CN112832803B - 一种超大异形断面施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超大异形断面施工方法，通过对掌子面进行超前预支护和加固，能够确保超大洞室开挖过程中掌子面及周围岩体稳定，进而保证开挖过程的安全性。采用非爆破高效开挖，能够适用于任何施工条件，特别适用于隐蔽要求高及环境、生态敏感的工程施工。还能够根据不同的地质条件，配置不同的超前预支护、开挖以及断面支护，可适用于复杂地质条件。

Description

一种超大异形断面施工方法

技术领域

本发明涉及隧道工程及浅埋地下洞室施工领域，特别是涉及一种超大异形断面施工方法。

背景技术

随着地下工程施工技术的发展，地下已成为铁路、公路、市政、水利及国防等工程的主要设施。随着地下工程使用功能的提高，也给地下工程的施工提出了更高的要求，比如跨度要求越来越大、地质条件越来越复杂等。目前针对大断面的隧道施工有相关的施工方法，但是存在以下问题：

1、现有工程很少有跨度超过20米的隧道，仅有部分市政工程和水利工程存在大跨度的地下工程。市政工程的大跨度地下工程一般采用大基坑的施工方法，主要有明挖法、盖挖顺作法和盖挖逆作法，上述施工方法不适合长距离、埋深深及隐蔽要去的工程。水利工程地下库房也有超过20米甚至更大跨度的地下洞室，但是一般选择在围岩条件比较好的基岩至下，并且采用分层分块开挖的施工方法。

2、现有铁路和公路大跨度隧道一般都是分台阶、分部进行开挖，例如三台阶七步施工法、双侧壁导坑法、CD法、CRD法及其多种施工方法的组合。这些施工方法的共性就是把大断面分成若干小端面进行施工，通过小端面开挖来确保隧道的稳定和施工安全。但是这些施工方法通常需要小型机械配合人工进行开挖和临时支护，大多临时支护在后期需要拆除，会对初期支护结构造成影响。

3、现有的非爆开挖主要采用盾构法、TBM法及一些非爆开挖设备结合钢架、锚杆、钢筋网及喷射混凝土初期支护的施工方法。其中盾构和掘进机都在往异形断面方向发展，但是施工跨度还受到一定限制，还没有达到超大异形断面的要求。此外现有的非爆开挖设备对围岩的适应性较差，要么适应硬岩，要么适应软岩，没有成熟的配套施工方法。

因此，如何提供一种超大异形断面分块式全断面非爆开挖、一次成洞施工方法，是本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种超大异形断面施工方法，可以有效解决现有施工方法施工跨度小、施工效率低和地质适应性差等问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种超大异形断面施工方法，包括以下步骤：

S1：获取掌子面的地质信息；

S2：超前预支护：当地质为软弱围岩时，在开挖之前，对掌子面进行分块式插刀机械超前支护；在软弱围岩段落和富水段落施工时，通过超前管棚注浆加固；对掌子面进行加固；

S3：根据掌子面的地质信息，选择相应的开挖设备进行分块式全断面非爆破开挖；

S4：将各开挖设备挖出的渣土送至洞外；

S5：对开挖后的断面进行支护。

优选地，所述步骤S1具体为：在掌子面进行钻孔，在钻孔过程中收集钻孔参数，根据钻孔参数生成地质云图。

优选地，所述步骤S2中“对掌子面进行分块式插刀机械超前支护”，具体为：通过在主机机架的外部轮廓设置轮廓插刀机构，主机机架的前端设有网格，各所述开挖设备设置在所述网格内，各所述开挖设备所处的网格上设有前部插刀机构，所述轮廓插刀机构和所述前部插刀机构均插入土体对土体形成机械超前支护。

优选地，所述步骤S2中“通过超前管棚注浆加固”，具体为：通过所述主机机架上设置的钻孔设备施工超前管棚，并进行灌浆加固。

优选地，当地质为断层及富水段落时，洞室全环施工管棚，并注水泥砂浆或水泥-水玻璃双液浆；当地质为软土段落时，拱部和边墙局部施工管棚；当地质为软岩段落时，拱部施工管棚。

优选地，所述步骤S2中“对掌子面进行加固”，具体为：通过超前灌浆及纤维锚杆加固。

优选地，所述步骤S3具体为：

当地质为软土时，采用挖斗开挖；

当地质为软岩时，采用自由断面截割头开挖；

当地质为硬岩时，采用排劈设备开挖。

优选地，所述步骤S4具体为：

通过集渣机构和渣土输送机构将渣土输送至连续皮带机，由连续皮带机输送将渣土输送至洞外。

优选地，所述步骤S5具体为：

当地质为断层及富水段落时，全环采用拼装管片或混凝土管并回填注浆进行支护；

当地质为软土、软岩段落时，采用拼装钢拱支撑和两种不同长度的预应力锚杆以及喷射混凝土和回填注浆支护；

当地质为硬岩段落时，采用两种不同长度的预应力锚杆和喷射混凝土进行支护。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明所提供的一种超大异形断面施工方法，通过对掌子面进行超前预支护和加固，能够确保超大洞室开挖过程中掌子面及周围岩体稳定，进而保证开挖过程的安全性。采用非爆破高效开挖，能够适用于任何施工条件，特别适用于隐蔽要求高及环境、生态敏感的工程施工。还能够根据不同的地质条件，配置不同的超前预支护、开挖以及断面支护，可适用于复杂地质条件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为超大异形断面全断面分块开挖分块示意图；

图2为断层及富水段落超前管棚施工示意图；

图3为软土段落超前管棚施工示意图；

图4为软岩段落超前管棚施工示意图；

图5为软土、软岩段落支护断面图；

图6为软土、软岩段落支护钢拱支撑支护示意图；

图7为硬岩段落支护示意图。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

本发明的一种具体实施方式提供了一种超大异形断面施工方法，主要是针对开挖跨度大于20米、非标准圆形或马蹄形断面非爆破开挖施工，包括以下步骤：

S1：获取掌子面的地质信息。即超前地质预报，超前地质预报结合随钻技术和物探法探明掌子面前方地质，具体为在掌子面进行钻孔，在钻孔过程中收集钻孔参数，根据钻孔参数生成地质云图，以直观的反应掌子面前方地质情况。

S2：超前预支护。

当地质为软弱围岩时，在开挖之前，对掌子面进行分块式插刀机械超前支护。具体为：通过在主机机架的外部轮廓设置轮廓插刀机构，主机机架的前端设有网格，各所述开挖设备设置在所述网格内，各所述开挖设备所处的网格上设有前部插刀机构，所述轮廓插刀机构和所述前部插刀机构均插入土体对土体形成机械超前支护。其中前部插刀机构将掌子面分成多个开挖面进行分布开挖，随开挖插刀继续往前延伸，始终保证着插刀插入土体形成支护结构的状态。另外掌子面的分块尺寸主要取决于岩层受力稳定性分析及机械非爆开挖功效进行综合计算，一般在开工前通过地址勘探情况结合机械功率在机械设计阶段进行确定，请参考图1，图1为超大异形断面全断面分块开挖分块示意图，可根据实际情况进行调整和优化。

在软弱围岩段落和富水段落施工时，通过超前管棚注浆加固。具体为：通过所述主机机架上设置的钻孔设备施工超前管棚，并进行灌浆加固。请参考图2，当地质为断层及富水段落时，洞室全环施工管棚，此时管棚各钢管101的选择为长度为20m、直径108m，环向间距为50cm，搭接长度5m，并注水泥砂浆或水泥-水玻璃双液浆；请参考图3，当地质为软土段落时，拱部和边墙局部施工管棚，此时管棚各钢管101的选择为长度为15m、直径89mm，环向间距为50cm，搭接长度为5m；请参考图4，当地质为软岩段落时，拱部施工管棚，此时管棚各钢管101的选择为长度为12m、直径89mm，环向间距为50cm，搭接长度为3m。

对掌子面进行加固。掌子面采用超前灌浆及纤维锚杆加固，根据地质条件可分为以下几种情况：

断层及富水段落，超前灌浆孔深度20m，布置间距1.5m*1.5m，梅花型布置，纤维锚杆长12m，环向间距1.5m*1.5m，每10m施工一循环，搭接2m；

软土段落，超前灌浆孔深度20m，布置间距2m*2m，梅花型布置，纤维锚杆长12m，环向间距1.5m*1.5m，每10m施工一循环，搭接2m；

软岩段落，纤维锚杆长12m，环向间距2.5m*2.5m，每10m施工一循环，搭接2m。

通过对掌子面进行超前预支护和加固，能够确保超大洞室开挖过程中掌子面及周围岩体稳定，进而保证开挖过程的安全性。

S3：根据掌子面的地质信息，选择相应的开挖设备进行分块式全断面非爆破开挖。具体为：当地质为软土时，例如黄土、粘土等，采用挖斗开挖；当地质为软岩时，强度在70Mpa以下，采用自由断面截割头开挖；当地质为硬岩时，强度在70Mpa以上，采用排劈设备开挖。采用非爆破高效开挖，能够适用于任何施工条件，特别适用于隐蔽要求高及环境、生态敏感的工程施工。

S4：将各开挖设备挖出的渣土送至洞外。具体为：通过集渣机构和渣土输送机构将渣土输送至连续皮带机，由连续皮带机输送将渣土输送至洞外。其中集渣机构是收集各开挖设备挖下的渣土，集渣机构将渣土输送至渣土输送机构，渣土输送机构再输送至连续皮带机，最后由连续皮带机将渣土输送至洞外。

S5：对开挖后的断面进行支护。根据断面和围岩情况选择相应的支护方式，具体为：

当地质为断层及富水段落时，全环采用拼装管片或混凝土管并回填注浆进行支护。

当地质为软土、软岩段落时，请参考图5，采用拼装钢拱支撑104和两种不同长度的预应力锚杆以及喷射混凝土105和回填注浆支护，其中注浆孔106和预应力锚杆的分布，请参考图6所示。

当地质为硬岩段落时，请参考图7，采用两种不同长度的预应力锚杆和喷射混凝土进行支护。

其中可选择9m预应力锚杆102和4.5m普通预应力锚杆103，两种锚杆以辐射分布方式交叉设置。

可根据不同地质条件配置不同的超前预支护、开挖以及支护方案，因此能够适用于复杂地质条件。另外可将各支护用于永久支护，无需临时支护，没有拆除量，节约了施工成本。而且各工序采用平行流水作业，各工序之间无干扰，从而实现高效快速施工。另外超前预支护、分块式全断面非爆破开挖、运渣以及断面支护均采用机械化作业，减少了井下作业人员投入，降低了安全风险。

还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种超大异形断面施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：获取掌子面的地质信息；

S2：超前预支护：当地质为软弱围岩时，在开挖之前，对掌子面进行分块式插刀机械超前支护；在软弱围岩段落和富水段落施工时，通过超前管棚注浆加固；对掌子面进行加固；

S3：根据掌子面的地质信息，选择相应的开挖设备进行分块式全断面非爆破开挖，具体为：

当地质为软土时，采用挖斗开挖；

当地质为软岩时，采用自由断面截割头开挖；

当地质为硬岩时，采用排劈设备开挖；

S4：将各开挖设备挖出的渣土送至洞外；

S5：对开挖后的断面进行支护，具体为：

当地质为断层及富水段落时，全环采用拼装管片或混凝土管并回填注浆进行支护；

当地质为软土、软岩段落时，采用拼装钢拱支撑和两种不同长度的预应力锚杆以及喷射混凝土和回填注浆支护；

当地质为硬岩段落时，采用两种不同长度的预应力锚杆和喷射混凝土进行支护；

所述步骤S2中“对掌子面进行分块式插刀机械超前支护”，具体为：通过在主机机架的外部轮廓设置轮廓插刀机构，主机机架的前端设有网格，各所述开挖设备设置在所述网格内，各所述开挖设备所处的网格上设有前部插刀机构，所述轮廓插刀机构和所述前部插刀机构均插入土体对土体形成机械超前支护。

2.根据权利要求1所述的超大异形断面施工方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：在掌子面进行钻孔，在钻孔过程中收集钻孔参数，根据钻孔参数生成地质云图。

3.根据权利要求1所述的超大异形断面施工方法，其特征在于，所述步骤S2中“通过超前管棚注浆加固”，具体为：通过所述主机机架上设置的钻孔设备施工超前管棚，并进行灌浆加固。

4.根据权利要求3所述的超大异形断面施工方法，其特征在于，

当地质为断层及富水段落时，洞室全环施工管棚，并注水泥砂浆或水泥-水玻璃双液浆；

当地质为软土段落时，拱部和边墙局部施工管棚；

当地质为软岩段落时，拱部施工管棚。

5.根据权利要求1所述的超大异形断面施工方法，其特征在于，所述步骤S2中“对掌子面进行加固”，具体为：通过超前灌浆及纤维锚杆加固。

6.根据权利要求1所述的超大异形断面施工方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：通过集渣机构和渣土输送机构将渣土输送至连续皮带机，由连续皮带机输送将渣土输送至洞外。

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