一种V级高危地质围岩隧道机械化施工方法与流程

本发明涉及隧道施工技术领域，尤其涉及一种v级高危地质围岩隧道机械化施工方法。

背景技术：

伴随着我国高铁建设的快速发展，深埋隧道工程逐渐出现并增加。隧道穿越高地应力区、断层及遇到软弱围岩时，常产生软弱围岩大变形，由此影响施工安全和施工效率。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供一种v级高危地质围岩隧道机械化施工方法，能够提高隧道施工效率。

本发明实施例一种v级高危地质围岩隧道机械化施工方法，包括：

采用超前支护机具进行超前支护施工；

采用划线机具将隧道掌子面划分为左侧导坑上台阶、中部支撑土上台阶、右侧导坑上台阶、左侧导坑中台阶、中部支撑土中台阶、右侧导坑中台阶、左侧导坑下台阶、中部支撑土下台阶、右侧导坑下台阶共九部分；

采用钻爆机具对至少两个台阶同时进行钻爆施工；

对钻爆施工后的台阶进行支护施工。

可选地，所述采用钻爆机具对至少两个台阶同时进行钻爆施工，包括：

在左侧导坑上台阶和右侧导坑上台阶，同时用钻孔机钻设炮孔，在钻设的炮孔内安装炸药卷和微差起爆电子雷管，对左侧导坑上台阶和右侧导坑上台阶同时进行孔间微差延时起爆；

在中部支撑土上台阶，用钻孔机钻设炮孔，在钻设的炮孔内安装炸药卷和微差起爆电子雷管，对中部支撑土上台阶进行孔间微差延时起爆；中部支撑土上台阶比左侧导坑上台阶开挖滞后95米；

在左侧导坑中台阶和右侧导坑中台阶，同时用钻孔机钻设炮孔，在钻设的炮孔内安装炸药卷和微差起爆电子雷管，对左侧导坑中台阶和右侧导坑中台阶同时进行孔间微差延时起爆；其中，左侧导坑中台阶和右侧导坑中台阶，比左侧导坑上台阶开挖滞后115米；

在中部支撑土中台阶，用钻孔机钻设炮孔，在钻设的炮孔内安装炸药卷和微差起爆电子雷管，对中部支撑土中台阶进行孔间微差延时起爆；中部支撑土中台阶，比左侧导坑上台阶开挖滞后125米；

在左侧导坑下台阶和右侧导坑下台阶，同时用钻孔机钻设炮孔，在钻设的炮孔内安装炸药卷和微差起爆电子雷管，对左侧导坑下台阶和右侧导坑下台阶同时进行孔间微差延时起爆；其中，左侧导坑下台阶和右侧导坑下台阶，比左侧导坑上台阶开挖滞后135米；

在中部支撑土下台阶，用钻孔机钻设炮孔，在钻设的炮孔内安装炸药卷和微差起爆电子雷管，对中部支撑土下台阶进行孔间微差延时起爆；中部支撑土下台阶，比左侧导坑上台阶开挖滞后155米。

可选地，所述对钻爆施工后的台阶进行支护施工包括：对钻爆施工后的台阶的侧壁初喷混凝土；在初喷混凝土的所述侧壁架设钢拱架，对利用锁脚锚杆对所述钢拱架进行固定；进行超前小导管支护；进行径向锚杆锚索支护；在所述台阶的侧壁上复喷混凝土；其中，所述进行径向锚杆锚索支护，包括：在隧道壁中钻设锚索孔，在所述锚索孔中安装锚杆，锚杆的中部为中空结构，锚杆的内锚头处具有通孔，锚杆的内锚头锚固在锚索孔的围岩中；在锚杆中穿设锚索，锚索的锚固段伸出所述锚杆的内锚头的通孔后锚固在锚索孔的围岩中并锚固在所述锚固墩上，锚索的自由端位于所述锚杆的杆体内。

可选地，所述的施工方法，还包括：将所述锚索的外锚头和所述锚杆的外锚头固定在距离所述锚索和锚杆最近的钢拱架上。

本实施例中，将隧道断面划分为十部分进行有序开挖，其中，左侧导坑上台阶和右侧导坑上台阶同时开挖；左侧导坑中台阶和右侧导坑中台阶同时开挖，左侧导坑下台阶和右侧导坑下台阶同时开挖，能够提高隧道施工效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明v级高危地质围岩隧道机械化施工方法实施例的流程示意图；

图2为本发明v级高危地质围岩隧道机械化施工方法中隧道断面示意图；

图3为本发明实施例中支护流程示意图；

图4为本发明实施例中锚杆及锚索支护结构示意图；

图5为本发明实施例中锚杆及锚索支护剖面结构示意图；

图6为本发明实施例中钢拱架连接结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参看图1及图2，本发明实施例提供一种v级高危地质围岩隧道机械化施工方法。隧道围岩一般共分为i、ii、iii、iv、v、vi共6级，一级围岩最好，基本上是整块坚硬的石头；六级围岩最差，基本上是碎散的松软土体。iv级以上围岩为软弱围岩，属于高危地质围岩。所述v级高危地质围岩隧道机械化施工方法，包括：

步骤100、采用超前支护机具进行超前支护施工。

本实施例中，明洞可采用超前大管棚进行超前支护施工。超前大管棚采用直径108mm，壁厚6mm无缝钢管，每根长度5米，与隧道轴线外插角为1-3度，环向间距为80cm。所使用的设备包括电动空压机、管棚机、钢筋切断机、凿岩机等。

步骤102、采用划线机具将隧道掌子面划分为左侧导坑上台阶、中部支撑土上台阶、右侧导坑上台阶、左侧导坑中台阶、中部支撑土中台阶、右侧导坑中台阶、左侧导坑下台阶、中部支撑土下台阶、右侧导坑下台阶共九部分。

可采用划线笔和划线尺将隧道掌子面划分为不同部分。左侧导坑上台阶、中部支撑土上台阶、右侧导坑上台阶、左侧导坑中台阶、中部支撑土中台阶、右侧导坑中台阶、左侧导坑下台阶、中部支撑土下台阶、右侧导坑下台阶形成九宫格的形式。

步骤104、采用钻爆机具对至少两个台阶同时进行钻爆施工。

可采用炮孔钻机对至少两个台阶同时进行钻爆施工。可以一个台阶采用各采用一个炮孔钻机同时作业。同一炮孔钻机可具有三个或四个钻臂，这些钻臂可同时并行进行钻孔作业，提高作业效率。

步骤106、对钻爆施工后的台阶进行支护施工。

对钻爆施工后的台阶，可进行钢拱架、超前小导管和径向锚杆支护施工。

本实施例中，将隧道掌子面划分为左侧导坑上台阶28、中部支撑土上台阶30、右侧导坑上台阶29、左侧导坑中台阶31、中部支撑土中台阶33、右侧导坑中台阶32、左侧导坑下台阶34、中部支撑土下台阶36、右侧导坑下台阶35共九个台阶部分。

将隧道断面划分为九个台阶部分进行有序开挖，采用钻爆机具对至少两个台阶同时进行钻爆施工和支护施工，能够提高隧道施工效率。

在一实施例中，所述采用钻爆机具对至少两个台阶同时进行钻爆施工(步骤104)，包括：

在左侧导坑上台阶和右侧导坑上台阶，同时用钻孔机钻设炮孔，在钻设的炮孔内安装炸药卷和微差起爆电子雷管，对左侧导坑上台阶和右侧导坑上台阶同时进行孔间微差延时起爆；

在中部支撑土上台阶，用钻孔机钻设炮孔，在钻设的炮孔内安装炸药卷和微差起爆电子雷管，对中部支撑土上台阶进行孔间微差延时起爆；中部支撑土上台阶比左侧导坑上台阶开挖滞后95米；

在左侧导坑中台阶和右侧导坑中台阶，同时用钻孔机钻设炮孔，在钻设的炮孔内安装炸药卷和微差起爆电子雷管，对左侧导坑中台阶和右侧导坑中台阶同时进行孔间微差延时起爆；其中，左侧导坑中台阶和右侧导坑中台阶，比左侧导坑上台阶开挖滞后115米；

在中部支撑土中台阶，用钻孔机钻设炮孔，在钻设的炮孔内安装炸药卷和微差起爆电子雷管，对中部支撑土中台阶进行孔间微差延时起爆；中部支撑土中台阶，比左侧导坑上台阶开挖滞后125米；

在左侧导坑下台阶和右侧导坑下台阶，同时用钻孔机钻设炮孔，在钻设的炮孔内安装炸药卷和微差起爆电子雷管，对左侧导坑下台阶和右侧导坑下台阶同时进行孔间微差延时起爆；其中，左侧导坑下台阶和右侧导坑下台阶，比左侧导坑上台阶开挖滞后135米；

在中部支撑土下台阶，用钻孔机钻设炮孔，在钻设的炮孔内安装炸药卷和微差起爆电子雷管，对中部支撑土下台阶进行孔间微差延时起爆；中部支撑土下台阶，比左侧导坑上台阶开挖滞后155米。

本发明中，所述炮孔使用0.8-1.0孔网密集系数的菱形布孔方式。所述的孔网密集系数是指同一排炮孔中的孔距与不同排炮孔的排距之间的比值。菱形布孔方式是指相邻的四个炮孔呈菱形布置。在装填炸药时，选择低速起爆的工业炸药，完全耦合装药，最大程度的利用炮孔。炮孔使用0.8-1.0的孔网密集系数，能够保证每个炸药爆轰时形成相互切割的爆轰波，能够充分利用炸药能量，降低炸药单耗。

在前述方法中，选择数码电子雷管，实施孔间微差间隔起爆。优选地，选择的孔间间隔时间为9-10ms。孔间间隔时间为9-10ms在保证围岩稳定性的同时，能够使得炸药能量充分利用。孔间间隔时间小于9ms，爆破震动大，不利于围岩的稳定，孔间间隔时间大于10ms，不利于炸药能量的相互叠加利用。

本实施例中，对左侧导坑上台阶和右侧导坑上台阶同时进行孔间微差延时起爆，对左侧导坑中台阶和右侧导坑中台阶同时进行孔间微差延时起爆，对左侧导坑下台阶和右侧导坑下台阶同时进行孔间微差延时起爆，可提高隧道施工效率。

本实施例中，除仰拱37外，将整个隧道断面分为上、中、下三层、每层分为左、中、右三部分，对每层每部分进行有序开挖，可适用于地铁大断面的隧道开挖，在保证开挖安全性的同时，可提高开挖效率。

右侧导坑上台阶29，比左侧导坑上台阶28开挖滞后0米，即右侧导坑上台阶29和左侧导坑上台阶28同时开挖，可提高开挖效率，相应地，可提高支护效率。

中部支撑土上台阶30，相比左侧导坑中台阶31和右侧导坑中台阶32提前开挖，可在隧道顶部留出较大的作业空间，便于后续的开挖作业。

进一步地，所述方法还包括：在右侧导坑上台阶29，和左侧导坑上台阶28同时开挖的过程中，在已形成的中部支撑土上台阶30上，可间隔预定距离(如15米)开挖一个连通左侧导坑和右侧导坑的导洞，导洞的宽度可为1.5米，可用于左侧导坑和右侧导坑的作业人员、物料或小型设备的通行通道，由此提高左侧导坑和右侧导坑开挖的协作性，便于提高开挖效率；该导洞也可作为左侧导坑和右侧导坑之间进行通风的通道，这样，可仅在左侧导坑或右侧导坑一侧布置一套通风设备，利用该一套通风设备可同时对左侧导坑和右侧导坑进行通风，有利于降低隧道开挖成本。

参看图3，在一实施例中，所述对钻爆施工后的台阶进行支护施工(步骤106)，包括：

步骤1061、对钻爆施工后的台阶的侧壁初喷混凝土；

步骤1062、在初喷混凝土的所述侧壁架设钢拱架，对利用锁脚锚杆对所述钢拱架进行固定；

图2中，标号21、22、23、24、25、26、27分别为设在隧道侧壁上的钢拱架。

步骤1063、进行超前小导管支护；

安装小导管：超前小导管施工采用yt28型风动凿岩机按设计钻孔，冲击振动将小导管顶入岩层，小导管尾部与钢格栅焊接在一起，用高压风清除管内杂物，采用塑胶泥封堵孔口。同时配制浆液，调试注浆机，进行压水试验，检查机械设备工作是否正常，管路连接是否正确。

注浆：小导管安设后，用塑胶泥封堵孔口。采用注浆泵注浆，注浆管连接好后，将配制好的水泥浆液倒入注浆泵储浆筒内，水泥浆液浓度为1∶1单液水泥浆，开动注浆泵，通过小导管向周边围岩压注水泥浆。注浆按照由低到高隔孔预注或群孔注浆的方法进行。

步骤1064、进行径向锚杆锚索支护；

步骤1065、在所述台阶的侧壁上复喷混凝土；

其中，所述进行径向锚杆锚索支护(步骤1064)，包括：在隧道壁中钻设锚索孔，在所述锚索孔中安装锚杆，锚杆的中部为中空结构，锚杆的内锚头处具有通孔，锚杆的内锚头锚固在锚索孔的围岩中；在锚杆中穿设锚索，锚索的锚固段伸出所述锚杆的内锚头的通孔后锚固在锚索孔的围岩中并锚固在所述锚固墩上，锚索的自由端位于所述锚杆的杆体内。

在进行径向锚杆锚索支护时，具体地，参看图4及图5，可在隧道壁2中钻设锚索孔3；在距离所述锚索孔3的孔底预定位置处设置止浆塞，在止浆塞中部开设有注浆孔，通过所述注浆孔按照第一预定压力向锚索孔的孔底注浆第一时长后，按照第二预定压力向锚索孔的孔底继续注浆第二时长，以使浆液注入锚索孔的孔底的围岩缝隙中，浆液凝固后在锚索孔的孔底周围形成锚固墩；其中，第二预定压力大于第一预定压力，第二时长大于第一时长，以便浆液能够较为充分地渗入所述围岩缝隙中。在一实施例中，第一预定压力为0.8mp，第一第一时长为3分钟，第二预定压力为第一预定压力的1.3倍，第二时长为5分钟。

在所述锚索孔3中安装锚杆4，锚杆4的中部为中空结构，锚杆4的内锚头处具有通孔，锚杆4的内锚头锚固在锚索孔3的围岩中；在锚杆4中穿设锚索5，锚索5的锚固段伸出所述锚杆的内锚头的通孔后锚固在锚索孔3的围岩中，锚索5的自由端位于所述锚杆4的杆体内。

本实施例中，在锚索孔中安装有锚杆，锚杆中穿设有锚索，锚索的锚固段伸出所述锚杆的内锚头的通孔后锚固在锚索孔的围岩中，锚索的自由端位于所述锚杆的杆体内，这样，通过将锚杆和锚索结合使用在同一锚固位置，一方面可提高锚固力，另一方面，可减少锚杆或锚索失效所带来的风险，从而提高锚固的可靠性，从而防止围岩发生较大的变形。

在一实施例中，锚索具有第一预应力，锚杆具有第二预应力，第一预应力大于第二预应力。本实施例中，锚索的预应力大于锚杆的预应力，当围岩发生形变后，使得锚索拉伸一定程度后，锚杆可为锚索起到让压保护的作用。

进一步地，所述方法还可包括：在锚杆的外锚头处进一步设置让压保护部件，在一个例子中，所述让压保护部件可以是弹簧。在另一个例子中，所述让压保护部件包括第一圆形碟片6和第二圆形碟片7，第一圆形碟片6和第二圆形碟片7均为凹型，由钢板冲压制成，类似内凹的圆形的盘子，第一圆形碟片和第二圆形碟片对扣在一起，锚杆的外锚头穿过第一圆形碟片和第二圆形碟片的中心孔，第一圆形碟片和第二圆形碟片扣合后形成碟片组，在所述碟片组的两侧可设有第一挡板8和第二挡板9，第一挡板8用于贴靠在隧道的内壁上，第二挡板9与锚杆4的外锚头通过螺纹或通过焊接相固定。在第二挡板9外侧设有第三挡板10，用于固定锚索的外端部(即外锚头)。在一实施例中，可直接将第一圆形碟片贴靠在隧道的内壁上以减少第一挡板8使用，节省材料成本，即第一圆形碟片贴靠在隧道的内壁上，第二挡板9与锚杆4的外锚头通过螺纹或通过焊接相固定。在第二挡板9外侧设有第三挡板10，用于固定锚索的外端部(即外锚头)。

当围岩发生较大形变后，第一圆形碟片和/或第二圆形碟片可发生形变，第一圆形碟片的中心向第二圆形碟片的中心靠近，以吸收围岩发生的形变。

所述碟片组可以多个碟片组，多个碟片组串联在锚杆的外锚头处。

进一步地，为提高让压保护效果，第一圆形碟片和第二圆形碟片之间可设有柱状弹簧11。

在一实施例中，所述锚索的外锚头和所述锚杆的外锚头固定在距离所述锚索和锚杆最近的钢拱架上。在一个例子中，钢拱架上开设有通孔，锚索的外锚头和锚杆的外锚头穿过距离所述锚索和锚杆最近的钢拱架上的通孔后用同一垫板固定。锚索的外锚头和锚杆的外锚头穿过距离所述锚索和锚杆最近的钢拱架上并固定，既便于对锚索和锚杆施加预紧力，也可提高钢拱架的稳定性，防止钢拱架下沉。本实施例中，锚杆和锚索的外锚头处可设有至少一组所述碟片组。本实施例中，锚索的外锚头和锚杆的外锚头穿过距离所述锚索和锚杆最近的钢拱架后穿过至少一组所述碟片组后用同一垫板固定，在防止钢拱架下沉的同时，还可提高让压性能。

在一实施例中，锚索的锚固段与锚索孔的围岩的锚固体，与锚杆的内锚头与锚索孔的围岩的锚固体为一体结构。

在进行锚固时，可将混凝土锚固剂注入锚杆内部，通过锚杆上的通孔流出后进入锚索的锚固段与锚索孔之间、以及锚杆的内锚头与锚索孔之间的空隙，混凝土锚固剂凝固后，在锚索的锚固段与锚索孔之间形成第一锚固体12，在锚杆的内锚头与锚索孔之间形成第二锚固体13，第一锚固体和第二锚固体为一体化锚固结构，这样，通过一次注射混凝土锚固剂，可同时形成锚索的锚固段与锚索孔的围岩的锚固体，以及锚杆的内锚头与锚索孔的围岩的锚固体，提高锚固作业效率。

具体地，在本发明一实施例中，所述方法还包括：通过锚杆内部的中空通道注浆，浆液自锚杆的内锚头处的通孔流入所述锚索孔，浆液凝固后在锚索的锚固段与锚索孔的围岩之间形成第一锚固体12，在锚杆的内锚头与锚索孔的围岩之间形成第二锚固体13，第一锚固体和第二锚固体为一体结构。这样，通过一次注射混凝土锚固剂，可同时形成锚索的锚固段与锚索孔的围岩的锚固体，以及锚杆的内锚头与锚索孔的围岩的锚固体，提高锚固作业效率。

在一实施例中，所述方法还包括：在每一钢拱架的脚部下方设钢制支撑脚，钢拱架的脚部支撑在所述钢制支撑脚上，相邻钢拱架脚部下方的钢制支撑脚通过槽钢连接固定；

在所述钢制支撑脚上，于钢拱架的两侧设有阻挡限位件，在所述阻挡限位件上设有钢拱架脚部位置调节装置；

所述钢拱架脚部位置调节装置包括设在所述阻挡限位件上的螺纹孔和穿设在所述螺纹孔中的调节螺栓；或

所述钢拱架脚部位置调节装置包括：所述阻挡限位件上靠近钢拱架脚部的一侧的斜坡，和设在所述阻挡限位件的所述斜坡与钢拱架脚部之间楔形块。

通过钢制支撑脚可提高钢拱架的脚部与隧道底部的接触面积，防止钢拱架下沉，影响支护效果。通过钢拱架脚部位置调节装置，可调节钢制支撑脚的位置，从而保证相邻钢拱架之间具有预定的距离。

在一实施例中，仰拱支架与钢拱架上下对应设置，仰拱支架的两端与钢拱架的脚部下方的钢制支撑脚固定连接，以提高钢拱架的稳定性。

参看图6、在一实施例中，所述的施工方法，还包括：沿隧道长度方向按预定距离间隔平行设置有第一钢拱架14、第二钢拱架15和第三钢拱架16；第一钢拱架14、第二钢拱架15和第三钢拱架16之间通过支撑梁连接固定；所述支撑梁包括第一支撑梁17、第二支撑梁18、第三支撑梁19和第四支撑梁20；第一支撑梁17和第二支撑梁18上下平行设置，在第一支撑梁17上设有第一卡槽、第二卡槽和第三卡槽，第一卡槽卡设在第一钢拱架14上，第二卡槽开设在第二钢拱架15上，第三卡槽开设在第三钢拱架16上；在第二支撑梁18上设有第四卡槽、第五卡槽和第六卡槽，第四卡槽卡设在第一钢拱架14上，第五卡槽开设在第二钢拱架15上，第六卡槽开设在第三钢拱架16上；第三支架梁19和第四支架梁20为弧形梁，第三支架梁和第四支架梁的弯曲弧度与所安装位置的隧道侧壁的弧度相适配；第三支架梁19的第一端固定在第一支撑梁17与第一钢拱架14的结合处，第二端固定在第二支撑梁18与第三钢拱架16的结合处，中间部固定在第二钢拱架15上；第四支架梁的第一端固定在第二支撑梁18与第一钢拱架14的结合处，第二端固定在第一支撑梁17与第三钢拱架16的结合处，中间部固定在第三支撑梁19与第二钢拱架15的结合处。

通过支撑梁与钢拱架的上述配合连接结构，可防止钢拱架的位置发生偏移和扭转，同时可提高钢拱架的整体结构的稳定性，进一步提高支护的稳定性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。