CN112539066A - 一种岩溶发育长大隧道快速施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种岩溶发育长大隧道快速施工方法，包括以下步骤：S1对隧道进行超前地质勘探，探测前方围岩情况，对掌子面前方围岩超前预加固；S2使用凿岩台车对掌子面地质变化围岩掘进钻孔，采集施钻过程中钻孔的速度、扭矩、压力参数，对前方围岩软硬进行分析，形成云状地质图，判定前方围岩的软硬程度及基本地质情况；S3根据围岩情况，进行钻爆施工；采用本发明公开的一种岩溶发育长大隧道快速施工方法，减小施工人员安全风险。隧道加强型机械化配套施工，特别是岩溶隧道软弱围岩，存在各种岩溶突发风险，采用大机配套施工能减少掌子面作业人数，降低安全风险能保证隧道施工安全。
Description
技术领域
本发明属于隧道施工技术领域，尤其涉及一种岩溶发育长大隧道快速施工方法。
背景技术
岩溶是地表及地下比较普遍的一种作用和现象，岩溶本身的发育特征，岩溶水资源状况、岩溶的各种工程地质问题和岩溶区灾害防治的研究时间较长。二十世纪七十年代以来，国内外学者们从不同的角度、用不同的方法进行详细认真的研究，虽取得丰富的研究成果，但由于岩溶多发生、发展在地表以下而不易察觉和探测，具有隐蔽性、突发性等不确定因素特点，目前统一的、***的、权威的成因机理及定量预测和认识仍在逐步完善中。
岩溶发育长大隧道快速施工采用的是大型机械配合隧道岩溶开挖施工，传统的非大机隧道开挖在遇岩溶隧道施工存在以下缺点：
1、岩溶隧道在开挖前对掌子面前方围岩探测难度较大，TSP、地质雷达等手段探测准确度不高，超前探孔探测范围受限。
2、岩溶隧道溶洞分很多种，有空溶洞、充填溶洞、突水突泥溶洞等，传统方法开挖时风险非常大，需要人工到掌子面打钻立架和喷浆，极大增加了施工风险。
3、传统人工开挖岩溶隧道时，遇各种溶洞需边开挖边整治岩溶，考虑到安全风险，人工整治岩溶进度明细要慢于大机施工。
发明内容
本发明提供一种岩溶发育长大隧道快速施工方法，旨在解决上述存在的问题。
本发明是这样实现的，一种岩溶发育长大隧道快速施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1对隧道进行超前地质勘探，探测前方围岩情况，对掌子面前方围岩超前预加固；
S2使用凿岩台车对掌子面地质变化围岩掘进钻孔，采集施钻过程中钻孔的速度、扭矩、压力参数，对前方围岩软硬进行分析，形成云状地质图，判定前方围岩的软硬程度及基本地质情况；
S3根据围岩情况，进行钻爆施工；
S4采用多功能拱架安装台车将型钢在掌子面地面进行分部预拼装，并检查型钢长度、弧度、连接是否符合要求，通过遥控台车操作臂将型钢安装到设计指定位置，拱架拼装着重控制型钢竖向垂直、横向平行于隧道法线，并保证型钢立架质量；
S5对隧道拱部采用涨壳式预应力锚杆进行施工，初喷完成后使用锚杆钻机对初喷面进行径向钻孔，采用φ45mm钻头，钻孔直径为50mm，钻孔时间1.5min～3min/孔；钻孔完成后前先使用电筒检查孔内是否坍孔，如有坍孔则使用直径20mm半圆小钢管或高压风对孔内进行清掏；锚杆安装前，对涨壳头先将塑料波纹套管旋入注浆囊小端，再将锚杆体穿入塑料波纹套管直至从注浆囊穿出10cm，然后在波纹套管端的锚杆体上旋入钢质涨壳锚杆件，并使用塑料扎带进行绑扎固定；锚杆安装前先将锚杆孔周边进行粗整平处理，或用水泥浆找平，确保垫板安装与岩面或初支面基本密贴，锚杆推送安装完成后，对锚杆尾部螺栓进行紧固；采用耿立双液注浆泵注浆，浆液釆用水泥净浆，配合比：0.3～0.4，注浆压力:0.2～0.25Mpa；注浆前用棉纱或锚固剂对孔口进行封堵；注浆时先用较小的压力送浆，将孔内空气慢慢排出，逐步加大压力注浆直至孔口返浆，稳定一段时间后孔口持续返浆时停止；注浆时先用清水将注浆泵润湿，并将清水泵出。
进一步的，在步骤S1中，对掌子面超前预加固具体包括：对掌子面采用C30喷射混凝土喷浆封闭，采用三臂凿岩台车对超前管棚进行施工，超前管棚采用2榀钢架打孔进行定位；采用纤维锚杆对掌子面进行加固，纤维锚杆采用三臂凿岩台车引孔，布设角度和隧道轴线方向一致；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。
进一步的，所述管棚均采用壁厚6mm热轧无缝钢花管加工，根据不同围岩情况分别采用外径60-108mm导管，环向间距设置根据地层性质为30cm～50cm，节间采用外丝扣连接，施工时根据实际情况调整外插角，范围在1°～5°。
进一步的，所述注浆材料采用水泥浆液，水灰比1:1，压力3～5MPa，作业时采用喷射混凝土作止浆墙，孔口采用锚固剂封堵，注浆方式采用隔孔注浆，由下向上交错进行，注浆压力达到5MPa，稳定10min后结束注浆。
进一步的，在步骤S3中，根据线路线形，以及围岩断面轮廓和软硬程度，进行***设计，布置炮孔位置、控制炮眼深度及角度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用本发明公开的一种岩溶发育长大隧道快速施工方法，减小施工人员安全风险。隧道加强型机械化配套施工，特别是岩溶隧道软弱围岩，存在各种岩溶突发风险，采用大机配套施工能减少掌子面作业人数，降低安全风险能保证隧道施工安全。保证软岩隧道的施工质量。采用加强型机械化配套软岩大断面开挖，较传统分部台阶法开挖，减少了隧道开挖的扰动次数，隧道开挖后初支快速封闭成环且能整体受力，确保了初期支护的施工质量。施工工序较传统台阶法简单。缩短施工工期。机械化配套软岩大断面施工，通过超前预加固，能提高掌子面前方围岩强度，强化围岩应力拱形成，实现大型机械岩溶隧道全断面快速施工的目标。
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。
岩溶发育长大隧道快速施工方法，采用大型机械配套施工，通过三臂凿岩台车开挖减少掌子面人员聚集同时利用台车的自动探测功能探测前方围岩情况，在遇到溶洞可利用大机灵活操作处理溶腔难以施工部位，立架和喷剂可利用拱架安装台车和喷剂机械手操作，减少岩溶施工风险。
采用岩溶发育长大隧道快速施工方法可以加快施工速度，缩短工期；针对岩溶隧道施工，采用加强型机械化配套施工能减少掌子面作业人数，降低安全风险能保证隧道施工安全，节约劳动力。
超前预加固，通过掌子面前方围岩超前预加固，能提高掌子面前方岩溶块石对集体围岩强度，强化围岩应力拱，实现软弱围岩大断面快速施工，减少对隧道开挖扰动次数，利于软岩隧道的围岩稳定，保证隧道施工质量。
三臂凿岩台车等大型机械自带信息化智能***，可自动探测下一个循环岩溶发育情况，精准度高。
加强型机械配置，主要机械配置有：三臂凿岩台车、拱架安装台车、挖掘机、装载机、自卸汽车、锚杆钻机、自动计量注浆机、混凝土湿喷机组、自行式仰拱栈桥、多功能防水板台车、衬砌模板台车、移动式养生台架、移动式养生台架等。
施工管棚前先对掌子面采用C30喷射混凝土喷浆封闭，喷砼厚度4～6cm，喷射混凝土表面密实、平整，无裂缝、脱落、漏喷、空鼓和渗漏水。超前管棚采用铁建重工三臂凿岩台车施工，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°。注浆采用超前高压注浆，浆液为单液水泥浆，水灰比1:1，注浆压力3～5Mpa。
采用三臂凿岩台车施工超前管棚能缩短管棚施作时间，且不需要考虑管棚操作平台，相对传统钻机施工工效明显提高。以施工一环9m长Φ60管棚为例，若采用三臂凿岩台车相对传统钻机施工超前管棚单个循环可节约2h。
为增加掌子面稳定性，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，喷射混凝土表面密实、平整，无裂缝、脱落、漏喷、空鼓和渗漏水。
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，纵向搭接不小于2m，按间距1.5×1.5m梅花型布置。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。注浆采用超前高压注浆，浆液为单液水泥浆，水灰比1:1，注浆压力3～5Mpa。
高压注浆采用三川德清3SNS-A的高压注浆机进行作业，注浆压力最高可达到10MPa，通过超前管棚、纤维锚杆及径向预应力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。
注浆材料采用水泥浆液，水灰比1:1，压力3～5MPa，作业时采用喷射混凝土作止浆墙，孔口采用锚固剂封堵，注浆方式采用隔孔注浆，由下向上交错进行，注浆压力达到5MPa，稳定10min后结束注浆。注浆过程中随时关注压力变化，注浆压力长时间无升高现象，采用间歇注浆，若压力突然升高，可能发生堵管，立即停机检查防止爆管伤人。
荣家湾隧道进口工区开挖选用铁建重工ZYS113型全电脑凿岩台车，此机械具有以下性能优点：由于凿岩机功率加大，提高了台车对掌子面地质变化围岩的钻孔控制能力，实现快速掘进的要求。台车自带全自动高效智能化钻孔，可实现全电脑作业模式。有MWD超前地质勘探和地质分析功能，通过软件分析复原地质情况，形成地质预报。安装有自动轮廓扫描仪，可通过软件得出超欠挖数据。安装有RRA远程通讯数据传输，可通过远程终端实时监控隧道内台车作业情况。噪音小且不需要钻孔辅助平台，可实现全电脑钻眼定位，大大提高钻孔精度，改善***效果。
钻爆施工过程可以分为***设计与现场施做，三臂凿岩台车施工的钻爆过程与传统的人工钻爆相比，从***设计到现场施钻实现了智能的三维一体化，利用配套的***设计软件可以实现三维化的***设计。
铁建重工全电脑三臂凿岩台车***设计方法为：线路线形导入→添加断面轮廓→断面轮廓载入→炮孔布置→分臂钻孔顺序布置→分臂钻孔顺序模拟。
线路线形导入：提前将导线坐标，导入三臂凿岩台车电脑，电脑可以自动精准定位，这是三臂凿岩台车自动化施钻的前提条件。添加断面轮廓：输入设计断面参数，通过三臂凿岩台车自动定位确定开挖断面轮廓来确定掌子面开挖范围。炮孔布置：根据围岩特性进行***设计，将炮孔布置、深度和角度等相关参数载入到软件，可精确布置设计炮孔位置、精准控制炮眼深度及角度。分臂打孔顺序布置及模拟：三臂凿岩台车有三个机械作业臂，需要避免臂与臂之间出现相互干扰和碰撞，这也就需要对三个作业臂施钻位置和顺序进行设计，避免作业臂之间碰撞或者作业距离过近造成相关干扰。同时在现场施做前可通过软件进行模拟施钻过程，检查臂与臂之间是否存在碰撞或者距离过近现象。
三臂凿岩台车现场施钻前需进行控制点对位，施钻时导入***设计，即可实现全电脑控制的自动找孔位和自动钻眼。通过***效果检查，不断优化***参数，达到最佳***效果。
WMD地质云图是三臂凿岩台车自带的地质分析***软件，该***软件通过采集施钻过程中钻孔的速度、扭矩、压力等参数，对前方围岩软硬进行分析，形成云状地质图，通过云状地质图的颜色区分，判定前方围岩的软硬程度及基本地质情况。
地质云图可以有效的对掌子面前方围岩进行一个直观的分析，从而有利于判断掌子面前方岩溶发育情况。
多功能拱架安装台车适用于大断面拱架安装，极大的提升了拱架安装效率，降低劳动强度，安全、质量得到保障。
劳动力配置：共需配置10人，较人工立架节约4人，减少作业工人数量；
安装效率：全断面拱架安装由人工1.5小时/榀可降低至1小时/榀，提高工作效率；
劳动强度：全断面钢拱架由原人工施工时的7个单元节可调整为5个单元节，安装全过程实现机械作业，降低作业工人劳动强度。
多功能拱架安装台车将型钢在掌子面地面进行分部预拼装，并检查型钢长度、弧度、连接是否符合要求，操作简单，减轻劳动力，再通过遥控台车操作臂将型钢安装到设计指定位置，单个操作臂有单独的操作平台可由现场工人灵活操作，拱架拼装着重控制型钢竖向垂直、横向平行于隧道法线，并保证型钢立架质量。
隧道拱部采用涨壳式预应力锚杆施工，预应力锚杆杆体外径Φ25mm。
钻孔，初喷完成后使用锚杆钻机对初喷面进行径向钻孔，采用φ45mm钻头，钻孔直径为50mm，钻孔时间1.5min～3min/孔。钻孔结束后检测孔径、孔深、孔距是否符合设计要求。
清孔，钻孔完成后前先使用电筒检查孔内是否坍孔，如有坍孔则使用直径20mm半圆小钢管或高压风对孔内进行清掏。荣家湾隧道进口主要为灰岩及岩溶填充物，遇到有填充物地段时钻孔完成后需利用钻杆多次洗孔，以减少塌孔造成的堵塞。
锚杆安装，锚杆安装前需对涨壳头先将塑料波纹套管旋入注浆囊小端(内螺纹)，再将锚杆体穿入塑料波纹套管直至从注浆囊穿出约10cm，然后在波纹套管端的锚杆体上旋入钢质涨壳锚杆件，并使用塑料扎带进行绑扎固定，以防止涨壳头在推送过程中涨壳提前涨开造成推送困难。
预应力张拉，锚杆安装前先将锚杆孔周边进行粗整平处理，或用水泥浆找平，确保垫板安装与岩面或初支面基本密贴，减少漏浆，锚杆推送安装完成后，使用BOOXT波世特BX-4300(最大扭矩1500NM，风压0.52MPa)风炮扳手对锚杆尾部螺栓进行紧固，紧固压力约为42KN。
注浆，采用耿立双液注浆泵注浆，浆液釆用水泥净浆，配合比：0.3～0.4，注浆压力:0.2～0.25Mpa；为避免因垫板与围岩或初支面不密贴造成漏浆，注浆前可用棉纱或锚固剂对孔口进行封堵；注浆时先用较小的压力送浆，将孔内空气慢慢排出，逐步加大压力注浆直至孔口返浆，稳定一段时间后孔口持续返浆时停止；注浆时应先用清水将注浆泵润湿，并将清水泵出，注浆管尽量避免出现接头，同时保证连续施工，避免注浆机具堵塞。
减小施工人员安全风险。隧道加强型机械化配套施工，特别是岩溶隧道软弱围岩，存在各种岩溶突发风险，采用大机配套施工能减少掌子面作业人数，降低安全风险能保证隧道施工安全。
保证软岩隧道的施工质量。采用加强型机械化配套软岩大断面开挖，较传统分部台阶法开挖，减少了隧道开挖的扰动次数，隧道开挖后初支快速封闭成环且能整体受力，确保了初期支护的施工质量。
施工工序较传统台阶法简单。
缩短施工工期。机械化配套软岩大断面施工，通过超前预加固，能提高掌子面前方围岩强度，强化围岩应力拱形成，实现大型机械岩溶隧道全断面快速施工的目标。
郑万高铁湖北段10标荣家湾隧道进口工区岩溶强烈发育，采用加强型机械化配套软岩大断面施工，共配备了三臂凿岩台车、拱架安装台车、混凝土湿喷机组、高压注浆机、锚杆钻机、自行式仰拱栈桥、多功能防水板台车、移动式养生台架、整体移动式沟槽模板等机械配套，通过精心组织，合理安排，月进尺由传统工法70m/月提高到105m/月，极大缩短了施工工期，同时减少了掌子面施工人员数量，确保施工安全，经监理、业主、地方质检站的联合检查，隧道施工质量满足验标要求。
采用加强型机械化配套岩溶隧道施工方法，没有发生过一起安全事故和质量事故，保证了施工安全和质量。
与传统施工工法相比，提高了机械化程度，可以节约人力，提高施工效率，加快施工进度，缩短工期，降低施工成本。取得了良好的经济效益，以荣家湾隧道进口工区为例：
人工工资节约：荣家湾隧道进口施工工期46个月，掌子面开挖班、立架班、喷浆班等采用加强型机械配套施工仅需18人，而传统开挖需50人，节约32人，工资约5000元/人/月，共节约：46*32*5000＝7360000元；
缩短工期，固定摊销及其他管理费节约：采用加强型机械开挖目前月进尺可达105m/月，而传统工法月进尺仅70/月，循环时间由26h缩短至18h，每月可多开挖12个循环，增加进尺35m以上，共增加经济效益560万元；
荣家湾隧道进口采用加强型机械化配套软岩大断面施工工法取得经济效益合计：736+560＝1296万元。
本工法重点为实现软弱围岩大断面施工，通过加强型机械进行超前预加固和径向注浆加固，提高软弱围岩等级，强化围岩应力拱形成，能提高隧道施工安全性，保证隧道施工实体质量，加快隧道施工速度，是中国未来隧道施工的趋势，带来的社会效益极大。
岩溶发育长大隧道快速施工通过三臂凿岩台车、锚杆钻安注一体机等加强型机械进行超前预加固和径向注浆加固，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。
高压注浆技术：高压注浆采用三川德清3SNS-A的高压注浆机进行作业，注浆压力最高可达到10MPa，通过超前管棚、纤维锚杆及径向预应力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。
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 (5)
1.一种岩溶发育长大隧道快速施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1对隧道进行超前地质勘探，探测前方围岩情况，对掌子面前方围岩超前预加固；
S2使用凿岩台车对掌子面地质变化围岩掘进钻孔，采集施钻过程中钻孔的速度、扭矩、压力参数，对前方围岩软硬进行分析，形成云状地质图，判定前方围岩的软硬程度及基本地质情况；
S3根据围岩情况，进行钻爆施工；
S4采用多功能拱架安装台车将型钢在掌子面地面进行分部预拼装，并检查型钢长度、弧度、连接是否符合要求，通过遥控台车操作臂将型钢安装到设计指定位置，拱架拼装着重控制型钢竖向垂直、横向平行于隧道法线，并保证型钢立架质量；
S5对隧道拱部采用涨壳式预应力锚杆进行施工，初喷完成后使用锚杆钻机对初喷面进行径向钻孔，采用φ45mm钻头，钻孔直径为50mm，钻孔时间1.5min～3min/孔；钻孔完成后前先使用电筒检查孔内是否坍孔，如有坍孔则使用直径20mm半圆小钢管或高压风对孔内进行清掏；锚杆安装前，对涨壳头先将塑料波纹套管旋入注浆囊小端，再将锚杆体穿入塑料波纹套管直至从注浆囊穿出10cm，然后在波纹套管端的锚杆体上旋入钢质涨壳锚杆件，并使用塑料扎带进行绑扎固定；锚杆安装前先将锚杆孔周边进行粗整平处理，或用水泥浆找平，确保垫板安装与岩面或初支面基本密贴，锚杆推送安装完成后，对锚杆尾部螺栓进行紧固；采用耿立双液注浆泵注浆，浆液釆用水泥净浆，配合比：0.3～0.4，注浆压力:0.2～0.25Mpa；注浆前用棉纱或锚固剂对孔口进行封堵；注浆时先用较小的压力送浆，将孔内空气慢慢排出，逐步加大压力注浆直至孔口返浆，稳定一段时间后孔口持续返浆时停止；注浆时先用清水将注浆泵润湿，并将清水泵出。
2.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于：在步骤S1中，对掌子面超前预加固具体包括：对掌子面采用C30喷射混凝土喷浆封闭，采用三臂凿岩台车对超前管棚进行施工，超前管棚采用2榀钢架打孔进行定位；采用纤维锚杆对掌子面进行加固，纤维锚杆采用三臂凿岩台车引孔，布设角度和隧道轴线方向一致；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。
3.根据权利要求2所述的施工方法，其特征在于：所述管棚均采用壁厚6mm热轧无缝钢花管加工，根据不同围岩情况分别采用外径60-108mm导管，环向间距设置根据地层性质为30cm～50cm，节间采用外丝扣连接，施工时根据实际情况调整外插角，范围在1°～5°。
4.根据权利要求2所述的施工方法，其特征在于：所述注浆材料采用水泥浆液，水灰比1:1，压力3～5MPa，作业时采用喷射混凝土作止浆墙，孔口采用锚固剂封堵，注浆方式采用隔孔注浆，由下向上交错进行，注浆压力达到5MPa，稳定10min后结束注浆。
5.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于，在步骤S3中，根据线路线形，以及围岩断面轮廓和软硬程度，进行***设计，布置炮孔位置、控制炮眼深度及角度。
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