CN112696200A - 一种软岩大断面隧道微台阶开挖方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种软岩大断面隧道微台阶开挖方法，包括以下步骤：S1根据隧道地质条件，制定专项爆破方案，采用全站仪进行测量放样，放出隧道中心线；S2开挖时按照1:0.1进行放坡处理，掌子面采用混凝土喷浆封闭，并采用纤维锚杆加固；S3超前管棚施工，对超前管棚、纤维锚杆进行高压注浆，浆液充填节理、裂隙，形成网络浆脉；针对以Ⅳ、Ⅴ级围岩为主的长大隧道软弱围岩地段，采取超前预加固措施，通过三臂凿岩台车、高压注浆机等加强型机械实现超前预加固，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；通过采用微台阶法开挖，缩小各工序衔接时间差，加快施工进度，减少了人员、设备窝工。
Description
技术领域
本发明属于隧道开挖技术领域，尤其涉及一种软岩大断面隧道微台阶开挖方法。
背景技术
随着我国经济的发展，人民生活水平的提高，国家对基础设施投入的不断加大，以及国家对基础建设的施工标准(如环保要求、能耗要求、安全质量要求等)的不断提高，在公路、铁路和水利水电工程施工中隧道比重越来越大；中国已经是世界上隧道最多、发展最快、地质条件和结构形式最复杂的国家。
在隧道施工中，传统的隧道施工工艺已不能满足国家对环保、低耗能、经济性和高安全质量的要求，以三臂凿岩台车、拱架安装机、混凝土湿喷机械手为主的开挖支护作业线机械化配套技术因为环境污染少，安全系数较高，施工进度快，相对成本低，消耗能量少，比传统的隧道开挖工法有着显著的优势，近年来已经在国内外水电、矿山、公路、铁路等长大隧道工程中广泛推广应用。
三臂凿岩台车主要适用于以Ⅱ、Ⅲ级围岩为主的长大隧道工程中，一般采用全断面或台阶法开挖；对于Ⅳ、Ⅴ级围岩地段，或者软弱围岩地段，一般采用手持风动凿岩机简易钻孔台架进行短台阶法施工，既要更换施工机具，又要改变施工工法，施工进度影响大。
由中铁五局施工的郑万高铁香树湾隧道管段全长5.255km,为泥岩夹砂岩地区，围岩软弱，地质较差，开挖后易变形，主要以Ⅳ、Ⅴ级围岩为主。为了解决因围岩频繁变化而引起的施工机具和开挖工法不断调整影响施工进度，同时解决因Ⅳ、Ⅴ级软弱围岩变形影响施工进度和安全，对开挖工法进行了研究改进，开发了三臂凿岩台车Ⅳ、Ⅴ级围岩地段微台阶法开挖方法。
发明内容
本发明提供一种软岩大断面隧道微台阶开挖方法，旨在解决上述存在的问题。
本发明是这样实现的，一种软岩大断面隧道微台阶开挖方法，包括以下步骤：
S1根据隧道地质条件，制定专项爆破方案，采用全站仪进行测量放样，放出隧道中心线；
S2开挖时按照1:0.1进行放坡处理，掌子面采用混凝土喷浆封闭，并采用纤维锚杆加固；
S3超前管棚施工，对超前管棚、纤维锚杆进行高压注浆，浆液充填节理、裂隙，形成网络浆脉；
S4利用凿岩台车在下台阶，完成上下台阶的钻眼、装药，然后上下台阶同时起爆；
S5翻碴，将上台阶的爆碴翻至下台阶；
S6对上台阶进行支护，同时在下台阶进行出碴作业；
S7对下台阶进行支护，重复S1-S7，直至开挖结束。
进一步的，对上台阶进行支护包括初喷混凝土、打设锚杆、挂设钢筋网、安装钢架和复喷混凝土。
进一步的，对下台阶进行支护包括初喷混凝土、打设锚杆、挂设钢筋网、安装钢架和复喷混凝土。
进一步的，上台阶初喷混凝土、打设锚杆、挂设钢筋网与翻碴工序同时进行，上台阶复喷混凝土与下台阶初喷混凝土、打设锚杆、挂设钢筋网工序同时进行。
进一步的，在开挖过程中，上台阶至少有一榀钢架在下台阶开挖后不形成悬空。
进一步的，所述纤维锚杆布设角度和隧道轴线方向一致。
进一步的，当隧道围岩软弱富水无法成孔时，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。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：针对以Ⅳ、Ⅴ级围岩为主的长大隧道软弱围岩地段，采取超前预加固措施，通过三臂凿岩台车、高压注浆机等加强型机械实现超前预加固，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；通过采用微台阶法开挖，缩小各工序衔接时间差，加快施工进度，减少了人员、设备窝工；采用微台阶法开挖，在配置凿岩台车的情况下，可以减少简易钻孔台架的配置，节约了机械费用，同时避免了围岩变化后工法经常转换的时间浪费；采用微台阶法开挖隧道，可给后续工序创造更多的作业空间，仰拱距掌子面的安全距离完全可控，安全管理、文明施工等都得到极大的提高。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
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，以下结合附图及实施例，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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：
本发明公开的微台阶法是全断面开挖的一种变异形式，适用于Ⅳ～Ⅴ级围岩及软弱围岩。既有全断面开挖进度快的优点，又有台阶法施工有利于保持掌子面稳定的优点。
利用凿岩台车、混凝土湿喷机械手等原有设备，不需增加其它设备；上下台阶同时钻眼、放炮、出碴；上下台阶部分工序可平行作业，节约时间。上台阶初喷后，可集中作业人员打锚杆、安钢架；上台阶拱架安装后，作业人员撤至下台阶打锚杆、安钢架，上台阶可同时进行喷砼作业。上台阶初喷、打锚杆、立架、挂网工序与出碴工序同时进行，上台阶喷砼与下台阶初喷、打锚杆、立架、挂网同时进行。
采用简易钻孔台架短台阶法施工，Ⅳ级围岩月进度一般在60～70m；采用凿岩台车微台阶法施工，月进度可达到90～110m；适用于Ⅱ、Ⅲ围岩中夹杂的Ⅳ、Ⅴ级围岩地段段，尤其是围岩频繁变化地段；适用于以Ⅳ、Ⅴ级围岩地段为主的软弱围岩地段；与全断面工法转换快。采用机械化施工，安全性好；通过超前预加固等技术措施保证软弱围岩大机施工安全。
主要适用于采用凿岩台车、拱架安装机和混凝土湿喷机械手进行施工的长大隧道，夹杂在Ⅱ、Ⅲ级围岩中的Ⅳ、Ⅴ级围岩地段，尤其是Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩交替出现，频繁变化的隧道，或以Ⅳ、Ⅴ级围岩地段为主的软弱围岩地段。
隧道微台阶开挖工法由全断面和短台阶开挖工法衍变而来，利用凿岩台车在下台阶完成上下台阶的钻眼、装药，上下台阶同时起爆、同时出碴，缩短工序间的衔接时间。台阶长度约3m。利用爆破作用力将上台阶石碴翻至下台阶，剩余少量石碴采用挖掘机翻至下台阶。上台阶初支作业采用拱架安装机和混凝土喷射机械手在下台阶进行施工。
为防止下台阶开挖后上台阶已施作的初期支护产生掉拱风险，上台阶锁脚锚杆及系统锚杆必须严格按设计施工。同时，上台阶必须保证至少有一榀钢架在下台阶开挖后不形成悬空。保证以Ⅳ、Ⅴ级围岩为主的软弱围岩地段施工安全和进度，结合三臂凿岩台车、高压注浆机等加强型机械进行超前预加固，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。
上下台阶开挖进尺根据围岩级别按规范确定。施工中动态调整下台阶的开挖进尺，保证上台阶长度在3～5m之间。
隧道开挖前应根据地质条件、开挖断面及方法、钻眼机具和爆破器材等对钻爆进行合理地设计；确定炮眼布置、数目、深度、角度、装药量、装药结构、起爆方法、起爆顺序和循环作业方式，用以指导钻爆施工，达到预期的效果。
钻爆法开挖的隧道制定专项爆破设计方案，严格执行技术交底，并根据地质条件和设计方法动态调整。采用全站仪进行测量放样，放出隧道中心线。
针对以Ⅳ、Ⅴ级围岩为主的长大隧道软弱围岩地段，需采取超前预加固措施，通过三臂凿岩台车、高压注浆机等加强型机械实现超前预加固，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。
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。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，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。
超前管棚采用三臂凿岩台车施工，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°。
高压注浆注浆压力最高可达到10MPa，通过超前管棚、纤维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。
凿岩台车数字化的全智能控制系统可实现车辆自动定位、臂架姿态自动调整，设备到达掌子面处支腿支撑平稳后，测量人员测量台车后方2个棱镜的坐标输入台车电脑，操作司机根据图示调整位置。
上下台阶钻眼、爆破，将钻孔深度、外插值(角度)、炮孔间排距、钻孔顺序等参数输入控制系统，凿岩台车自动根据设定参数找点钻孔，操作过程中，配置人员根据掌子面实际情况对点位进行微调；钻孔需做到开孔准确、炮孔间平行、炮孔与隧道轴线平行、炮孔底部位于同一铅垂面内——即“准、平、直、齐”；外插角控制通过操作人员操作手柄控制大臂的倾角和方向，使之与车载计算机屏幕上的短线及偏向完全重合，保证钻孔按照预定的角度和方向钻进；每循环爆破后测量人员复核超欠挖值，根据围岩及超欠挖情况指导台车操作人员对周边孔外插角进行调整；钻孔精度控制要求：钻进偏差小于3cm/m；开孔偏差小于3cm；深度偏差小于1％；台车钻眼完毕后，台车退出200m以外的安全区域；装药，对炮孔逐个进行测量验收合格后方可装药，如发现不符合要求时及时处理，进行补孔，严禁少打眼、多装药。周边眼采用空气间隔装药结构，首先在炮孔底部装填炸药，然后使进行间隔装药，装药量根据设计以及现场情况确定；工作面的全部炮孔装填完毕，无关人员全部撤至安全地点后，由爆破员进行连接网路，进行起爆；危石处理，隧道开挖必须进行找顶，排出危、落石，保障作业安全。
采用挖掘机将上台阶的爆碴翻至下台阶，按照设计要求施工上台阶的初喷混凝土、打设锚杆、挂设钢筋网、安装钢架和复喷混凝土。上台阶锚杆和钢筋网作业时，下台阶可同时进行出碴作业；按照设计要求施工下台阶的初喷混凝土、打设锚杆、挂设钢筋网、安装钢架和复喷混凝土作业。
通过采用微台阶法开挖，缩小各工序衔接时间差，加快施工进度，减少了人员、设备窝工。若隧道综合单价以5万元/延米计，采用微台阶法后每月可增加产值约100万元，同时节约了单位产值的劳动力和机械成本。采用微台阶法开挖，在配置凿岩台车的情况下，可以减少简易钻孔台架的配置，节约了机械费用，同时避免了围岩变化后工法经常转换的时间浪费。采用微台阶法开挖隧道，可给后续工序创造更多的作业空间，仰拱距掌子面的安全距离完全可控，安全管理、文明施工等都得到极大的提高。
该工法应用在香树湾隧道，位于重庆市巫山县和湖北省巴东县境内，全长12474.5m，其中由中铁五局施工的隧道管段长5.255km，最大埋深约620m，为单洞双线隧道。香树湾隧道单口掘进长，通风及运输困难，工期压力大，为管段内重点控制性工程，设计为高风险隧道。
香树湾隧道横洞工区是武九公司指定的加强型机械配套施工工点，且目前正处在软弱围岩大断面施工的试验阶段，和本工法完全相符，大机配套的相关设备已配置齐全。施工过程中通过对软弱围岩隧道的加强型机械结合微台阶施工研究，从机械化配套选型、软岩大断面微台阶施工、掌子面稳定性评价、隧道超前预加固、开挖、初期支护、高压注浆、型机械维修保养、施工组织、机械化配套安全教育培训等方面进行了科学施工管理，通过精心组织，合理安排，月进尺由传统工法70m/月提高到110m/月。该工法对隧道施工的安全、工期、经济和社会效益有重要作用。香树湾隧道采用该工法取得了较好效果，保障了隧道施工顺利，加快了施工进度，确保了施工安全、质量、进度和成本，取得了良好的经济和社会效益。在业主及各级检查中，隧道未出现大的安全隐患，工程实体质量经第三方多次检测无裂缝空洞，安全质量可控。
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 (7)
1.一种软岩大断面隧道微台阶开挖方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1根据隧道地质条件，制定专项爆破方案，采用全站仪进行测量放样，放出隧道中心线；
S2开挖时按照1:0.1进行放坡处理，掌子面采用混凝土喷浆封闭，并采用纤维锚杆加固；
S3超前管棚施工，对超前管棚、纤维锚杆进行高压注浆，浆液充填节理、裂隙，形成网络浆脉；
S4利用凿岩台车在下台阶，完成上下台阶的钻眼、装药，然后上下台阶同时起爆；
S5翻碴，将上台阶的爆碴翻至下台阶；
S6对上台阶进行支护，同时在下台阶进行出碴作业；
S7对下台阶进行支护，重复S1-S7，直至开挖结束。
2.根据权利要求1所述的一种软岩大断面隧道微台阶开挖方法，其特征在于，对上台阶进行支护包括初喷混凝土、打设锚杆、挂设钢筋网、安装钢架和复喷混凝土。
3.根据权利要求2所述的一种软岩大断面隧道微台阶开挖方法，其特征在于，对下台阶进行支护包括初喷混凝土、打设锚杆、挂设钢筋网、安装钢架和复喷混凝土。
4.根据权利要求3所述的一种软岩大断面隧道微台阶开挖方法，其特征在于，上台阶初喷混凝土、打设锚杆、挂设钢筋网与翻碴工序同时进行，上台阶复喷混凝土与下台阶初喷混凝土、打设锚杆、挂设钢筋网工序同时进行。
5.根据权利要求2所述的一种软岩大断面隧道微台阶开挖方法，其特征在于，在开挖过程中，上台阶至少有一榀钢架在下台阶开挖后不形成悬空。
6.根据权利要求1所述的一种软岩大断面隧道微台阶开挖方法，其特征在于：所述纤维锚杆布设角度和隧道轴线方向一致。
7.根据权利要求6所述的一种软岩大断面隧道微台阶开挖方法，其特征在于：当隧道围岩软弱富水无法成孔时，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。
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- 2020-12-22 CN CN202011528862.3A patent/CN112696200A/zh active Pending
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