CN114483054A - 上软下硬地层导洞非爆开挖施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种上软下硬地层导洞非爆开挖施工方法，以解决导洞非爆开挖施工技术中存在的开挖进度慢、超欠挖控制难度大的技术问题；本发明包括以下步骤：S1，超前地质勘探；S2，超前支护；S3，土层开挖支护；S4，超欠挖控制孔；S5，岩层开挖支护；S6，仰拱封闭；本发明充分利用多种成熟种设备组合施工，各工序可紧密衔接，提高了施工效率，缩短了工期，减少了隧道超挖，降低了施工成本，解决了上软下硬复合地层施工风险高、进度慢、总体施工难度大的问题，同时有效的控制了上部软弱地层沉降变形。

Description

上软下硬地层导洞非爆开挖施工方法

技术领域

本发明涉及隧道工程技术领域，具体涉及一种上软下硬地层导洞非爆开挖施工方法。

背景技术

随着城市现代化进程的发展，公共交通仅仅依靠地面空间已经无法满足人们的出行需求，修建地下铁道是城市发展的必然结果，更是缓解交通拥堵，鼓励公交出行的必要措施；地铁线路多存在着浅埋下穿中心城区主干道和建筑物的情况，这些地段隧道施工采用较多的仍是钻爆法施工。为保证地表居民、构筑物和建筑物安全，钻爆法施工必须采用***震动控制技术。但即便是很先进的***震动控制技术，也只能是最大限度地降低***震动，且***震动振速控制波动性较大，易对居民造成影响。在地表建筑物林立的城市环境下进行浅埋隧道掘进施工时，对于下穿地表抗震等级低的构筑物困难地段，或者不允许产生***震动的地段，非***开挖往往成为一种不得不选用的手段。

非***岩石开挖的手段有无声破碎剂开挖方法、铣挖机铣挖法、劈裂机劈裂法、盾构法、掘进机(TBM)法、自由断面掘进机法、取芯成孔法等。这些施工方法，要么需要临空面，工效低，要么设备投入太大，对于短距离的困难地段来说是不经济的，单一的施工方法很难解决复合地层隧道开挖问题，尤其是上软下硬不规则地层，存在着开挖进度慢、超欠挖控制难度大等问题。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种上软下硬地层导洞非爆开挖施工方法，以解决非爆开挖施工技术中存在的开挖进度慢、超欠挖控制难度大的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

设计一种上软下硬地层导洞非爆开挖施工方法，包括以下步骤：

S1,在开挖前对掘进范围内的不良地质段进行勘测，确定上软下硬地层的具***置区域；

S2，开挖至临近上软下硬区域时，对导洞拱部施做管棚支护，防止施工时拱顶出现掉块；

S3，以岩土层界面为基准面，利用小型挖机对上台阶土层部分进行开挖，在开挖完成后安装上台阶异形拱架，然后施做锁脚锚杆、挂设钢筋网片，并喷射混凝土浆；

S4，在掌子面周边采用浅孔钻机增设控制孔，根据循环进尺，模拟计算钻孔角度，沿开挖轮廓线长短交错布置；

S5，下台阶岩层部分采用悬臂掘进机掘进开挖；

S6，在掌子面开挖一段距离后开始利用悬臂掘进机开挖仰拱；

S7，重复上述S3～S6开挖下一循环。

优选的，所述管棚支护采用加密大管棚，管棚间距为15～20cm，直径为Φ108mm。

优选的，所述管棚的断面采用拱部外扩的方式，将拱部开挖轮廓线整体向上外扩80～100cm，边墙轮廓线不变。

优选的，在所述步骤S3中，开挖进尺控制在0.5～1m之间，上台阶与下台阶布局控制在3m以内。

优选的，所述异形拱架安装包括以下步骤：

1）首先根据上台阶尺寸提前加工异形钢架，异形钢架分节时，拱脚短节钢架间隔10～15cm ；

2）异形钢架安装前，先测量待支护上台阶端面尺寸，以上台阶拱脚落在岩层为基准，选择拱脚短节钢架；

3）若存在少量欠挖，采用炮机凿除处理；若存在超挖，采用方木或型钢垫实。

优选的，在所述步骤S4中，所述控制孔的钻孔直径在70～80mm之间，控制孔净间距在20～30cm之间。

优选的，所述步骤S5包括：

1）悬臂掘进机就位后，从掌子面底部沿水平方向切割一条槽,并预留0.8～1m的开挖面；

2）悬臂掘进机的切割头采取自上而下、左右循环切削；

3）悬臂掘进机每循环进尺1～2榀，先支护两侧格栅钢架，仰拱滞后悬臂掘进机尾部3～5m；

4）悬臂掘进机的铲板部耙爪将切削的渣土装入运输车，并转运至竖井临时渣土坑，由桥吊吊运出洞。

与现有技术相比，本发明的主要有益技术效果在于：

本发明充分利用多种成熟种设备组合施工，各工序可紧密衔接，提高了施工效率，缩短了工期，减少了隧道超挖，降低了施工成本，解决了上软下硬复合地层施工风险高、进度慢、总体施工难度大的问题，同时有效的控制了上部软弱地层沉降变形。

附图说明

图1为本发明具体实施过程中导洞纵向剖面图。

图2为本发明具体实施过程中导洞平面图。

图3为本发明导洞断面结构示意图。

图4为本发明管棚工作室断面结构示意图。

图5为本发明格栅钢架断面结构示意图。

图6为本发明格栅钢架大样结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。

实施例1：一种上软下硬地层导洞非爆开挖施工方法，参见图1至图6，包括以下步骤：

S1，施工准备：

1）配套设施准备：

掘进机采用1140V高压，准备高压1140V箱变及准备相应长度电缆（从箱变至掘进工作处）、风、水管、配套挖掘机及运输车出渣，该准备工作为横通道掘进机施工的前提。

2）超前物探配合：

采用地质超前预报技术，减少或避免施工中可能遇到的诸如塌方、涌水、流砂、涌土等地质灾害；采用超前水平钻等超前预报措施将前方上软下硬岩层地质探明，已保证设备及人员的安全作业。

3）设备选型：

详勘报告揭示出的岩石饱和抗压强度Rc最高超过70MPa，根据地层情况选用型号XTR4/230的掘进机进行施工，可一次完成暗挖断面开挖（不含仰拱部分），也可根据岩土分界情况，分台阶掘进开挖。

S2，人员配置：

为保证隧道24小时不间断施工，掘进工班实行两班制，每台班隧道掘进机配套施工人员每班8小时轮流上班，具体人员、机械配置如下：人员配置每班18人，其中包括掘进机操作主副手2人，配合2人，掌子面观察1人，清理渣土3人，电缆转运2人，维修工人1人，电工1人，焊工1人，挖掘机操作手2人，渣土车司机2人，协调指挥1人；机械配置5台，其中掘进机1台，挖掘机1台，渣土运输车2辆。

S3，超前支护：

首先，在导洞拱部施作φ108超前大管棚1，根据上软下硬地层的特点，为防止导洞开挖施工时拱顶出现掉块，导洞的超前支护采用加密的超前大管棚1，超前大管棚1间距为15～20cm，直径108mm；另外，还对管棚工作室断面8进行了优化，由传统的“拱墙外扩”改为“拱部外扩”方式，将拱部开挖轮廓线9整体向上外扩80～100cm，边墙轮廓线则不变，既能有效控制超前大管棚1施作精度和施工质量，又降低了管棚室外扩施工风险；针对富水砂层或其他复杂地层，应在每根导向管孔口设置法兰作为应急封堵措施，能够保证在钻孔过程中出现涌水涌沙时能够第一时间封堵，降低施工作业风险，为暗挖隧道开挖提供条件。

S4，开挖及支护：

由于小导洞位于上软下硬地层，且岩面起伏很大，导洞两侧拱脚的岩面高度相差也非常大，无法采用传统的台阶法施工。根据现场实际情况，以岩土分界面10为基准，将传统的“台阶法”优化为“异形台阶”，上台阶为土层2，下台阶为岩层3；以“分台阶快速封闭”为基本原则，快速完成初支结构6封闭，减少上台阶土层2裸露时间，降低隧道开挖施工风险；导洞开挖按照“土层2开挖支护→超欠挖控制孔4→岩层3开挖支护”的顺序实施：

1）土层2开挖支护：利用小型挖机开挖上台阶土层2部分，开挖进尺控制在0.5～1.0m，上下台阶布局控制在3m以内，保证挖机正常操作空间。开挖完成后，安装上台阶异形拱架，选择合适的拱架，快速完成安装，然后施作锁脚锚杆12、挂设钢筋网片，喷射混凝土快速封闭；根据异性台阶尺寸，提前加工异形钢架，异形钢架分节时，拱脚短节格栅钢架11需考虑加工不同尺寸，以10～15cm间隔为宜；现场格栅钢架14安装前，技术人员首先测量待支护上台阶断面尺寸，以异形上台阶拱脚落在岩层3为原则，选择适合的短节格栅钢架11，若存在少量欠挖，采用炮机凿除处理；若存在超挖，则采用方木或型钢垫实；下台阶钢架根据上台阶拱架选型来匹配，通过搭积木形式实现初支钢架精准闭环。另外，在均匀变形的围岩可以采用可伸缩消能拱架。为有效控制软弱地层初支结构6沉降，隧道锁脚锚管是用于稳固初期支护中的钢架，以防止拱脚收缩和掉拱。锁脚锚杆12与钢架之间的连接采取场内预焊锁脚定位套管13法，既能保证焊接的质量又能确保锁脚锚杆12的角度。解决了传统的连接筋方式特别容易脱焊，而造成锁脚锚杆12失效、下沉较大。另外，在特殊围岩段锁脚锚杆12的直径和长度，中下台阶具备机械施作大直径锁脚锚杆12的条件，可将锁脚锚杆12长度深入下台阶范围，锁脚锚杆12体采用大直径钢管（直径不小于70mm）并注浆填充。在软弱围岩段高提高初期支护的早强、高强性，可按照12h强度指标控制，施工过程中尤其要注意拱脚部位的强度。针对拱脚以上1m范围内特别容易变形造成拱脚部位变形，钢架的连接部位可根据开挖高度确定并进行错缝，尤其是拱顶部位。若大变形段仰拱的接头钢架变形难以栓接，可以采用帮焊筋加强。

2）岩层3周边钻孔：为有效的控制超欠挖，在掌子面周边增设了两排超欠挖控制孔4，根据循环进尺，模拟计算钻孔角度，钻孔直径70～80mm，净间距20～30cm，沿开挖轮廓线9长短孔交错布置，采用履带式潜孔钻机施作，操作司机以周边超欠挖控制孔4为参照，有效的控制了掘进开挖超欠挖，减少了清欠工作量，降低了施工成本。

3）岩层3开挖支护：上台阶土层2初期支护完成后，下台阶岩层3部分采用悬臂掘进机掘进开挖。悬臂掘进机就位后，开始从掌子面底部水平割出一条槽，向前移动掘进机再一次就位，就位后切割头采取自上而下，左右循环切削。利用切割部在隧道掌子面进行切削掘进，在切削同时铲板部耙爪将切削下来的渣装入洞内运输车，由洞内运输车运输至竖井渣坑内，再用桥吊调转至地面临时渣土坑，挖掘机装入运渣车运至指定弃渣场。从底部开挖到拱部完成后，进行第二次修整到准确设计断面。当局部遇有硬岩时（≥60MPa），先掘进周边软岩，使大块硬岩坠落，以降低掘进难度及截齿消耗量。悬臂掘进机的切割方式是从扫底开始切割，再按S型或Z型左右循环向上的切割路线逐级切割以上部分。选用右旋截割头截割硬岩，先由右向左从扫底开始截割，再按从左至右、自下往上的方式或从右往左、自上而下逐步进行切割。如遇节理发育较高岩石，则应选择岩石节理方向逐步切割；掘进完成后则后退至不影响后续施工的位置等待下一循环掘进工序。仰拱部分与边墙一次开成型，整个隧道开挖时实现全机械开挖，不仅对围岩扰动小，也避免对周围建筑物的影响。悬臂掘进机每循环进尺1～2榀，先支护两侧格栅钢架14，仰拱滞后悬臂掘进机尾部3～5m。若掌子面围岩不稳定，开挖工法调整为左右错开施工，错开距离5～8m。由于悬臂掘进机切割头较长，每次掘进时掌子面需预留0.8～1.0m的开挖面，以免下次开挖破坏已施做的初支，导致掌子面位置凌空面过大。

悬臂式掘进机在隧道施工中为围岩扰动小，适应能力强，为有效的控制超欠挖，在掌子面周边增设了两排控制孔，根据循环进尺，模拟计算钻孔角度，提高开挖质量，洞室开挖断面圆顺度高，便于喷砼支护，缩短工期，安全有保障。

S5，仰拱封闭：

仰拱部分与边墙分开开挖，同样采用悬臂掘进机开挖成型，不仅对围岩扰动小，也避免对周围建筑物的影响。根据悬臂掘进机所需的操作空间（距离），在掌子面开挖完成一段距离后开始开挖仰拱，每五米施作一段，仰拱滞后悬臂掘进机尾部3～5m，以保证悬臂掘进操作距离。然后安装格栅钢架14，网喷混凝土封闭，为满足悬臂掘进机行走要求，在仰拱初支砼基础上增加20cm厚的混凝土路面，采用早强混凝土；最后，在新浇混凝土路面上铺设2cm厚钢板，以避免掘进机行走或作业时压坏路面。

由于悬臂掘进机切割头较长，受作业空间限制，已完成支护结构边墙钢架极易被掘进机撞坏；为避免初支结构6破坏，确保结构安全稳定，在悬臂机掘进时掌子面预留0.8～1.0m的掘进操作空间，并专门设计一种初支结构6保护装置，即L型钢架防护板5。防护板采用2cm厚钢板焊接而成，防护板成L型，底部安装行走滑轮，方便定位安装，L型钢架防护板5上设置有预留孔，通过锚固孔，打设锚固钢筋进行固定，此种方法避免了悬臂机掘进作业时对初支结构6的破坏。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明构思的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，或者是对相关部件、结构及材料进行等同替代，从而形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。

Claims (7)

1.一种上软下硬地层导洞非爆开挖施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1,在开挖前对掘进范围内的不良地质段进行勘测，确定上软下硬地层的具***置区域；

S2，开挖至临近上软下硬区域时，对导洞拱部施做管棚支护，防止施工时拱顶出现掉块；

S3，以岩土层界面为基准面，利用小型挖机对上台阶土层部分进行开挖，在开挖完成后安装上台阶异形拱架，然后施做锁脚锚杆、挂设钢筋网片，并喷射混凝土浆；

S4，在掌子面周边采用浅孔钻机增设控制孔，根据循环进尺，模拟计算钻孔角度，沿开挖轮廓线长短交错布置；

S5，下台阶岩层部分采用悬臂掘进机掘进开挖；

S6，在掌子面开挖一段距离后开始利用悬臂掘进机开挖仰拱；

S7，重复上述S3～S6开挖下一循环。

2.根据权利要求1所述上软下硬地层导洞非爆开挖施工方法，其特征在于， 所述管棚支护采用加密大管棚，管棚间距为15～20cm，直径为Φ108mm。

3.根据权利要求2所述上软下硬地层导洞非爆开挖施工方法，其特征在于，所述管棚的断面采用拱部外扩的方式，将拱部开挖轮廓线整体向上外扩80～100cm，边墙轮廓线不变。

4.根据权利要求1所述上软下硬地层导洞非爆开挖施工方法，其特征在于，在所述步骤S3中，开挖进尺控制在0.5～1m之间，上台阶与下台阶布局控制在3m以内。

5.根据权利要求4所述上软下硬地层导洞非爆开挖施工方法，其特征在于，所述异形拱架安装包括以下步骤：

1）首先根据上台阶尺寸提前加工异形钢架，异形钢架分节时，拱脚短节钢架间隔10～15cm ；

2）异形钢架安装前，先测量待支护上台阶端面尺寸，以上台阶拱脚落在岩层为基准，选择拱脚短节钢架；

3）若存在少量欠挖，采用炮机凿除处理；若存在超挖，采用方木或型钢垫实。

6.根据权利要求1所述上软下硬地层导洞非爆开挖施工方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述控制孔的钻孔直径在70～80mm之间，控制孔净间距在20～30cm之间。

7.根据权利要求1所述上软下硬地层导洞非爆开挖施工方法，其特征在于，所述步骤S5包括：

1）悬臂掘进机就位后，从掌子面底部沿水平方向切割一条槽,并预留0.8～1m的开挖面；

2）悬臂掘进机的切割头采取自上而下、左右循环切削；

3）悬臂掘进机每循环进尺1～2榀，先支护两侧格栅钢架，仰拱滞后悬臂掘进机尾部3～5m；

4）悬臂掘进机的铲板部耙爪将切削的渣土装入运输车，并转运至竖井临时渣土坑，由桥吊吊运出洞。

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