一种隧道中隔壁台阶法开挖方法

技术领域

本发明涉及一种隧道开挖方法，具体地说，是一种隧道中隔壁台阶法开挖方法。

背景技术

隧道开挖中隔壁法是以台阶法为基础，将隧道断面从中间分成左右部分，使上、下台阶左右各分成两部分，每一部分开挖并支护后形成独立的闭合单元。隧道开挖上下台阶预留核心土法，将设计断面分成上半部断面和下半部断面，错开一定距离L（台阶长度）先开挖上半断面，待开挖至一定长度后再开挖下半断面，上、下半断面在不同的工作面同时掘进施工。这两种开挖方式存在以下缺陷：

1、上下台阶预留核心土法：上下部作业有干扰，下部作业时对上部稳定性的影响较大。台阶开挖会增加对围岩的扰动次数。

2、中隔壁法：开挖断面较小，只能采取小型机械或人工开挖，分部太多，工序繁多、复杂，进度较慢。临时支撑的施作和拆除困难、成本较高。爆破作业时，易损坏中隔墙。

因此已知的隧道开挖方法存在着上述种种不便和问题。

发明内容

本发明的目的，在于提出一种安全可靠的隧道中隔壁台阶法开挖方法。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种隧道中隔壁台阶法开挖方法，其特征在于包括以下步骤：

a、开挖左侧导坑上台阶,包括作业器具就位和测量放线、布设孔位、钻孔作业、装药与炮口堵塞、网路连接与检查、警戒与起爆、通风和排险；

b、左侧导坑上台阶初期支护,包括中隔壁临时支护、拱墙初期支护；

c、开挖右侧导坑上台阶；

d、右侧导坑上台阶初期支护，包括中隔壁临时支护、拱墙初期支护；

e、拆除中隔壁临时支护；

f、开挖下台阶左侧；

g、下台阶左侧初期支护；

h、开挖下台阶右侧；

i、下台阶右侧初期支护；

j、仰拱开挖；

k、灌注仰拱混凝土；

l、铺设环向盲沟及防水板，整体灌注二衬砼。

本发明的隧道中隔壁台阶法开挖方法还可以采用以下的技术措施来进一步实现。

前述的方法，其中所述作业器具就位包括上道工序出渣结束后，将作业平台推往掌子面，将36V照明线路引至掌子面，检查水压、风压线路是否完好，风压力、水压力和蓄水池水量是否足够，送风设施是否完好。

前述的方法，其中所述布设孔位需按照爆破设计的要求，根据已绘制的开挖轮廓线标出周边眼炮眼位置，并利用中线和拱顶高程，用支距法画出掏槽眼和底板眼的位置。

前述的方法，其中所述钻孔作业先用钻机在标识的孔位位置钻取一部分控制点位，然后才进行钻孔作业，钻孔必须做到“准、平、直、齐”四要素。

前述的方法，其中所述装药与炮口堵塞的装药要求为周边眼按设计装药量和设计的不耦合间隔装药结构进行装药；炮孔堵塞要求为预制炮泥，每条长10～15cm。

前述的方法，其中所述警戒与起爆，包括步骤：a、起爆网络连接和装药完成后，吹响警戒哨，b、起爆器位置应设置在能抗冲击波、抗飞石、抗噪音的位置，c爆破采用开挖断面一次起爆，按照分区分段原则的爆破顺序为先起爆掏槽眼，再起爆掘进眼，最后起爆底眼和周边眼。

前述的方法，其中所述通风和排险，包括步骤：a、爆破后，一般通风时间不得小于15分钟，b、爆破后，应该由专职安全人员对爆破点围岩稳定情况、有无盲炮进行查看，c、派专人对爆破后松动岩石进行排除。

采用上述技术方案后，本发明的隧道中隔壁台阶法开挖方法具有以下优点：

1、左右导坑闭合成环的时间短，容易控制隧道整体下沉，有效保证了初期支护的稳定性；

2、工程质量安全可靠，每步开挖对岩体的扰动相对较小，保证了隧道施工的安全性；

3、方法施工简便，能够较好的提高隧道掌子面开挖效率，从而缩短工期，有效降低施工成本。

附图说明

图1为本发明实施例的开挖左侧导坑上台阶的施工工艺流程结构示意图；

图2为本发明实施例的装药结构示意图；

图3为本发明实施例的左侧导坑上台阶的洞身初期支护施工工序流程图；

图4为本发明实施例的中空注浆锚杆结构示意图；

图5为本发明实施例的中空注浆锚杆施工工艺流程图；

图6为本发明实施例的隧道钢筋网结构示意图；

图7为本发明实施例的格栅(型钢)钢架施工工艺流程图；

图8为本发明实施例的砂浆锚杆结构示意图；

图9为本发明实施例的隔1榀拆1榀顺序示意图；

图10为本发明实施例的隧道中隔壁台阶法开挖断面示意图。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明作更进一步说明。

实施例1

本发明的隧道中隔壁台阶法开挖方法，采用中隔壁法和上下台阶预留核心土法相结合的方式进行隧道开挖，中隔壁法只施作隧道上台阶，下台阶仍采用台阶法进行施工。隧道中隔壁台阶法开挖方法包括以下步骤：

步骤1、开挖左侧导坑上台阶。

（1）施工工艺流程，图1为开挖左侧导坑上台阶的施工工艺流程图。

（2）隧道爆破施工工序编制原则：根据围岩特点合理选择周边眼间距及周边眼的最小抵抗线，辅助炮眼交错均匀布置，周边炮眼与辅助炮眼眼底在同一垂直面上，掏槽眼加深20cm。

严格控制周边眼装药量，间隔装药，使药量沿炮眼全长均匀分布。

选用低密度低爆速、低猛度的炸药，采用2号岩石乳化炸药，非电毫秒雷管起爆。采用微差爆破，周边眼采用导爆索起爆，以减小起爆时差。

（3）作业器具就位和测量放线。

作业器具就位：上道工序出渣结束后，将作业平台推往掌子面，将36V照明线路引至掌子面，检查水压、风压线路是否完好，风压力、水压力和蓄水池水量是否足够，送风设施是否完好。测量：测量人员用全站仪和水准仪，确定出隧道中心线、拱顶面高程和拱脚高程；并在开挖轮廓线上每间隔1～2m测设出开挖轮廓控制点，利用开挖轮廓控制点用红油漆画出开挖轮廓线。

（4）布设孔位。

按照爆破设计的要求，根据已绘制的开挖轮廓线标出周边眼炮眼位置，并利用中线和拱顶高程，用支距法画出掏槽眼和底板眼的位置。其余眼由外向内按照爆破设计布置，布孔要求如下：①掏槽眼布孔误差不大于±3cm。②周边眼严格按设计开挖轮廓线布置，在硬岩层中，周边眼的眼口在断面设计轮廓线上；在软岩中，周边眼的眼口在断面设计轮廓线内小于8cm。③其余各孔不大于±5cm。

若遇挂眼困难，炮孔位置可适当调整，但必须保证调整后，相邻各孔间距均匀布置，注意掏槽眼需整体移动，孔间调整范围不得大于其误差值。

（5）钻孔作业。

由于孔位为红油漆标识，为了防止钻孔过程中，将标识的孔位位置破坏，一般先用钻机在标识的孔位位置钻取一部分控制点位，然后才进行钻孔作业。钻孔必须做到“准、平、直、齐”四要素。

（6）装药与炮口堵塞，包括以下步骤：

a、装药要求：周边眼按设计装药量和设计的不耦合间隔装药结构进行装药。其他眼按连续装药结构和设计药量装药。当掌子面凹凸不平，其各孔装药量可随炮孔深度变化作相应的调整。当实际炮孔所处位置有软层或者裂缝通过，应取消该孔装药并适当减少相邻内圈孔的用药量。炸药装填必须按安全规程操作，不得硬捅，硬捣。采用反向爆破的方式，所有非电毫秒雷管均位于孔底，聚能穴朝向传爆方向。装药结构如图2所示。

b、炮孔堵塞要求：预制炮泥，每条长10～15cm。各孔堵塞长度周边不小于20m，其余各孔不小于40cm。堵塞过程要妥善保护网路。堵塞材料应选用粘土或砂子等材料，不得选用易燃性材料。

（7）网路连接与检查，包括以下步骤：

a、每个击发雷管连接塑料导爆管数不多于24根。b、每个连接节点处，起爆雷管的绑扎位置应距离塑料导爆管端头不得小于15cm。c网路连接自有下垂不得拉紧。d、孔内雷管不得错段，具体操作时由班组长分发导爆管雷管并监督完成。e、用于连接起爆网络的中间连接雷管宜用同段、小段位的击发雷管或连接元件，严禁使用高段位雷管。f、网络连接完成后，应由有经验的爆破员组成的检查组担任，检查组不得少于两人，大型或复杂起爆网路检查应由爆破工程技术人员组织实施，保证连接可靠，传爆稳定。

（8）警戒与起爆，包括以下步骤：

a、起爆网络连接和装药完成后，吹响警戒哨，并由警戒人员从爆破工作面向外清场，待人员、机械和警戒人员全部撤离到安全距离后，再将起爆网络与起爆器连接起爆。b、起爆器位置应设置在能抗冲击波、抗飞石、抗噪音的位置，一般情况下不得小于300m。c爆破采用开挖断面一次起爆，按照分区分段原则的爆破顺序为先起爆掏槽眼，再起爆掘进眼，最后起爆底眼和周边眼。d、其他要求按爆破安全规程办理。

（9）通风和排险，包括以下步骤：

a、爆破后，一般通风时间不得小于15分钟。

b、爆破后，应该由专职安全人员对爆破点围岩稳定情况、有无盲炮进行查看，确认无危险源后，方可解除警戒。如有危险源，按相关安全规程办理。

c、派专人对爆破后松动岩石进行排除。

（10）出渣：运输采用无轨运输方式，侧卸式装载机装渣，大吨位自卸汽车运渣,洞碴直接调运至朝北沟弃土场。

步骤2、左侧导坑上台阶初期支护（包括中隔壁临时支护、拱墙初期支护）。

（1）确定洞身初期支护施工工序流程。图3为左侧导坑上台阶的洞身初期支护施工工序流程图。

（2）锚杆施工：隧道V级围岩地段采用Ф25中空注浆锚杆。图4为中空注浆锚杆结构示意图。中空注浆锚杆，直径φ25，长4m，一般主要设在V级围岩，采用锚杆钻机钻孔，注浆泵注浆施工。

组合式中空注浆锚杆施工，包括以下步骤：

a、注浆压力：0.5Mpa～1.0Mpa，达到压力时持续15分钟即可终止注浆。当注浆量超过设计值后注浆压力仍未达到设计值时，应暂停注浆，检查注浆效果。

b、采用锚杆钻机或风钻钻孔，成孔后杆体插入锚杆孔时，保持位置居中，锚杆杆体露出岩面长度不大于喷层厚度；有水地段先引出孔内的水或在附近另行钻孔再安装锚杆；并安设止浆塞和孔口垫板，插入排气管；止浆塞通过锚杆打入孔口30cm左右。

c、用注浆泵压注水泥砂浆,注浆压力0.5～1.0Mpa。锚杆孔内砂浆饱满密实，砂浆内添加适量的微膨胀剂；注浆必须等浆液从孔口周围溢出，才算注满；锚杆垫板与孔口砼密贴；随时检查锚杆头的变形情况，待水泥浆终凝后扭紧固定孔口垫板的螺栓。图5为中空注浆锚杆施工工艺流程图。

（3）钢筋网：隧道钢筋网预先在洞外钢筋加工场加工成型。钢筋类型及网格间距按设计要求施作。钢筋冷拉调直后使用，钢筋表面不得有裂纹、油污、颗粒或片状锈蚀。安装搭接长度不小于240mm，采用电阻点焊。钢筋网随受喷面起伏铺设，与受喷面的间隙一般不大于3cm。与锚杆或其它固定装置连接牢固。图6为隧道钢筋网结构示意图。

（4）格栅(型钢)钢架：格栅(型钢)钢架按设计预先在洞外钢筋加工场加工成型，在洞内用螺栓连接成整体。图7为格栅(型钢)钢架施工工艺流程图。

1）制作加工：型钢钢架采用冷弯成型。格栅钢架在洞外钢构件厂钢板作业平台上，先按设计钢格栅放出大样图，然后沿放出的大样焊接短钢筋，制作出格栅加工大样。再将已弯制好的钢筋放入格栅加工大样焊接成钢格栅,每榀钢架加工完成后放在水泥地面上试拼。钢架在开挖或喷混凝土后及时架设。

2）钢架架设要求，包括以下步骤：

a、安装前清除底脚下的虚碴及杂物。钢架安装允许偏差：钢架间距、横向位置和高程与设计位置的偏差不超过±5cm，垂直度误差为±2°。施工时在钢架基脚部位预留12cm原岩，待架立钢架时进行人工挖槽就位。当基础因湿陷性处理换填时，须将钢架接长至换填处理基底面

b、钢架拼装可在开挖面以外进行，各节钢架间以螺栓连接，连接板密贴。

c、沿钢架外缘每隔2m用钢楔或混凝土预制块楔紧。

d、钢架底脚置于牢固的基础上。钢架尽量密贴围岩并与锚杆焊接牢固，钢架之间按设计采用 25@100的U形钢筋纵向连接与钢架焊接牢固，钢筋搭接长度、环向间距均须符合设计要求。分部开挖法施工时，钢拱架拱脚打设直径为50mm的锁脚锚杆，锁脚与钢架采用U型焊接，确保钢架与锁脚连接牢固，锚杆长度4m，数量为4根。下半部开挖后钢架及时落底接长封闭成环。钢架立毕后，将钢架拱脚连接板埋住，以便与下单元钢架连接。所有钢架必须栓接，当特殊情况螺栓无法连接时，采用Φ20钢筋穿入，弯成环，焊接牢固，不得单纯使用帮焊，螺栓采用高强螺栓。

钢架与喷射混凝土形成一体，钢架与围岩间的间隙用喷混凝土充填密实；各种形式的钢架全部被喷射混凝土覆盖，保护层厚度不得小于50mm。

（5）喷射混凝土：喷射混凝土采用洞外自动计量拌和站拌和，湿喷混凝土施工，湿喷混凝土可减少回弹量，降低粉尘，提高工作效率和施工质量。

喷射支护前除去表面松土和欠挖部分，用高压风清除杂物；遇开挖面水量大时，采取措施将水集中引排。对设备进行检查和试运转；在受喷面、各种机械设备操作场所配备充足照明及通风设备。

按照设计厚度利用原有部件如锚杆外露长度等，也可在岩面上打入短钢筋，标出刻度，做为标记。

粗骨料加入拌和前要再次过筛，以防超径骨料混入，造成堵管。细骨料应堆放在防雨料库，以控制含水量。

喷射纤维混凝土中的石子最大粒径不宜大于10mm，骨料级配宜采用连续级配；混凝土搅拌宜优先采用将纤维、水泥、骨料先干拌后加水湿拌的方法，且干拌时间不得少于1.5min。

混凝土喷射机安装调试好后，在料斗上安装振动筛（筛孔10mm），以避免超粒径骨料进入喷射机。

喷射时，送风之前先打开计量泵，送风后调整风压，使之控制在0.45～0.70MPa之间，若风压过大，粗骨料碰围岩后会回弹；风压小，喷射动能小，粗骨料冲不进砂浆层而脱落，都将导致回弹量增大。以混凝土回弹量小、表面湿润有光泽、易粘着为度来控制喷射压力。

喷射方向与受喷面垂直，工作中喷头与受喷面采用计算机自动控制，与岩面方向垂直等距喷射；若受喷面被钢架、钢筋网覆盖时，可将喷咀稍加偏斜，但不宜小于70°。

一次喷射厚度不宜超过5～6cm，过大会削弱混凝土颗粒间的凝聚力，使喷层因自重过大而大片脱落，或使拱顶处喷层与围岩面形成空隙；过小，则粗骨料容易弹回。分次喷至设计厚度，两层喷射的时间间隔为15～20min。影响喷层厚度的主要原因是速凝剂作用效果和气温。

为提高工效和保证质量，喷射作业应分片进行。为防止回弹物附着在未喷岩面上影响喷层与岩面间的粘结力，按照从下往上施喷，呈“S”形运动；喷前先找平受喷面的凹处，再将喷头成螺旋形缓慢均匀移动，保证混凝土层面平顺光滑。

喷混凝土的原材料、配合比（包括速凝剂的添加量）不仅要满足要求，而且速凝剂的凝结时间、与水泥的相容性、对强度的影响都要达到要求。喷射混凝土强度为C25。

喷射混凝土的现场配比应适当提高其强度等级，以确保附着在围岩面上的喷混凝土层的设计强度。

喷射混凝土紧跟开挖掌子面进行，当围岩破碎、稳定性差时，一般采用小药量的松动爆破，初喷（厚4cm以上）、锚杆、钢筋网、钢架、复喷（二喷、三喷）等作业可以连续进行，直到达到设计要求。架设好格栅钢架后，迅速用喷射混凝土封填，使之发挥支护能力。

围岩较完整、稳定时间较长时，初喷、锚杆、钢筋网等施工后即可进行开挖作业，待下一循环初期支护时间再复喷，可将设计厚度的喷层厚分两、三次完成，由于每层间隔为一循环时间，每层因爆破产生的裂纹在下一次喷混凝土时被填充，而新喷层距掌子面渐远，所受的爆破振动亦越小，使喷混凝土层的支护能力更强。

喷射混凝土回弹量拱部控制在30%左右，侧墙控制在20%左右。

（6）中隔壁临时支护除锚杆外，其余与左侧导坑上台阶初期支护相同。图8为砂浆锚杆结构示意图。

超前锚杆施工：

1）按施工图要求进行锚杆搭设轮廓线测量放样，在开挖面上准确画出本循环需设的锚杆孔位。

2）钻孔：采用YT-28型风钻进行钻孔，钻孔达到设计深度后，利用高压风进行清孔，清孔结束后，采用风钻将锚杆顶入，锚杆尾端外露长度适中，超前锚杆外插角严格按设计要求施作，尾部与搭设焊接在刚架外缘，成为一体。超前锚杆与线路中线方向大致平行。孔位钻设偏差不超过10cm，孔径应符合设计要求。

3）锚杆安装，水泥砂浆：砂浆锚杆孔内的砂浆采用灌浆罐和注浆管进行注浆。注浆开始或中途停止超过30min时应用水润滑灌浆罐及其管路，注浆孔口压力不得大于0.4MPa,注浆时应堵塞孔口。注浆管应插至距孔底5～10㎝处，随水泥砂浆的注入缓慢匀速拔出。

锚杆安装中锚杆头就位孔口后，随即迅速将杆体插入并安装到位。若孔口无水泥砂浆溢出，说明注入砂浆不足，应将杆体拔出重新灌注后再安装锚杆；锚杆杆体插入孔内的长度不宜小于设计长度的95﹪。锚杆安设后，不得随意敲击。

钻孔注浆的饱满程度，是确保安装质量的关键，工艺要求注浆管插到距孔底5～10㎝，并随砂浆的注入而缓慢匀速拔出，就是为了避免拔管过快而造成孔内砂浆脱节。砂浆不足时应重注砂浆。这都是为了保证锚杆全长为足够饱满的砂浆所握裹，保证其锚固效果。

砂浆锚杆安装后不久，随意敲击杆体将影响砂浆与锚杆杆体、砂浆与孔壁的粘结强度，降低锚杆的锚固力。砂浆三天所能达到的强度为28天强度的40%左右，因此，规定三天内不得悬挂重物，不但是为了保证锚固质量，也是为了防止发生安全事故。

步骤3、开挖右侧导坑上台阶。（同上述开挖左侧导坑上台阶）

步骤4、右侧导坑上台阶初期支护（包括中隔壁临时支护、拱墙初期支护）。（同上述左侧导坑上台阶初期支护）。

步骤5、拆除中隔壁临时支护。

（1）凿除临时钢架间的喷砼及钢筋网。

在临时钢支撑拆除施工中，喷射混凝土的凿除是最为困难的，而且不能产生过大的震动，避免对围岩及初期支护结构产生过大扰动。否则，可能导致初期支护开裂，结构失稳，造成不必要的安全质量事故。这就需要对混凝土的凿除过程进行严格的控制技术控制。经过总结，在凿除喷射混凝土的过程中，采用风镐凿除，对结构和围岩的扰动不会造成太大的影响，必要时采用炮锤破除喷射混凝土。采用电气焊切断钢筋网，搭设钢管脚手架作为工作平台。

采用风镐凿除喷射砼，采用电气焊切断钢筋网，在凿除喷砼过程中，应逐榀钢架自上而下进行，凿除过程中，下方严禁行人机械通过。作业区前后设专人设防。防护区，防护区长度为台架长度前后2米范围，注意在凿除砼、切断钢筋网过程中，尽量保证连接筋的连接，防止凿除期间侧壁钢架失稳。凿除完毕后，及时清理砼碴与废钢筋网，废钢筋网应指定地点堆放，以便日后集中处理。

（2）拆除侧壁钢架。

在两侧壁钢架顶部切开2～3cm，监测隧道变形量和变形速率，隧道变形量和变形速率在正常范围内时，采取隔1榀拆1榀的方法，图9为隔1榀拆1榀顺序示意图。利用下一榀侧壁钢架采用绳索固定侧壁钢架上部和底部，然后去掉与初期支护的连接螺栓，切断与该钢架相连的所有连接筋，先放松上部绳索，放倒侧壁钢架后，同时放松上部、底部绳索，把钢架放到地面，完成整个拆除流程。若变形不稳定，及时对切开部位进行绑焊，并对周边岩层进行注浆加固。

（3）拱部初支杂物的清理及基面喷砼找平。

1）对拱部连接处杂物进行清理，并洒水湿润。

2）对基面和局部破坏的初期支护进行喷砼找平，确保防水层施工质量。

3）喷砼搅拌混合料采用强制式搅拌机，搅拌时间不小于2分钟。

4）混凝土喷射机具性能良好，输送连续、均匀，技术性能满足喷射混凝土作业要求。

5）喷射混凝土作业前，清洗受喷面，喷射混凝土作业区有足够的照明，作业人员佩带好作业防护用具。

步骤6、开挖下台阶左侧。（同上述开挖左侧导坑上台阶）。图10为隧道中隔壁台阶法开挖断面示意图，图中：1为左侧导坑上台阶。2为左侧导坑上台阶初期支护（包括侧壁临时支护、拱墙初期支护）。3为右侧导坑上台阶。4为右侧导坑上台阶初期支护（包括侧壁临时支护、拱墙初期支护）。5为下台阶左侧。6为下台阶左侧初期支护。7为下台阶右侧。8为下台阶右侧初期支护。9为仰拱。

步骤7、下台阶左侧初期支护。（同上述左侧导坑上台阶初期支护）

步骤8、开挖下台阶右侧。（同上述开挖左侧导坑上台阶）

步骤9、下台阶右侧初期支护。（同上述左侧导坑上台阶初期支护）

步骤10、仰拱开挖。

步骤11、灌注仰拱混凝土。

步骤12、铺设环向盲沟及防水板，整体灌注二衬砼。

本发明具有实质性特点和显著的技术进步，本发明的隧道中隔壁台阶法开挖方法施工简便，能够较好的提高隧道掌子面开挖效率，从而缩短工期，有效降低施工成本，左右导坑闭合成环的时间短，容易控制隧道整体下沉，有效保证了初期支护的稳定性，每步开挖对岩体的扰动相对较小，保证了隧道施工的安全性。

本发明的隧道中隔壁台阶法开挖方法在十堰市武当路复线与三峡路PPP工程中运用，效果显著，有效提高了隧道掌子面开挖的效率，缩短工期，确保安全。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变化。因此，所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求限定。