一种小断面长隧洞快速施工方法与流程

1.本发明涉及一种小断面长隧洞快速施工方法，属于地下隧洞开挖施工技术领域。


背景技术：

2.小断面长隧洞主要用在引水式水力发电站和水利引水工程中，采用常规的钻爆方式进行开挖，主要工序包括测量放线、钻孔爆破、通风散烟、安全处理、出渣、一次支护、浇筑混凝土等。但这种传统的施工方式存在安全隐患，且施工质量难于得到保障，且因隧洞内作业环境较差，致使各工序以及工序衔接时间长，严重影响施工进度。因此有必要对现有技术加以优化并改进。


技术实现要素：

3.为解决现有钻孔爆破开挖隧洞带来的工作效率低下，施工质量、施工安全无法得到保障，隧洞内作业环境较差而影响施工进度等问题，本发明提供一种在保障安全、质量前提下，改善洞内作业环境，快速进行地下隧洞施工的小断面长隧洞快速施工方法。
4.本发明通过下列技术方案实现：一种小断面长隧洞快速施工方法，其特征在于包括下列步骤：
5.1)按顶部为圆弧形、底部为矩形开挖出门型洞室，并用扒渣机扒出洞室中开挖出来的石渣至小车上运出；
6.2)用钻机钻出掏槽孔、崩落孔、底孔、周边孔，在孔中装入炸药，检查后，爆破；
7.3)将风机置于洞室口，及时抽出爆破后产生的烟尘；
8.4)对爆破区内的边顶拱围岩进行清撬处理；
9.5)用扒渣机及小车进行出渣、清理洞室；
10.6)采用隧洞支撑装置进行支护，之后喷射或浇筑混凝土，并使混凝土凝固至坚硬；
11.7)重复步骤1)-6)，直至形成小断面长隧洞。
12.所述步骤1)中的门型洞室的宽
×
高为3.0m
×
3.5m。
13.所述步骤2)的掏槽孔、崩落孔、底孔、周边孔参数如下：
14.掏槽孔：孔径为40-45mm、孔深为1.5-2.8m、孔距9-10cm、孔数5-10个、单孔放药量1.0-1.8kg，总药量4.0-7.2kg，4孔装药；
15.崩落孔：孔径为40-45mm、孔深为1.5-2.8m、孔距70-80cm、孔数8-12个、单孔放药量0.6-1.6kg，总药量6.0-16.0kg；
16.底孔：孔径为40-45mm、孔深为1.5-2.8m、孔距50-70cm、孔数3-5个、单孔放药量0.8-1.6kg，总药量3.0-7.0kg；
17.周边孔：孔径为40-45mm、孔深为1.5-2.8m、孔距40-60cm、孔数16-20个、单孔放药量0.2-0.6kg，总药量3.0-9.0kg，且隔孔装药，装药孔数为总孔数的一半。
18.所述步骤3)的风机选型根据隧洞长度、风压、风量，按下列公式计算：
19.1)洞内施工人员及爆破烟尘需要的风量：
20.11)施工人员需要的风量为：v
p
＝v
p
mk
21.式中：v
p
‑‑‑
施工人员所需风量，m3/min；
22.v
p
‑‑
洞内每人需要的新鲜空气，m3/min；
23.m
‑‑
洞内同时工作的最多人数；
24.k-风量备用系数，一般为1-1.15；
25.12)稀释炮烟至安全浓度需要的风量为：
26.式中：vy‑‑‑
压入式通风计算风量，m3/min；
27.t
‑‑‑
通风时间，通常为15～30min；
28.q
‑‑‑
爆破用炸药量，kg；
29.s
‑‑‑
隧洞断面积；
30.l
‑‑‑
隧洞长度，从开挖面至炮烟稀释到安全浓度的距离l
′
＝400q/s；
31.13)根据海拔进行所需风量修正：vh＝v0/k
32.式中：vh‑‑‑
海拔为hm时的通风量，m3/min；
[0033]v0
‑‑‑
海平面时的通风量，m3/min；
[0034]k‑‑‑
高程修正系数，当海拔为3000m时，k＝0.7239，当海拔为3500m时，k＝0.6858，本工程海拔高程为3200m，k为0.70866；
[0035]
2)风机工作风量的计算：
[0036]
风机工作风量为：施工所需风量与风筒漏风量之和，按以下公式计算：vm＝(1+pl/100)
·
v：
[0037]
式中：vm‑‑‑
风机工作风量，m3/min；
[0038]v‑‑‑
洞内施工需要的有效风量，m3/min；
[0039]
l
‑‑‑
风管长度，m；
[0040]
p
‑‑‑
每100m风管漏风量；
[0041]
3)风机的电机容量选择
[0042]
根据公式n＝vm·hm
·
γ
·
b/(102
×
η1·
η2)
[0043]
式中：n
‑‑‑
风机的电机容量，kw；
[0044]vm
‑‑‑
通风机工作容量，m3/s；
[0045]hm
‑‑‑
通风机工作风压，mmh2o；
[0046]r‑‑‑
空气重率，海平面为1.2；
[0047]b‑‑‑
电机容量储备系数；
[0048]
η1‑‑‑‑
静压效率；
[0049]
η2‑‑‑‑
机械传动效率；
[0050]
4)风机与风管的布置
[0051]
根据以上计算及施工中风量的损耗及相关施工经验，确定风机型号、风机功率、风压、流量，风量、风压及功率均满足计算并有一定富裕；
[0052]
根据隧洞室断面选择隧洞风管直径，将风管挂在隧洞顶部，以便设备出渣时不受通风影响。
[0053]
所述步骤6)的隧洞支撑装置包括：门型支架，设置在两两门型支架之间的若干根
平直拉杆，门型支架由顶部的弧形钢格梁和两侧的竖直钢格梁构成，其中：钢格梁包括由三根钢筋构成的三角形骨架，以及设置在三角形骨架的每一个面上的连接钢筋，且在弧形钢格梁下端、及竖直钢格梁上、下端分别设有其上带通孔的水平连接板，通孔中设有螺栓及螺母，以通过三角形骨架以及设置在三角形骨架每一个面上的连接钢筋，提升弧形钢格梁及竖直钢格梁的支撑强度，同时弧形钢格梁及竖直钢格梁分开设置便于运输，再通过水平连接板上的螺栓及螺母方便现场组装弧形钢格梁及竖直钢格梁成门型支架。
[0054]
所述连接钢筋连续或间隔设置在三角形骨架的每一个面上，每个连接钢筋设为v形，并相向设置在两两钢筋之间，以便提高连接强度。
[0055]
所述弧形钢格梁设置一个圆弧形或者设置成二个半圆弧形，且二个半圆弧形之间的连接端分别设有其端部带水平板的三角套，水平板上设有通孔，通孔中设有螺栓及螺母，以便通过螺栓及螺母于现场将二个弧形钢格梁组装成一体。
[0056]
所述竖直钢格梁设置为不同高度的多个，且两两竖直钢格梁连接端分别设有其端部带水平板的三角套，水平板上设有通孔，通孔中设有螺栓及螺母，以便通过螺栓及螺母于现场将多个不同高度的竖直钢格梁组装成一体。
[0057]
所述门型支架外侧间隔连接有锚杆，该锚杆外端插入开挖的岩层中，锚杆长度为300-450cm，以便从外侧固定门型支架于开挖的洞室中，提高支撑、保护效果。
[0058]
所述平直拉杆长度为100-300cm，以提高两两门型支架的连接强度，进而对开挖的洞室进行高效支护。
[0059]
本发明具有下列优点和效果：采用上述技术方案，可加快隧洞支护速度，确保隧洞施工安全，提高施工质量，特别是提高iv、v围岩及断层带的施工安全及进度，有利于设备及作业人员安全快速通行；通风排烟效果好，改善洞内工作环境，有利于作业人员健康。
附图说明
[0060]
图1为本发明所用隧洞支撑装置结构图；
[0061]
图2为图1的侧面局部结构图。
具体实施方式
[0062]
下面结合实施例对本发明做进一步描述。
[0063]
实施例1
[0064]
本发明提供的小断面长隧洞快速施工方法，已成功运用于西藏登曲觉巴水电站引水隧洞工程中，其包括下列步骤：
[0065]
1)按顶部为圆弧形、底部为矩形开挖出宽
×
高为3.0m
×
3.5m的门型洞室，并用扒渣机扒出洞室中开挖出来的石渣至农用车上运出；
[0066]
2)用钻机钻出掏槽孔、崩落孔、底孔、周边孔，在孔中装入炸药，检查后，爆破，不同围岩类别具体爆破参数如下表：
[0067][0068]
3)将风机置于洞室口，及时送入新风、压出爆破后产生的烟尘；其中风机选型根据隧洞长度、风压、风量，按下列公式计算：
[0069]
31)洞内施工人员及爆破烟尘需要的风量：
[0070]
311)施工人员需要的风量为：v
p
＝v
p
mk
[0071]
式中：v
p
‑‑‑
施工人员所需风量，m3/min；
[0072]vp
‑‑
洞内每人需要的新鲜空气，通常按3m3/min计算；
[0073]m‑‑
洞内同时工作的最多人数，下断面隧洞按10人计算；
[0074]
k-风量备用系数，一般为1-1.15；本实施例按1.15计算；
[0075]
通过计算，v
p
＝3
×
10
×
1.15＝34.5m3/min；
[0076]
312)稀释炮烟至安全浓度需要的风量为：
[0077]
式中：vy‑‑‑
压入式通风计算风量，m3/min；
[0078]
t
‑‑‑
通风时间，通常为15～30min，本实施例按30min计算；
[0079]q‑‑‑
爆破用炸药量，kg，本实施例取36kg；
[0080]s‑‑‑
隧洞断面积，本实施例取15m2；
[0081]
l
‑‑‑
隧洞长度，从开挖面至炮烟稀释到安全浓度的距离l
′
＝400q/s，本实施例中，l
′
＝400
×
36/15＝960m；
[0082]
通过计算，
[0083]
313)根据海拔进行所需风量修正：vh＝v0/k，式中：
[0084]vh
‑‑‑
海拔为hm时的通风量，m3/min，本实施例所处海拔为3200m；
[0085]v0
‑‑‑
海平面时的通风量，本实施例经计算为513.6m3/min；
[0086]k‑‑‑
高程修正系数，本实施例海拔高程为3200m，k为0.70866；
[0087]
通过计算，vh＝513.6/0.70866＝724.75m3/min；
[0088]
32)风机工作风量的计算：
[0089]
风机工作风量为：施工所需风量与风筒漏风量之和，依据以下公式：vm＝(1+pl/100)
·
v；式中：
[0090]vm
‑‑‑
风机工作风量，m3/min；
[0091]v‑‑‑
洞内施工需要的有效风量，本实施例为759.25m3/min；
[0092]
l
‑‑‑
风管长度，本实施例为1912m；
[0093]
p
‑‑‑
每100m风管漏风量，本实施例为高强丝风管，取2％；
[0094]
通过计算，vm＝(1+0.02
×
1912/100)
×
759.25＝1050m3/min，约17.49m3/s；
[0095]
33)风机的电机容量选择
[0096]
根据公式n＝vm·hm
·
γ
·
b/(102
×
η1·
η2)，式中：
[0097]n‑‑‑
风机的电机容量，kw；
[0098]vm
‑‑‑
通风机工作容量，m3/s；
[0099]hm
‑‑‑
通风机工作风压，mmh2o，本实施例取50；
[0100]r‑‑‑
空气重率，海平面为1.2，本实施例取1.0；
[0101]b‑‑‑
电机容量储备系数，本实施例取1.5；
[0102]
η1‑‑‑‑
静压效率，本实施例取0.5；
[0103]
η2‑‑‑‑
机械传动效率，本实施例取0.5；
[0104]
通过计算，n＝(17.49
×
50
×
1.0
×
1.5)
÷
(102
×
0.5
×
0.5)＝51.44kw；
[0105]
34)风机与风管的布置
[0106]
根据以上计算及施工中风量的损耗及相关施工经验，选用型号为sfd-ii-8.7a的对旋轴流风机，风机功率为2
×
55kw，风压4000～8000pa，流量1140～1900m3/min，风量、风压及功率均满足计算并有一定富裕；
[0107]
受隧洞室断面限制，本实施例隧洞风管选用直径60cm的高强丝风筒，挂在隧洞顶部，以便设备出渣时不受通风影响；
[0108]
4)对爆破区内的边顶拱围岩进行常规清撬处理；
[0109]
5)用扒渣机及农用车进行出渣、清理洞室；
[0110]
6)采用隧洞支撑装置进行支护，之后喷射混凝土或浇筑混凝土，并使混凝土凝固至坚硬；
[0111]
所述隧洞支撑装置包括：门型支架1，设置在两两门型支架1之间的若干根平直拉杆2，其中：门型支架1由顶部的弧形钢格梁11和两侧的竖直钢格梁12构成，所述钢格梁包括由三根钢筋5构成的三角形骨架，以及设置在三角形骨架的每一个面上的连接钢筋6，且在弧形钢格梁11下端、及竖直钢格梁12上、下端分别设有其上带通孔的水平连接板4，通孔中设有螺栓及螺母，以通过三角形骨架以及设置在三角形骨架每一个面上的连接钢筋6，提升弧形钢格梁11及竖直钢格梁12的支撑强度；所述连接钢筋6间隔设置在三角形骨架的每一个面上，每个连接钢筋设为v形，并相向设置在两两钢筋之间，以便提高连接强度；所述弧形钢格梁11设置成二个半圆弧形，且二个半圆弧形之间的连接端分别设有其端部带水平板9的三角套7，水平板9上设有通孔，通孔中设有螺栓及螺母8，以便通过螺栓及螺母8于现场将二个半圆弧形钢格梁组装成一体；所述竖直钢格梁12设置为不同高度的多个，且两两竖直钢格梁连接端分别设有其端部带水平板9的三角套7，水平板9上设有通孔，通孔中设有螺栓及螺母8，以便通过螺栓及螺母8于现场将多个不同高度的竖直钢格梁12组装成一体；所述门型支架外侧间隔连接有锚杆3，该锚杆3外端插入开挖的岩层中，锚杆3长度为300cm，以便从外侧固定门型支架1于开挖的洞室中，提高支撑、保护效果；所述平直拉杆2长度为100cm，以提高两两门型支架的连接强度，进而对开挖的洞室进行高效支护；
[0112]
7)重复步骤1)-6)，直至形成小断面长隧洞；
[0113]
该小断面长隧洞及其支护装置，极大提高了隧洞安全性能，有效的节约支护时间，施工过程中没有出现塌方事故，施工建成的隧洞中不仅能让运渣小车通过，还能让工作人员通行，减少了发生安全事故的概率，同时能快速将炮烟尘排出，大大改善了洞内工作环境，有利于快速施工进度，本实施例较合同工期提前10个多月贯通，主关键线路月平均进尺116m/月，最高月进尺达168m/月。
[0114]
与类似工程相比，在施工安全、质量、进度上有明显提高，建设期及运行6年以来未出现安全、质量问题，施工进度详见表1。
[0115]
表1国内部分工程引水隧洞施工特性表
[0116]