一种用于富水砂化白云岩地层隧道的铣爆结合施工方法与流程

[0001]
本发明涉及隧道施工方法领域，尤其涉及一种用于富水砂化白云岩地层隧道的铣爆结合施工方法。


背景技术：

[0002]
随着我国国家铁路网的不断完善，建设穿越山区复杂地质环境条件下的铁路隧道不可避免，特别的，隧道穿越富水白云岩砂化地层时，由于该地层具“风化差异严重、纵向短距变化频繁，岩体扰动前较为致密、在水的冲刷淘蚀作用下自稳性极差”等特点，施工期间常出现塌方、突水涌泥等，严重危及隧道施工安全。
[0003]
目前，隧道施工中仍以钻爆法为主，通过光面或预裂爆破方法减少爆破对围岩和支护结构的影响，控制超欠挖，最大限度地保护围岩的整体稳定性，充分发挥围岩的承载能力。但在破碎围岩地层条件下，钻爆法效果不佳，爆破扰动大，超欠挖严重，拱顶部位常出现不同程度的掉块或塌方，还面临初支变形侵限等难题。
[0004]
授权公告号cn101638989b的发明专利说明书中公开了一种海底隧道断层破碎带铣挖支护施工方法，其目的是减少临时支撑和简化施工组织并降低开挖对围岩扰动，有效提高施工效率和效益的海底隧道断层破碎带铣挖支护施工方法。该方法通过将掌子面前方岩体分部、分段的进行开槽，并在开槽中设置钢格栅和预应力锚杆，再通过喷射混凝土对钢格栅和锚杆进行包裹、覆盖，形成初期支护，逐块分段支护后通过临时垫块将各分离单元连接成支护整体，形成支护拱，在支护完成之后对核心部位的岩土进行开挖，整个步骤不断重复进行，进而对整个隧道进行施工。
[0005]
授权公告号cn103244133b的发明专利说明书中公开了一种煤系地层隧道铣挖与爆破联合施工工法，该方法对上台阶弧导部分实施铣挖切槽，随之进行初期支护，形成稳定的承载拱，然后对下台阶左侧边墙部分、下台阶右侧边墙部分进行下台阶两侧边墙铣挖切槽，并施作初期支护，最后对上台阶核心土部分、下台阶核心土部分进行核心土钻孔、装药、起爆作业，通风后出渣，重复上述步骤，直至整个隧道开挖结束。该工法充分发挥了机械铣挖法和钻爆法的优势，采用机械铣挖实现了隧道轮廓的精确成型，围岩扰动小，超欠挖控制效果好，作业环境及施工安全性高，减小了超欠挖，保护了围岩，提高了围岩自身承载能力，避免大变形及局部塌方。
[0006]
上述两种方法均使用铣挖机沿隧道轮廓自下而上进行分部预切槽，然后安装支护体系再对核心土部分进行开挖，存在以下三方面的缺点：
[0007]
一、预切槽空间均狭小，施作钢架困难且无法及时施作径向系统锚杆，影响支护结构的承载能力；
[0008]
二、核心土采用铣挖法施工，工作效率较低，而采用爆破开挖，则因爆破扰动或机械出渣易对已施作初支造成较大的损伤；
[0009]
三、若掌子面前方围岩破碎，加之地下水丰富时，在预切槽空间中施工，拱部围岩也易产生坍塌，施工安全风险高。


技术实现要素：

[0010]
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于富水砂化白云岩地层隧道的铣爆结合施工方法，以有效降低破碎围岩条件下拱部出现坍塌、突水涌泥的风险，控制隧道超欠挖，减小对围岩的损伤，保证围岩的整体性，有效发挥围岩的承载力，加快施工进度，缩短单位循环施工时间，有效降低隧道施工成本。
[0011]
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
[0012]
本发明的一种用于富水砂化白云岩地层隧道的铣爆结合施工方法，包括以下步骤：
[0013]
①
施工前准备工作，采用超前钻探、物探手段进行综合超前预报，预判掌子面前方岩层变化、岩体完整性、岩溶发育情况、涌突水位置、水量和水压情况；
[0014]
②
弱爆破开挖上台阶核心土，上台阶挖掘机扒渣至中台阶、下台阶位置，再采用悬臂掘进机铣挖上台阶预留岩体，待修整至设计轮廓及时施作上台阶周边初期支护；
[0015]
③
弱爆破开挖中台阶核心土，中台阶挖掘机扒渣至下台阶位置，再采用悬臂掘进机铣挖中台阶左侧预留岩体、中台阶右侧预留岩体，待修整至设计轮廓及时施作中台阶左侧初期支护、中台阶右侧初期支护；
[0016]
④
弱爆破开挖下台阶岩体，施作下台阶左侧初期支护、下台阶右侧初期支护；
[0017]
⑤
弱爆破开挖仰拱岩体，施作仰拱初期支护；
[0018]
⑥
重复步骤
①
～
⑤
，直至整个隧道开挖结束。
[0019]
本发明的有益效果主要体现在如下方面：
[0020]
一、适用于富水砂化白云岩地层或围岩破碎地层的隧道施工，通过综合超前地质预报、降压排水措施及超前支护措施，降低了破碎围岩条件下拱部出现坍塌、突水涌泥的风险；
[0021]
二、充分发挥了机械铣挖法和钻爆法的优势，采用弱爆破施工核心土提高了开挖效率，减小了爆破开挖对隧道周边地层的扰动，而采用铣挖预留岩体实现了隧道轮廓的精确成型，控制了隧道超欠挖，也减小了对围岩的损伤，保证了围岩的整体性，可有效发挥围岩的承载力；
[0022]
三、可以实现上、中、下台阶平行流水作业，加快了施工进度，提高了工作效率，缩短了单位循环施工时间，降低了隧道施工成本。上台阶核心土爆破通风排险后，可将上台阶渣体扒渣至中、下台阶位置，下台阶出渣时即可进行上台阶悬臂掘进机铣挖；在上台阶施做初期支护时，可同步依次进行中台阶两侧边墙部位的悬臂掘进机铣挖，然后依次施做中、下台阶初期支护，待支护完成后上、中、下台阶依次喷锚，然后转入下一循环开挖核心土爆破开挖出渣。
附图说明
[0023]
本说明书包括如下三幅附图：
[0024]
图1是本发明种用于富水砂化白云岩地层隧道的铣爆结合施工方法的横断面施工工序图；
[0025]
图2是本发明种用于富水砂化白云岩地层隧道的铣爆结合施工方法的纵断面施工上台阶时工序图；
[0026]
图3是本发明种用于富水砂化白云岩地层隧道的铣爆结合施工方法的纵断面施工中台阶时工序图。
[0027]
图中示出标记及含义：上台阶核心土11，上台阶预留岩体12，上台阶周边初期支护13，中台阶核心土21，中台阶左侧预留岩体221，中台阶右侧预留岩体222，中台阶左侧初期支护231，中台阶右侧初期支护232，下台阶岩体31，下台阶左侧初期支护331，下台阶右侧初期支护332；仰拱岩体41，仰拱初期支护43，排水孔50，自进式中管棚60，喷砼70。
具体实施方式
[0028]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0029]
参照图1至图3，本发明的一种用于富水砂化白云岩地层隧道的铣爆结合施工方法，包括以下步骤：
[0030]
①
施工前准备工作，采用超前钻探、物探手段进行综合超前预报，预判掌子面前方岩层变化、岩体完整性、岩溶发育情况、涌突水位置、水量和水压情况；
[0031]
②
弱爆破开挖上台阶核心土11，上台阶挖掘机扒渣至中台阶、下台阶位置(下台阶同时出渣)，再采用悬臂掘进机铣挖上台阶预留岩体12，待修整至设计轮廓及时施作上台阶周边初期支护13；
[0032]
③
弱爆破开挖中台阶核心土21，中台阶挖掘机扒渣至下台阶位置(下台阶同时出渣)，再采用悬臂掘进机铣挖中台阶左侧预留岩体221、中台阶右侧预留岩体222，待修整至设计轮廓及时施作中台阶左侧初期支护231、中台阶右侧初期支护232；
[0033]
④
弱爆破开挖下台阶岩体31，施作下台阶左侧初期支护331、下台阶右侧初期支护332；
[0034]
⑤
弱爆破开挖仰拱岩体41，施作仰拱初期支护43；
[0035]
⑥
重复步骤
①
～
⑤
，直至整个隧道开挖结束。
[0036]
在本技术领域，弱爆破通常是指单位岩体单次爆破装药量少于常规爆破情况下10％的爆破方式。
[0037]
参照图2和图3，本发明充分发挥了机械铣挖法和钻爆法的优势，采用弱爆破施工核心土提高了开挖效率，减小了爆破开挖对隧道周边地层的扰动，而采用铣挖预留岩体实现了隧道轮廓的精确成型，控制了隧道超欠挖，也减小了对围岩的损伤，保证了围岩的整体性，可有效发挥围岩的承载力。可以实现上、中、下台阶平行流水作业，加快了施工进度，提高了工作效率，缩短了单位循环施工时间，降低了隧道施工成本。上台阶核心土爆破通风排险后，可将上台阶渣体扒渣至中、下台阶位置，下台阶出渣时即可进行上台阶悬臂掘进机铣挖；在上台阶施做初期支护时，可同步依次进行中台阶两侧边墙部位的悬臂掘进机铣挖，然后依次施做中、下台阶初期支护，待支护完成后上、中、下台阶依次喷锚，然后转入下一循环开挖核心土爆破开挖出渣。
[0038]
所述步骤
①
中，综合超前预报若探明掌子面前方存在较大水量，采取超前钻孔排水释能降压措施，以保证掌子面前方岩体固结稳定，并施作超前支护结构稳定拱部岩体，保证隧道施工安全。所述排水释能降压措施包括在上台阶拱部范围增设排水孔50，结合超前钻孔引排地下水释能降压。所述超前支护结构可采用自进式中管棚60，且通过自进式中管棚60注浆加固拱部岩体。
[0039]
所述步骤
②
中，在上台阶核心土11、上台阶预留岩体12开挖后，及时施工喷砼层70临时封闭掌子面，保证白云岩砂化段掌子面的稳定。
[0040]
所述步骤
②
、步骤
③
中，上台阶预留岩体12、中台阶左侧预留岩体221、中台阶右侧预留岩体222与设计轮廓之间的岩体厚度不小于1m，中台阶左侧预留岩体221、中台阶右侧预留岩体222两侧边墙采用垂直预留轮廓，以避免中台阶预留岩体两侧边墙按弧形预留轮廓无法自稳。
[0041]
所述步骤
③
、步骤
④
中，中台阶左侧初期支护231，中台阶右侧初期支护232和下台阶左侧初期支护331、下台阶右侧初期支护332左右两侧错开施作，错开不少于2榀钢拱架间距，并及时接设钢架落底，避免左右侧初期支护同时处于悬空状态造成上台阶初期支护坍塌。
[0042]
所述步骤
②
、步骤
③
和步骤
④
中，上台阶周边初期支护13、中台阶左侧初期支护231、中台阶右侧初期支护232、下台阶左侧初期支护331和下台阶右侧初期支护332的施作顺序为初喷混凝土、铺钢筋网、架立钢架、钻设锁脚锚杆、钻设径向系统锚杆、复喷混凝土至设计厚度。
[0043]
成昆线吉尔木隧道全长11120m，单洞双线，为极高风险隧道，隧道最大埋深约1206m。全隧设计为单面上坡。洞身主要通过灰岩、玄武岩、页岩、泥岩夹煤线、泥岩夹砂岩、白云质灰岩、白云岩等16套地层，1条断层、1处断层影响带等构造。
[0044]
吉尔木隧道出口段约5.6公里穿越震旦系上统白云岩地层，施工过程中发生了突水突砂事件，其主要原因是在活动断裂影响下，震旦系上统灯影组(zbd)的微晶白云岩产生了网络状的节理裂隙；由于岩体破碎，为地下水的赋存和运移形成了良好的通道与空间。同时地下水的溶滤作用和白云岩化的循环作用，产生特殊的溶蚀“砂化现象”，形成了“砂包石状”。在地表持续降雨的影响下，使处于饱水状态下的溶蚀破碎岩体在渗透压力作用下产生了溃决。
[0045]
白云岩“砂化”是一种极为特殊的岩溶现象。隧道穿越白云岩砂化富水地层的类似工程不多，国内工程案例极为罕见，缺失相应工程经验。根据公开资料，仅少部分位于凉山州的水电站引水洞遭遇类似地层，且处置过程中也极其艰难，部分电站引水洞甚至停工数年。
[0046]
本申请人成功地将本发明一种用于富水砂化白云岩地层隧道的铣爆结合施工方法用于吉尔木隧道富水砂化白云岩地层施工中，施工中未出现较大坍塌和突水涌泥情况，有效保障了隧道施工安全。隧道开挖轮廓精确成型，超欠挖得到了有效控制，相比采用常规施工工法时，喷射混凝土用量减少了20％，隧道断面变形也减小了约5cm，由此可判定该施工工法在节约材料用量、发挥围岩的承载力方面起到了积极作用。同时，在施工中实现了隧道上、中、下台阶平行流水作业，加快了施工进度，富水砂化白云岩地层月进度指标由15m/月提高至30m/月，有效降低了生产成本。
[0047]
以上所述只是用图解说明本发明一种用于富水砂化白云岩地层隧道的铣爆结合施工方法的一些原理，并非是要将本发明局限在所示和所述的具体步骤和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改、，均属于本发明所申请的专利范围。