一种隧道横洞与正洞交叉口段施工方法及台阶爆破方法与流程

本发明涉及隧道施工工法技术领域，特别是涉及一种隧道横洞与正洞交叉口段施工方法及台阶爆破方法。

背景技术：

dk377+100邓家湾隧道位于喜德西～冕宁区间，中心里程dk377+000，隧道进口里程d2k372+305，出口里程dk381+695，隧道全长9390m。双线隧道。进口接短路基，出口紧邻孙水河双线特大桥。另喜德西站渡线深入进口端。线路纵坡呈2.5‰/575m、11.1‰/778m、11.9‰/8897m的单面下坡，洞身均通过花岗岩地带发育有4条断层。隧道最大埋深为700m。

为满足施工工期，防火救援，施工通风及排水等需要，隧道设一座横洞。

邓家湾隧道正洞dk377+088～dk377+113与横洞hdk0+030～hdk0+000段岩性为旱震旦系(γ22)花岗岩，节理裂隙不发育，围岩较完整，围岩等级为ⅱ级。其中，正洞与横洞冲突的位置为dk377+096～dk377+104段。

dk377+088～dk377+113段，由旱震旦系(γ22)花岗岩单一岩性组成，由于测区地质构造复杂，受多期地质构造影响，岩体节理、裂隙较发育，地下水多储存于理，裂隙密集地段，以基岩裂隙水为主，局部地段受构造，埋藏深度的控制具承压性。

本段地下水的补给主要为大气降水入渗，地下水的径直主要沿节理、裂隙带由地势高的地段向地势较低的地段渗流，地下水的排泄主要为向地势低洼地段或河沟内渗流。

隧道洞身开挖设计情况：ⅱ级围岩采用全断面法开挖、ⅲ级围岩采用台阶法开挖、ⅳ级围岩采用台阶法或三台阶法开挖、ⅴ级围岩采用三台阶法加临时仰拱进行开挖。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种隧道横洞与正洞交叉口段施工方法。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种隧道横洞与正洞交叉口段施工方法，一种隧道横洞与正洞交叉口段施工方法，

s1：横洞开挖，设置1榀双拼i18钢架作为门架，门架支护完毕后，在拱架上边缘沿中心线对称焊接正洞的拱架支撑平台，采用钢板、工字钢焊接成牛腿，正洞与横洞交叉口段的钢拱架采用螺栓连接固定在牛腿的钢垫板上，所述横洞开挖的起始位置为hdk0+003.5～hdk0+005；

s2：上台阶挑顶开挖，所述上台阶挑顶由所述横洞与正洞交叉口处垂直于正洞轴线方向挖掘，横洞进入正洞挑顶开挖采用导洞沿正洞开挖轮廓线小坡度爬行开挖，形成上台阶操作平台，然后进行上台阶正洞初期支护；

s3：拆除临时竖撑，从导洞前端向横洞方向，依次拆除导洞临时钢架的竖撑，临时竖撑拆除时须自上而下进行；

s4：正洞上台阶开挖，先后开挖小里程方向正洞上台阶和大里程方向正洞上台阶，开挖过程中及时进行支护，所述正洞上台阶向小里程方向挖掘至不超过dk377+090处，所述正洞上台阶向大里程方向挖掘不超过dk377+110处，然后对挖掘形成的掌子面进行临时封闭；

s5：正洞下台阶开挖，向正洞大里程方向和小里程方向进行下台阶的开挖范围为dk377+095～dk377+105；

s6：台阶法施工，下台阶开挖完成后依次在正洞范围大小里程方向采用台阶法施工，挑顶施工结束，形成正常作业面，按照ⅳb型复合式衬砌支护类型施工dk377+088～dk377+113段未开挖范围，待dk377+094～dk377+106段下台阶开挖完成后，开挖仰拱；

s7：仰拱施工，随着隧道正洞向大、小里程方向的掘进施工，施工时正洞范围第一板仰拱设置在dk377+094～dk377+106，交叉口范围满足仰拱施工后，先向正洞小里程方向掘进，待距离满足各类台架、二衬台车拼装时，暂停小里程施工，转向大里程侧开挖，当大里程掌子面开挖至距横洞口95～105m的位置时，将防水板台架、二衬台车等部件拉至正洞小里程侧进行洞内拼装。

s1：所述拱架牛腿部位采用土工布保护，防止被喷射混凝土覆盖，待正洞拱部的拱架施工完毕后再复喷到设计厚度，将横洞钢拱架在拱脚处设置的锁脚锚杆改为锁脚锚管，每处锁脚位置设至少四根锁脚锚管，所述锁脚锚管与水平线呈45°布置，并充分注浆。

s2：所述导洞为宽不小于4m，高不超过5m的棚洞，且所述导洞沿正洞轮廓线逐步抬高至拱顶，抬高角度为30～45°,逐步抬高形成台阶，挑顶开挖正洞上台阶部分，所述导洞从dk377+100处向进出口方向各开挖不小于2m的宽度。

所述导洞范围临时支护采用ⅰ16型钢棚架支撑，棚架间距1m，采用φ22锁脚锚杆，拱架环向设置φ22纵向连接钢筋，钢筋环向间距1m，拱部挂设φ6钢筋网片，每榀棚架拱部设置3根长3m砂浆锚杆，形成临时支护体系，后在钢架间设置15cm厚c25喷射混凝土。

s3：首先在距离临时支撑0.5m处利用导洞开挖作业平台，在顶部采用风镐破除影响竖撑拆除的混凝土，混凝土破除完成后，采用氧气-乙炔气割割除钢架及纵向连接筋，顶部混凝土破除时须根据实际情况，控制好混凝土块掉落方向，尽量让其落到远离台架一侧，以防砸落在作业平台上，混凝土破除至距离导洞底部2m时，割除上部纵向连接筋、竖撑钢架顶部连接。

移走作业平台，采用挖掘机进行配合。先用挖斗将竖撑向一个方向顶牢，人站在相反方向，在底部破除混凝土并割除连接钢筋，然后人员撤离，由挖机将竖撑推倒(拉倒)。拆除时注意控制一次拆除范围，每次拆除范围不超过2m，且导洞两侧竖撑不得同时拆除，需依次拆除。

包括：

掏槽孔，爆破时在围岩中形成空腔，为后续炮孔爆破创造良好的临空面，所述掏槽孔采用加强抛掷爆破；

扩槽孔，布置在掏槽孔两侧，孔口距掏槽孔不小于70cm，孔底向所述掏槽孔方向倾斜，采用加强松动爆破装药。

周边孔，周边孔沿隧道开挖轮廓线布，周边孔采用导爆索将药卷串联间隔装药结构，周边孔同时起爆的孔数为5～6个。

所述掏槽孔沿孔深方向，向所述掏槽孔在作业面上分布图形的形心方向倾斜。

所述炮孔内填塞炮泥，所述炮泥由砂子和黏土按照重量比例3:1混合，混合后再加上20％的水配置而成，所述炮孔内填充炮泥的长度不小于炮孔长度的五分之一。

各个炮孔底部均设有水袋。

本发明的有益效果是：

(1)采用本方案的工法开挖，给后续工序创造更多的作业空间，仰拱距掌子面的安全距离完全可控，施工进度、安全管理、文明施工等都得到极大的提高，取得显著成效。

(2)本发明爆破之后大部分洞渣滚落至台阶下方，台阶上留有的少量洞渣使用挖机便可快速扒至下台阶，然后装载机送拱架至上台阶，可以实现上台阶立拱架与出渣平行作业，压缩了循环时间。同时也解决了分台阶开挖相互干扰、施工效率低的问题，减少了人员、设备窝工。若隧道综合单价以7万元/延米计，采用微台阶法后每月可增加产值约140万元，同时节约了单位产值的劳动力和机械成本，经济效益显著。

附图说明

图1为本发明总体施工工艺图；

图2为表示钢架段落分布示意图；

图3为表示正洞拱架支撑平台示意图；

图4为表示导坑临时钢支撑示意图；

图5为表示导坑临时钢支撑分布示意图；

图6为表示横洞进正洞上台阶开挖完成示意图；

图7为正洞拱架与导洞棚架横梁焊接示意图；

图8为在dk377+095～dk377+105段拱架支撑示意图；

图9为正洞顶部大、小里程方向分布示意图；

图10为表示仰拱开挖支护施工示意图；

图11为正洞下台阶开挖完成示意图；

图12表示仰拱开挖支护完成示意图；

图13为实施例2上台阶炮孔分布示意图；

图14为图13中a-a截面表示炮孔倾斜延伸结构的示意图；

图15为表示下台阶炮孔分布的示意图；

图16为实施例2中各炮孔分布位置与具体爆破参数表格。

具体实施方式

其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

实施例1：

本实施例提供的一种隧道横洞与正洞交叉口段施工方法，本实施例中，总体施工顺序参见图1，依次为：横洞施工至正洞→交界面门架(钢拱架)形成全环锁口支护后正洞挑顶→正洞小里程方向扩挖初支(预留正洞二次衬砌台车拼装场地)→正洞大里程方向施工。

受横洞洞口影响，正正对洞横洞的位置初期支护较弱，因此需在横洞洞口位置设置加强环，以确保该段正洞初期支护的稳固。

横洞hdk0+030～hdk0+000段围岩等级为ⅱ级，设计采用全断面法开挖，由于此段位于横洞与正洞交叉口处，施工时根据现场实际情况，台阶法施工，做好正洞位置挑顶的准备工作。施工采用人工手持风钻，利用多功能台架钻爆施工，机械手喷射混凝土，装载机出碴，自卸汽车运输；初期支护采用钢拱架、锚杆、钢筋网、喷射混凝土，具体参数详见表4-1《支护参数一栏表》。主要支护参数如表4-1所示：

表4-1支护参数一栏表

横洞与正洞交叉口段采用台阶法施工，按ⅳb复合式衬砌的结构尺寸，设置ⅰ18型钢钢架进行支护，设置型钢拱架的段落为dk377+088～dk377+113。正洞钢架支撑系统与横洞洞口范围有冲突的dk377+096～dk377+104地段，钢架的左侧部分与横洞最后一榀双拼钢架上设置的支撑平台进行连接固定，右侧落底。除此之外，dk377+088～dk377+113范围内正洞其余地段型钢拱架左右拱脚均落底设置，拱架间距1m/榀。同时对dk377+095～dk377+105段拱顶采取加强措施。不同地段型钢钢架的具体尺寸及正洞拱架支撑平台细部大样如图2、图3所示。

其中，正洞挑顶采取钻爆法开挖，短进尺、弱爆破，每循环进尺不超过1m即1榀钢架间距，严格按照“一炮一支护”的要求及时施做初期支护或临时支护。

s1：横洞开挖hdk0+004.1，设置1榀双拼i18钢架(门架)。门架支护完毕后，在拱架上边缘沿中心线对称焊接正洞的拱架支撑平台，采用16mm厚钢板、i18工字钢焊接成牛腿，正洞与横洞交叉口段的钢拱架采用螺栓连接固定在牛腿的钢垫板上。

拱架牛腿部位采用土工布保护，防止被喷射混凝土覆盖，待正洞拱部的拱架施工完毕后再复喷到设计厚度。将横洞钢拱架在拱脚处设置的锁脚锚杆改为锁脚锚管，长度l＝3.5m。每处锁脚位置设4根锁脚锚管，与水平线呈45°布置，并充分注浆。

s2：在横洞与正洞交叉口的门架支护到位后，向垂直于正洞轴线方向进行上台阶挑顶开挖。横洞进入正洞挑顶开挖采用导洞沿正洞开挖轮廓线小坡度爬行开挖，形成上台阶操作平台，然后进行上台阶正洞初期支护。导洞采用宽4m，高约5m的棚洞形式，沿正洞轮廓线逐步抬高至拱顶，抬高角度约40°,逐步抬高形成台阶，挑顶开挖正洞上台阶部分。开挖范围为dk377+100向进出口方向各开挖2m的宽度，施工过程中对导洞进行临时初期支护。

如图5所示，导洞范围临时支护采用ⅰ16型钢棚架支撑，棚架间距1m，采用φ22锁脚锚杆，拱架环向设置φ22纵向连接钢筋，钢筋环向间距1m，拱部挂设φ6钢筋网片，每榀棚架拱部设置3根长3m砂浆锚杆，形成临时支护体系，后在钢架间设置15cm厚c25喷射混凝土，棚洞尺寸大样如下图6所示，图中棚架高h根据导洞不同位置进行调整，正洞中线位置处h＝5m，导洞范围拱顶开挖高度在正洞开挖轮廓线的基础上加高20cm，因小导洞采用ⅰ16型钢，并适当考虑沉降变形量，以保证正洞拱架净空，确保导洞临时初期支护横梁位于正洞初期支护钢架之上，作为正洞上台阶ⅰ18拱架纵向连接筋使用。

如图7所示，正洞上台阶开挖完后，按照ⅳb型复合式衬砌支护类型及时对上台阶进行支护，确保线路左侧横洞与正洞交界处异形拱架与门架连接稳固。同时正洞拱架与导洞棚架横梁焊接连接，使ⅰ16横梁作为正洞上台阶拱架纵向连接筋。

s3：导洞范围内的正洞上台阶钢架支护完成，锁脚锚杆施做完成后，从导洞前端向横洞方向，依次拆除导洞临时钢架的竖撑，以便后续正洞上台阶扩挖。

临时竖撑拆除时须自上而下进行。首先在距离临时支撑0.5m处利用导洞开挖作业平台，在顶部采用风镐破除影响竖撑拆除的混凝土。混凝土破除完成后，采用氧气-乙炔气割割除钢架及纵向连接筋。

顶部混凝土破除时须根据实际情况，控制好混凝土块掉落方向，尽量让其落到远离台架一侧，以防砸落在作业平台上。混凝土破除至距离导洞底部2m时，割除上部纵向连接筋、竖撑钢架顶部连接。

移走作业平台，采用挖掘机进行配合。先用挖斗将竖撑向一个方向顶牢，人站在相反方向，在底部破除混凝土并割除连接钢筋，然后人员撤离，由挖机将竖撑推倒(拉倒)。拆除时注意控制一次拆除范围，每次拆除范围不超过2m，且导洞两侧竖撑不得同时拆除，需依次拆除。

待导洞临时竖撑拆除完毕后，如图8所示，正洞上台阶部分进行开挖，先开挖小里程方向正洞上台阶，再开挖大里程方向正洞上台阶，向正洞进出口方向分别开挖时，严禁两端同时掘进施工。如图9所示，分别开挖至dk377+090、dk377+110，并及时施做上台阶初期支护。正洞跨横洞施工时，对上台阶初期支护加强检查，防止正洞拱脚背后混凝土不密实或出现空洞，必要时采取注浆措施，对发现的不密实及空洞位置进行注浆。如图8所示，期间在dk377+095～dk377+105，钢拱架间纵向连接筋改为ⅰ16型钢以加强交叉口范围的支护。

拱架参数：i18工字钢，dk377+088～dk377+113纵向间距中对中1.0m。其中dk377+088～dk377+095、dk377+105～dk377+113采用成峨米隧附02中标准钢架结构尺寸；dk377+096～dk377+104采用后附特殊设计钢架结构。

系统锚杆：拱部采用φ22中空注浆锚杆、边墙采用φ22砂浆锚杆，l＝3m。1.2m×1.2m(环×纵)，梅花型布置。

挂钢筋网：钢筋网、网格间距20×20cm。

喷射混凝土：c25砼厚25cm。

支护时钢架采用系统锚杆及锁脚锚杆定位，在上台阶拱脚处设置锁脚锚管(长度l＝3m)。每处锁脚位置设4根锁脚锚管，与水平线呈45°(斜向下)布置。

s4：如图10、图11所示，正洞上台阶开挖至dk377+090、dk377+110处后临时封闭上台阶掌子面

s5：自导洞位置开始向正洞大小里程扩挖下台阶，完成开挖并进行进行支护并支立钢拱架，开挖范围为dk377+095～dk377+105。

拱架参数：i18工字钢，dk377+088～dk377+113纵向间距中对中1.0m。其中dk377+088～dk377+095、dk377+105～dk377+113采用成峨米隧附02中标准钢架结构尺寸，dk377+096～dk377+104采用后附特殊设计钢架结构。

系统锚杆：拱部采用φ22中空注浆锚杆、边墙采用φ22砂浆锚杆，l＝3m。1.2m×1.2m(环×纵)，梅花型布置。

挂钢筋网：钢筋网、网格间距20×20cm。

喷射混凝土：c25砼厚25cm。

支护时钢架采用系统锚杆及锁脚锚杆定位，在下台阶拱脚处设置锁脚锚管(长度l＝3m)。每处锁脚位置设4根锁脚锚管，与水平线呈45°(斜向下)布置。

:6：如图12所示，下台阶开挖完成后依次在正洞范围大小里程方向采用台阶法施工，挑顶施工结束，形成正常作业面，按照ⅳb型复合式衬砌支护类型施工dk377+088～dk377+113段未开挖范围，待dk377+094～dk377+106段下台阶开挖完成后，及时开挖仰拱。

s7：随着隧道正洞向大、小里程的掘进施工，仰拱及填充利用轻便模板及时跟进，施工时正洞范围第一板仰拱设置在dk377+094～dk377+106。交叉口范围满足仰拱施工后，先向正洞小里程方向掘进，待距离满足各类台架、二衬台车拼装时，暂停小里程施工，转向大里程侧开挖，当大里程掌子面开挖至距横洞口约100m的位置时，将防水板台架、二衬台车等部件拉至正洞小里程侧进行洞内拼装。

实施例2：

一种实施例1应用的调节爆破方法，参照图13～图16，

采用工程类比与现场试爆相结合的方法确定爆破参数。

根据各部位炮孔所承担的任务不同，爆破作用指数也不相同。具体为：掏槽孔采用加强抛掷爆破，辅助孔、崩落孔、底板孔采用松动爆破，内圈孔采用弱松动爆破。另外，周边孔采用光面爆破，爆破网路采用孔内外延时达到弱振动控制爆破的目的。

对于正洞爆破参数确定：

ⅳ级围岩根据设计图纸要求采用台阶法开挖，炮孔深度2.7m，循环进尺为2.4m，炮孔利用率为95％，周边孔间距为60cm，单耗为0.79kg/m³。

其中，炮孔选用手持式风动凿岩机，炮孔直径取d＝42mm。

对于炮孔的布置不做具体限制，本实施例中，炮孔布置为：

掏槽孔，掏槽孔爆破时在围岩中形成空腔，为后续炮孔爆破创造良好的临空面，一般为加强抛掷爆破，本工程一律采用复式楔形掏槽，优点是钻眼工作量小，容易形成较好的临空面，ⅳ级围岩段采用三层掏槽，掏槽孔开口宽度为4.45m，每层掏槽孔排间距为0.8m，左右两侧对称布置。

扩槽孔，扩槽孔用于扩大掏槽，布置在掏槽孔两侧，孔口距掏槽孔70cm，孔底略倾向掏槽孔，采用加强松动爆破装药。

周边孔，周边孔沿隧道开挖轮廓线布置。具体的炮孔间距根据经验公式和工程类比确定。

其中，上断面采用光面爆破，下断面采用预裂爆破。

炮孔间距e与炮孔直径d之间的关系为e＝(10～18)d。取d＝42mm，则e＝420～756mm。考虑到隧道断面跨度大的特点及建设标准，ⅳ级围岩段取e＝60cm

周边孔的炮孔密集系数m与最小抵抗线w之间的关系为m＝e/w。一般e＜w，结合节理发育状况，爆破后不易形成大块的特点，m约为0.9，本工程中对于光面爆破取w＝70cm。

周边孔采用导爆索将药卷串联间隔装药结构，使炮孔内炸药爆炸围岩受力均匀，可以减小对围岩的扰动破坏。

周边孔同段起爆规模不易过大，如周边孔数量大，易采用孔内或孔外微差爆破技术将齐爆孔数控制在5～6个。

本实施例还包括：

内圈孔，内圈孔的间距a、排距b应大于或等于周边孔的最小抵抗线w，而且a、b的取值与炮孔的单孔装药量有关。考虑隧道经过地段节理发育，爆破后不易形成大块的特性及对周边围岩的保护，本设计采用小间距，大排距，综合考虑取a＝77cm、b＝70cm。

其中，单孔装药量取值依据为，掏槽孔采用加强抛掷爆破，单耗控制在2.0kg/m³左右。

周边孔的装药量主要根据炮孔间距、最小抵抗线和装药集中度确定。上断面光面爆破装药集中度为0.2kg/m，下断面预裂爆破装药集中度为0.3kg/m。

内圈孔以弱松动爆破控制，内圈孔的装药量与围岩的坚硬程度、炸药单耗、炮孔长度及内圈孔的炮孔数量及间排距等参数有关。内圈孔的单孔装药量按下式计算：

q＝τ·γ·l

式中q——内圈孔的单孔装药量，kg；

τ——装药系数。根据炮孔间排距及围岩性质，取τ＝0.6；

γ——每米药卷的炸药质量，kg/m。对于直径为32mm的乳化炸药，γ＝0.9kg/m。

l——炮孔长度，m。

对于炮孔长度为2.7m的内圈孔，计算得q＝0.65×0.9×2.7＝1.6kg

对于炮孔填塞的结构及形式不做具体限制，本实施例中，炮孔填塞的目的是保证炸药充分反应，使之产生最大热量，防止炸药不完全爆轰；防止高温高压的爆轰气体过早地从炮孔或导洞中逸出，使爆炸产生的能量更多地转换成破碎岩体的机械功，提高炸药能量的有效利用率。填塞材料采用炮泥，炮泥由砂子和黏土混合配置而成，其重量比为3：1，再加上20％的水。填塞应采用分层捣实法进行，不得有空隙或间断。各炮孔应填塞足够长度的炮泥，除周边孔根据光面爆破，其他各炮孔填塞炮泥的长度不得小于60cm。

对于爆破器材的选择不做具体限制，本实施例中炸药采用2号岩石乳化炸药，规格为φ32mm×200mm，每卷200g。2号岩石硝铵炸药，规格为φ32mm×200mm，每卷150g。雷管选用毫秒导爆管雷管。起爆选用普通瞬发电雷管或导爆管激发针起爆。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式；凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。