和质量要求，通过现场施工工艺改进及优化，逐步达到安全高效的施工目的。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种小断面长距离软岩隧洞施工方法，包括如下步骤：

1、隧洞内开挖及洞内除尘：

(1)掘进机开挖：

首先对悬臂式掘进机、第二运输机、激光指向仪、通风机、场地进行表面清理；做好场平工作，保证激光指向仪定位准确、悬臂式掘进机掘进有良好的施工环境；

激光指向仪安装固定牢固后，利用测量仪器测量激光指向仪激光中心线的位置和方向；同步实施风机额安装与调试；然后悬臂式掘进机及第二运输机就位、调试；

首次掘进开挖：使用悬臂式掘进机的截割头向前截割出一个探洞，作为扩挖至设计线的凌空面，当截割时，应将铲尖与底板压接，用于防止机体的振动；利用截割头上下、左右移动截割，可截割出初步断面形状，如此截割断面与实际所需要的形状和尺寸有一定的差别，可进行二次修整，以达到断面尺寸的要求；

在后续掘进过程中，使用悬臂式掘进机的截割头自下而上、自左至右地截割岩石，使用悬臂式掘进机的星形铲板将截割下来的岩石运送至第一运输机，通过第一运输机将截割下来的岩石运至悬臂式掘进机的尾部，使截割下来的岩石进入第二运输机，通过第二运输机将岩石置于运输车辆里，然后使用运输车辆将岩石运出洞外；

钢尺量测与开挖面修整：用钢尺量测激光指向仪中心线与开挖设计线之间的距离，若截割断面与开挖设计线的形状和尺寸有差别，则进行修整，直到达到截割断面尺寸的要求；

(2)根据隧洞工程的实际情况和相关施工经验，隧洞内每350米设置一个错车道，选择在Ⅳ类围岩完整性好的部位设置错车道，错车道设计长度15米，施工中可根据围岩情况适当合理调整错车道间距，错车道设置在隧洞的左侧；

(3)喷雾：

当开始掘进时应开此阀，使截割头处喷雾，其水量可控制；

(4)出渣：

掘进机在掘进过程中，截割部截割岩石后，由星形铲板通过第一运输机把石渣运至掘进机尾部，5t农用车在此等候和跟进，洞渣直接卸于车厢里，然后5t农用车将渣运出洞外；

(5)安全检查：

开挖出渣完成后安全人员进入洞内进行安全检查，对发现的挂渣、险石等进行处理，对由于地质原因形成的塌方，立即报告主管人员，确定处理方法；

(6)安全处理：

对于围岩较为破碎的洞段，经安全人员检查，立即进行混凝土喷射和锚杆、挂网等支护，用于保证洞室稳定安全；

(7)安全观测：

开挖支护之后，对开挖面附近洞壁应加强安全检查，并按照设计及时进行岩石收敛观测，保证围岩的稳定。对远离掌子面的已开挖洞壁也应进行安全检查，布设岩石变形观测仪器，派专人进行安全监测和资料分析，发现异常情况立即发出警告，通知施工人员撤离现场，同时采取必要的处理措施。如果在已进行设计喷锚支护情况下，仍存在围岩不稳定的情况，采用钢支撑进行加强支护，确保洞身、人身及设备安全；

2、洞外降尘：

水管与降尘室相连接，降尘室一侧与抽风管相连接，抽风管设置于隧洞内撑子面开挖处，抽风管一侧设置送风管；降尘室两侧设置降尘室滤网，降尘室通过降尘滤网与外界相连通，水管与过滤系统相连接，过滤系统一侧设置水泵组件，水泵组件设置于水管上，水管进入降尘室内的部分与雾化喷头相连接，雾化喷头数量为三排；

隧洞内掌子面开挖未得到完全控制的粉尘则由抽风机通过抽风管直接送入降尘室，风管出口处则由两层过滤网进行过滤，其烟尘、粉尘则通过风管传送至降尘室内，进行除尘，隧洞外设置简易降尘，其材料由彩钢房拼装，内部设置若干雾化喷头，由施工现场水管接入，当隧洞内进行开挖时则降尘室内雾化喷头进行间歇性喷雾降尘，待隧洞掌子面开挖完成进行支护时则适当降低喷雾频率；

3、隧洞初期支护方案：

对于IV类围岩支护施工方法，包括如下步骤：首先进行开挖施工然后进行系统锚杆设置，然后进行挂钢筋网的施工，然后喷射混凝土并控制网喷砼厚度为8cm，此过程注意通风散烟及出渣处理；

对于V类围岩支护施工方法，包括如下步骤：首先进行开挖施工然后进行系统锚杆设置，然后进行钢支撑、挂钢筋网的施工，然后喷射混凝土并控制网喷砼厚度为15cm，然后进行下一个循环作业；

4、软岩隧洞中的简易自动抽排水方法：

在集水坑内设置浮漂，浮漂通过线绳悬吊，待集水坑内水位上涨到设定位置时，水泵开关自动闭合，水泵开始工作，从洞内到洞口，通过一级一级自动控制每个集水坑内的水泵自动工作，实现洞内的积水向洞口外一级一级抽排的目的；

5、软岩隧洞混凝土衬砌：

小断面隧洞的断面尺寸决定了衬砌工序只能在开挖完成后进行，先浇筑底板后浇筑边墙顶拱，混凝土采用集中拌和用于保证混凝土施工质量，采用混凝土运输罐车实现混凝土洞外运输，采用地泵进行混凝土浇筑；混凝土浇筑采用液压整体钢模衬砌台车作业。

与现有技术相比，发明的有益效果是：(1)通过悬臂式掘进机对软岩隧洞进行地下洞室开挖及增加错车道等措施解决了在有限的空间内施工，工序交叉多，相互干扰大，在同一个工作面上开挖、出渣等工作只能周期性循环技术难题。

(2)采用洞内除尘和洞外除尘相结合的除尘方式，改善了洞内烟尘、粉尘的情况，创造了良好的作业环境，保证了洞内开挖的质量及操作人员的健康；减少了对洞外周边居民和环境的污染，满足了水保环保相关要求。利用洞内掘进机自带喷雾降尘和室外降尘室降尘解决了长距离引水隧洞特有的通风、排烟等瓶颈效应。

(3)结合软岩隧洞特点对Ⅴ类Ⅳ类围岩采用经济合理的初期支护方式，保证了小断面长距离软岩隧洞施工安全，有效的降低了隧洞开挖护过程中软岩自稳性差的安全隐患。

(4)采用区段性集中引排搭配线绳悬挂浮漂，根据集水坑内水位的变化实现自动控制水泵工作，解决了地下水难以集中导排，减轻了围岩的软化，保证了施工安全。

(5)利用改装支护车辆和改装小型罐车进行运输解决了因引水隧洞“长”和“小”的特点带来的二次衬砌等施工难题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1是本发明中悬臂式掘进机开挖顺序图。

图2是本发明中激光指向仪安装位置图。

图3为本发明实施例中错车道断面图。

图4为本发明实施例中室外降尘图。

图5为本发明实施例中引水隧洞一期支护图。

图6是本发明中IV类围岩支护流程图。

图7是本发明中V类围岩支护流程图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步详细说明,实施例仅用来说明本发明，并不限制本发明的范围。

请参阅图1-7所示的一种小断面长距离软岩隧洞施工方法，包括如下步骤：

1、隧洞内开挖及洞内除尘

(1)掘进机开挖

首先对悬臂式掘进机、第二运输机、激光指向仪、通风机、场地进行表面清理；做好场平工作，保证激光指向仪定位准确、悬臂式掘进机掘进有良好的施工环境；

然后由专业测量人员安装激光指向仪，

激光指向仪安装固定牢固后，利用测量仪器测量激光指向仪激光中心线的位置和方向；同步实施风机额安装与调试；然后悬臂式掘进机及第二运输机就位、调试；

首次掘进开挖：使用悬臂式掘进机的截割头向前截割出一个探洞，作为扩挖至设计线的凌空面，当截割时，应将铲尖与底板压接，用于防止机体的振动；利用截割头上下、左右移动截割，可截割出初步断面形状，如此截割断面与实际所需要的形状和尺寸有一定的差别，可进行二次修整，以达到断面尺寸的要求；

当截割较软的岩石时，采用左右循环向上的截割方法；

当截割稍硬岩石时，采用由下而上左右截割的方法；

当遇有硬岩时，不应勉强截割，对有部分露头硬石时，首先截割其周围部分，使其坠落；

在后续掘进过程中，使用悬臂式掘进机的截割头自下而上、自左至右地截割岩石，使用悬臂式掘进机的星形铲板将截割下来的岩石运送至第一运输机，通过第一运输机将截割下来的岩石运至悬臂式掘进机的尾部，使截割下来的岩石进入第二运输机，通过第二运输机将岩石置于运输车辆里，然后使用运输车辆将岩石运出洞外；

钢尺量测与开挖面修整：用钢尺量测激光指向仪中心线与开挖设计线之间的距离，若截割断面与开挖设计线的形状和尺寸有差别，则进行修整，直到达到截割断面尺寸的要求；

(2)根据隧洞工程的实际情况和相关施工经验，隧洞内每350米设置一个错车道21，选择在Ⅳ类围岩完整性好的部位设置错车道，错车道21设计长度15米，两端由原断面渐变至新标准断面，施工中可根据围岩情况适当合理调整错车道间距，错车道设置在隧洞的左侧，能满足汽车错车为准，为确保施工安全，错车道要做好初期支护工作。错车道支护施工主要包括：系统锚杆、挂钢筋网、喷射混凝土等；

(3)喷雾：

在掘进时如何控制粉尘是非常重要的。截割头外喷雾控制阀位于司机的右后侧，在操作台与电控箱之间，当开始掘进时应开此阀，使截割头处喷雾，其水量可控制；其外喷雾喷嘴位于截割头后部和机器两侧；

另外，当欲进行截割头内喷雾时，打开控制阀，即实现截割头的内喷雾。但应注意不能单一的只使用内喷雾，而必须内、外喷雾同时使用；

(4)出渣：

掘进机在掘进过程中，截割部截割岩石后，由星形铲板通过第一运输机把石渣运至掘进机尾部，5t农用车在此等候和跟进，洞渣直接卸于车厢里，然后5t农用车将渣运出洞外；

(5)安全检查：

开挖出渣完成后安全人员进入洞内进行安全检查，对发现的挂渣、险石等进行处理，对由于地质原因形成的塌方，立即报告主管人员，确定处理方法：

(6)安全处理

对于围岩较为破碎的洞段，经安全人员检查，立即进行混凝土喷射和锚杆、挂网等支护，以保证洞室稳定安全，并根据情况按“新奥法”支护方法及时进行支护施工：

(7)安全观测：

开挖支护之后，对开挖面附近洞壁应加强安全检查，并按照设计及时进行岩石收敛观测，保证围岩的稳定。对远离掌子面的已开挖洞壁也应进行安全检查，布设岩石变形观测仪器，派专人进行安全监测和资料分析，发现异常情况立即发出警告，通知施工人员撤离现场，同时采取必要的处理措施。如果在已进行设计喷锚支护情况下，仍存在围岩不稳定的情况，采用钢支撑进行加强支护，确保洞身、人身及设备安全；

进一步说明，在断面控制中，测量仪器为莱卡TS06 1335701全站仪。

进一步说明，如图2所示，激光指向仪11包括激光指向仪一111、激光指向仪二112、激光指向仪三113，其中激光指向仪一111、激光指向仪二112安装在开挖设计线12的两侧边墙起拱处，激光指向仪三113安装在开挖设计线12的拱顶位置；

进一步说明，激光指向仪1的激光束中心距开挖设计线2距离为25cm。

2、洞外降尘：

水管1与降尘室4相连接，优选的降尘室4一侧设置降尘室门6，降尘室4一侧与抽风管8相连接，抽风管8设置于隧洞10内撑子面开挖处，抽风管8一侧设置送风管9；降尘室4两侧设置降尘室滤网5，降尘室4通过降尘滤网5与外界相连通，水管1与过滤系统2相连接，优选的过滤系2选用滤网，用于过滤水管内的水中裹挟的杂质，过滤系统2一侧设置水泵组件3，水泵组件3设置于水管1上，水管1进入降尘室4内的部分与雾化喷头7相连接，雾化喷头7数量为三排；

隧洞内掌子面开挖未得到完全控制的粉尘则由抽风机通过抽风管8直接送入降尘室4，风管出口处则由两层过滤网进行过滤，其烟尘、粉尘则通过风管传送至降尘室4内，进行除尘，隧洞外设置简易降尘4，其材料由彩钢房拼装，内部设置若干雾化喷头7，由施工现场水管1接入，当隧洞内进行开挖时则降尘室内雾化喷头进行间歇性喷雾降尘，待隧洞掌子面开挖完成进行支护时则适当降低喷雾频率。

3、隧洞初期支护方案：

对于IV类围岩支护施工方法，包括如下步骤：首先进行开挖施工然后进行系统锚杆33设置，然后进行挂钢筋网31的施工，然后喷射混凝土并控制网喷砼厚度为8cm，此过程注意通风散烟及出渣处理；

对于V类围岩支护施工方法，包括如下步骤：首先进行开挖施工然后进行系统锚杆33设置，然后进行钢支撑32、挂钢筋网31的施工，然后喷射混凝土并控制网喷砼厚度为15cm，然后进行下一个循环作业；

4、软岩隧洞中的简易自动抽排水方法：

隧洞在开挖过程中，围岩渗水较为严重且渗水点不集中，采用常规抽排水方法即投入人员较多且劳动力较大，人工费用较高。本工程采用区段性集中引排搭配线绳悬挂浮漂的方式解决人工投入大问题，通过各区段集水坑内水位的变化实现自动控制水泵工作的原理。在集水坑内设置浮漂，浮漂通过线绳悬吊，待集水坑内水位上涨到设定位置时，水泵开关自动闭合，水泵开始工作，从洞内到洞口，通过一级一级自动控制每个集水坑内的水泵自动工作，实现洞内的积水向洞口外一级一级抽排的目的；

5、软岩隧洞混凝土衬砌：

小断面隧洞的断面尺寸决定了衬砌工序只能在开挖完成后进行，并且底板浇筑必须与边墙、顶拱混凝土分开浇筑即先浇筑底板后浇筑边墙顶拱，混凝土采用集中拌和用于保证混凝土施工质量，采用混凝土运输罐车实现混凝土洞外运输，优选的混凝土运输罐车为12m³，项目部利用时风农用车改装4m³混凝土罐车满足洞内混凝土运输，整车高度为2.7m；采用地泵进行混凝土浇筑；混凝土浇筑采用液压整体钢模衬砌台车作业，实现了混凝土浇筑的施工机械化，减轻了作业强度，保证了衬砌混凝土连续、高速施工，既保证了混凝土的施工质量又保证的工期。上述方案中：

(1)采用悬臂式掘进机洞挖+皮带二运及增加错车道等措施解决隧洞开挖与出渣不能同时进行的难题，加快了洞挖及出渣的进度。

(2)通过掘进机自带喷雾降尘和室外降尘室降尘改善洞内作业，解决长隧洞的排烟问题。

(3)结合软岩隧洞的特点选择经济合理的初期支护方式：

Ⅴ类围岩隧洞支护类型主要包括：Φ22，L＝2m@1.0m砂浆锚杆，挂钢筋网Φ6.5，20×20cm喷C20混凝土(δ＝15cm)，钢支撑@80cm的安装。

Ⅳ类围岩隧洞支护类型主要包括：Φ22，L＝2m@1.2m砂浆锚杆，挂钢筋网Φ6.5，20×20cm喷C20混凝土(δ＝8cm)。

(4)采用简易自动排水系统，解决小断面长距离软岩隧洞的排水问题。

(5)采用12m³混凝土罐车+4m³混凝土罐车解决“长”“小”隧洞洞内洞外混凝土运输问题，加快二衬混凝土浇筑速度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (1)

1.一种小断面长距离软岩隧洞施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

1、隧洞内开挖及洞内除尘：

(1)掘进机开挖：

首先对悬臂式掘进机、第二运输机、激光指向仪、通风机、场地进行表面清理；做好场平工作，保证激光指向仪定位准确、悬臂式掘进机掘进有良好的施工环境；

激光指向仪安装固定牢固后，利用测量仪器测量激光指向仪激光中心线的位置和方向；同步实施风机额安装与调试；然后悬臂式掘进机及第二运输机就位、调试；

首次掘进开挖：使用悬臂式掘进机的截割头向前截割出一个探洞，作为扩挖至设计线的凌空面，当截割时，应将铲尖与底板压接，用于防止机体的振动；利用截割头上下、左右移动截割，可截割出初步断面形状，如此截割断面与实际所需要的形状和尺寸有一定的差别，可进行二次修整，以达到断面尺寸的要求；

在后续掘进过程中，使用悬臂式掘进机的截割头自下而上、自左至右地截割岩石，使用悬臂式掘进机的星形铲板将截割下来的岩石运送至第一运输机，通过第一运输机将截割下来的岩石运至悬臂式掘进机的尾部，使截割下来的岩石进入第二运输机，通过第二运输机将岩石置于运输车辆里，然后使用运输车辆将岩石运出洞外；

钢尺量测与开挖面修整：用钢尺量测激光指向仪中心线与开挖设计线之间的距离，若截割断面与开挖设计线的形状和尺寸有差别，则进行修整，直到达到截割断面尺寸的要求；

(2)根据隧洞工程的实际情况和相关施工经验，隧洞内每350米设置一个错车道，选择在Ⅳ类围岩完整性好的部位设置错车道，错车道设计长度15米，施工中可根据围岩情况适当合理调整错车道间距，错车道设置在隧洞的左侧；

(3)喷雾：

当开始掘进时应开此阀，使截割头处喷雾，其水量可控制；

(4)出渣：

掘进机在掘进过程中，截割部截割岩石后，由星形铲板通过第一运输机把石渣运至掘进机尾部，5t农用车在此等候和跟进，洞渣直接卸于车厢里，然后5t农用车将渣运出洞外；

(5)安全检查：

开挖出渣完成后安全人员进入洞内进行安全检查，对发现的挂渣、险石等进行处理，对由于地质原因形成的塌方，立即报告主管人员，确定处理方法；

(6)安全处理：

对于围岩较为破碎的洞段，经安全人员检查，立即进行混凝土喷射和锚杆、挂网等支护，用于保证洞室稳定安全；

(7)安全观测：

开挖支护之后，对开挖面附近洞壁应加强安全检查，并按照设计及时进行岩石收敛观测，保证围岩的稳定。对远离掌子面的已开挖洞壁也应进行安全检查，布设岩石变形观测仪器，派专人进行安全监测和资料分析，发现异常情况立即发出警告，通知施工人员撤离现场，同时采取必要的处理措施。如果在已进行设计喷锚支护情况下，仍存在围岩不稳定的情况，采用钢支撑进行加强支护，确保洞身、人身及设备安全；

2、洞外降尘：

水管与降尘室相连接，降尘室一侧与抽风管相连接，抽风管设置于隧洞内撑子面开挖处，抽风管一侧设置送风管；降尘室两侧设置降尘室滤网，降尘室通过降尘滤网与外界相连通，水管与过滤系统相连接，过滤系统一侧设置水泵组件，水泵组件设置于水管上，水管进入降尘室内的部分与雾化喷头相连接，雾化喷头数量为三排；

隧洞内掌子面开挖未得到完全控制的粉尘则由抽风机通过抽风管直接送入降尘室，风管出口处则由两层过滤网进行过滤，其烟尘、粉尘则通过风管传送至降尘室内，进行除尘，隧洞外设置简易降尘，其材料由彩钢房拼装，内部设置若干雾化喷头，由施工现场水管接入，当隧洞内进行开挖时则降尘室内雾化喷头进行间歇性喷雾降尘，待隧洞掌子面开挖完成进行支护时则适当降低喷雾频率；

3、隧洞初期支护方案：

对于IV类围岩支护施工方法，包括如下步骤：首先进行开挖施工然后进行系统锚杆设置，然后进行挂钢筋网的施工，然后喷射混凝土并控制网喷砼厚度为8cm，此过程注意通风散烟及出渣处理；

对于V类围岩支护施工方法，包括如下步骤：首先进行开挖施工然后进行系统锚杆设置，然后进行钢支撑、挂钢筋网的施工，然后喷射混凝土并控制网喷砼厚度为15cm，然后进行下一个循环作业；

4、软岩隧洞中的简易自动抽排水方法：

在集水坑内设置浮漂，浮漂通过线绳悬吊，待集水坑内水位上涨到设定位置时，水泵开关自动闭合，水泵开始工作，从洞内到洞口，通过一级一级自动控制每个集水坑内的水泵自动工作，实现洞内的积水向洞口外一级一级抽排的目的；

5、软岩隧洞混凝土衬砌：

小断面隧洞的断面尺寸决定了衬砌工序只能在开挖完成后进行，先浇筑底板后浇筑边墙顶拱，混凝土采用集中拌和用于保证混凝土施工质量，采用混凝土运输罐车实现混凝土洞外运输，采用地泵进行混凝土浇筑；混凝土浇筑采用液压整体钢模衬砌台车作业。

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