隧道开挖初期支护的施工方法

技术领域

本发明涉及公路隧道施工技术领域，具体涉及一种隧道开挖初期支护的施工方法。

背景技术

中国作为世界上隧道和地下工程最多、最复杂和今后发展最快的国家，现有隧道主要以长、特长隧道为主，而由于四车道适用情况多，应用范围广，已经成为实际公路隧道中占比最多的类型。

由于断面跨度大、高跨比大及开挖面积大，隧道初期支护要求严格，该类型隧道在初支阶段往往采用过于保守的支护手段及超过必要安全储备的初支厚度，导致隧道施工进展缓慢，且导致工程造价高昂。如何在公路隧道全面机械化的前提下，合理优化公路隧道初支方法和技术，是现在隧道工程中的一个重要问题。在此前提下，公路隧道初期支护施工技术得到了飞速发展和不断创新，得到了一大批切实有效的施工方法。

如专利公开号为CN114439507A公开了一种穿越富水断层构造带的隧道初期支护施工方法，其钻孔导向装置对钻具能够起到积极引导作用，增加了锚杆孔位置的精确度，提高了锚喷联合支护效果，实现了对调节杆与卡座的同时固定和同时解除限制，给操作者使用钻孔导向装置提供了便利。但是其并没有显著降低工程成本，无法进一步节约公路隧道初支结构混凝土和钢筋用量，工程收益低下。

发明内容

基于此，有必要针对现有隧道初期支护方法，隧道初支结构混凝土和钢筋用量较大，工程收益低下的问题，提供一种隧道开挖初期支护的施工方法。

一种隧道开挖初期支护的施工方法，包括：

进行超前地质预报，并根据围岩情况设计不等厚喷射混凝土及不等距钢拱架结构；

采用凿壁台机进行钻爆作业，并利用装载机对凿壁台机开挖的遂渣进行出渣；

采用拱架安装机安装上台阶拱架，中下台阶采用人工立架，并结合自进式锁脚工艺进行固定；其中，拱架安装根据前述设计的不等距进行安装；

采用湿喷机械手进行喷射混凝土作业，用速凝砂浆封口，向前进行开挖；其中，混凝土根据前述设计的不等厚进行喷射作业；

系统锚杆采用预应力锚杆主动支护，并对隧道掌子面进行预加固，最后施作仰拱，二衬及循环开挖。

在其中一个实施例中，所述进行超前地质预制的步骤具体为：

首先采用地质预报系统和地质雷达对前方围岩的总体情况、岩层分布进行宏观检测；随后根据检测结果，选择重点部位进超前水平钻探，依据钻杆内岩土结构、构造及水文地质具体判定前方围岩的性质。

在其中一个实施例中，凿壁台机开挖位置位于单元起始段工字钢上侧后方。

在其中一个实施例中，钢拱架从单元起始端至单元结束端的厚度逐渐增加，不等厚不等距钢拱架与等厚等间距钢拱架的等效刚度相同。

在其中一个实施例中，所述采用凿壁台机进行钻爆作业的步骤具体为：

采用两台ZYS113型全电脑三臂凿岩台车进行钻爆作业，台车6个作业臂同时进行装药，采用长短眼的方式控制最大超挖值。

在其中一个实施例中，所述利用装载机对凿壁台机开挖的遂渣进行出渣的步骤具体为：

出渣时，上台阶增加至两台侧卸式装载机同时出渣，随着上中下台阶同步向前掘进，将上中下流水出渣调整为上、中同步出渣，单次作业时间约为4～5h。

在其中一个实施例中，所述采用拱架安装机安装上台阶拱架的步骤具体为：

将原有上台阶9节拱架优化为5节，在地面组装连接后，通过机械臂逐榀整体抬升、定位和加固，利用作业框进行拱架纵向连接及钢筋网片焊接施工。

在其中一个实施例中，所述自进式锁脚工艺进行固定的步骤具体为：

采用后置式R51N自进式锁脚工艺，利用垫板、螺母将自进式锁脚与纵向连接工字钢固定牢靠。

在其中一个实施例中，所述系统锚杆采用预应力锚杆主动支护的步骤具体为：

系统锚杆采用Φ25mm涨壳式预应力锚杆主动支护，锚杆长度嵌入围岩松动圈。

在其中一个实施例中，所述对隧道掌子面进行预加固的步骤具体为：

采取自进式管棚及玻璃纤维锚杆对掌子面进行预加固，实际长度应与循环进尺相匹配，确保有效搭接。

上述隧道开挖初期支护的施工方法至少具有以下优点：

可以充分发挥各支护施工方式的优势，通过不等厚不等距初支的施工方法，可以在保障隧道稳定性和安全性的基础上，大幅度减小隧道混凝土和钢筋的用量，从而减少工程造价和经济成本。本方法不仅可操作性强，而且经济合理，施工成本较低，可有效抑制初期过大变形避免塌方，同时充分降低施工难度，大大提高施工速率，确保此类型隧道的设计要求，保证结构安全可靠，从而达到安全、经济和实用的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为一实施方式中隧道开挖初期支护的施工方法的流程图；

图2为一实施方式中隧道初期支护的结构示意图；

图3为图2中a区域的放大图；

图4为常规三榀钢拱架与混凝土初期支护的示意图；

图5为不等距不等厚三榀钢拱架与不等厚混凝土初期支护的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此发明不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1，一实施方式中的隧道开挖初期支护的施工方法，包括以下步骤：

步骤S110：进行超前地质预报，并根据围岩情况设计不等厚喷射混凝土及不等距钢拱架结构。

具体地，主要采用TSP203地质预报系统、地质雷达和超前水平钻探相结合方式进行掌子面前方围岩预测。首先采用TSP203地质预报系统和地质雷达对前方围岩的总体情况、岩层分布进行宏观检测。随后根据检测结果，选择重点部位进超前水平钻探，依据钻杆内岩土结构、构造及水文地质具体判定前方围岩的性质。若没有重点段落，一般取隧道断面的三个点，中上部、左侧、右侧，将钻探出的围岩综合对比分析，以2m一个断面记录其围岩状况，超前水平钻孔一般范围为25～30m。

然后，根据围岩情况设计不等厚喷射混凝土及不等距钢拱架结构。针对软岩公路隧道，结合机械施工效率试验，决定采用三臂凿岩台车进行机械开挖。由于机械臂自身尺寸原因，初支开挖时存在一定超挖角度，依据最小嵌岩臂理论：

依据实际工程经验有：

实际操作中外插角度控制约为10°左右。在常规凿壁台机中，凿壁机开挖位置一般位于单元起始段上方一定距离处。如图2所示的隧道初期支护的结构，图中的a区域放大后如图3所示，常规开挖外轮廓线10向外偏移约为10°左右，开挖位置一般位于单元起始段上方。

但是，在本施工方法中，凿壁机开挖位置位于单元起始段工字钢上侧后方，本发明的不等距不等厚开挖轮廓线20位于常规开挖轮廓线10的内侧，常规开挖轮廓线10相对不等距不等厚开挖轮廓线20平均超挖28-30cm。因此，可在不减小外插角度的基础上，大大减少所消耗的喷射混凝土水泥用量。节约用量＝单元循环总进尺×节约超挖平均高度。

凿壁岩车无论是常规还是改良后的开挖外轮廓线，其混凝土层都是不等厚的，当采用常规等规格等距钢拱架时，单元起始端的钢拱架存在强度富余，而单元结束段的混凝土厚度较大，等规格钢拱架提供的刚度可能有所不足。因此，在符合《公路隧道设计规范》的前提下，可以计算出不等厚不等距钢拱架和等厚等间距钢拱架的等效刚度，从而保证材料性能的最大化发挥。

其中，以三榀钢拱架为例，图4为常规等规格等距钢拱架与等厚混凝土的初期支护，图5为不等厚不等距钢拱架与不等厚混凝土的初期支护。

抗压(拉)刚度有：抗压总刚度EA

其中，E

抗弯刚度EI，设计要求I

I1＝3×I1

I2＝I2

中心点求解：

Y

I1

I

其中，EI为抗弯刚度，I为惯性矩，I1指图4中构件的总惯性矩，I1

依次可求得I2

因此，本实施方式中，钢拱架从单元起始端至单元结束端的厚度逐渐增加，不等厚不等距钢拱架与等厚等间距钢拱架的等效刚度相同，保证材料性能的最大化发挥，进而减少工程造价和经济成本。在确定以上不等厚喷射混凝土的初始和最终位置，以及不同厚度钢拱架的尺寸后，即可开始下一步施工。

步骤S120：采用凿壁台机进行钻爆作业，并利用装载机对凿壁台机开挖的隧渣进行出渣。

具体地，采用两台ZYS113型全电脑三臂凿岩台车进行钻爆作业。2min可完成一个钻爆孔，上台阶245个炮眼，6个臂同时作业2h可完成钻孔。台车6个作业臂同时进行装药。考虑到凿岩机功率较大的特点，在掌子面围岩稳定性较好的前提下，采用大循环进尺。循环进尺应控制在4榀。因系统外插角较大，应采用长短眼的方式控制最大超挖值。

出渣时，上台阶增加至两台侧卸式装载机同时出渣，随着上中下台阶同步向前掘进，将上中下流水出渣调整为上、中同步出渣，单次作业时间约为4～5h。

步骤S130：采用拱架安装机安装上台阶拱架，中下台阶采用人工立架，并结合自进式锁脚工艺进行固定；其中，拱架安装根据前述设计的不等距进行安装。

具体地，采用一台SCD133型拱架安装机安装上台阶拱架，中下台阶采用人工立架。为充分发挥机械臂抓举力大的特点，将原有上台阶9节拱架优化为5节，在地面组装连接后，通过机械臂逐榀整体抬升、定位(激光法)、加固。利用作业框进行拱架纵向连接及钢筋网片焊接施工。采用后置式R51N自进式锁脚工艺，利用垫板、螺母将自进式锁脚与纵向连接工字钢固定牢靠，该种结构既避免了钻进过程中对已安装拱架的破坏，同时又加强了拱架榀与榀间的整体性。

其中，钢拱架安装过程中，按照前述设计的不等距安装进行安装，钢拱架的厚度根据设计位置对应选择。具体地，钢拱架沿单元起始段至单元结束段的方向间距逐渐减小，而厚度逐渐增大。

步骤S140：采用湿喷机械手进行喷射混凝土作业，用速凝砂浆封口，向前进行开挖；其中，混凝土根据前述设计的不等厚进行喷射作业。

具体地，采用GHP3015E湿喷机械手进行喷射混凝土作业，用速凝砂浆封口，向前进行开挖，并用喷射混凝土封闭工作面，完成初喷。考虑到隧道断面较大，上台阶可采用双湿喷机械手同时作业，中下台阶左右分别一台湿喷机械手作业。其中，喷射混凝土的厚度根据前述设计进行喷射作业，即混凝土厚度沿单元起始段至单元结束段的方向厚度逐渐增大。

步骤S150：系统锚杆采用预应力锚杆主动支护，并对隧道掌子面进行预加固，最后施作仰拱，二衬及循环开挖。

具体地，系统锚杆采用Φ25mm涨壳式预应力锚杆主动支护，使初期支护在爆破前形成“应力拱”，控制了支护的变形，锚杆长度应嵌入围岩松动圈一定深度。经对注浆前后涨壳式预应力锚杆进行拉拔力检测，注浆前锚杆可提供约30KN锚固力，注浆后预应力锚杆抗拉拔力符合设计要求(≥50kN)。采用凿岩台车进行系统锚杆施工，采用凿岩台车进行系统锚杆施工，可充分保证锚杆角度与岩面垂直，锚杆间距可控。

对于软岩隧道，主要采取以9m长为主的Φ51*8mm自进式管棚及15m长Φ25*6mm玻璃纤维锚杆对掌子面进行预加固，实际长度应与循环进尺相匹配，确保有效搭接。自进式管棚自带钻头，利用管体做钻杆，具有防塌孔、成型速度快的特点。考虑到随着钻进深度加深，后续施工主要以9m长自进式管棚为主。同时，为控制掌子面开挖外插角，掌子面距初支需预留1.7m空间。

最后，施作仰拱，二衬及循环开挖。

上述施工方法的特点在于：针对软岩公路隧道采用了包括三臂凿岩台车、后后置式R51N自进式锁脚工艺、SCD133型拱架安装机侧卸式装载机、GHP3015E湿喷机械手、Φ25mm涨壳式预应力锚杆主动支护、自进式管棚及玻璃纤维锚杆在内的多种支护结构形式，并对多种支护结构形式进行了组合应用、实现了优势互补。本发明施工方法的特点还在于，针对全机械化开挖背景下，凿壁台车不可避免的存在过度超挖的情况，提出了一种不等厚不等距初期支护设计方法，将凿壁机车从工字钢顶部上面改为上部翼缘后侧，并针对不同厚度的喷射混凝土采用不同尺寸的型钢排布和理论计算。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的隧道初期支护施工方法可以充分发挥各支护施工方式的优势，通过不等厚不等距初支的施工方法，可以在保障隧道稳定性和安全性的基础上，大幅度减小隧道混凝土和钢筋的用量，从而减少工程造价和经济成本。本方法不仅可操作性强，而且经济合理，施工成本较低。本发明的隧道初期支护施工方法可有效抑制初期过大变形避免塌方，同时充分降低施工难度，大大提高施工速率，确保此类型隧道的设计要求，保证结构安全可靠，从而达到安全、经济和实用的目的。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。