CN114382501A - 一种维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工方法 - Google Patents
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Abstract
一种维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工方法，包括如下步骤，将螺旋自进锚杆钻入掌子面以稳定掌子面；利用与螺旋自进锚杆连接的掘进刀盘掘进岩土，且螺旋自进锚杆随掘进刀盘一起在掘进方向上前进。随着螺旋自进锚杆和掘进刀盘的钻进，螺旋自进锚杆实现了掌子面的超前支护，掘进刀盘实现了掌子面开挖，从而实现了隧道掌子面开挖支护一体化，保证了施工安全，软弱围岩中实现隧道全断面开挖，加快了施工进度；旋挖过程中，螺旋自进锚杆随掘进刀盘的掘进一起钻进，螺旋自进锚杆无需在隧道掘进过程中拆除，可重复使用，从而节约了投入，降低了施工成本。锚杆和刀盘按需排布，适应范围广。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，具体而言，涉及一种维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工方法。
背景技术
隧道开挖后的围岩变形，根据掌子面稳定情况分为：(1)掌子面稳定，且基本无超前位移；(2)掌子面稳定，有超前位移；(3)掌子面不稳定。掌子面稳定且无超前位移时，可以先开挖后支护。掌子面稳定，超前位移在控制范围内时，可以先开挖后支护，超出控制范围开挖时，需要先进行支护再开挖。掌子面不稳定的情况，可以采取先支护后开挖，或者边支护边开挖。软弱围岩隧道开挖后，掌子面超前核心土的变形超出控制范围，或者掌子面不能自稳，常用的应对工法有：分步开挖(台阶法、中隔壁法、交叉中隔壁法)、超前预支护(管棚、水平旋喷注浆、帷幕注浆、冻结法、超前锚杆等)。目前，软弱围岩隧道常用的开挖方法有新奥法分部开挖施工、掘进机法施工、新意法施工。
经发明人研究发现，现有的隧道开挖施工方法存在如下缺点：
其一、在软弱围岩施工中，新奥法施工需要采用分步开挖的手段来保证掌子面的稳定，从而导致施工进度慢，工期长；
其二、掘进机法施工时，其机体庞大，运输不便，适用于长隧道的开挖，并且本机直径不能调整，对地质条件及岩性变化的适应性差，使用有局限性；
其三、新意法需要在掌子面前方打设长锚杆等超前支护，在开挖的过程中挖除，造成不必要的浪费，施工造价比较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工方法，其能够实现开挖支护一体化施工，施工进度快，效果高，成本低。
本发明的实施例是这样实现的：
本发明提供一种维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工方法，该施工方法包括：
步骤s100、将螺旋自进锚杆钻入掌子面且使所述螺旋自进锚杆在掘进方向上的前端穿过破裂面；
步骤s200、利用与所述螺旋自进锚杆连接的掘进刀盘掘进岩土，且所述螺旋自进锚杆随所述掘进刀盘一起在所述掘进方向上前进。
在可选的实施方式中，在所述步骤s100之前还包括，依据所述隧道的横断面形式及围岩参数条件，设计所述螺旋自进锚杆的锚固长度和掌子面布置密度。
在可选的实施方式中，所述步骤s100中，将多根所述螺旋自进锚杆钻入所述掌子面以稳定所述掌子面。
在可选的实施方式中，所述步骤s200中，在每根所述螺旋自进锚杆上连接一个所述掘进刀盘，多个所述掘进刀盘在所述掘进方向上分层布设。
在可选的实施方式中，所述步骤s200中，多层所述掘进刀盘在垂直于所述掘进方向的横断面上的正投影部分重合，且覆盖所述横断面。
在可选的实施方式中，所述步骤s200中，利用能在隧道中沿所述掘进方向运动的动力设备驱使所述掘进刀盘以及所述螺旋自进锚杆转动。
在可选的实施方式中，所述步骤s200中，利用所述动力设备驱动所述掘进刀盘和所述螺旋自进锚杆掘进设定深度后，所述动力设备后退以与所述掘进刀盘和所述螺旋自进锚杆分离，然后在所述隧道中进行支护施工。
在可选的实施方式中，所述支护施工为喷锚支护施工或管片拼装。
在可选的实施方式中，在所述步骤s200中，利用出渣设备输出渣土。
本发明实施例的有益效果是：
1、实用性，随着螺旋自进锚杆和掘进刀盘的钻进，螺旋自进锚杆实现了掌子面的超前支护，掘进刀盘实现了掌子面开挖，从而实现了隧道掌子面开挖支护一体化，保证了施工安全，软弱围岩中实现隧道全断面开挖，加快了施工进度；
2、经济性，掌子面超前支护随着隧道开挖向前掘进，无需挖除，也即螺旋自进锚杆随掘进刀盘的掘进一起钻进，螺旋自进锚杆无需在隧道掘进过程中拆除，可重复使用，从而节约了投入，降低了施工成本；
3、灵活性，螺旋自进锚杆及掘进刀盘可以组合布置，通过调节螺旋自进锚杆及掘进刀盘的位置即可适应不同断面形式的隧道，开挖灵活性高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施例的螺旋自进锚杆和掘进刀盘的一视角的配合示意图；
图2为本发明实施例的螺旋自进锚杆和掘进刀盘的另一视角的配合示意图。
图标:
001-隧道；002-破裂面；100-掌子面；200-螺旋自进锚杆；300-掘进刀盘。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
鉴于此，设计者设计了一种维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工方法，适用于开挖软弱围岩，简化施工步骤，提高施工效率，施工成本低。
本实施例中，维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工方法包括：
步骤s100、将螺旋自进锚杆200钻入掌子面100以稳定掌子面，例如，实际施工时，螺旋自进锚杆200在掘进方向上的前端可以穿过破裂面002；
步骤s200、利用与螺旋自进锚杆200连接的掘进刀盘300掘进岩土，且螺旋自进锚杆200随掘进刀盘300一起在掘进方向上前进。
应当理解，本实施例提供的一体化施工方法具有至少如下有益效果：
1、随着螺旋自进锚杆200和掘进刀盘300的钻进，螺旋自进锚杆200实现了掌子面100的超前支护，掘进刀盘300实现了掌子面100开挖，从而实现了隧道001掌子面100开挖支护一体化，保证了施工安全，软弱围岩中实现隧道001全断面开挖，加快了施工进度；2、掌子面100超前支护(即螺旋自进锚杆200)随着隧道001开挖向前掘进，无需挖除，也即螺旋自进锚杆200随掘进刀盘300的掘进一起钻进，螺旋自进锚杆200无需在隧道001掘进过程中拆除，可重复使用，从而节约了投入，降低了施工成本；3、螺旋自进锚杆200及掘进刀盘300可以组合布置，通过调节螺旋自进锚杆200及掘进刀盘300的位置即可适应不同断面形式的隧道001，开挖灵活性高。
本实施例中，应当理解，在隧道001开挖施工前，先根据隧道001横断面形式，及围岩参数条件，设计螺旋自进锚杆200的锚固长度和掌子面100的布置密度，并设计掘进刀盘300的组合形式。在确定掌子面100上螺旋自进锚杆200的布置密度后，也即确定螺旋自进锚杆200的数量后，依据掘进刀盘300的组合形式在掌子面100上确定好多根螺旋自进锚杆200的位置，然后，可以利用动力设备分别或同时将多根螺旋自进锚杆200旋入到掌子面100内，且每根螺旋自进锚杆200的端部露出掌子面100，以便于与掘进刀盘300以及动力设备配合使用。应当理解，每根螺旋自进锚杆200的钻入深度均可以按需设置，保证每根螺旋自进锚杆200的前端穿过破裂面002即可，从而使螺旋自进锚杆200起到锚固的作用。
此外，在钻入螺旋自进锚杆200时，螺旋自进锚杆200的延伸方向可以按需调整，通过调节螺旋自进锚杆200与掘进方向或隧道001延伸方向的角度，能够适应不同横断面的隧道001的开挖，且能够实现小曲率半径施工。
当多根螺旋自进锚杆200从设定的位置钻入设定的深度后，在每根螺旋自进锚杆200露出掌子面100的一端套设掘进刀盘300，每个掘进刀盘300与对应的螺旋自进锚杆200在螺旋自进锚杆200的周向上相对固定，如此，动力设备与螺旋自进锚杆200连接后，通过动力设备带动螺旋自进锚杆200转动时，能够通过螺旋自进锚杆200带动对应的掘进刀盘300转动，螺旋自进锚杆200钻进的过程中，掘进刀盘300旋切岩土，实现掘进刀盘300与螺旋自进锚杆200均沿掘进方向前进。
应当理解，多根螺旋自进锚杆200可以依次从设定位置钻入掌子面100，即多根螺旋自进锚杆200可以先后钻入掌子面100，每根螺旋自进锚杆200单独施工，便于施工和位置的调整。
同时，在利用动力设备驱动螺旋自进锚杆200转动时，动力设备还推动掘进刀盘300前进，掘进过程中，通过监测开挖速率，调整动力设备的扭矩和推力，控制螺旋自进锚杆200的钻速(钻进速度)，确保掘进刀盘300的开挖速度不小于螺旋自进锚杆200的钻进速度，以改善螺旋自进锚杆200空转，破坏孔壁围岩，降低螺旋自进锚杆200的锚固力的问题。
请结合图1和图2，应当理解，在掘进过程中，多个掘进刀盘300配合使用，从而对隧道001的全断面进行掘进，本实施例中，多个掘进刀盘300在隧道001的掘进方向上分层布设，例如，多个掘进刀盘300包括依次排布的第一层刀盘、第二层刀盘和第三层刀盘，第一层刀盘最接近掌子面100，其次是第二层刀盘，第三次刀盘距离掌子面100最远。螺旋自进锚杆200钻入掌子面100后，装配掘进刀盘300时，先将第一层刀盘的多个掘进刀盘300分别装配在对应的螺旋自进锚杆200上，然后再装配第二层刀盘，最后再装配第三层刀盘，当多个掘进刀盘300均装配完成后，多个掘进刀盘300在垂直于掘进方向的横断面上的正投影部分重合，且覆盖横断面，如此，在利用动力设备带动掘进刀盘300转动和行进时，第一层刀盘先进行开挖，随后第二层刀盘开挖未被第一层刀盘开挖的区域，第三层刀盘开挖未被第二层刀盘开挖的区域，如此，实现全断面开挖。
显然，在实际施工时，依据隧道001的形式的不同，可以灵活调整螺旋自进锚杆200的布置密度和掘进刀盘300的配合形式，从而实现不同横断面的开挖。同时，掘进刀盘300可以不限于是三层刀盘的排布形式，按需设置即可，本实施例中不进行具体限定。
此外，掘进刀盘300可以为圆盘，也可以为异形刀盘，且掘进刀盘300在掘进时可以转动360°，也可以转动锐角或钝角，本实施例中均不进行具体限定。
本实施例中，可选的，利用动力设备带动螺旋自进锚杆200和掘进刀盘300运动以进行隧道001开挖时，可以采用分段式开挖，且结合支护施工以及渣土输送。具体的，动力设备能够在隧道001的掘进方向上前进或后退，在初始状态时，设定动力设备与螺旋自进锚杆200传动连接，此时，为掘进的开始，动力设备带动螺旋自进锚杆200转动，从而带动掘进刀盘300转动，并带动掘进刀盘300前进，当掘进到设定深度后，动力设备停止带动螺旋自进锚杆200转动，然后，动力设备后退，动力设备与螺旋自进锚杆200和掘进刀盘300分离，此时，动力设备和掌子面100之间形成待支护区域，此时，可以采用喷锚支护，对已经完成掘进的隧道001段进行初期支护，还可以采用也配套台车进行管片拼装，施工灵活便捷。显然，还可以其他支护的方式进行初期支护，本实施例中不进行一一列举。
当初期支护完成后，再使动力设备前进，动力设备再次与螺旋自进锚杆200和掘进刀盘300配合，带动螺旋自进锚杆200钻进以及掘进刀盘300旋挖，掘进设定深度后，再次后退，进行初期支护，如此循环施工，直至挖通隧道001。
并且，在掘进过程中，可以利用配套的出渣设备进行出渣处理。
本实施例中，隧道001开挖支护一体化施工设备，施工进度快，效率高，降低施工成本。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工方法，其特征在于，施工方法包括：
步骤s100、将螺旋自进锚杆钻入掌子面以稳定所述掌子面；
步骤s200、利用与所述螺旋自进锚杆连接的掘进刀盘掘进岩土，且所述螺旋自进锚杆随所述掘进刀盘一起在掘进方向上前进。
2.根据权利要求1所述的维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工方法，其特征在于：
在所述步骤s100之前还包括，依据所述隧道的横断面形式及围岩参数条件，设计所述螺旋自进锚杆的锚固长度和掌子面布置密度。
3.根据权利要求1所述的维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工方法，其特征在于：
所述步骤s100中，将多根所述螺旋自进锚杆依次钻入所述掌子面以稳定所述掌子面。
4.根据权利要求3所述的维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工方法，其特征在于：
所述步骤s200中，在每根所述螺旋自进锚杆上连接一个所述掘进刀盘，多个所述掘进刀盘在所述掘进方向上分层布设。
5.根据权利要求4所述的维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工方法，其特征在于：
所述步骤s200中，多层所述掘进刀盘在垂直于所述掘进方向的横断面上的正投影部分重合，且覆盖所述横断面。
6.根据权利要求1所述的维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工方法，其特征在于：
所述步骤s200中，利用能在隧道中沿所述掘进方向运动的动力设备驱使所述掘进刀盘以及所述螺旋自进锚杆转动。
7.根据权利要求6所述的维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工方法，其特征在于：
所述步骤s200中，利用所述动力设备驱动所述掘进刀盘和所述螺旋自进锚杆掘进设定深度后，所述动力设备后退以与所述掘进刀盘和所述螺旋自进锚杆分离，然后在所述隧道中进行支护施工。
8.根据权利要求7所述的维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工方法，其特征在于：
所述支护施工为喷锚支护施工或管片拼装。
9.根据权利要求1所述的维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工方法，其特征在于：
在所述步骤s200中，利用出渣设备输出渣土。
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