CN115898422A - 隧道硬岩超前导洞扩挖施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地下隧道施工技术领域，特别涉及隧道硬岩的一种施工方法。将上台阶开挖工作面由左至右依次分成超前导洞铣挖面、扩挖面，采用超前导洞与扩挖平行施工。通过对开挖工作面进行分区作业，可实现超前导洞开挖与初期支护平行作业，有效避免传统上台阶支护的影响时间，保证隧道整体施工进度；本发明的隧道硬岩超前导洞扩挖施工方法，扩挖面采用钻孔+破碎锤开挖，减少上台阶铣方量，降低截齿消耗，综合成本较低，且减少了粉尘的产生，对环境保护有利，相比传统的台阶法铣挖工艺，具有更高的使用价值。

Description

隧道硬岩超前导洞扩挖施工方法

技术领域

本发明涉及地下隧道施工技术领域，特别涉及隧道硬岩的一种超前导洞扩挖施工方法。

背景技术

目前在国内外，除TBM之外，在非爆硬岩中的开挖方法主要为：悬臂掘进铣挖、钻劈一体机、液压劈裂、化学膨胀剂以及岩石切割等方法。通过前期国内在建工程调研，悬臂掘进机铣挖目前逐渐成为非爆开挖施工中的核心装备，在各个施工领域应用较为广泛。

但在岩石强度达到80~120Mpa时，坚硬的地质条件会加大对设备的磨损及损坏，伴随着掘进的不断深入，设备故障率上升，施工效率下降。这不仅承担着昂贵的开挖成本，而且工期压力也随之加大。

有鉴于此，需要设计出一种新的适应岩石强度80~120Mpa时的隧道硬岩超前导洞扩挖施工方法，充分发挥机械设备优势、来解决进度、成本、工期等各方面的问题。

此外，目前在国内外，悬臂式掘进机铣挖工艺除尘均采用射流风机集中抽至洞外，利用干/湿式除尘机过滤后向外界排放，该除尘工艺对施工干扰大，且除尘效果差，无法针对目前的超前导洞与扩挖工法。

在前期施工中发现传统除尘工艺存在以下问题：

1、射流风机管道布置长，维修费用高。与多个施工作业面交叉，破损维修频繁，交叉作业面粉尘含量超标，影响施工进度；

2、干/湿式除尘机过滤效果差，污浊空气无法满足排放标准，泥浆排放处理困难，影响文明施工及环境保护；

3、射流风机位置固定，无法移动，不能有效解决作业面粉尘，施工环境差，不利于作业人员健康。

有鉴于此，需要研究出一种与隧道硬岩超前导洞扩挖施工方法相匹配的除尘方法，通过层层除尘的方式来净化隧道内污浊空气，从而解决进度、成本、工期等各方面的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于非爆隧道硬岩开挖的快速施工方法，采用悬臂式掘进机、凿岩台车、破碎锤等设备组合开挖。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案为：隧道硬岩超前导洞扩挖施工方法，其特征在于，所述施工方法为适用岩石强度80~120Mpa的大断面硬岩非爆暗挖隧道施工方法，将上台阶开挖工作面由左至右依次分成超前导洞铣挖面、扩挖面，采用超前导洞与扩挖平行施工，具体包括以下步骤：

S1、超前地质预报及围岩监控量测

采用超前导洞法开挖，所述挖掘超前导洞断面参数包括：拱部设计半径1.52m圆弧与开挖轮廓线衔接，开挖高度为6.2m，开挖宽度8.7m，超前导洞开挖面占上台阶断面面积49%；所述超前导洞围岩监控量包括导洞拱部沉降观测点、拱腰水平收敛观测点，在所述超前导洞围岩监控量沉降观测点与水平收敛观测点每5m布设一个断面；为确保超前导洞的安全稳定需进行相应的地质超前预报，以查明导洞围岩轮廓线外一定范围内是否存在不良地质情况，导洞超前地质预报采用探地雷达法；超前地质预报及围岩监控量测根据现场施工情况分为两阶段进行实施：

第一阶段：在导洞开挖掌子面的轮廓线位置设置拱顶环向探地雷达测线，点测间距不超过20cm；雷达探测方向为环形向外10°，沿开挖方向每掘进20m进行一次探地雷达超前预报，探测导洞拱顶轮廓线以外的围岩情况；探测实施通过作业台架进行操作；

第二阶段：导洞每掘进4m在导洞的拱顶及拱腰位置分别设置一条沿隧道轴线方向的雷达测线，探测方向沿径向向外，点测间距为20cm，探测导洞拱顶及拱腰位置后方围岩情况；探测人员站在掘进机作业平台上进行作业，通过设备缓慢移动实现全程探测工作；

S2、开挖轮廓线放线

每班开挖前采用全站仪测量开挖轮廓线，采用红色油漆进行标识，点环向间距不大于40cm；

S3、超前导洞铣挖

超前导洞铣挖面积35m²；洞碴采用装载机与自卸车配合装车运输至弃碴场；超前导洞铣挖进尺根据岩石强度判定，单循环进尺范围控制在1.2m~2.0m之间，单循环作业时间控制在11小时之内；超前导洞与扩挖面距离保持在20m之内，除尘采用机载专用除尘设备；

S4、扩挖面开挖

扩挖断面参数包括开挖高度为6.2m，开挖宽度8.06m，扩挖断面占上台阶断面面积51%；开挖面开挖采用钻孔+油锤开挖方案；扩挖面钻孔参数：孔径110mm，孔深5m，水平、垂直孔距不大于40cm，作业时长控制在4~6小时；油锤开挖施工单循环施工进尺两榀钢架间距，油锤钎杆直径须大于钻孔孔径，施工平均效率5~6方/小时；扩挖施工与超前导洞铣挖平行作业；扩挖施工完毕后掘进机需要退出对轮廓线进行修整，保证开挖轮廓线形圆顺，提高开挖质量；

S5、上台阶支护

扩挖面在开挖结束后及时施作上台阶初期支护，立架作业采用拼装分离式作业台架施工，喷浆作业采用湿喷机械臂施工；单循环支护进尺2榀钢架间距，超前导洞喷浆防护与初期支护喷浆循环同步；

S6、下台阶及仰拱开挖

下台阶及仰拱采用油锤开挖，施工设备选用PC500挖掘机+SG4500塔式破碎锤作业；

扒碴及装碴设备选用PC360挖掘机，出碴选用20立方自卸车运输。

所述施工方法采用的除尘方法，具体包括以下步骤：

C1、通风管道的布置

洞口布置一组变频轴流风机，采用压入式供风，电机功率2×110KW，通风管道直径2m，管道靠开挖面侧拱部设置，出风口距离开挖面不大于10m；

C2、超前导洞除尘布置

采用超前导洞法施工，因导洞断面较小且较深，不利于除尘车的布置，采用机载除尘设备进行降尘，机载除尘机电机功率2×37KW，机载除尘机安装在掘进机顶部平台，底部设置减振橡胶垫板，供电电压与掘进机一致，采用1140V高压电缆接入；

C3、扩挖面除尘布置

为了二次净化处理超前导洞排出的空气残留粉尘，扩挖面上台阶左侧边墙布置一台XCS1500隧道除尘车，该车采用水雾化、过滤、水膜除尘机理,将含有粉尘的气体吸入风道并送入除尘器，粉尘气体与除尘器内的高压水雾充分混合，经多层金属滤网对气液进行分离，最终清洁空气通过排风口排除，粉尘与水形成泥浆，被泵排到洞内临时沉淀池内；

XCS1500隧道除尘车与扩挖面设备平行布置，中间预留排碴通道，除尘车吸风管道口距离超前导洞口不大于2m；

C4、洒水喷雾除尘布置

为了再次净化处理XCS1500隧道除尘车排放的污浊空气，降低洞内温度，在上台阶初支面环向安装喷雾管道，并配置水箱及增压水泵，喷雾布置断面距离除尘机尾部排放管口距离为5m。

所述步骤S3超前导洞采用XTR7/360悬臂掘进机进行铣挖作业。

所述步骤S4扩挖岩面采用ZYS113三臂凿岩台车辅助钻孔，油锤开挖施工设备选用PC500短臂挖掘机+SG4500塔式破碎锤作业。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明的隧道硬岩超前导洞扩挖施工方法，通过对开挖工作面进行分区作业，可实现超前导洞开挖与初期支护平行作业，有效避免传统上台阶支护的影响时间，保证隧道整体施工进度；本发明的隧道硬岩超前导洞扩挖施工方法，扩挖面采用钻孔+破碎锤开挖，平均可减少上台阶铣方量40%，截齿消耗降低50%，综合成本下降30%~40%，且减少了粉尘的产生，对环境保护有利，相比传统的台阶法铣挖工艺，具有更高的使用价值。

本发明的隧道硬岩超前导洞扩挖施工方法，通过对开挖工作面进行分区作业，可实现超前导洞开挖与初期支护平行作业，有效避免传统上台阶支护的影响时间，保证隧道整体施工进度；本发明的隧道硬岩超前导洞扩挖施工方法，扩挖面采用钻孔+破碎锤开挖，平均可减少上台阶铣方量40%，截齿消耗降低50%，综合成本下降30%~40%；采用三级除尘方式，根据除尘设备吸风口位置可调、除尘能力强、可自行走等优点，与洞外的通风机一起形成了循环通风降尘系统，经过隧道施工粉尘浓度测试仪检测其中超前导洞机车除尘排放10%二氧化硅粉尘浓度为5~10mg/m³，XCS1500车载除尘排放10%二氧化硅粉尘浓度为2~3mg/m³，隧道洞口10%二氧化硅粉尘浓度降低至2mg/m³以下，有效改善了洞内的作业环境，满足规范要求，对环境保护有利，相比传统的台阶法铣挖及其除尘工艺，具有更高的使用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施案例的技术方案，下面将对实施案例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图不仅出示了本发明的某些实施案例，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为本发明的超前导洞扩挖法施工流程图。

图2为本发明超前导洞扩挖法施工工序图。

图3为本发明超前导洞扩挖法施工工序平面示意图。

图4为本发明的超前导洞拱顶环形测线布设位置图。

图5为本发明的超前导洞探地雷达探测剖面图。

图6为本发明的超前导洞探地雷达纵向探测三维示意图。

图7为本发明的超前导洞监控量测加密布点三维示意图。

图8为本发明的扩挖断面钻孔设计图。

图9为本发明的通风除尘循环系统平面示意图。

图10为本发明的通风除尘空气流动路径平面示意图。

图11为本发明的除尘设备上台阶断面布置图。

图12为本发明的洒水喷雾除尘装置断面布置图。

图中：1-上台阶初期支护，2-下台阶初期支护，3-仰拱衬砌，4-仰拱填充，5-拱墙衬砌，6-供风管道，7-铣挖机载除尘风机，8-XCS1500车载除尘风机，9-洒水喷雾装置，10-扩挖面作业机械，11-水箱及增压泵系统，12-环向供水主管道，13-喷雾头。

具体实施方式

以下参照附图与具体实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不局限于具体实施例。

实施例

根据施工工序图（图2、图3），全隧开挖包括：上台阶超前导洞（Ⅰ）、上台阶扩挖面（Ⅱ）、下台阶及仰拱（Ⅲ）三个工作面。其中Ⅰ部开挖后初喷5cm厚C25喷射混凝土封闭，上台阶初期支护在Ⅱ部开挖后施工，下台阶初期支护在Ⅲ部开挖后施工。仰拱衬砌在仰拱开挖后施工；

如图1所示，隧道硬岩超前导洞扩挖施工方法，所述施工方法为大断面硬岩非爆暗挖隧道施工方法，适用岩石强度80~120Mpa；将上台阶开挖工作面由左至右依次分成超前导洞铣挖面、扩挖面，采用超前导洞与扩挖平行施工，具体包括以下步骤：

S1、超前地质预报及围岩监控量测

采用超前导洞法开挖，所述挖掘超前导洞断面参数包括：拱部设计半径1.52m圆弧与开挖轮廓线衔接，开挖高度为6.2m，开挖宽度8.7m，超前导洞开挖面占上台阶断面面积49%；所述超前导洞围岩监控量包括导洞拱部沉降观测点、拱腰水平收敛观测点，在所述超前导洞围岩监控量沉降观测点与水平收敛观测点每5m布设一个断面；为确保超前导洞的安全稳定需进行相应的地质超前预报，以查明导洞围岩轮廓线外一定范围内是否存在不良地质情况，导洞超前地质预报采用探地雷达法；超前地质预报及围岩监控量测根据现场施工情况分为两阶段进行实施：

第一阶段：如图4、图5，在导洞开挖掌子面的轮廓线位置设置拱顶环向探地雷达测线，点测间距不超过20cm；雷达探测方向为环形向外10°，沿开挖方向每掘进20m进行一次探地雷达超前预报，探测导洞拱顶轮廓线以外的围岩情况；探测实施通过作业台架进行操作；

第二阶段：如图6，导洞每掘进4m在导洞的拱顶及拱腰位置分别设置一条沿隧道轴线方向的雷达测线，探测方向沿径向向外，点测间距为20cm，探测导洞拱顶及拱腰位置后方围岩情况；探测人员站在掘进机作业平台上进行作业，通过设备缓慢移动实现全程探测工作。

S2、开挖轮廓线放线

每班开挖前采用全站仪测量开挖轮廓线，采用红色油漆进行标识，点环向间距不大于40cm；

S3、超前导洞铣挖

超前导洞采用XTR7/360悬臂掘进机进行铣挖作业，作业铣挖面积35m²；洞碴采用装载机与自卸车配合装车运输至弃碴场；超前导洞铣挖进尺根据岩石强度判定，单循环进尺范围控制在1.2m~2.0m之间，单循环作业时间控制在11小时之内；超前导洞与扩挖面距离保持在20m之内，除尘采用75kw机载除尘风机进行除尘；

S4、扩挖面开挖

如图8，扩挖断面参数包括开挖高度为6.2m，开挖宽度8.06m，扩挖断面占上台阶断面面积51%；开挖面开挖采用钻孔+油锤开挖方案，扩挖岩面采用ZYS113三臂凿岩台车辅助钻孔，油锤开挖施工设备选用PC500短臂挖掘机+SG4500塔式破碎锤作业；扩挖面钻孔参数：孔径110mm，孔深5m，水平、垂直孔距不大于40cm，作业时长控制在4~6小时；油锤开挖施工单循环施工进尺两榀钢架间距，油锤钎杆直径须大于钻孔孔径，施工平均效率5~6方/小时；扩挖施工与超前导洞铣挖平行作业；扩挖施工完毕后掘进机需要退出对轮廓线进行修整，保证开挖轮廓线形圆顺，提高开挖质量；扩挖施工配置XCS1500车载除尘风机进行除尘作业；

S5、上台阶支护

扩挖面在开挖结束后及时施作上台阶初期支护，立架作业采用拼装分离式作业台架施工，喷浆作业采用湿喷机械臂施工；单循环支护进尺2榀钢架间距，超前导洞喷浆防护与初期支护喷浆循环同步；

S6、下台阶及仰拱开挖

下台阶及仰拱采用油锤开挖，施工设备选用PC500挖掘机+SG4500塔式破碎锤作业；

扒碴及装碴设备选用PC360挖掘机，出碴选用20立方自卸车运输。

所述施工方法采用的除尘方法，具体包括以下步骤：

C1、通风管道的布置

洞口布置一组变频轴流风机，采用压入式供风，电机功率2×110KW，通风管道直径2m，管道靠开挖面侧拱部设置，出风口距离开挖面不大于10m；

C2、超前导洞除尘布置

采用超前导洞法施工，因导洞断面较小且较深，不利于除尘车的布置，采用机载除尘设备进行降尘，机载除尘机电机功率2×37KW，机载除尘机安装在掘进机顶部平台，底部设置减振橡胶垫板，供电电压与掘进机一致，采用1140V高压电缆接入；

C3、扩挖面除尘布置

为了二次净化处理超前导洞排出的空气残留粉尘，扩挖面上台阶左侧边墙布置一台XCS1500隧道除尘车，该车采用水雾化、过滤、水膜除尘机理,将含有粉尘的气体吸入风道并送入除尘器，粉尘气体与除尘器内的高压水雾充分混合，经多层金属滤网对气液进行分离，最终清洁空气通过排风口排除，粉尘与水形成泥浆，被泵排到洞内临时沉淀池内；

XCS1500隧道除尘车与扩挖面设备平行布置，中间预留排碴通道，除尘车吸风管道口距离超前导洞口不大于2m；

C4、洒水喷雾除尘布置

为了再次净化处理XCS1500隧道除尘车排放的污浊空气，降低洞内温度，在上台阶初支面环向安装喷雾管道，并配置水箱及增压水泵，喷雾布置断面距离除尘机尾部排放管口距离为5m。

Claims (4)

1.隧道硬岩超前导洞扩挖施工方法，其特征在于，所述施工方法为适用岩石强度80~120Mpa的大断面硬岩非爆暗挖隧道施工方法，将上台阶开挖工作面由左至右依次分成超前导洞铣挖面、扩挖面，采用超前导洞与扩挖平行施工，具体包括以下步骤：

S1、超前地质预报及围岩监控量测

采用超前导洞法开挖，所述挖掘超前导洞断面参数包括：拱部设计半径1.52m圆弧与开挖轮廓线衔接，开挖高度为6.2m，开挖宽度8.7m，超前导洞开挖面占上台阶断面面积49%；所述超前导洞围岩监控量包括导洞拱部沉降观测点、拱腰水平收敛观测点，在所述超前导洞围岩监控量沉降观测点与水平收敛观测点每5m布设一个断面；为确保超前导洞的安全稳定需进行相应的地质超前预报，以查明导洞围岩轮廓线外一定范围内是否存在不良地质情况，导洞超前地质预报采用探地雷达法；超前地质预报及围岩监控量测根据现场施工情况分为两阶段进行实施：

第一阶段：在导洞开挖掌子面的轮廓线位置设置拱顶环向探地雷达测线，点测间距不超过20cm；雷达探测方向为环形向外10°，沿开挖方向每掘进20m进行一次探地雷达超前预报，探测导洞拱顶轮廓线以外的围岩情况；探测实施通过作业台架进行操作；

第二阶段：导洞每掘进4m在导洞的拱顶及拱腰位置分别设置一条沿隧道轴线方向的雷达测线，探测方向沿径向向外，点测间距为20cm，探测导洞拱顶及拱腰位置后方围岩情况；探测人员站在掘进机作业平台上进行作业，通过设备缓慢移动实现全程探测工作；

S2、开挖轮廓线放线

每班开挖前采用全站仪测量开挖轮廓线，采用红色油漆进行标识，点环向间距不大于40cm；

S3、超前导洞铣挖

超前导洞铣挖面积35m²；洞碴采用装载机与自卸车配合装车运输至弃碴场；超前导洞铣挖进尺根据岩石强度判定，单循环进尺范围控制在1.2m~2.0m之间，单循环作业时间控制在11小时之内；超前导洞与扩挖面距离保持在20m之内，除尘采用机载专用除尘设备；

S4、扩挖面开挖

扩挖断面参数包括开挖高度为6.2m，开挖宽度8.06m，扩挖断面占上台阶断面面积51%；开挖面开挖采用钻孔+油锤开挖方案；扩挖面钻孔参数：孔径110mm，孔深5m，水平、垂直孔距不大于40cm，作业时长控制在4~6小时；油锤开挖施工单循环施工进尺两榀钢架间距，油锤钎杆直径须大于钻孔孔径，施工平均效率5~6方/小时；扩挖施工与超前导洞铣挖平行作业；扩挖施工完毕后掘进机需要退出对轮廓线进行修整，保证开挖轮廓线形圆顺，提高开挖质量；

S5、上台阶支护

扩挖面在开挖结束后及时施作上台阶初期支护，立架作业采用拼装分离式作业台架施工，喷浆作业采用湿喷机械臂施工；单循环支护进尺2榀钢架间距，超前导洞喷浆防护与初期支护喷浆循环同步；

S6、下台阶及仰拱开挖

下台阶及仰拱采用油锤开挖，施工设备选用PC500挖掘机+SG4500塔式破碎锤作业；

扒碴及装碴设备选用PC360挖掘机，出碴选用20立方自卸车运输。

2.根据权利要求1所述的隧道硬岩超前导洞扩挖施工方法，其特征在于，所述施工方法采用的除尘方法，具体包括以下步骤：

C1、通风管道的布置

洞口布置一组变频轴流风机，采用压入式供风，电机功率2×110KW，通风管道直径2m，管道靠开挖面侧拱部设置，出风口距离开挖面不大于10m；

C2、超前导洞除尘布置

采用超前导洞法施工，因导洞断面较小且较深，不利于除尘车的布置，采用机载除尘设备进行降尘，机载除尘机电机功率2×37KW，机载除尘机安装在掘进机顶部平台，底部设置减振橡胶垫板，供电电压与掘进机一致，采用1140V高压电缆接入；

C3、扩挖面除尘布置

为了二次净化处理超前导洞排出的空气残留粉尘，扩挖面上台阶左侧边墙布置一台XCS1500隧道除尘车，该车采用水雾化、过滤、水膜除尘机理,将含有粉尘的气体吸入风道并送入除尘器，粉尘气体与除尘器内的高压水雾充分混合，经多层金属滤网对气液进行分离，最终清洁空气通过排风口排除，粉尘与水形成泥浆，被泵排到洞内临时沉淀池内；

XCS1500隧道除尘车与扩挖面设备平行布置，中间预留排碴通道，除尘车吸风管道口距离超前导洞口不大于2m；

C4、洒水喷雾除尘布置

为了再次净化处理XCS1500隧道除尘车排放的污浊空气，降低洞内温度，在上台阶初支面环向安装喷雾管道，并配置水箱及增压水泵，喷雾布置断面距离除尘机尾部排放管口距离为5m。

3.根据权利要求1所述的隧道硬岩超前导洞扩挖施工方法，其特征在于，所述步骤S3超前导洞采用XTR7/360悬臂掘进机进行铣挖作业。

4.根据权利要求1所述的隧道硬岩超前导洞扩挖施工方法，其特征在于，所述步骤S4扩挖岩面采用ZYS113三臂凿岩台车辅助钻孔，油锤开挖施工设备选用PC500短臂挖掘机+SG4500塔式破碎锤作业。

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