一种分区注浆加固的隧道三台阶机械化施工方法

1.本发明涉及隧道施工技术领域，具体为一种分区注浆加固的隧道三台阶机械化施工方法。


背景技术：

2.近年来施工机械化配套有力地推动了新奥法的技术进步，但目前机械化配套系统适应复杂地质条件的工艺转换困难、凿岩台车钻孔系统超挖超耗、人工辅助效率低等问题一直没有得到系统化的有效解决，大型机械化推广应用与物料超耗高、施工成本急剧增加的矛盾十分突出，致使大型机械新奥法的施工效率没有得到实质性提高。例如，三臂凿岩台车一般适用于全断面隧道开挖，但由于现有的台阶法、crd法等施工方法与三臂凿岩台车均存在各种制约，一般还是采用人工手持风动凿岩机钻爆，但这样钻孔速度慢，能源消耗大，且劳动环境恶劣。


技术实现要素：

3.(一)解决的技术问题
4.针对现有技术的不足，本发明提供了一种分区注浆加固的隧道三台阶机械化施工方法，解决了现有技术中机械化配套系统适应复杂地质条件的工艺转换困难、凿岩台车钻孔系统超挖超耗、大型机械化推广应用与物料超耗高、施工成本急剧增加的矛盾十分突出的问题。
5.(二)技术方案
6.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种分区注浆加固的隧道三台阶机械化施工方法，包括以下步骤：
7.步骤1：隧道开挖施工前的准备，包括安全步距的调整、隧道施工台阶高度及长度设置、施工用电准备和施工用水准备，所述隧道施工台阶高度及长度设置中使用双曲臂凿岩台车进行隧道施工；
8.步骤2：进行分区注浆加固的超前支护作业，所述双曲臂凿岩台车为全电脑凿岩台车，利用凿岩台车进行超前钻孔作业，孔径为φ100mm，通过操控多功能拱架安装车调节吊篮平台的位置，作业人员在吊篮平台上进行入孔安装和注浆工作；
9.步骤3：进行开挖支护作业，其施工工序为：开挖钻孔作业
→
装药爆破
→
出渣运输
→
初喷支护
→
安装系统锚杆
→
挂设钢筋网和架设钢支撑
→
复喷支护至设计厚度、强度
→
进入下一循环。
10.优选的，所述安全步距的调整中仰拱距上台阶开挖工作面宜控制在30～40m，二次衬砌距仰拱宜保持2倍以上衬砌循环作业长度，但不得大于50m，仰拱栈桥有效搭接长度设置为12m。
11.优选的，在所述双曲臂凿岩台车作业时停机面设置在拱脚底板高度即仰拱位置进行开挖，作业高度为9.5m，停机面宽度为13.67m，隧道施工台阶高度及长度划分如下：上台
阶高度设置为5m，长度设置为3～5m；中台阶高度设置为2.5m，长度设置为2～3m，下台阶高度设置为2m，中、下台阶左、右侧开挖应错开，严禁对开，左右侧错开距离宜为5m。
12.优选的，所述双曲臂凿岩台车双曲臂凿岩台车包括台车本体，所述台车本体的配备有两条“z”字形钻臂，钻臂上均配置有液压系统，各液压钻臂上均安装有推进梁和凿岩机，所述台车本体的底盘采用轮式行走。
13.优选的，所述施工用电准备：双曲凿岩台车的用电系统通过100m的3
×
95+1
×
35铜电缆与配电柜电连接，供电采用380v、50hz的交流电，配置相序、过载保护的安全保护系统功能。
14.优选的，所述施工用水准备：准备100m的输水管，将输水管的出水端设置在双曲臂凿岩台车处，输水管的进水端与供水水源的送水管连接，台车配备增压水泵以提供10～25bar钻孔水压。
15.优选的，所述注浆工作具体为分区注浆并采用一次成孔、分段高压注浆的方式进行。
16.优选的，所述步骤3的开挖钻孔作业时，周边眼施钻需根据围岩等级预留钻臂作业空间，确保凿岩机紧贴初支且不刮蹭岩壁或上一循环施作的初支、拱架，凿岩机、钻杆、扶钎器中心处于同一轴线。
17.(三)有益效果
18.本发明提供了一种分区注浆加固的隧道三台阶机械化施工方法。具备以下有益效果：
19.1、本发明依据现有的三台阶法施工经验，对三台阶法开挖技术进行改进，协调各开挖支护作业工序，使机械化施工能彻底取代软弱围岩人工台架法施工，有效提高了大型机械化施工效率，减少了作业人员数量并降低了作业劳动强度，降低了隧道施工的风险，保证了施工质量。
20.2、分区注浆具有加固地层和止水的功能，增加隧道顶部和侧面的抗压强度和粘结性，保证隧道掘进时拱顶岩土体不产生塌落，从而确保了施工的安全性。
21.3、双曲臂凿岩台车大臂可弯折，更适应小断面、台阶法等隧道施工，而遥控操作大幅降低劳动强度，减少掌子面作业人员数量，提高施工质量和安全性。
附图说明
22.图1是安全步距设置图；
23.图2是三台阶长度及高度设置图；
24.图3是分区注浆中注浆孔布置立面图；
25.图4是分区注浆布置剖面图；
26.图5是注浆管安装示意图。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。
28.实施例：
29.如图1～5所示，本发明实施例提供一种分区注浆加固的隧道三台阶机械化施工方法，主要由以下步骤组成：
30.步骤1：隧道开挖施工前的准备，包括安全步距的调整、隧道施工台阶高度及长度设置、施工用电准备和施工用水准备。
31.安全步距的调整：仰拱距上台阶开挖工作面宜控制在30～40m，二次衬砌距仰拱宜保持2倍以上衬砌循环作业长度，但不得大于50m，仰拱栈桥有效搭接长度设置为12m。
32.隧道施工台阶高度及长度设置：使用双曲臂凿岩台车进行隧道施工，双曲臂凿岩台车作业时停机面设置在拱脚底板高度即仰拱位置进行开挖，作业高度为9.5m，停机面宽度为13.67m；隧道施工台阶高度及长度划分如下：上台阶高度设置为5m，长度设置为3～5m；中台阶高度设置为2.5m，长度设置为2～3m；下台阶高度设置为2m；中、下台阶左、右侧开挖应错开，严禁对开，左右侧错开距离宜为5m。
33.双曲臂凿岩台车包括台车本体，台车本体的配备有两条“z”字形钻臂，钻臂上均配置有液压系统，各液压钻臂上均安装有推进梁和凿岩机，台车本体的底盘采用轮式行走。
34.施工用电准备：双曲凿岩台车的用电系统通过100m的3
×
95+1
×
35铜电缆与配电柜电连接，供电采用380v、50hz的交流电，配置相序、过载保护的安全保护系统功能。
35.施工用水准备：准备100m的输水管，将输水管的出水端设置在双曲臂凿岩台车处，输水管的进水端与供水水源的送水管连接，台车配备增压水泵以提供10～25bar钻孔水压。
36.步骤2：进行分区注浆加固的超前支护作业，双曲臂凿岩台车为全电脑凿岩台车，利用凿岩台车进行超前钻孔作业，孔径为φ100mm；通过操控多功能拱架安装车调节吊篮平台的位置，作业人员在吊篮平台上进行入孔安装和注浆工作。
37.分区注浆：将注浆孔在掌子面分为a、b、c、d、e五组布置，钻孔孔径均为φ100mm。其中a组布置在核心土位置，间距0.8m，梅花形布置，垂直掌子面沿隧道掘进方向钻孔，注浆孔深15m；b组注浆孔布置于隧道开挖轮廓线内2.4m位置，顺轮廓线形状布置，与隧道掘进方向呈外插角往轮廓线外放射形打设，注浆孔深根据现场情况确定，原则上拱顶部分按照轮廓线外3m，两侧部分按照轮廓线外6m控制孔深；c组注浆孔布置于隧道开挖轮廓线内1.6m位置，顺轮廓线形状布置，与隧道掘进方向呈外插角往轮廓线外放射形打设，注浆孔深根据现场情况确定，原则上拱顶部分按照轮廓线外3m，两侧部分按照轮廓线外6m控制孔深，d组注浆孔布置于隧道开挖轮廓线内0.8m位置，顺轮廓线形状布置，与隧道掘进方向呈外插角往轮廓线外放射形打设，孔深15m；e组注浆孔沿隧道开挖轮廓线布置，与隧道掘进方向呈外插角往轮廓线外放射形打设，孔深15m。整体注浆顺序按照a组注浆孔
→
b组注浆孔
→
c组注浆孔
→
d组注浆孔
→
e组注浆孔的顺序进行，组内顺序采用先两边后中间对称进行。采用一次成孔、分段高压注浆的方法对隧道作业面前方拱顶轮廓线外3m以内及两侧轮廓线外6m内的岩土体进行放射形注浆加固。
38.注浆参数：注浆材料采用42.5普通硅酸盐水泥浆液～水玻璃双浆液，注浆初压力为0.5～1.0mpa，终压力为1.0～1.5mpa。
39.一次成孔、分段高压注浆：一次性钻孔到位且安装多根注浆管，注浆管采用φ25mm无缝钢管，每个注浆孔安装3根注浆管，长度分别为1m、6m、15m，采用6m长标准钢管进行切割
与丝扣连接方式进行下料。在1m和6m注浆管端头安装灌浆分段封隔阻塞器，三根注浆管整体进行安装。注浆顺序按照1m注浆管
→
6m注浆管
→
15m注浆管的顺序进行。
40.步骤3：进行开挖支护作业，其施工工序为：开挖钻孔作业
→
装药爆破
→
出渣运输
→
初喷支护
→
安装系统锚杆
→
挂设钢筋网和架设钢支撑
→
复喷支护至设计厚度、强度
→
进入下一循环。
41.开挖钻孔作业：上述超前支护完成后，通过双曲臂凿岩台车进行炮眼钻孔，根据隧道围岩等级完成钻爆图设计，测量人员掌子面按照钻爆设计标识钻孔点位；根据钻爆设计图及掌子面钻孔点位标识，按照底板眼、周边眼、辅助眼、掏槽眼顺序进行遥控施钻，对已钻好的底板眼进行堵塞保护。凿岩台车根据钻爆设计图及掌子面钻孔点位标识，按照底板眼、周边眼、辅助眼、掏槽眼顺序进行遥控施钻，对已钻好的孔进行清孔和对底板眼进行堵塞保护。
42.装药爆破：钻孔完成后，利用多功能拱架安装台车配合人工，完成炸药装填及起爆网路连线，采用专用起爆装置，在安全距离外完成起爆；采用光面爆破的方法，实现上、中、下台阶一次性爆破，爆破完成后先通风一段时间。
43.出渣运输：出渣及运输按照无轨运输模式进行组织，采用台阶法开挖时，长臂挖掘机翻渣至下台阶，采用侧翻装载机装渣，自卸汽车运输。
44.初喷支护：台阶法爆破、出渣完成后，湿喷机械手进入施工场地，先利用高压风对拱顶、掌子面浮石进行清理，然后快速初喷混凝土封闭拱顶、掌子面和边墙围岩。
45.安装系统锚杆：靠近掌子面的系统锚杆采用45度斜角向上施作，其余后方系统锚杆径向施作，梅花形布置；将双曲臂凿岩台车驶入下台阶拱脚位置，进行对应的斜向和径向系统锚杆的钻孔施工，钻孔完毕后利用多功能拱架安装台车的吊篮平台完成系统锚杆安装和注浆作业。
46.挂设钢筋网和架设钢支撑：钢筋网的网格大小按20cm
×
20cm在加工厂加工成型，人工安装，安装时用电焊点焊固定在钢架及锚杆外露头上，以防喷射砼时晃动。根据设计的衬砌类型，确定工字钢的安装间距，利用多功能拱架安装台车对钢拱架进行快速拼装，每榀钢拱架安装时，要认真定位，不偏、不斜。
47.复喷支护至设计厚度、强度：拱架安装完成后，通过湿喷机械手进行喷射混凝土施工，从下至上、以s曲线移动进行喷射。
48.上述方案中：进行步骤3的开挖钻孔作业时，周边眼施钻需根据围岩等级预留钻臂作业空间，一般为1m，确保凿岩机紧贴初支且不刮蹭岩壁或上一循环施作的初支、拱架，凿岩机、钻杆、扶钎器中心处于同一轴线。
49.在开挖作业和爆破中，局部需要爆破时，必须采用弱爆破，不得超挖，施工时应严格控制装药量，减少对围岩的扰动。
50.上述方案中：进行步骤3的初喷支护时，初喷3～5cm混凝土，以减少围岩暴露时间。
51.上述方案中：进行步骤3的安装系统锚杆时，采用直径为φ25中空注浆锚杆，长3.5m。所有锚杆均应设150mm
×
150mm
×
6mm的钢垫板，垫板应紧贴围岩，围岩不平时要用m10砂浆填平。安装端头锚固型锚杆的垫板时，螺帽的拧紧扭矩不应小于100n。安装锚杆垫板时应确保垫板与锚杆垂直，并与初喷混凝土面密贴。注浆时应注意将眼孔的气排出，注浆时应确保浆液注满孔体，水灰比控制在0.45～0.5:1，注浆压力控制在0.5～1mpa。
52.上述方案中：进行钢支撑架设施工时，钢架在初喷4cm砼后架设，与定位钢筋焊接，架设完毕后须再喷砼，并保证不少于3cm的覆盖厚度。钢架拱脚必须放在牢固的基础上，架立时垂直隧道中线，架设时中线、高程和垂直度由测量技术人员严格控制，并将中空锚杆与钢架焊接连为整体。为保证钢架整体受力，设置纵向连接钢筋(φ22螺纹钢筋)，环向间距1m。根据钢支撑间距确定连接筋的长度，连接筋与钢架的连接点焊接牢固。安设时钢架垂直隧道中线，其倾斜度不大于2
°
，钢架的任何部位偏离铅垂面不大于
±
10cm；当钢架和初喷面之间有较大间隙时设置混凝土垫块。
53.进一步地，钢架锁脚采用4根l＝3.5m的φ22锁脚锚杆锁定，压注水泥浆液进行锚固，如地质较差时，采用加长锁脚锚杆长度和再增设一根锁脚锚杆以加强钢架的稳定。必要时在拱部钢架底脚增设连接纵梁，纵梁采用32槽钢，与钢架底脚采用焊接连接，以增加钢架底脚的承力面积。
54.上述方案中：进行复喷支护作业时，喷射分段、分片、分层，由下向上，从无水、少水向有水、多水地段集中，多水处安放导管将水排出。施喷时，喷头与受喷面基本垂直，距离保持0.8～1.0m。喷射方向尽量与受喷面垂直，拱部尽可能以径直方向喷射，若岩面被钢架、钢筋网覆盖时，可将喷嘴稍加偏斜。一次喷射厚度不宜超过6cm，后一层与前一层喷射时间间隔12－20min。喷射作业应分段分片进行，分段长度不宜大于6m。按照从下向上喷射，呈现“s”形运动；喷前先找平受喷面的凹处，再将喷头呈螺旋形缓慢均匀移动，每圈压前面半圈，绕圈直径约30cm，力求喷出的混凝土层面平顺光滑。
55.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种分区注浆加固的隧道三台阶机械化施工方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：隧道开挖施工前的准备，包括安全步距的调整、隧道施工台阶高度及长度设置、施工用电准备和施工用水准备，所述隧道施工台阶高度及长度设置中使用双曲臂凿岩台车进行隧道施工；步骤2：进行分区注浆加固的超前支护作业，所述双曲臂凿岩台车为全电脑凿岩台车，利用凿岩台车进行超前钻孔作业，孔径为φ100mm，通过操控多功能拱架安装车调节吊篮平台的位置，作业人员在吊篮平台上进行入孔安装和注浆工作；步骤3：进行开挖支护作业，其施工工序为：开挖钻孔作业
→
装药爆破
→
出渣运输
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初喷支护
→
安装系统锚杆
→
挂设钢筋网和架设钢支撑
→
复喷支护至设计厚度、强度
→
进入下一循环。2.根据权利要求1所述的一种分区注浆加固的隧道三台阶机械化施工方法，其特征在于：所述安全步距的调整中仰拱距上台阶开挖工作面宜控制在30～40m，二次衬砌距仰拱宜保持2倍以上衬砌循环作业长度，但不得大于50m，仰拱栈桥有效搭接长度设置为12m。3.根据权利要求1所述的一种分区注浆加固的隧道三台阶机械化施工方法，其特征在于：在所述双曲臂凿岩台车作业时停机面设置在拱脚底板高度即仰拱位置进行开挖，作业高度为9.5m，停机面宽度为13.67m，隧道施工台阶高度及长度划分如下：上台阶高度设置为5m，长度设置为3～5m；中台阶高度设置为2.5m，长度设置为2～3m，下台阶高度设置为2m，中、下台阶左、右侧开挖应错开，严禁对开，左右侧错开距离宜为5m。4.根据权利要求3所述的一种分区注浆加固的隧道三台阶机械化施工方法，其特征在于：所述双曲臂凿岩台车双曲臂凿岩台车包括台车本体，所述台车本体的配备有两条“z”字形钻臂，钻臂上均配置有液压系统，各液压钻臂上均安装有推进梁和凿岩机，所述台车本体的底盘采用轮式行走。5.根据权利要求1所述的一种分区注浆加固的隧道三台阶机械化施工方法，其特征在于，所述施工用电准备：双曲凿岩台车的用电系统通过100m的3
×
95+1
×
35铜电缆与配电柜电连接，供电采用380v、50hz的交流电，配置相序、过载保护的安全保护系统功能。6.根据权利要求1所述的一种分区注浆加固的隧道三台阶机械化施工方法，其特征在于，所述施工用水准备：准备100m的输水管，将输水管的出水端设置在双曲臂凿岩台车处，输水管的进水端与供水水源的送水管连接，台车配备增压水泵以提供10～25bar钻孔水压。7.根据权利要求1所述的一种分区注浆加固的隧道三台阶机械化施工方法，其特征在于：所述注浆工作具体为分区注浆并采用一次成孔、分段高压注浆的方式进行。8.根据权利要求1所述的一种分区注浆加固的隧道三台阶机械化施工方法，其特征在于：所述步骤3的开挖钻孔作业时，周边眼施钻需根据围岩等级预留钻臂作业空间，确保凿岩机紧贴初支且不刮蹭岩壁或上一循环施作的初支、拱架，凿岩机、钻杆、扶钎器中心处于同一轴线。

技术总结
本发明提供一种分区注浆加固的隧道三台阶机械化施工方法，涉及隧道施工技术领域，包括以下步骤：步骤1、隧道开挖施工前的准备；步骤2、进行分区注浆加固的超前支护作业；步骤3、进行开挖支护作业。本发明依据现有的三台阶法施工经验，对三台阶法开挖技术进行改进，采用分区注浆的超前支护加强了隧道开挖掌子面的稳定性，采用双曲臂凿岩台车更加适应小断面及台阶法施工，作业范围大，不仅提高机械化施工效率，减少作业人员数量并降低作业劳动强度，也保证隧道施工安全和施工质量。也保证隧道施工安全和施工质量。也保证隧道施工安全和施工质量。


技术研发人员：李钊 杨洋 傅鹤林 任世玉 魏世恭 邓皇适 李欢 赵一博 姜智博 易海东 常小兵
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2023.07.06
技术公布日：2023/10/6