一种公路石质隧道的施工方法与流程

本发明属于道路隧道施工领域，具体涉及一种公路石质隧道的施工方法。

背景技术：

伴随我国公路建设事业的蓬勃发展,公路石质隧道工程大量涌现,且隧道工程往往成为影响全线工程进度的关键性工程。如何提高公路石质隧道施工质量并加快施工速度,成为建设单位和施工企业共同关心的问题，机械化施工的理念节省了大量的人力物力，提高了施工质量及进度，改善了施工环境，对于隧道的施工尤其是特长隧道的施工有着深远的影响。

现有高速施工中经常遇到特长隧道工程，例如乐百高速4标那立特长隧道工程，这些特长隧道工程隧址区位通常属中低山地貌，地形起伏较大，隧道区有盘山道路经过，道路经过部分因开挖见基岩大部分出露，主要为砂岩，砂质页岩，褶曲发育，覆盖层主要为第四系植物层及坡积碎石等，另外由于地质因素这些隧道内还存在多处断层破碎带。该种隧道工程施工难度大，采用隧道传统开挖施工方法存在作业人员多，安全风险高，隧道开挖轮廓超挖严重等问题，对高速公路隧道施工安全和质量产生影响。

技术实现要素：

本发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种公路石质隧道的施工方法，解决在地质复杂条件下山区高速公路隧道暗挖施工的难题，保证隧道施工的质量与安全，同时提高施工的效率。

本发明包括以下技术方案：

一种公路石质隧道的施工方法，包括以下步骤：

1)超前支护：在破碎松散岩体中超前钻孔，打入小导管并压注水泥浆液；浆液在注浆压力的作用下呈脉状快速渗入破碎松散岩体中，并将其中的空气、水分排出，使松散破碎体胶结、胶化，形成具有一定强度和抗渗阻水能力的以浆胶为骨架的固结体，从而提高围岩的整体性、抗渗性和稳定性；使超前小导管与固结体形成一个具有一定强度的壳体，在壳体的保护下进行开挖支护施工。

2)隧道开挖：根据设计施工图采用三臂凿岩台车短进尺钻孔，根据图解法得到实际循环进尺，局部破碎严重地段开挖进尺不超过最大循环进尺的一半，严禁两边对称开挖，左右侧至少错开2榀拱架；钻孔完毕后，采用光面爆破，周边眼、掏槽眼、辅助眼和底板眼均采用间隔装药，导爆索将乳化炸药分节连接在一起，绑扎在竹片上进行装药，再由导爆索引爆雷管进行起爆，炸药间距在50-80cm之间；

运用三臂凿岩台车代替传统人工进行钻孔和装药，解决了钻孔精度、深度和数量不够的问题，能够实现精细化过程控制并且有效控制隧道超挖；同时优化爆破方案，周边眼、掏槽眼、辅助眼和底板眼均采用均匀间隔装药，实现各位置爆破均匀同时节省炸药。

3)初期支护：开挖后为缩短围岩的暴露时间，防止围岩进一步风化，先初喷薄层混凝土封闭围岩；待系统锚杆、工字钢支撑和钢筋网安设好后，再喷混凝土至一定厚度；最后在下一循环喷射混凝土分两次喷射至设计厚度；

在本方法的一个优选方案中，初期支护可先初喷混凝土4cm封闭围岩，待系统锚杆、工字钢支撑和钢筋网安设好后，再喷混凝土至23cm。

初期支护先采用薄层封闭，待支撑后好再采用较厚层的混凝土作为支护，以控制围岩应力的适量释放和变形，提高结构的稳定性，方便于继续施工。初期支护与超前支护相配合，超前支护使得松散破碎体胶结、胶化形成具有一定强度和抗渗阻水能力的以浆胶为骨架的固结体，而初期支护对该固结体的表面进行再次封闭与固结，两者加成进一步增加了岩体整体的安全性，从而有利于施工的准确性及效率。初期支护后，应加强监控量测，如有必要，要及时二衬施工。

4)洞身衬砌：采用复合式衬砌，衬砌施工采用不锈钢面板二次衬砌台车施工。

洞身衬砌具体方法包括以下步骤：施工准备，混凝土搅拌并运输、混凝土灌筑及养护。

在本方法的一个优选方案中，泵送混凝土配合比的技术要求：骨料最大粒径与输送管内径之比，碎石不大于1:3，且不大于40mm；通过0.315mm筛孔的砂不小于15％；混凝土灌筑时，混凝土自模板窗口，由下向上，对称分层，先墙后拱灌筑，入模倾落自由高度不超过2.0m，衬砌混凝土施工均为机械振捣，插入式振动棒和附着式振捣器振捣密实，振动棒插入下层混凝土50mm左右。

在本方法的一个优选方案中，为了确保初期支护与洞身衬砌即二次衬砌密实无空洞，在初期支护完成后洞身衬砌前对初期支护背后进行探地雷达检测，发现空洞后采取注浆回填。具体的，二次衬砌时，在拱部每隔3m预埋一根注浆管，注浆管采取保护措施，防止混凝土进入将其堵死，在衬砌混凝土强度达到后进行注浆，注浆材料选用微膨胀性水泥砂浆，注浆从低标高注浆孔开始注浆压力不小于2mpa或高标高拱顶注浆孔冒浆为止。拱顶注浆填充，在衬砌混凝土强度达到100％后进行，采用水泥砂浆，注入砂浆的强度等级要满足设计要求，注浆压力应控制在0.1mpa以内，注浆管长度l根据现场确定，注浆口露出衬砌外，出浆口顶住防水板，使防水板紧贴喷层。

进一步地，洞身衬砌时，二衬混凝土养生应配备专门的雾炮机，全方位无死角对二衬砼进行洒水养护，保证二衬砼强度。

进一步地，三臂凿岩台车钻孔时，采用全站仪测量与激光导向仪相结合的方法进行凿岩台车定位，定位完毕后，凿岩台车操作手借助全站仪完成炮眼的放样工作，依据激光透射为参考，综合掌子面对应的点束位置，操作手可以进行掏槽眼、辅助眼、周边眼、底板眼的钻孔工作。运用此方法减少了开挖作业对工序循环的占用时间，每个循环可节约30～40min。

本发明采用的图解法得到理论开挖进尺的方法如下，按照以下公式计算所得：

c＝{(a-2lcosα-2b)/2}×tanα；

其中：a为钻进隧道宽度；l为三臂凿岩台车推进梁长度；α:爆破规范中规定的最佳钻孔角度；b:推进梁终点距离隧道中心线的距离；

实际钻孔深度根据以下公式计算所得：

c＝l/η；(η：炮眼利用率0.8～0.95)

其中，c为理论理想进尺(m)，l为实际钻孔深度(m)。

进一步地，采用图解法确定炮眼数量为155个，其中掏槽眼8个，楔形掏槽孔口间距为55cm，孔深3.5m，开挖采用楔形掏槽，有四对对称斜眼，成对的在炮眼地集中炸出楔形空间；辅助眼91个，抵抗线w＝0.5m，炮眼深度3.2m；周边眼炮眼数量41个，炮眼间距50cm，抵抗线w＝0.55m，炮眼深度3.2m，孔底向轮廓外略有倾斜；底板眼数量15个，炮眼间距为70～100cm，抵抗线w＝0.55m，炮眼深度3.5m。本方案依据多断层破碎带的地质特点进行科学设计，确定了合再的钻孔数量与深度，在保证钻孔效果的同时解决支护混凝土的超耗。

进一步地，炮孔采用人工堵塞，堵塞材料为炮泥，用木制炮棍压紧，堵塞长度一般为25～30cm。

进一步地，爆破时起爆网络采用并联网络，按如下顺序连接：孔内雷管分组—周边孔导爆索并接—同段雷管双发簇连——双发电雷管起爆，保证爆破安全，提高爆破效率。

由于采用了上述技术，本发明的有益效果为：通过确立科学的施工方案，对施工过程中的岩体进行了有效支护，确保了岩体的结构稳定性及施工的安全性；采用三臂凿岩台车进行钻孔施工，并确立合理的钻孔深度及数量，提高了钻孔的精度，根据岩体特点选择适宜的洞身衬砌方案，与初期支护相配合，解决了初支混凝土超耗、二衬混凝土超量及二衬拱顶脱空等问题，保证了开挖质量节省了施工成本；优化爆破方案，均采用间隔装药并限定合理的装药距离，解决了装药量不均的问题，在保证爆破质量的同时节省了药耗。采用本方案可缩短施工工期，保证了新建隧道施工安全与高速公路正常运营。对于复杂水文、地质条件下的浅埋隧道开挖施工具有较强的参考价值及指导意义，对类似工程有较大的推广价值。

附图说明

图1是本发明的施工方法流程示意图。

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，以下结合附图及实施例，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。

实施例

对象：针对那立隧道左洞zk41+490-zk42+385(895m)，该段那立隧道的特点为：新建高速公路隧道区有盘山道路经过，隧道围岩为砂岩，砂质页岩，褶曲发育，覆盖层主要为第四系植物层及坡积碎石等；隧道洞身范围内存在多处断层破碎带，且iii级围岩占主要部分。

如图1所示，采用以下一种公路石质隧道的施工方法进行施工。

1)超前支护：在破碎松散岩体中超前钻孔，打入φ42×4mm小导管并压注水泥浆液，打入小导管并压注水泥浆液，浆液在注浆压力的作用下呈脉状快速渗入破碎松散岩体中，并将其中的空气、水分排出，使松散破碎体胶结、胶化，形成具有一定强度和抗渗阻水能力的以浆胶为骨架的固结体，从而提高围岩的整体性、抗渗性和稳定性；使超前小导管与固结体形成一个具有一定强度的壳体，在壳体的保护下进行开挖支护施工。

2)隧道开挖：进行断面测面画开挖轮廓线布，根据施工图采用三臂凿岩台车短进尺钻孔，根据图解法得到实际循环进尺，按照以下公式计算所得：

c＝{(a-2lcosα-2b)/2}×tanα；

其中：a为钻进那立隧道宽度10.25m；l为三臂凿岩台车推进梁长度；α为爆破规范中规定的最佳钻孔角度,取60°；b为推进梁终点距离隧道中心线的距离，取0.1m；计算得到理想开挖进尺c为4m。

实际钻孔深度根据以下公式计算所得：

c＝l/η；其中，η为炮眼利用率取0.85，c为理论理想进尺(m)，l为实际钻孔深度(m)。计算得到实际钻孔深度l为3.4m。

局部破碎严重地段开挖进尺不超过循环进尺的一半，严禁两边对称开挖，左右侧至少错开2榀拱架；采用图解法确定并钻得炮眼数量为155个，其中掏槽眼8个，楔形掏槽孔口间距为55cm，孔深3.5m，开挖采用楔形掏槽，有四对对称斜眼，成对的在炮眼地集中炸出楔形空间；辅助眼91个，包括29个内圈眼(最外圈的辅助眼)，抵抗线w＝0.5m，炮眼深度3.2m；周边眼炮眼数量41个，炮眼间距50cm，抵抗线w＝0.55m，炮眼深度3.2m，孔底向轮廓外略有倾斜；底板眼数量15个，炮眼间距为70～100cm，抵抗线w＝0.55m，炮眼深度3.5m。炮眼数量、深度及装药量等参数如表1所示：

表1炮眼参数表

采用光面爆破，周边眼、掏槽眼、辅助眼和底板眼均采用间隔装药，导爆索将32#乳化炸药分节连接在一起，绑扎在竹片上进行装药，再由导爆索引爆雷管进行起爆，炸药间距在50-80cm之间；炮孔采用人工堵塞，堵塞材料为炮泥，用木制炮棍压紧，堵塞长度一般为25～30cm。爆破完成后，依次进行通风洒水，清危排险，出碴，锚杆和挂网，喷砼；检查爆破质量合格后，继续进行下一点位的爆破。

3)初期支护：开挖后为缩短围岩的暴露时间，防止围岩进一步风化，先初喷混凝土4cm厚封闭围岩；待系统锚杆、工字钢支撑和钢筋网安设好后，再喷混凝土至23cm；最后在下一循环喷射混凝土分两次喷射至设计厚度。

4)洞身衬砌：

施工准备：包括测量放样、衬砌台车安装及衬砌材料检验及准备等；

混凝土搅拌并运输：泵送混凝土配合比的技术要求：骨料最大粒径与输送管内径之比，碎石不大于1:3，且不大于40mm；通过0.315mm筛孔的砂不小于15％；

混凝土灌筑：混凝土自模板窗口，由下向上，对称分层，先墙后拱灌筑，入模倾落自由高度不超过2.0m，衬砌混凝土施工均为机械振捣，插入式振动棒和附着式振捣器振捣密实，振动棒插入下层混凝土50mm左右。

混凝土养护：洞身衬砌时，二衬混凝土养生应配备专门的雾炮机，全方位无死角对二衬砼进行洒水养护，保证二衬砼强度。

在本方法的一个优选方案中，为了确保初期支护与二次衬砌密实无空洞，在初期支护完成后洞身衬砌前对初期支护背后进行探地雷达检测，发现空洞后采取注浆回填。具体的，二次衬砌时，在拱部每隔3m预埋一根注浆管，注浆管采取保护措施，防止混凝土进入将其堵死，在衬砌混凝土强度达到后进行注浆，注浆材料选用微膨胀性水泥砂浆，注浆从低标高注浆孔开始注浆压力不小于2mpa或高标高拱顶注浆孔冒浆为止。拱顶注浆填充，在衬砌混凝土强度达到100％后进行，采用水泥砂浆，注入砂浆的强度等级要满足设计要求，注浆压力应控制在0.1mpa以内，注浆管长度l根据现场确定，注浆口露出衬砌外，出浆口顶住防水板，使防水板紧贴喷层。

采用上述方法与传统人工开挖进行施工成本比较，

传统开挖：依据那立隧道乐业端右洞yk41+080～yk41+089(9m)为例，开挖断面105.29m³/m，开挖轮廓弧长21.75m，人工开挖时需19台风钻、20人/班、4台以上132kw空压机(1.5公里以内)，开挖进尺在4米左右，开挖所需时间为3.5小时左右，每2天按3循环计算。

本方案开挖：依据那立隧道乐业端左洞zk41+109～zk41+118(9m)为例，开挖断面105.29m³/m，开挖轮廓弧长21.75m，凿岩台车开挖时需1台、10人/班、开挖进尺在4米左右，开挖所需时间为3.1小时左右(190孔÷3孔×3分钟÷60分钟＝3.1小时)每2天按3个循环计算。

各参数对照表如表2所示：

表2施工成本对比表

采用本方案与传统的人工开挖对比每立方米可节约1.89元，相对于整个那立隧道左洞(895m)长，设计洞渣方量88979.5m³，则可共节约费用16.81万元。

另外，采用本方案可缩短2个月工期，节省的人工机械设备费用如下：

①人工费2×22×8000＝35.2万元；

②电费2×1848×30＝11.1万元；

合计产生经济效益为：16.81+35.2+65+11.1＝128.11(万元)，其中65万元为机械设备费。

通过确立科学的施工方案，对施工过程中的岩体进行了有效支护，确保了岩体的结构稳定性及施工的安全性；采用三臂凿岩台车进行钻孔施工，并确立合理的钻孔深度及数量，提高了钻孔的精度，解决了初支混凝土超耗、二衬混凝土超量及二衬拱顶脱空等问题，保证了开挖质量节省了施工成本；优化爆破方案，均采用间隔装药并限定合理的装药距离，解决了装药量不均的问题，在保证爆破质量的同时节省了药耗。采用本方案可缩短施工工期，保证了新建隧道施工安全与高速公路正常运营。对于复杂水文、地质条件下的浅埋隧道开挖施工具有较强的参考价值及指导意义，对类似工程有较大的推广价值。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。