本发明属于隧道施工技术领域，尤其涉及一种复理石地层隧道开挖施工方法。
背景技术：
目前隧道主流施工方法有钻爆法和盾构法，盾构法主要用于地铁和市政隧道，公路、铁路中大断面隧道施工以钻爆法为主，常用的先进钻爆技术为光面爆破，高速公路、高速铁路隧道对爆破开挖超欠挖要求很高，《高速铁路隧道工程施工技术指南》铁建设( 2 010 )24 1 号和《公路隧道施工技术规范》（JTG-F60-2009）中均明确规定“应严格控制欠挖。拱脚、墙脚以上1m范围内断面严禁欠挖。Ⅱ～Ⅳ级围岩拱部平均线形允许超挖15cm、最大允许超挖25cm，边墙平均线形超挖10cm；Ⅴ、Ⅵ级围岩拱部平均线形允许超挖10cm、最大允许超挖15cm，边墙平均线形超挖10cm”。欧洲地区对超挖的规定主要在设计中规定施工公差和变形公差来进行限值，且超挖要分析是否承包商可避免的原因引起的，超挖后需通知监理并采取一定的措施。在复理石地层隧道开挖时，由于复理石岩性特殊，光面爆破效果将大打折扣，爆破振动、钻眼偏差、装药量偏差造成的超挖和局部坍塌将不能满足规范对超挖的要求，且额外增加施工成本、降低工程安全和质量。常规的悬臂掘进开挖方法在复理石中使用也容易因导向效果不佳和岩石特性造成超挖。
技术实现要素：
本发明的目的是提出一种复理石地层隧道开挖施工方法的技术方案，提高在复理石地层的隧道开挖的施工质量和施工进度。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种复理石地层隧道开挖施工方法，采用悬臂掘进机在复理石地层进行隧道开挖。
更进一步，采用激光发射器发射一组激光束，所述激光束照射在掌子面的激光点实时标识隧道设计开挖轮廓。
更进一步，所述激光点在隧道喷射混凝土内壁的内侧，所述激光点距隧道喷射混凝土内壁10cm，相邻两所述激光点之间的间距为：
其中，r为隧道掌子面轮廓的圆周半径。
更进一步，当隧道掘进方向为直线时，所述激光束与隧道掘进方向平行，所述激光发射器与掌子面距离为30m～200m；
当隧道掘进方向为曲线时，所述激光发射器与掌子面距离为：
其中，R为隧道的曲率半径。
更进一步，所述施工方法包括：
a. 开挖一个初始洞，所述初始洞的深度为隧道的开挖循环进尺，所述初始洞的轮廓与所述隧道设计开挖轮廓之间预留成型开挖留量；
b.开挖步骤a预留的所述成型开挖留量，按隧道设计轮廓线进行精细开挖，并整修开挖轮廓；
c. 在完成步骤b的所述精细开挖后，进行喷射混凝土施工。
更进一步，步骤a中，所述成型开挖留量不小于所述喷射混凝土厚度加50cm。
更进一步，步骤a中所述初始洞通过多次的单元开挖开挖达到所述循环进尺的深度，所述单元开挖的方法包括：
a1. 在掌子面开挖一圈周边槽，所述周边槽的外侧边沿为所述初始洞的轮廓；
a2. 在所述周边槽内的掌子面上开挖出多条切割槽，所述切割槽将所述掌子面的岩石分隔为多个孤立的凸块，所述切割槽的深度与所述周边槽的深度相同；
a3. 开挖所述孤立凸块处的岩石。
更进一步，每次所述单元开挖的挖掘深度不大于1m。
更进一步，在上一支护循环的预留钢筋网内侧架立保护钢架。
更进一步，所述保护钢架是采用工字钢或H形型钢制成的组装式钢结构门架；所述保护钢架与上一支护循环的连接钢筋临时焊接。
本发明的有益效果是：采用激光导向避免了盲目开挖造成的超欠挖。悬臂掘进机切割岩石方法和顺序可提高开挖轮廓质量和开挖效率，先开挖初始洞，再进行隧道设计轮廓线的精细开挖，可有效避免复理石地层因氧化引起的坍塌；对上一循环预留钢筋网采取保护措施，可有效保证施工质量。可提高复理石地层隧道开挖的施工效率并节省施工成本。
下面结合附图和实施例对本发明作一详细描述。
附图说明
图1是本发明悬臂掘进机作业现场示意图；
图2是本发明悬臂掘进机作业示意图；
图3是本发明掌子面构造示意图；
图4是本发明隧道掘进方向为直线时，激光发设置示意图；
图5是本发明隧道掘进方向为曲线时，激光发设置示意图；
图6是本发明开挖出周边槽示意图；
图7是本发明开挖出切割槽示意图；
图8是本发明挖孤立凸块处的岩石示意图；
图9是本发明初始洞单元开挖示意图，完成第二段单元开挖；
图10是本发明初始洞单元开挖示意图，完成第三段单元开挖并完成初始洞的开挖；
图11是本发明开挖成型开挖留量的示意图，精细开挖隧道轮廓；
图12是本发明进行喷射混凝土施工示意图；
图13是本发明设置预留钢筋网保护钢架示意图；
图14是本发明预留钢筋网保护钢架结构分解图。
具体实施方式
复理石是一种特殊的由半深海、深海相沉积所构成的韵律层系。单层薄，而累积厚度大，具多次重复性韵律层理，每一韵律层都包含由砂岩到泥质岩的顺序规律。复理石地层中隧道开挖有以下特点：
频繁薄层状，爆破成型难，扰动后易在泥质岩处及层间接触面断裂脱落，造成超挖或坍塌；
遇水软化，泥质岩则软化成泥；
软硬不均，爆破用炸药量多变、难以控制。
悬臂掘进机是一种综合掘进设备，集切割、行走、喷雾灭尘于一体，主要工作原理为：切割臂上的切割头把岩石切割破落下来，切割臂可以上下、左右自由摆动，能切割工作范围内的任意一处岩石。
目前已有悬臂掘进机进行煤矿巷道开挖的应用。煤矿巷道对开挖轮廓的要求远不如公路和铁路隧道规定严格，对超欠挖要求低，且多为煤层，层状结构较少，在扰动较小情况下开挖较容易控制成型。
但将悬臂掘进机应用于公路和铁路隧道的开挖还面临一系列的技术障碍：
（1）通常的隧道开挖轮廓采用在掌子面绘制开挖线进行控制，该方法存在以下不足：①若绘制开挖线的岩石剥落后，导向控制就缺失了。②根据围岩情况和进度要求，通常要求隧道开挖循环进尺为0.6m-2.4m，而悬臂掘进机一次开挖切割距离为1m左右，当要求的开挖循环进尺大于1m时，需要分2-3次切割才能到达循环进尺要求，在第2次和第3次切割岩石时，只能靠操作手经验和主观判断来控制开挖轮廓，控制难度很大且极易造成大面积的超挖。③每一开挖循环均要绘制开挖轮廓线，占用工序时间。
（2）通常悬臂掘进机开挖时切割路线为Z字型，自下而上分层逐层切割。该方法在复理石中应用有以下不足：①一次性开挖到设计轮廓，但复理石在开挖后易出现分层掉落现象，在岩石掉落之处将形成超挖。②由于开挖轮廓与轮廓内侧的大方量岩石一起开挖，悬臂掘进机切割头运动幅度大，加上容易受软硬不均的岩石影响，造成切割头难控制，从而造成超挖。③Z字型开挖过程中，自下而上逐层开挖岩石只有一个方向的凌空面，岩石的剥落主要靠切割头接触切割，开挖效率低，且在靠近轮廓附近时开挖速度必须降低以防超挖，也影响了开挖效率。
（3）对上一循环的预留钢筋网无保护措施，仅凭操作手主观判断很难保证不损坏钢筋网，预留的钢筋网一旦损坏将影响下一循环钢筋网的安装搭接，影响工程质量。
为解决上述技术问题，本发明提出了如下的技术方案。
如图1、图2，一种复理石地层隧道开挖施工方法，采用悬臂掘进机10在复理石地层20进行隧道开挖。
如图3，采用激光发射器30发射一组激光束31，所述激光束照射在掌子面21的激光点32实时标识隧道设计开挖轮廓22。
所述激光点在隧道喷射混凝土内壁的内侧，所述激光点距隧道喷射混凝土40内壁10cm，相邻两所述激光点之间的间距L1为：
其中，r为隧道掌子面21设计开挖轮廓的圆周半径，单位为cm。
隧道喷射混凝土（或喷射混凝土）是隧道的最外层初期支护混凝土，是一种通过喷浆机喷射灌筑成型的细石混凝土。
如图4，当隧道掘进方向为直线时，所述激光束与隧道掘进方向平行，所述激光发射器与掌子面距离L2为30m～200m；
如图5，当隧道掘进方向为曲线时，所述激光发射器与掌子面距离L3为：
其中，R为隧道的曲率半径,单位为cm。
所述施工方法包括：
a. 开挖一个初始洞，所述初始洞的深度D为隧道的开挖循环进尺，所述初始洞的轮廓与所述隧道设计开挖轮廓之间预留成型开挖留量B，如图10所示；
b.开挖步骤a预留的所述成型开挖留量，按隧道设计轮廓线进行精细开挖，并整修开挖轮廓，如图11所示；
c. 在完成步骤b的所述精细开挖后，进行喷射混凝土施工，如图12所示。
步骤a中，所述成型开挖留量不小于所述喷射混凝土厚度M加50cm，如图6所示。
步骤a中所述初始洞通过多次的单元开挖开挖达到所述循环进尺的深度，所述单元开挖的方法包括：
a1. 在掌子面开挖一圈周边槽50，所述周边槽的外侧边沿为所述初始洞的轮廓，如图6所示；
a2. 在所述周边槽内的掌子面上开挖出多条切割槽51，所述切割槽将所述掌子面的岩石分隔为多个孤立的凸块52，所述切割槽的深度与所述周边槽的深度相同，如图7所示；
a3. 开挖所述孤立凸块处的岩石，如图8所示。
每次所述单元开挖的挖掘深度B1不大于1m。
开挖循环进尺是指，为保证施工安全，不同的围岩规范规定了不同的循环进尺，比如通常Ⅴ级围岩为0.6-1.0m，Ⅳ级围岩为1.0-2.4m，Ⅲ级围岩为2.0-3.6m。为了保证开挖进度，在满足规范和保证安全的前提下，施工时开挖进尺尽量取大值。
如图10所示，在上一支护循环的预留钢筋网41内侧架立保护钢架60。
所述保护钢架是采用工字钢或H形型钢制成的组装式钢结构门架；所述保护钢架与上一支护循环的连接钢筋42临时焊接。
上一支护循环预留钢筋网是指，在隧道初期支护中，为保证钢筋网在喷射混凝土中的连续性，在上一循环支护时，欧洲规范规定在喷射混凝土外侧将预留2个格子的钢筋网片，作为下一循环钢筋网安装时搭接用。
实施例一：
如图1、图2，一种复理石地层隧道开挖施工方法，采用悬臂掘进机10在复理石地层20进行隧道开挖。悬臂掘进机由电缆11提供电源。施工中，采用装载机12将切割下的土石装入自卸车13运出施工现场。
本实施例的隧道设计开挖轮廓22圆周半径r=5m。
如图3、图4、图5，在施工过程中，采用激光发射器30发射一组激光束31，激光束照射在掌子面21的激光点32实时标识隧道设计开挖轮廓22。
所述激光点在隧道喷射混凝土40内壁的内侧，激光点距隧道喷射混凝土内壁的距离S=10cm；本实施例的喷射混凝土厚度M=20cm。为了保证激光点能够指示出隧道设计开挖轮廓，相邻两所述激光点之间的间距L1应：
其中，r为隧道掌子面设计开挖轮廓22的圆周半径，单位为cm。
根据上式计算，本实施例中，需L1<141cm ，实际采用L1=140cm，即激光点沿设计开挖轮廓内侧30cm，间距140cm分布。
如图4，为了保证激光束有效标识隧道设计开挖轮廓，且不影响悬臂掘进机作业，当隧道掘进方向为直线时，激光束与隧道掘进方向平行，激光发射器与掌子面的距离L2为30m～200m。
如图5，当隧道掘进方向为曲线时，激光发射器与掌子面距离L3应：
其中，R为隧道的曲率半径,单位为cm。
如在一段隧道的曲率半径R=1000m的开挖段，激光发射器与掌子面L3距应小于14.14m。
如图13所示，在悬臂掘进机开挖过程中，由于上一支护循环预留的钢筋网41伸出喷射混凝土外，悬臂掘进机的切割头和切割臂极易破坏钢筋网。在开挖前，在上一支护循环的预留钢筋网41内侧架立保护钢架60。保护钢架是组装式钢结构门架，保护钢架可采用工字钢或H形型钢制成，如图14，本实施例中，保护钢架采用14#工字钢分三段制成，包括一个上拱段61，在上拱段的两端分别设有一个侧拱段62。保护钢架与上一支护循环的连接钢筋42临时焊接。保护钢架在上一循环初支时安装，下一循环支护时拆卸并重复利用到该循环。
由于复理石地层在空气中会快速氧化，氧化后的复理石会松软、易坍塌，会造成超挖和欠挖。因此，本实施例中，悬臂掘进机开挖施工采用先开挖初始洞，然后集中开挖周边达到设计轮廓，之后立刻进行喷射混凝土施工，固化隧道轮廓。
悬臂掘进机开挖施工方法为：
a. 开挖初始洞，初始洞的深度D（如图11所示）为隧道的开挖循环进尺。初始洞的轮廓与隧道设计开挖轮廓之间预留成型开挖留量B，成型开挖留量B的计算方法是，喷射混凝土厚度加50cm。这是一个最小值，若围岩较差、自然掉落严重时可进一步加大成型开挖留量B。本实施例中，如图3所示，开挖循环进尺为2.4米，喷射混凝土厚度M=20cm，成型开挖留量为20cm+50cm=70cm。由于标识隧道设计开挖轮廓激光点32距隧道喷射混凝土内壁的距离为10cm，因此在开挖周边槽时，使周边槽的外侧边沿与的激光点之间的距离保持在40cm。虽然标识开挖轮廓的激光点并不在周边槽的开挖轮廓上，作业人员可以根据悬臂掘进机的切割头的旋转直径与激光点的位置关系确定实际开挖线。
由于悬臂掘进机的一次挖掘深度有一定的限制，通常不大于1m。本实施例中，初始洞通过多次的单元开挖达到所述循环进尺的深度，每次单元开挖的挖掘深度B1=0.8m。单元开挖的方法包括：
a1. 在掌子面开挖一圈周边槽50，所述周边槽的外侧边沿为初始洞的轮廓，开挖深度为单元开挖的挖掘深度0.8m，如图6所示；
a2. 如图7，在所述周边槽内的掌子面上开挖出多条切割槽51，切割槽将所述掌子面的岩石分隔为多个孤立的凸块52，所述切割槽的深度与所述周边槽的深度相同；本实施例中，切割槽包括两条横向切割槽和一条纵向切割槽，将掌子面分隔为六个孤立的凸块。
a3. 开挖孤立凸块处的岩石。此时切割成孤立凸块的岩石四周都形成了凌空面53且整体受到了扰动变弱，悬臂掘进机的切割头在直接接触岩石切割的同时，其给予岩石的压力也可使岩石大块剥落，从而大大提高破岩效率。完成后如图8所示。
重复三次单元开挖，完成深度D=2.4米的初始洞开挖。
b.开挖步骤a预留的成型开挖留量，按隧道设计轮廓线进行精细开挖，并整修开挖轮廓，开挖完成后如图11所示。
c. 在完成步骤b的所述精细开挖后，立即进行喷射混凝土施工，如图12所示。
本实施例的施工方法具有如下优点：
（1）精准、醒目的激光导向避免了普通的开挖导向方法实际效果差而盲目开挖造成的超挖和欠挖。激光导向还可节省工序时间，采用此激光导向方法后：a、只需定期校正激光点位即可，省去了传统每次开挖前都绘制开挖轮廓线的工序；b、可用于指导初支钢架、喷射混凝土等支护的测量定位，节省了初支中的测量定位工序时间。
（2）切割岩石方法和顺序可实现比普通方法更高的开挖轮廓质量和开挖效率。
（3）对上一循环预留钢筋网的保护措施，可有效保证施工质量。
（4）先按循环进尺的长度开挖初始洞，再进行最终的成型开挖，缩短了复理石岩层在空气中氧化的时间，可有效避免复理石地层因氧化引起的坍塌。
相比的有益效果估算如下:
（1）激光导向系统可每循环节省绘制开挖轮廓线的时间0.5h、架设钢筋等初支测量时间0.5小时，按正常隧道的开挖支护循环时间18小时计算，仅此激光导向系统便可直接减少循环时间1/18。（还未考虑操作手因精准、醒目的激光导向而节省的时间）
（2）新的切割方法可较普通的切割方法节省开挖时间1/10～1/5左右（在硬岩中节省开挖时间更明显）。
（3）按以往经验普通的方法平均超挖20cm，此激光导向方法和切割方法可大幅减少超挖，可将平均超挖降低至10 cm～15cm，从而节省大量的喷射混凝土费用，且提高了工程质量。