一种小断面大转角浅埋暗挖电力隧道机械化施工方法与流程

本发明属于电力施工，具体涉及一种小断面大转角浅埋暗挖电力隧道机械化施工方法。

背景技术：

1、北京地区常规小断面大转角电力隧道断面小，开挖尺寸范围宽3m至3.8m，高3.4m至4.1m，最小开挖断面宽×高＝3米×3.4米，如图2所示。电力隧道埋深浅，埋深为地表以下10米左右，地质为软弱围岩，主要穿越地层为：粉土、粘质粉土、粉质粘土、重粉质粘土、砂(粉细砂、中砂等)及卵石层等v～ⅵ围岩，同时电力隧道施工主要涉及台地潜水、层间潜水及微承压水等，较少涉及承压水。并且由于北京地区常规小断面大转角电力隧道沿城市主干道修建，电力隧道转弯角度大，存在90°直角转弯。

2、电力隧道的主要施工方法包括：明开挖法、顶管法、盾构机法、浅埋暗挖法等。北京地区常规小断面大转角电力隧道一般采用浅埋暗挖施工方法，由于地质为软弱围岩，北京地区常规小断面大转角浅埋暗挖电力隧道只能采用两台阶法开挖，并且每循环开挖进尺0.5m。

3、现状常规大型机械设备主要应用于铁路及公路隧道，单线铁路隧道断面宽度在8米以上，双线铁路隧道宽度15米以上，远大于电力隧道尺寸，因此公路铁路隧道的施工装备无法应用于浅埋暗挖电力隧道。在矿山开挖领域已有适应小断面尺寸的单一小型施工装备，如掘进台车、锚杆台车、湿喷机等，在施工过程中采用单一功能设备轮换循环施工方式，无多工序集成设备应用。同时，矿山地质及施工工法与电力隧道也不同，矿山巷道纵横交错，无需考虑电力隧道空间受限，无法错车问题，因此矿山领域小型设备也无法应用于浅埋暗挖电力隧道。集成多种功能的隧道施工装备，大多是应用于大断面、硬岩隧道的钻爆法施工，不适应于转弯半径小的电力隧道。

4、由于电力隧道小断面和大转角特点限制小直径盾构机、公路、铁路隧道设备和矿山巷道设备使用，现有开挖及初支方式一般为最原始的纯人工作业方式，即开挖采用人工手持钢铲铲挖及装渣；立拱采用肩扛手提；喷混采用骑抱喷头方式，作业效率低，安全风险高。传统人工电力隧道施工作业劳动力投入多，作业环境差，安全隐患多，劳动强度高。

5、由于浅埋暗挖施工需遵循“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”18字方针和两台阶法开挖方式使得以往纯人工作业方式/单一功能机械设备对电力隧道存在施工工序、施工步骤多，各个工序转换频繁、转换时间长，施工周期长、施工效率低，无法快速形成电力隧道初支的封闭支护。

6、现有技术分析：

7、中国专利cn 111042823 a提供了《复杂环境隧道非爆破贯通方法》该发明的方法实现了在复杂环境中，采用非爆破的方式完成隧道的贯通。但是《复杂环境隧道非爆破贯通方法》该发明复杂环境隧道地质为市内不能采用直接爆破施工的硬岩隧道，该发明采用潜孔钻机沿着隧道轮廓进行全部钻孔，采用周边全部钻孔时，中间部分横断面进行水平钻孔，增加上下台阶临空面；再采用人工或小型破碎机，从上至下，进行分块破除、剥离；将破除下来的岩石出碴、运输至洞外。并且该发明施工工序多、工序衔接困难导致施工效率低、工序转换时间长；同时该发明是以人工作业为主机械作业为辅，存在作业人员多、劳动强度高、施工环境恶劣等问题。

8、中国专利cn 111255464 a提供了《一种卵石地层电力隧道浅埋暗挖施工方法》该发明将上支撑结构和下支撑结构紧固连接在一起形成初期支护结构，然后再做防水和二次衬砌。该发明只是重点讲了上支撑结构和下支撑结构紧固连接在一起形成初期支护结构，但是施工工序比较多，主要施工难度大和施工时间长的是超前支护及注浆、上下台阶开挖，该发明人工上下台阶导致施工工序多、工序衔接困难进而施工效率低、工序转换时间长。

9、中国专利cn 114165242 a提供了《一种硬岩小断面电缆隧道机械化施工方法》该发明公开了一种硬岩小断面电缆隧道机械化施工方法，包括以下步骤，(1)按照设计图纸进行竖井施工；(2)按照设计图纸进行斜坡道施工；(3)开通斜坡道与竖井连接处形成通道门；(4)悬臂掘进机通过斜坡道和通道门到达竖井处进行电缆隧道施工，电缆隧道施工包括初期开挖支护和后期二次衬砌。由于浅埋暗挖电力隧道开挖断面宽3～3.8m，高3.4～4.1m(初衬断面宽2.5～3.3m，高2.9～3.6m)和90°直角转弯施工工况的特殊性，悬臂掘进机无法适用隧道断面同时无法实现3米宽电力隧道90°直角转弯。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种小断面大转角浅埋暗挖电力隧道机械化施工方法，实现小断面大转角浅埋暗挖软弱围岩电力隧道开挖、出渣、超前支护、立拱架、喷混初支等多种工序连续、快速机械化施工，减少施工工序、施工步骤，缩短各个工序转换次数、转换时间长，最终缩短施工周期长，提高施工效率，达到电力隧道快速形成初支封闭支护。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种小断面大转角浅埋暗挖电力隧道机械化施工方法，包括以下步骤：

4、s1、进行掌子面钻孔注浆加固施工；

5、s2、采用回转式挖掘臂对电力隧道全断面进行非爆破机械开挖；其中，所述回转式挖掘臂包括第一斗杆臂与第二斗杆臂，所述第一斗杆臂与第二斗杆臂之间通过回转减速器进行连接，所述第二斗杆臂上安装有铲斗，所述回转减速器用于驱动第二斗杆臂旋转；

6、s3、对于挖掘后的区域进行超前小导管支护以及进行喷射混凝土封堵；

7、s4、安装格栅拱架；

8、s5、对安装好的格栅拱架喷射混凝土，形成电力隧道初支；

9、s6、对电力隧道中的中心核心土进行挖掘。

10、进一步的，步骤s1中，采用全断面钻孔注浆与深孔帷幕钻孔注浆结合的方式进行掌子面钻孔注浆加固施工，包括如下步骤：

11、确定全断面钻孔注浆与深孔帷幕钻孔注浆的钻孔位置并标记；

12、采用多功能臂机械手夹持钻进机构，通过多功能臂机械手的移动将钻进机构定位到标记的钻孔位置，调整钻进机构钻杆的角度至满足预设角度要求；其中，多功能臂机械手包括本体支架，以及设置于所述本体支架上的油缸夹持装置，所述油缸夹持装置用于夹持钻进机构；

13、角度调整完成后，钻进机构进行钻孔；钻孔完成过后进行注浆。

14、进一步的，步骤s2中，采用回转式挖掘臂对电力隧道全断面进行非爆破机械开挖，包括初衬断面以内至核心土开挖以及初衬断面以外至开挖断面掏挖。

15、进一步的，初衬断面以内至核心土开挖，包括：回转式挖掘臂在0°姿态时，进行上下正挖作业，完成初衬断面以内至核心土的掌子面挖掘工作。

16、进一步的，初衬断面以外至开挖断面掏挖，包括：回转式挖掘臂旋转至±90°姿态时，铲斗对上电力隧道左侧墙、右侧墙进行掏挖；回转式挖掘臂旋转至±180°姿态时，铲斗对上台阶右圆弧拱顶进行掏挖。

17、进一步的，步骤s2中，对电力隧道全断面进行非爆破机械开挖的同时，进行出渣，所述回转式挖掘臂对掌子面进行扒渣作业至运渣机构上，运渣机构将挖掘臂扒至渣土从前方掌子面运至设备尾部出土小车上。

18、进一步的，步骤s3中，对于挖掘后的区域进行超前小导管支护以及进行喷射混凝土封堵；其中，超前小导管支护包括：

19、确定掌子面上台阶格栅拱架圆弧中间超前小导管钻孔位置，并标记；

20、使用多功能臂机械手夹持钻进机构，通过多功能臂移动、定位钻进机构到超前小导管钻孔位置，根据超前小导管角度要求调整钻进机构钻孔姿态；

21、钻孔姿态调整好之后，进行钻孔，成孔之后立即同步推进安设小导管和同步注浆。

22、进一步的，步骤s3中，对于挖掘后的区域进行超前小导管支护以及进行喷射混凝土封堵；其中，喷射混凝土封堵包括：

23、每进尺0.5米初衬断面以内至核心土和初衬断面以外至开挖断面，开挖完成后，立即对开挖好的部分进行喷射混凝土进行封堵，混凝土的厚度不低于4cm；其中，通过多功能臂机械手夹持喷头进行隧道拱顶、掌子面、侧壁及地面全方位喷混作业。

24、进一步的，步骤s4中，安装格栅拱架，包括：

25、将每环拱架总共分成2段，分为上格栅拱架和下格栅拱架；

26、通过多功能臂机械手夹持拱架托举机构抓取上格栅拱架、下格栅拱架，多功能臂机械手定位、安装至掌子面的位置。

27、进一步的，通过多功能臂机械手夹持拱架托举机构抓取上格栅拱架、下格栅拱架，多功能臂机械手定位、安装至掌子面的位置，包括：

28、多功能臂机械手夹持拱架托举机构托举上格栅拱架，粗定位上格栅拱架至掌子面安装位置，然后微调精定位至掌子面安装位置，此时超前小导管从上格栅拱架中间穿过，焊接固定上格栅拱架至超前小导管上；

29、固定上格栅拱架之后，多功能臂机械手夹持拱架托举机构抓取下格栅拱架，多功能臂机械手粗定位下格栅拱架至掌子面安装位置，然后微调精定位至掌子面安装位置，螺栓连接上格栅拱架与下格栅拱架法兰板。

30、与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：

31、1)本发明方法包括：进行掌子面钻孔注浆加固施工；采用回转式挖掘臂对电力隧道全断面进行非爆破机械开挖；对于挖掘后的区域进行超前小导管支护以及进行喷射混凝土封堵；安装格栅拱架；对安装好的格栅拱架喷射混凝土，形成电力隧道初支；对电力隧道中的中心核心土进行挖掘。通过本方案可快速开挖、出渣、超前支护、立拱架、喷混初支，并且可减少施工工序、施工步骤。解决了现有纯人工作业方式/单一功能机械设备对小断面大转角浅埋暗挖软弱围岩电力隧道，采用两台阶施工方法，由于上下台阶需要重复两次超前支护、开挖、出渣、立拱架、喷混初支，存在施工工序、施工步骤多的问题。

32、2)以往纯人工作业方式/单一功能机械设备对小断面大转角浅埋暗挖软弱围岩电力隧道，采用两台阶施工方法，由于上下台阶需要重复两次超前支护、开挖、出渣、立拱架、喷混初支，存在各个工序转换频繁、转换时间长。本发明方法采用全断面施工可缩短开挖、出渣、超前支护、立拱架、喷混初支各个工序转换次数，转换时间短。

33、3)以往纯人工作业方式/单一功能机械设备对小断面大转角浅埋暗挖软弱围岩电力隧道，采用两台阶施工方法，存在施工周期长、施工效率低，无法快速形成电力隧道初支的封闭支护。本发明方法能够减少施工工序、施工步骤，缩短各个工序转换次数、转换时间长，最终缩短施工周期长，提高施工效率，达到电力隧道快速形成初支封闭支护。