CN111997622B - 隧道ⅳ、ⅴ级软弱围岩全断面及微台阶机械化配套施工方法 - Google Patents

Abstract

隧道Ⅳ、Ⅴ级软弱围岩全断面及微台阶机械化配套施工方法涉及隧道施工领域。主要是为解决目前隧道施工时，采用全断面开挖和台阶法开挖施工效率低等问题而发明的。超前地质预报；超前支护采用中管棚施工，采用三臂凿岩台车定位及钻孔，Ⅴ级围岩或者地质较复杂地段采用跟管作业进行钻孔施工，采用注浆机进行管棚注浆。Ⅳ级围岩硬质岩地段，采用全断面法开挖；Ⅳ级围岩软质岩及Ⅴ级围岩地段，采用微台阶法开挖；利用拱架拼装机的夹持结构抓取拱架举升定位至设计位置，采用锚杆台车进行系统锚杆及锁脚锚管施工，利用湿喷机械手进行喷射砼施工，仰拱及仰拱填充采用移动式仰拱栈桥施工；二衬采用整体液压衬砌台车浇筑。优点是能提高施工速度。

Description

隧道Ⅳ、Ⅴ级软弱围岩全断面及微台阶机械化配套施工方法

技术领域：

本发明涉及隧道施工领域，具体是涉及一种隧道Ⅳ、Ⅴ级软弱围岩全断面及微台阶机械化配套施工方法。

背景技术：

目前隧道施工时，Ⅲ级围岩开挖工法为全断面开挖，Ⅳ级围岩及Ⅴ级围岩开挖工法为台阶法开挖，其不足之处在于施工效率低，施工周期长。初期支护拱架安装通过人力进行定位，安装偏差和速率难以保证，不可控因素较多。喷射砼利用小型湿喷机或者双喷头湿喷机进行施工，喷射角度及喷头距离都是人为进行控制，因作业环境的影响，往往存在很大的盲区，导致空洞现象层出不穷，隐患较大。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是提供一种施工效率高,节省人力的隧道Ⅳ、Ⅴ级软弱围岩全断面及微台阶机械化配套施工方法。

上述目的是这样实现的：

超前地质预报→超前支护→洞身开挖（三臂凿岩台车钻孔、爆破、出碴）→初期支护→仰拱及仰拱填充施工→铺设防水板及钢筋绑扎安装→浇筑二衬砼。

1，超前地质预报；

超前地质预报方案采用现场地质素描、地质雷达、加长炮孔、超前水平钻、TSP地质超前地质预报等预报方式，对掌子面前方围岩情况进行综合分析，更有效的判断前方地质情况，对掌子面稳定性做出稳定性分类，为现场施工提供准确的依据。

2，超前支护；

超前支护采用Φ60㎜、Φ76㎜、Φ89㎜、Φ108㎜中管棚施工，采用三臂凿岩台车定位及钻孔，Ⅴ级围岩或者地质较复杂地段采用跟管作业进行钻孔施工，采用注浆机进行管棚注浆。

Ⅳ级围岩地段：

硬质岩地段采用全断面法开挖，采用Φ60㎜中管棚长度不小于20m；软质岩地段采用微台阶法开挖，采用Φ60㎜、Φ76㎜中管棚长度不小于20m；顺层偏压变形地段采用微台阶法开挖，采用Φ76㎜、Φ89㎜中管棚长度不小于20m；岩溶强烈发育灰岩地段采用微台阶法开挖，采用Φ89中管棚长度不小于20m。

Ⅴ级围岩地段：

硬质岩地段采用微台阶法开挖，采用Φ76㎜中管棚长度不小于20m；软质岩地段采用微台阶法开挖，采用Φ89㎜中管棚长度不小于20m；顺层偏压变形地段采用微台阶法开挖，采用Φ89㎜中管棚长度不小于20m；构造破碎带采用微台阶法开挖，采用Φ108㎜中管棚长度不小于20m；岩溶强烈发育灰岩地段采用微台阶法开挖，采用Φ89㎜中管棚长度不小于20m。

3，洞身开挖：

Ⅳ级围岩硬质岩地段，采用全断面法（含仰拱）开挖；

采用三臂凿岩台车钻孔，非电毫秒雷管起爆，全断面一次成型。锚喷初期支护。出碴采用装载机或挖掘机装渣，采用带废气净化装置的自卸汽车运渣。全断面液压衬砌钢模台车衬砌。

全断面法（含仰拱）开挖施工工序；

(1)开挖上台阶；施作上台阶周边的初期支护，即初喷混凝土，架设拱墙钢架（有钢架时），铺设钢筋网，复喷混凝土至设计厚度，钻设径向锚杆。

(2)在滞后于上台阶一段距离后，洞碴回填下台阶作为施工平台。

(3)在滞后于下台阶一端距离后，清除下台阶回填。

(4)灌筑仰拱与边墙基础。

(5)待仰拱砼初凝后灌筑仰拱填充至设计高度。

(6)清理好初期支护基面，初期支护与二次衬砌之间拱墙铺设塑料防水板加土工布。二次衬砌背后设环、纵向透水盲沟。根据监控量测结果分析，待围岩和初期支护变形基本稳定后利用衬砌模板台车一次性灌筑衬砌（拱墙衬砌一次施作），并于拱顶预埋PVC注浆管及纵向排气管。

(7)待混凝土达到设计强度后，进行充填注浆。

Ⅳ级围岩软质岩及Ⅴ级围岩地段，采用微台阶法开挖；

采用三臂凿岩台车钻孔，非电毫秒雷管起爆，上、下断面一次开挖成型，后施作仰拱。锚喷初期支护。出碴采用装载机或挖掘机装渣，采用带废气净化装置的自卸汽车运渣。全断面液压衬砌钢模台车衬砌。

微台阶法开挖施工工序：

(1)开挖上台阶；施作上台阶台阶周边的初期支护，即初喷4cm厚混凝土，架设钢架，铺设钢筋网，复喷混凝土至设计厚度，钻设径向锚杆。

(2)开挖下台阶；边墙初喷4cm厚混凝土，架设钢架，铺设钢筋网，复喷混凝土至设计厚度，钻设径向锚杆。

(3)在滞后于下台阶一段距离后，开挖仰拱。

(4)灌筑仰拱与边墙基础。

(5)待仰拱砼初凝后灌筑仰拱填充至设计高度。

(6)清理好初期支护基面，初期支护与二次衬砌之间拱墙铺设EVA防水板加土工布。二次衬砌背后设环、纵向透水盲沟。根据监控量测结果分析，待围岩和初期支护变形基本稳定后利用衬砌模板台车一次性灌筑Ⅵ部衬砌（拱墙衬砌一次施作），并于拱顶预埋PVC注浆管及纵向排气管。

(7)待混凝土达到设计强度后，进行充填注浆。

Ⅳ、Ⅴ级地段采用微台阶法施工时，每循环开挖支护进尺Ⅴ级不宜大于1榀钢架，Ⅳ级不宜大于2榀钢架，仰拱开挖前必须完成钢架锁脚。试验过程中，根据围岩监控量测结果进行调整，如围岩稳定，在安全范围内，则可适当加大开挖进尺。

各台阶钢架接头处应设置锁脚锚管，每处两根，锁脚采用Φ42钢花管；Ⅳ级围岩段每根长4.5m，Ⅴ级围岩段长6m。

爆破：传统工艺采用风钻进行施工，钻孔深度、数量及角度多数凭借个人经验而估，不确定因素加大，超挖现象屡禁不止，三臂凿岩台车实现自动化作业，通过断面参数的设定，实现钻孔数量、角度、深度等参数自动控制，有效控制开挖面轮廓和超欠挖，每个工作臂2分钟内自动完成5m深钻孔作业，装药利用作业平台装药，实现装药过程自动化。

出碴：采用传统的装载机装渣，自卸汽车直接停至掌子面进行出碴，在仰拱与掌子面之间错车。

4、初期支护：

拱架安装：利用拱架拼装机的夹持结构抓取拱架，举升定位至设计位置，灵活调整钢拱架的角度，通过操作平台将工人举升至一定高度进行螺栓连接及焊接作业等功能，实现拱架快速安装。

锚杆及锁脚施工：采用锚杆台车进行系统锚杆及锁脚锚管（杆）施工，实现钻孔、垫板安装及注浆等功能，达到一体化施工。

喷射砼施工：利用湿喷机械手进行喷射砼施工，喷射角度及压力都是人工通过电脑自动控制，所耗用的人工减少，喷射效率得到极大提高、回弹率得到有效控制，确保喷射混凝土密实，减少粉尘危害。

拱架安装前对周边围岩及掌子面进行初喷封闭，拱架安装完成后进行复喷。

5、仰拱及仰拱填充施工

采用35m移动式仰拱栈桥施工，有效施工长度24m，每循环浇筑长度12m，及时浇筑仰拱砼，保持仰拱砼浇筑滞后仰拱初支不超过1环(12m)。

首先，将仰拱的洞碴及杂物清理干净；然后安装仰拱钢筋，主筋为HRB400Φ20㎜钢筋，间距20cm；安装仰拱腹模和止水带，经隐蔽工程验收合格后浇筑仰拱砼，砼浇筑过程中，应加强振捣；待仰拱达到拆模条件后，拆除仰拱覆模，浇筑仰拱填充砼。

6、二衬施工；

二衬采用12m整体液压衬砌台车浇筑，防水板超前二衬钢筋1环（12m）,二衬钢筋超前二衬砼1环（12m）；保证防水板挂设、钢筋安装、二衬浇筑同步推进；二衬钢筋提前在钢结构加工厂预弯后运到现场安装，钢筋连接采用绑扎；二衬砼浇筑施工中要加强混凝土振捣，严控砼浇筑质量；砼浇筑完毕后，及时进行洒水养护，养护时间不得低于14d。

本发明的优点是：相邻工序可平行作业，提高施工速度；机械化施工可节省人力，并提高作业精度，保障工程质量。

具体实施方式：

1，超前地质预报；

超前地质预报方案采用现场地质素描、地质雷达、加长炮孔、超前水平钻、TSP地质超前地质预报等预报方式，对掌子面前方围岩情况进行综合分析，更有效的判断前方地质情况，对掌子面稳定性做出稳定性分类，为现场施工提供准确的依据。

2，超前支护；

超前支护采用Φ60㎜、Φ76㎜、Φ89㎜、Φ108㎜中管棚施工，采用三臂凿岩台车定位及钻孔，Ⅴ级围岩或者地质较复杂地段采用跟管作业进行钻孔施工，采用注浆机进行管棚注浆。

Ⅳ级围岩地段：

硬质岩地段采用全断面法开挖，采用Φ60㎜中管棚长度不小于20m；软质岩地段采用微台阶法开挖，采用Φ60㎜、Φ76㎜中管棚长度不小于20m；顺层偏压变形地段采用微台阶法开挖，采用Φ76㎜、Φ89㎜中管棚长度不小于20m；岩溶强烈发育灰岩地段采用微台阶法开挖，采用Φ89中管棚长度不小于20m。

Ⅴ级围岩地段：

硬质岩地段采用微台阶法开挖，采用Φ76㎜中管棚长度不小于20m；软质岩地段采用微台阶法开挖，采用Φ89㎜中管棚长度不小于20m；顺层偏压变形地段采用微台阶法开挖，采用Φ89㎜中管棚长度不小于20m；构造破碎带采用微台阶法开挖，采用Φ108㎜中管棚长度不小于20m；岩溶强烈发育灰岩地段采用微台阶法开挖，采用Φ89㎜中管棚长度不小于20m。

3，洞身开挖：

Ⅳ级围岩硬质岩地段，采用全断面法（含仰拱）开挖；

采用三臂凿岩台车钻孔，非电毫秒雷管起爆，全断面一次成型。锚喷初期支护。出碴采用装载机或挖掘机装渣，采用带废气净化装置的自卸汽车运渣。全断面液压衬砌钢模台车衬砌。

全断面法（含仰拱）开挖施工工序；

(1)开挖上台阶；施作上台阶周边的初期支护，即初喷混凝土，架设拱墙钢架（有钢架时），铺设钢筋网，复喷混凝土至设计厚度，钻设径向锚杆。

(2)在滞后于上台阶一段距离后，洞碴回填下台阶作为施工平台。

(3)在滞后于下台阶一端距离后，清除下台阶回填。

(4)灌筑仰拱与边墙基础。

(5)待仰拱砼初凝后灌筑仰拱填充至设计高度。

(6)清理好初期支护基面，初期支护与二次衬砌之间拱墙铺设塑料防水板加土工布。二次衬砌背后设环、纵向透水盲沟。根据监控量测结果分析，待围岩和初期支护变形基本稳定后利用衬砌模板台车一次性灌筑衬砌（拱墙衬砌一次施作），并于拱顶预埋PVC注浆管及纵向排气管。

(7)待混凝土达到设计强度后，进行充填注浆。

Ⅳ级围岩软质岩及Ⅴ级围岩地段，采用微台阶法开挖；

采用三臂凿岩台车钻孔，非电毫秒雷管起爆，上、下断面一次开挖成型，后施作仰拱。锚喷初期支护。出碴采用装载机或挖掘机装渣，采用带废气净化装置的自卸汽车运渣。全断面液压衬砌钢模台车衬砌。

微台阶法开挖施工工序：

(1)开挖上台阶；施作上台阶台阶周边的初期支护，即初喷4cm厚混凝土，架设钢架，铺设钢筋网，复喷混凝土至设计厚度，钻设径向锚杆。

(2)开挖下台阶；边墙初喷4cm厚混凝土，架设钢架，铺设钢筋网，复喷混凝土至设计厚度，钻设径向锚杆。

(3)在滞后于下台阶一段距离后，开挖仰拱。

(4)灌筑仰拱与边墙基础。

(5)待仰拱砼初凝后灌筑仰拱填充至设计高度。

(6)清理好初期支护基面，初期支护与二次衬砌之间拱墙铺设EVA防水板加土工布。二次衬砌背后设环、纵向透水盲沟。根据监控量测结果分析，待围岩和初期支护变形基本稳定后利用衬砌模板台车一次性灌筑Ⅵ部衬砌（拱墙衬砌一次施作），并于拱顶预埋PVC注浆管及纵向排气管。

(7)待混凝土达到设计强度后，进行充填注浆。

Ⅳ、Ⅴ级地段采用微台阶法施工时，每循环开挖支护进尺Ⅴ级不宜大于1榀钢架，Ⅳ级不宜大于2榀钢架，仰拱开挖前必须完成钢架锁脚。试验过程中，根据围岩监控量测结果进行调整，如围岩稳定，在安全范围内，则可适当加大开挖进尺。

各台阶钢架接头处应设置锁脚锚管，每处两根，锁脚采用Φ42钢花管；Ⅳ级围岩段每根长4.5m，Ⅴ级围岩段长6m。

爆破：传统工艺采用风钻进行施工，钻孔深度、数量及角度多数凭借个人经验而估，不确定因素加大，超挖现象屡禁不止，三臂凿岩台车实现自动化作业，通过断面参数的设定，实现钻孔数量、角度、深度等参数自动控制，有效控制开挖面轮廓和超欠挖，每个工作臂2分钟内自动完成5m深钻孔作业，装药利用作业平台装药，实现装药过程自动化。

出碴：采用传统的装载机装渣，自卸汽车直接停至掌子面进行出碴，在仰拱与掌子面之间错车。

4、初期支护：

拱架安装：利用拱架拼装机的夹持结构抓取拱架，举升定位至设计位置，灵活调整钢拱架的角度，通过操作平台将工人举升至一定高度进行螺栓连接及焊接作业等功能，实现拱架快速安装。

锚杆及锁脚施工：采用锚杆台车进行系统锚杆及锁脚锚管（杆）施工，实现钻孔、垫板安装及注浆等功能，达到一体化施工。

喷射砼施工：利用湿喷机械手进行喷射砼施工，喷射角度及压力都是人工通过电脑自动控制，所耗用的人工减少，喷射效率得到极大提高、回弹率得到有效控制，确保喷射混凝土密实，减少粉尘危害。

拱架安装前对周边围岩及掌子面进行初喷封闭，拱架安装完成后进行复喷。

5、仰拱及仰拱填充施工

采用35m移动式仰拱栈桥施工，有效施工长度24m，每循环浇筑长度12m，及时浇筑仰拱砼，保持仰拱砼浇筑滞后仰拱初支不超过1环(12m)。

首先，将仰拱的洞碴及杂物清理干净；然后安装仰拱钢筋，主筋为HRB400Φ20㎜钢筋，间距20cm；安装仰拱腹模和止水带，经验收合格后浇筑仰拱砼，砼浇筑过程中，应加强振捣；待仰拱达到拆模条件后，拆除仰拱覆模，浇筑仰拱填充砼。

6、二衬施工；

二衬采用12m整体液压衬砌台车浇筑，防水板超前二衬钢筋1环（12m）,二衬钢筋超前二衬砼1环（12m）；防水板挂设、钢筋安装、二衬浇筑同步推进；二衬钢筋提前在钢结构加工厂预弯后运到现场安装，钢筋连接采用绑扎；二衬砼浇筑施工中要加强混凝土振捣，严控砼浇筑质量；砼浇筑完毕后，及时进行洒水养护，养护时间不得低于14d。

Claims (1)

1.隧道Ⅳ、Ⅴ级软弱围岩全断面及微台阶机械化配套施工方法，其特征是：

一，超前地质预报；

超前地质预报方案采用现场地质素描、地质雷达、加长炮孔、超前水平钻、TSP地质超前地质预报的预报方式，对掌子面前方围岩情况进行综合分析，更有效的判断前方地质情况，对掌子面稳定性做出稳定性分类，为现场施工提供准确的依据；

二，超前支护；

超前支护采用Φ60㎜、Φ76㎜、Φ89㎜、Φ108㎜中管棚施工，采用三臂凿岩台车定位及钻孔，Ⅴ级围岩或者地质较复杂地段采用跟管作业进行钻孔施工，采用注浆机进行管棚注浆；

Ⅳ级围岩地段：

硬质岩地段采用全断面法开挖，采用Φ60㎜中管棚长度不小于20m；软质岩地段采用微台阶法开挖，采用Φ60㎜、Φ76㎜中管棚长度不小于20m；顺层偏压变形地段采用微台阶法开挖，采用Φ76㎜、Φ89㎜中管棚长度不小于20m；岩溶强烈发育灰岩地段采用微台阶法开挖，采用Φ89㎜中管棚长度不小于20m；

Ⅴ级围岩地段：

硬质岩地段采用微台阶法开挖，采用Φ76㎜中管棚长度不小于20m；软质岩地段采用微台阶法开挖，采用Φ89㎜中管棚长度不小于20m；顺层偏压变形地段采用微台阶法开挖，采用Φ89㎜中管棚长度不小于20m；构造破碎带采用微台阶法开挖，采用Φ108㎜中管棚长度不小于20m；岩溶强烈发育灰岩地段采用微台阶法开挖，采用Φ89㎜中管棚长度不小于20m；

三，洞身开挖：

Ⅳ级围岩硬质岩地段，采用全断面法开挖；

采用三臂凿岩台车钻孔，非电毫秒雷管起爆，全断面一次成型；锚喷初期支护，出渣采用装载机或挖掘机装渣，采用自卸汽车运渣，全断面液压衬砌钢模台车衬砌；

全断面法开挖施工工序；

(1)开挖上台阶；施作上台阶周边的初期支护，即初喷混凝土，架设拱墙钢架，铺设钢筋网，复喷混凝土至设计厚度，钻设径向锚杆；

(2)在滞后于上台阶一段距离后，洞碴回填下台阶作为施工平台；

(3)在滞后于下台阶一端距离后，清除下台阶回填；

(4)灌筑仰拱与边墙基础；

(5)待仰拱砼初凝后灌筑仰拱填充至设计高度；

(6)清理好初期支护基面，初期支护与二次衬砌之间拱墙铺设塑料防水板加土工布；二次衬砌背后设环、纵向透水盲沟；根据监控量测结果分析，待围岩和初期支护变形基本稳定后利用衬砌模板台车一次性灌筑衬砌，并于拱顶预埋PVC注浆管及纵向排气管；

(7)待混凝土达到设计强度后，进行充填注浆；

Ⅳ级围岩软质岩及Ⅴ级围岩地段，采用微台阶法开挖；

采用三臂凿岩台车钻孔，非电毫秒雷管起爆，上、下断面一次开挖成型，后施作仰拱，锚喷初期支护，出碴采用装载机或挖掘机装渣，采用自卸汽车运渣，全断面液压衬砌钢模台车衬砌；

微台阶法开挖施工工序：

(1)开挖上台阶；施作上台阶台阶周边的初期支护，即初喷4cm厚混凝土，架设钢架，铺设钢筋网，复喷混凝土至设计厚度，钻设径向锚杆；

(2)开挖下台阶；边墙初喷4cm厚混凝土，架设钢架，铺设钢筋网，复喷混凝土至设计厚度，钻设径向锚杆；

(3)在滞后于下台阶一段距离后，开挖仰拱；

(4)灌筑仰拱与边墙基础；

(5)待仰拱砼初凝后灌筑仰拱填充至设计高度；

(6)清理好初期支护基面，初期支护与二次衬砌之间拱墙铺设EVA防水板加土工布，二次衬砌背后设环、纵向透水盲沟，根据监控量测结果分析，待围岩和初期支护变形基本稳定后利用衬砌模板台车一次性灌筑Ⅵ部衬砌，并于拱顶预埋PVC注浆管及纵向排气管；

(7)待混凝土达到设计强度后，进行充填注浆；

Ⅳ、Ⅴ级地段采用微台阶法施工时，每循环开挖支护进尺Ⅴ级不宜大于1榀钢架，Ⅳ级不宜大于2榀钢架，仰拱开挖前必须完成钢架锁脚；

各台阶钢架接头处应设置锁脚锚管，每处两根，锁脚采用Φ42㎜钢花管；Ⅳ级围岩段每根长4.5m，Ⅴ级围岩段长6m；

爆破：三臂凿岩台车实现自动化作业，通过断面参数的设定，实现钻孔数量、角度、深度参数自动控制，有效控制开挖面轮廓和超欠挖，每个工作臂2分钟内自动完成5m深钻孔作业，装药利用作业平台装药，实现装药过程自动化；

出碴：采用传统的装载机装渣，自卸汽车直接停至掌子面进行出碴，在仰拱与掌子面之间错车；

四、初期支护：

拱架安装：利用拱架拼装机的夹持结构抓取拱架，举升定位至设计位置，灵活调整钢拱架的角度，通过操作平台将工人举升至一定高度进行螺栓连接及焊接作业，实现拱架快速安装；

锚杆及锁脚施工：采用锚杆台车进行系统锚杆及锁脚锚管施工，实现钻孔、垫板安装及注浆功能；

喷射砼施工：利用湿喷机械手进行喷射砼施工；

拱架安装前对周边围岩及掌子面进行初喷封闭，拱架安装完成后进行复喷；

五、仰拱及仰拱填充施工；

采用35m移动式仰拱栈桥施工，有效施工长度24m，每循环浇筑长度12m，及时浇筑仰拱砼，保持仰拱砼浇筑滞后仰拱初支不超过1环(12m)；

首先，将仰拱的洞碴及杂物清理干净；然后安装仰拱钢筋，主筋为HRB400Φ20㎜钢筋，间距20cm；安装仰拱腹模和止水带，浇筑仰拱砼，砼浇筑过程中，应加强振捣；待仰拱达到拆模条件后，拆除仰拱覆模，浇筑仰拱填充砼；

六、二衬施工；

二衬采用12m整体液压衬砌台车浇筑，防水板超前二衬钢筋1环(12m)，二衬钢筋超前二衬砼1环(12m)；防水板挂设、钢筋安装、二衬浇筑同步推进；二衬钢筋预弯后运到现场安装，钢筋连接采用绑扎；二衬砼浇筑施工中要加强混凝土振捣，严控砼浇筑质量；砼浇筑完毕后，及时进行洒水养护，养护时间不得低于14d。