CN115263319A - 一种陡倾顺层灰岩岩层隧道出洞施工方法 - Google Patents

一种陡倾顺层灰岩岩层隧道出洞施工方法 Download PDF

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Abstract

本方案公开了隧道施工技术领域的一种陡倾顺层灰岩岩层隧道出洞施工方法，本发明通过采用单向掘进，并由内向外出洞的施工方案，其出洞的施工方案包括：S1、开挖掌子面至距离洞口100m位置时，暂停掌子面施工掘进，预留上台阶施工平台；S2、右洞先行出洞，包括：S21、微爆破配合机械破碎，短进尺、双台阶开挖隧道，S22、双层超前小导管支护施工，S23、上台阶纯机械破碎开挖出洞，S24、隧道洞口临时防护工程施工，S25、下台阶纯机械破碎开挖出洞，S26、仰拱纯机械破碎开挖，S27、平整洞口场地；S3、左洞后行出洞，重复步骤S2，直至完成后行洞的出洞施工。本发明中的施工方法可以显著提高陡倾顺层位置隧道出洞的安全性。

Description

一种陡倾顺层灰岩岩层隧道出洞施工方法
技术领域
本发明属于隧道施工技术领域，特别涉及一种陡倾顺层灰岩岩层隧道出洞施工方法。
背景技术
隧道出洞是隧道施工中工况最为复杂，安全风险最高的环节。循环进尺过大或装药量未控制好极易造成坍塌。常规隧道出洞施工方法，出洞前需做好出洞端顶部的截水沟、边仰坡开挖和防护、管棚钻孔和注浆、超前支护，且需在出洞前提前至少1个月施工完成，该方式施工工程量较大。特别是对于隧道洞口为灰岩为主的Ⅴ级围岩、岩层倾角达到43°～48°的陡倾顺层，由于无充足场地供截水沟、边仰坡开挖等进行施工，须进行较大的刷坡，开挖扰动破坏地形地貌，易造成围岩滑移垮塌，易发生山体滑坡等灾害，施工难度大、安全风险高，进度和经济性方面都存在一定的不合理性。
特别是隧道处于陡倾顺层且需要搭桥时，沿边坡隧道施工便道修建至洞口难度大、洞口施工场地较难布置，施工机械人员很难进入洞口施工。隧道长度短时可以选择从洞口条件较好的一端单向掘进至另一端洞口，隧道较长时可考虑增加横洞或斜井进入正洞后反向施工至条件较差的洞口。但以上两种方法均面临着出洞施工，由于洞口段往往埋深浅、围岩破碎，隧道出洞易造成边坡整体失稳滑移，威胁桥梁安全。再加之隧道出洞施工时易造成洞内外塌方等事故，而处理塌方工程困难、增加投资、工期延误，会给隧道建设带来巨大的损失。
因此，采用何种方法保证隧道出洞施工安全有效是目前急需解决的问题。
发明内容
本发明意在提供一种陡倾顺层灰岩岩层隧道出洞施工方法，以提高陡倾顺层位置隧道出洞的安全性。
本方案中的一种陡倾顺层灰岩岩层隧道出洞施工方法，包括以下步骤：
S1、开挖掌子面至距离洞口80～120m位置时，暂停掌子面施工掘进，预留上台阶施工平台；
S2、右洞先行出洞，包括：
S21、在距离洞口80～120m位置，使用微爆破配合机械破碎，短进尺、双台阶开挖隧道；上台阶运用上下双层爆破与机械开挖相配合、下台阶运用左右单层爆破与机械开挖相配合；进尺后，进行拱架及初期支护挂网喷浆施作；待初期支护稳定，施作防水布，使用台车施作二衬；
S22、双层超前小导管支护施工：在距离洞口30m位置开始施作双层超前小导管，每两榀拱架施作一次；
S23、完成双层超前小导管支护施工后，上台阶采用纯机械破碎开挖出洞，开挖至距洞口10～20m时，采用机械破碎开挖，挖机向洞内方向勾取土石，洞内运输至出口弃渣，严禁挖机向外推进开挖，挖机开挖0.6～1.2米进行上台阶拱架及挂网初期支护施作；
S24、隧道洞口临时防护工程施工，上台阶出洞后，对洞口上方及两侧边坡进行清方，并对清方后的边坡进行挂网喷浆；稳定隧道边坡围岩；
S25、下台阶采用纯机械破碎开挖出洞，具体施工位置以及方法与S23相同；
S26、仰拱纯机械破碎开挖，清除仰拱位置的石渣，施作仰拱；
S27、平整洞口场地；
S3、左洞后行出洞，包括：
S31、微爆破配合机械破碎开挖，具体做法同S21相同；
S32、双层超前小导管支护施工，具体做法同S22相同；
S33、上台阶采用纯机械破碎开挖出洞，具体做法同S23相同；
S34、隧道洞口临时防护工程施工，具体做法同S24相同；
S35、下台阶采用纯机械破碎开挖出洞，具体做法同S25相同；
S36、仰拱纯机械破碎开挖，具体做法同S26相同；
S37、平整洞口场地。
本方案的有益效果：本发明将先行洞单向出洞，解决了出口段陡倾顺层隧道向内开挖人员及设备运输困难、施工难度大的问题，减少了边坡的清方作业量，避免陡倾顺层边坡大幅度开挖过程中对山体稳定性的影响及开挖过程中易出现落石、滑移等安全风险；降低隧道出洞时由隧道塌方带来的投资增加、工期延误等风险，间接节约了隧道工程投资和缩短工期。同时，为后行洞的套拱和超前大管棚施作提供了场地。套拱、管棚为后行洞出洞提供了较好的施工条件。开挖至距洞口10～20m时采用机械破碎开挖，避免了爆破对浅埋区域的扰动，将隧道出洞过程中对周边环境的影响降到最低。保证隧道出洞施工安全。
进一步，步骤S21中，所述短进尺具体是：控制开挖进尺为上台阶每次0.6～1.2m、下台阶每次1.2～3m。采用短进尺的方式开挖，有助于进一步提高隧道出洞的安全性。
进一步，步骤S21中，上台阶运用上下双层爆破与机械开挖相配合，具体为：上台阶采用上、下半断面爆破方式，分两次起爆，首先爆破掌子面上半断面范围内区域，然后进行下半断面范围的爆破施工，随后机械破碎配合进行隧道轮廓的修整及对欠挖部分凿除；下台阶运用左右单层爆破与机械开挖相配合，具体为：下台阶采用左右半断面单层爆破方式，首先爆破右半断面范围内区域，然后爆破左半断面范围内区域，随后机械破碎配合进行隧道轮廓的修整及对欠挖部分凿除。有助于减轻爆破对围岩的扰动。
进一步，步骤S21中，爆破采用非电导爆管雷管起爆，间隔时差设计为190～210ms。使用非电微差起爆技术进行爆破，间隔时差设计为190～210ms，可以有效控制单段雷管的起爆药量与每段雷管的起爆时间，使爆破震动波形不形成叠加，既能保证岩石破碎达到理想的效果，又能消除爆破震动的有害效应。还可以跳段设置起爆药量较大的段别的雷管，这样可使爆破震动速度降低30％，达到更好的爆破效果。
进一步，步骤S21中，围岩采用三角形三中孔眼直眼掏槽。
进一步，步骤S21中，支护参数采用Vax35，钢拱架采用I20b工字钢、间距0.6m，喷射混凝土厚度26cm，Ф6钢筋网20*20cm。
进一步，步骤S22中，小导管采用外径42mm、厚3.5mm的热轧无缝钢管，单根长3.5～4m，环向间距40cm；管体钻设透浆孔，孔径6mm，孔间距15cm，外插角10°～15°，导管尾端105cm范围不钻孔，管尾焊接
Figure BDA0003733177510000031
加劲箍，前后相邻两排小导管搭接长度不小于1.0m。
进一步，步骤S22中，小导管安设采用钻孔打入法，先将小导管的孔位用红油漆标出，钻孔的方向垂直于开挖面，孔钻至设计深度后，将孔内碎碴吹出。
进一步，步骤S26中，施作仰拱进尺为3m。
附图说明
图1为本发明实施例一种陡倾顺层灰岩岩层隧道出洞施工方法中隧道出洞作业面的示意图，其中，左图为后行洞示意图，右图为先行洞示意图；
图2为隧道出洞端衬砌结构示意图；
图3为超前小导管支护设计图；
图4为
Figure BDA0003733177510000041
药卷进尺0.6m周边眼装药构造示意图；
图5为
Figure BDA0003733177510000042
药卷进尺0.6m周边眼装药构造示意图；
图6为
Figure BDA0003733177510000043
药卷进尺1.2m周边眼装药构造示意图；
图7为
Figure BDA0003733177510000044
药卷进尺1.2m周边眼装药构造示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
说明书附图中的附图标记包括：先行洞上台阶上断面I1、先行洞上台阶下断面I2、先行洞下台阶左断面II1、先行洞下台阶右断面II2、先行洞仰拱断面III、后行洞上台阶上断面IV1、后行洞上台阶下断面IV2、后行洞下台阶左断面V1、后行洞下台阶右断面V2、后行洞仰拱断面VI、先行洞上台阶上断面初期支护1、先行洞上台阶下断面初期支护2、先行洞下台阶初期支护3、先行洞仰拱4、先行洞二衬5、后行洞上台阶上断面初期支护6、后行洞上台阶下断面初期支护7、后行洞下台阶初期支护8、后行洞仰拱9、后行洞二衬10。
实施例基本如附图1所示：一种陡倾顺层灰岩岩层隧道出洞施工方法，应用于陈家坪隧道，该隧道为分离式隧道，左洞长950m，右洞长979m，左右洞净距13.19m，洞口最大埋深52.2m，开挖断面宽11.72m，高8.6m；隧道洞口为Ⅴ级围岩，岩层倾角46度。隧道围岩主要为块石土、强、中风化灰岩，其间充填黏土，结构松散，整体稳定性差，且岩体为陡倾顺层，无充足场地供截水沟、边仰坡开挖等进行施工，须进行较大的刷坡，开挖扰动破坏地形地貌，易造成围岩滑移垮塌，易发生山体滑坡等灾害，施工难度大、安全风险高。采用本发明中的施工方法，包括以下步骤：
S1、使用普通环形开挖预留核心土法开挖掌子面至距离洞口100m位置时，暂停掌子面施工掘进，预留上台阶施工平台；环形开挖预留核心土法施工中，先从拱顶往两侧逐步环行开挖上断面，施作初期支护，然后开挖上断面核心土，采用跳槽开挖下断面，开挖后及时施作相应的初期支护，全断面开挖完成后及时整幅浇筑施作仰拱，并进行仰拱回填，然后及时跟进整体模筑二次衬砌。
每循环开挖进尺为0.5～1.0m，开挖后及时逐福施工初期支护，核心土面积不小于整个掌子面的50％，且核心土台阶长度不小于3m，核心土和下台阶开挖应在上台阶初期支护完成，喷射混凝土强度达到设计强度70％后进行，下断面采用左右侧跳糟开挖，初期支护双侧交错落底，避免上半断面两侧拱脚同时悬空，单侧每次落底长度不大于2榀型钢拱架，仰拱每循环开挖进尺不得大于3m；施工过程中应加强监控量测，根据量测信息指导隧道施工。
隧道单洞隧道开挖可按照V级围岩普通段施工工序，但后行洞上断面开挖，必须待先行洞二衬施工并达到其设计强度后进行，且先行洞与后行洞上断面开挖距离不小于50m；后行洞开挖应采用光面爆破并结合左右洞之间的相互影响对爆破方案进行设计和验证，施工中应严格控制总药量及单段最大爆破药量，后行洞爆破施工中必须加强对先行洞村砌结构震动速度的监控，爆破方案对后行洞的衬砌结构震动速度满足相关要求且不能对二衬形成损伤。
S2、右洞先行出洞，包括：
S21、在距离洞口100m位置，使用微爆破配合机械破碎，短进尺、双台阶开挖隧道；上台阶运用上下双层爆破与机械开挖相配合、下台阶运用左右单层爆破与机械开挖相配合；
隧洞开挖顺序依次为：先行洞上台阶上断面I1、先行洞上台阶下断面I2、先行洞下台阶左断面II1、先行洞下台阶右断面II2、先行洞仰拱断面III。
严格控制开挖进尺为上台阶每次1榀(1榀为0.6m)、下台阶每次2榀，爆破方式采用松动(微爆破)爆破；隧道爆破掘进前方岩体为芭蕉湾特大桥顺层边坡，通过在该区域进行爆破试验振动监测，获取了爆破振动沿不利断面或不安全方向的振动衰减传播规律，再根据模拟监测的爆破振动数据进行线性回归分析，两相比较验证，确定M.A.萨道夫斯基地震动最大速度经验公式为
Figure BDA0003733177510000051
(相关系数r＝0.983)，估算出开挖爆破最大允许药量Q＝12kg与安全距离R＝9m。带入公式，计算得出最大振速为8cm/s。
为减轻爆破对围岩的扰动，开挖方法分别采用半断面爆破方式，上台阶进尺0.6m(一榀拱架)，分两次起爆，首先爆破掌子面周边眼范围内区域(上台阶上断面I1)，然后进行掏槽眼范围的爆破施工(上台阶下断面I2)，随后机械破碎配合进行隧道轮廓的修整及对欠挖部分凿除；上下台阶之间保持相错20m左右；下台阶左、右断面进尺1.2m(两榀拱架)，先爆破左断面II1，再爆破右断面II2；下台阶左右侧按照设计图纸及规范要求，必须错开3～5m。爆破参数如下所示：
陈家坪隧道右洞距洞口30m爆破参数表
项目 爆破参数
周边眼间距E(cm) 40
周边眼抵抗线W(cm) 60
相对距E/W 0.75
装药集中度(kg/m) 0.3
堵塞长度(cm) 40
装药结构(周边眼) 不耦合间隔装药
爆破开挖后及时进行先行洞上台阶上断面初期支护1、先行洞上台阶下断面初期支护2以及先行洞下台阶初期支护3施作，初期支护包括；20b工字钢、间距0.6m，Ф20连接钢筋，C20喷射混凝土厚度26cm，Ф6钢筋网20*20cm。
待初期支护稳定，施作防水层(防水板及无纺土工布)，使用台车进行先行洞二衬5(包括：厚度0.5m的C35混凝土、HRB300钢筋、HRB400钢筋)施作；
S22、双层超前小导管支护施工，在距离洞口30m位置开始施作双层超前小导管，每两榀拱架施作一次；小导管支护参数包括：Ф42X3.5超前小导管，L＝4.0m，角度＝10～15°，环向间距40cm，纵向排距180cm；具体施工如下：
(1)钻孔控制
小导管安设采用钻孔打入法，先将小导管的孔位用红油漆标出，钻孔的方向垂直于开挖面，仰角根据设计要求10°～15°。采用凿岩机钻孔，钻头采用梅花形钻头，钻头直径比导管直径大2cm，钻孔钻进要避免钻杆摆动，保证孔位顺直。钻至设计成孔深度后，用风管将碎碴吹出，避免塌孔。
(2)钢管加工
将钢管加工成钢花管，钢管顶部切割加工成尖锥状，使钢管更容易插入孔内，顶管完成后尾段焊接箍筋并与注浆管连接。
(3)钻孔、顶管
顶超前小导管孔位布置，环向间距0.4m，作为小导管导向孔。线路右侧依次为1号至18号，线路左侧依次为36号至19号，施工顺序依次为1～36号。将开挖台架放置平稳后，进行超前小导管施工。
用手持风钻钻采用直径Ф50，风钻施工至设计长度，用风钻直接将小导管从型钢钢架预留孔位置打入，外露20cm支撑于开挖面后方的钢架上，与钢架共同组成预支护体系。
在钻好的孔内插入加工合格的钢花管，在管尾后一段30cm处，将麻丝缠绕在管壁上成纺锥状，并用胶带缠紧。开动钻机，利用钻机的冲击力将钢花管顶入围岩中，钢管顶进钻孔长度≥90％管长。
(4)注浆
管路连接完成后进行压水试验，检查管路及工作面有无渗漏现象。超前小导管纵向4m，第一环4m小导管开挖完成后，用同样方法施作第二环小导管、第三环小导管以此类推施工至里程处。
S23、上台阶采用纯机械破碎开挖出洞，开挖至YK20+779明暗交界位置后(距洞口20m)，直到出洞均采用机械破碎开挖，挖机向洞内方向勾取土石，洞内运输至出口弃渣，严禁挖机向外推进开挖，及时进行上台阶拱架及挂网初期支护施作；
S24、隧道洞口临时防护工程施工，上台阶出洞后，对洞口上方及两侧边坡进行适当清方(视情况进行爆破作业或进行机械开挖)，并对清方后的边坡进行挂网喷浆；稳定隧道边坡围岩；
S25、下台阶采用纯机械破碎开挖出洞，具体施工位置以及方法与S23相同，及时进行下台阶拱架及挂网初期支护施作；
S26、先行洞仰拱4纯机械破碎开挖，清除仰拱位置的石渣，施作仰拱；仰拱进尺为3m。仰拱包括：20b工字钢、间距0.6m，HRB300钢筋，HRB400钢筋，C20喷射混凝土厚度26cm，C35混凝土厚度0.5m，C15混凝土仰拱填充，路面结构，两侧及中间排水沟。
S27、平整洞口场地，调动铲车及运渣车，为桥隧连接提供充足的施工场所；
S3、左洞后行出洞，包括：
重复步骤S2(此处的重复是指左洞后行出洞与右洞先行出洞的工序一致，但是施工对象转换到左洞)，直至完成所述后行洞的出洞施工。
本发明依托于桐新高速公路陈家坪隧道爆破施工安全技术研究，对桐梓隧道爆破开挖施工的LS-DYNA动力有限元模拟分析研究，总结出以V级为主的泥岩、灰岩、泥灰岩岩性条件下，隧道爆破开挖的见解三向振速预测模型，指出了合理的最大振速取、药量、安全距离以及减震建议；为陡倾岩层边坡隧道出洞设计提供了科学依据，加强了隧道出洞施工的安全可靠性，最大可能地实现了经济、合理、安全、高效。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (9)

1.一种陡倾顺层灰岩岩层隧道出洞施工方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、开挖掌子面至距离洞口80～120m位置时，暂停掌子面施工掘进，预留上台阶施工平台；
S2、右洞先行出洞，包括：
S21、在距离洞口80～120m位置，使用微爆破配合机械破碎，短进尺、双台阶开挖隧道；上台阶运用上下双层爆破与机械开挖相配合、下台阶运用左右单层爆破与机械开挖相配合；进尺后，进行拱架及初期支护挂网喷浆施作；待初期支护稳定，施作防水布，使用台车施作二衬；
S22、双层超前小导管支护施工：在距离洞口30m位置开始施作双层超前小导管，每两榀拱架施作一次；
S23、完成双层超前小导管支护施工后，上台阶采用纯机械破碎开挖出洞，开挖至距洞口10～20m时，采用机械破碎开挖，挖机向洞内方向勾取土石，洞内运输至出口弃渣，严禁挖机向外推进开挖，挖机开挖0.6～1.2米进行上台阶拱架及挂网初期支护施作；
S24、隧道洞口临时防护工程施工，上台阶出洞后，对洞口上方及两侧边坡进行清方，并对清方后的边坡进行挂网喷浆；稳定隧道边坡围岩；
S25、下台阶采用纯机械破碎开挖出洞，具体施工位置以及方法与S23相同；
S26、仰拱纯机械破碎开挖，清除仰拱位置的石渣，施作仰拱；
S27、平整洞口场地；
S3、左洞后行出洞，包括：
S31、微爆破配合机械破碎开挖，具体做法同S21相同；
S32、双层超前小导管支护施工，具体做法同S22相同；
S33、上台阶采用纯机械破碎开挖出洞，具体做法同S23相同；
S34、隧道洞口临时防护工程施工，具体做法同S24相同；
S35、下台阶采用纯机械破碎开挖出洞，具体做法同S25相同；
S36、仰拱纯机械破碎开挖，具体做法同S26相同；
S37、平整洞口场地。
2.根据权利要求1所述的一种陡倾顺层灰岩岩层隧道出洞施工方法，其特征在于：步骤S21中，所述短进尺具体是：控制开挖进尺为上台阶每次0.6～1.2m、下台阶每次1.2～3m。
3.根据权利要求2所述的一种陡倾顺层灰岩岩层隧道出洞施工方法，其特征在于：步骤S21中，上台阶运用上下双层爆破与机械开挖相配合，具体为：上台阶采用上、下半断面爆破方式，分两次起爆，首先爆破掌子面上半断面范围内区域，然后进行下半断面范围的爆破施工，随后机械破碎配合进行隧道轮廓的修整及对欠挖部分凿除；下台阶运用左右单层爆破与机械开挖相配合，具体为：下台阶采用左右半断面单层爆破方式，首先爆破右半断面范围内区域，然后爆破左半断面范围内区域，随后机械破碎配合进行隧道轮廓的修整及对欠挖部分凿除。
4.根据权利要求1～3任一项所述的一种陡倾顺层灰岩岩层隧道出洞施工方法，其特征在于：步骤S21中，爆破采用非电导爆管雷管起爆，间隔时差设计为190～210ms。
5.根据权利要求4所述的一种陡倾顺层灰岩岩层隧道出洞施工方法，其特征在于：步骤S21中，围岩采用三角形三中孔眼直眼掏槽。
6.根据权利要求5所述的一种陡倾顺层灰岩岩层隧道出洞施工方法，其特征在于：步骤S21中，支护参数采用Vax35，钢拱架采用I20b工字钢、间距0.6m，喷射混凝土厚度26cm，Ф6钢筋网20*20cm。
7.根据权利要求6所述的一种陡倾顺层灰岩岩层隧道出洞施工方法，其特征在于：步骤S22中，小导管采用外径42mm、厚3.5mm的热轧无缝钢管，单根长3.5～4m，环向间距40cm；管体钻设透浆孔，孔径6mm，孔间距15cm，外插角10°～15°，导管尾端105cm范围不钻孔，管尾焊接
Figure FDA0003733177500000021
加劲箍，前后相邻两排小导管搭接长度不小于1.0m。
8.根据权利要求7所述的一种陡倾顺层灰岩岩层隧道出洞施工方法，其特征在于：步骤S22中，小导管安设采用钻孔打入法，先将小导管的孔位用红油漆标出，钻孔的方向垂直于开挖面，孔钻至设计深度后，将孔内碎碴吹出。
9.根据权利要求8所述的一种陡倾顺层灰岩岩层隧道出洞施工方法，其特征在于：步骤S26中，施作仰拱进尺为3m。
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