強巖溶高富水城市淺埋隧道懸臂掘進機施工工法的製作方法
2023-10-10 18:00:24
本發明涉及隧道挖掘技術領域，尤其涉及一種強巖溶高富水城市淺埋隧道懸臂掘進機施工工法。
背景技術：
現今地鐵施工已在各大城市普遍開展，針對不同地區水文地質條件的不同，隧道掘進的施工工法也在日益完善，尤其是在城市繁華地段，地質條件複雜、房屋建築密集、車流量大、人口眾多的情況下，為確保在施工過程中的施工安全及周邊環境安全，減少對周邊居民及建築物的影響，在隧道挖掘中，如果隧道處於典型的喀斯特地貌地區，施工過程中遇溶洞概率很大，突泥湧水現象時常發生，巖石的完整性也很差，隧道所處地段為高巖溶、高富水地段，地質條件相當複雜，施工安全風險大，技術難度高，因此，需研究出一種適用於複雜地質環境下城市淺埋隧道的施工方法，解決在城市複雜地質環境下地鐵施工困難的問題。
技術實現要素：
為了解決上述技術問題，本發明提供了一種強巖溶高富水城市淺埋隧道懸臂掘進機施工工法，其目的是在複雜地貌下可以實現隧道挖掘工作，且對周邊環境影響較小，安全性較高。
為了實現上述目的，本發明提供以下技術方案：
一種強巖溶高富水城市淺埋隧道懸臂掘進機施工工法，包括以下步驟：
S1：進行開挖掌子面的測量定位，然後利用超前地質預報系統進行地質勘測；
S2：採用懸臂掘進機及其上面的截齒對巖體進行開挖，並利用掘進機自帶的排渣裝置完成渣石的初次排出；
S3：當渣石積累到一定量時，在掘進機後方採用挖掘機裝料，利用運輸車或皮帶機將渣石運至豎井集料鬥內，再通過料鬥或其它垂直運輸裝置提升至地面；
S4：掘進機完成一個開挖循環後，將其退至掌子面後方一定距離，後施做錨杆，架設鋼桁架；
S5：進行噴射混凝土初襯施工，封閉開挖的巖面，完成初期支護；
S6：進行二襯混凝土澆築施工，形成成型隧道。
進一步地，在S2步驟之前，進行超前鑽孔或地質鑽探，探明掌子面前方一定範圍內是否分布溶洞，若是，確定溶洞位置和大小，對其採取洩水和注漿封堵填充，再掘進開挖；若否，直接進行掘進開挖。
進一步地，在步驟S2中，掘進機開挖過程中在下穿施工時不斷布設地面監測，以監測數據進行動態反饋，控制每次掘進循環的開挖長度。
進一步地，在步驟S2中，在掘進機施工過程中不斷進行通風和抽風除塵操作，通風採用壓入式通風，抽風採用除塵機抽風。
進一步地，在步驟S1中，超前地質預報系統勘測包括：
a、超前水平鑽孔：施工時掌子面每個斷面布設4個探孔並一孔取巖心，探測孔15m一個循環，單孔長度20m，相鄰探測孔之間的搭接長度為5m；
b、地質雷達：掌子面布置5條線，每15m一個循環，探測深度20m，相鄰兩次搭接5m；
c、紅外探水：掌子面布置20個點，每20m一個循環，探測深度25m，相鄰兩次搭接5m。
本發明提供了一種強巖溶高富水城市淺埋隧道懸臂掘進機施工工法，其有益效果在於：通過懸臂掘進機採用一層層剝離巖層的方式開挖，對周邊的影響較小，提高施工安全及質量，同時提高了施工效率，降低了施工成本。
附圖說明
圖1為本發明提供的強巖溶高富水城市淺埋隧道懸臂掘進機施工工法的掘進機的一種切割方式示意圖；
圖2為本發明提供的強巖溶高富水城市淺埋隧道懸臂掘進機施工工法的掘進機施工工序轉換圖；
具體實施方式
下面將結合本發明實施實例中的附圖，對本發明實施實例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施實例僅僅是本發明一部分實施實例，而不是全部的實施實例。基於本發明中的實施實例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施實例，都屬於本發明保護的範圍。
本發明提供了一種強巖溶高富水城市淺埋隧道懸臂掘進機施工工法，包括以下步驟：
S1：進行開挖掌子面的測量定位，然後利用超前地質預報系統進行地質勘測；
S2：採用懸臂掘進機及其上面的截齒對巖體進行開挖，並利用掘進機自帶的排渣裝置完成渣石的初次排出；
S3：當渣石積累到一定量時，在掘進機後方採用挖掘機裝料，利用運輸車或皮帶機將渣石運至豎井集料鬥內，再通過料鬥或其它垂直運輸裝置提升至地面；
S4：掘進機完成一個開挖循環後，將其退至掌子面後方一定距離，後施做錨杆，架設鋼桁架；
S5：進行噴射混凝土初襯施工，封閉開挖的巖面，完成初期支護；
S6：進行二襯混凝土澆築施工，形成成型隧道。
通過上述步驟，使得通過懸臂掘進機採用一層層剝離巖層的方式開挖，對周邊的影響較小，提高施工安全及質量，同時提高了施工效率，降低了施工成本。
在S2步驟之前，進行超前鑽孔或地質鑽探，探明掌子面前方一定範圍內是否分布溶洞，若是，確定溶洞位置和大小，對其採取洩水和注漿封堵填充，再掘進開挖；若否，直接進行掘進開挖。
在掘進機的選型上，可以根據全斷面高度、寬度和巖石硬度幾個參數確定掘進機的型號，例如：全斷面高度為5.73m，寬度為6.62m，巖石硬度為30MPa至60MPa，根據這幾個參數，可採用型號為EBZ260的掘進機。
在挖掘時可採取懸臂掘進機截割的方式，在懸臂式掘進機就位後，開始從掌子面底部水平切削出一條槽，向前移動掘進機再一次就位，就位後截割頭採取自下而上、左右循環切削，在切削同時鏟板部耙爪將切削下來的碴裝入第一運輸機，第一運輸機轉運至第二運輸機，第二運輸機直接裝入出碴車運出洞外，再從底部開挖到頂部完成後，進行二次修整以達到準確的設計斷面，當局部遇有硬巖時，硬度大於100MPa，可先掘周圍軟巖，使大塊硬巖墜落，以降低掘進難度及截齒消耗量，懸臂式掘進機的截割方式是從掃底開始截割，再按S型或Z型左右循環向上的截割路線逐級截割以上部分。
如圖1所示，在實際中可選用右旋截割頭截割硬巖，先由右向左從掃底開始截割，再按從左至右、自下往上的方式或從右往左、自上而下逐步進行截割，如遇節理髮育較好巖石，則應選擇沿巖石節理方向逐步切割。
針對不同硬度的巖石可定製不同的截齒以及合理的截齒螺旋線排布，確保機器有更好的掘削能力，並具有自潔功能，可根據實際工況條件選擇最佳截割頭，提高施工效率，當局部遇有硬巖時，可以選用小直徑切割頭，切割力大，破巖能力強，以降低掘進難度及截齒消耗量。
在挖掘過程中，需要進行懸臂掘進機超欠挖控制，由於隧道施工環境複雜，採用掘進機非爆破開挖的施工方法，在掘進機開挖過程中無法全程架設儀器進行測量，因此需要引導開挖方向，為此，可在隧道已初支完成的部分安裝一環雷射指向儀，在開挖前調整雷射指向儀的方向，讓雷射照到掌子面處指導開挖，同時根據隧道線型適當調整雷射指向儀距掌子面的距離，採用上述方法可以較好地控制超欠挖，減少噴混料，同時節約成本，對隧道掘進的控制起到一個指導性的作用。
步驟S3中，為改善洞內施工環境，降低工人勞動強度，在掘進機後部配置一臺小型挖掘機和翻鬥車配合掘進機出渣，掘進機將截割下來的渣土通過耙爪裝運上傳送帶，轉運至掘進機尾部，挖機裝運至翻鬥車上運出，為掘進機開挖及時提供施工場地。
步驟S4中，在對掌子面輪廓線修整後，需採用自製臺架對已開挖的部分進行立架作業，自製初支臺架長6m、寬5m、高5m，採用I 18工字鋼加工而成，分為上下兩個工作平臺，開挖前先將臺架用掘進機頂至開挖作業面後部，待掌子面開挖完成後將掘進機退出，同時用掘進機將臺架頂至立架作業面，保證臺架穩定後將掘進機退出。
其中，如圖2所示，由於掘進機尺寸比較大，在隧道內剛好能行走，如果掘進機在一個掌子面開挖完成後仍然停在該掌子面，掘進機的工效將達不到預期的效果，同時還嚴重影響掌子面立架、噴砼工作，因此，可對隧道內各道工序之間進行合理的轉換，保證施工進度，確保充分利用掘進機，充分發揮掘進機的工作效率，同時在此過程中需注意對掘進機的保養工作，避免機械損壞造成不必要的時間浪費，具體實現方法為：兩臺掘進機分別安排在左中、右中進行開挖，當掘進機開挖完成，掘進機將初支臺架頂推到位後，掘進機退回至橫通道處掉頭分別進入左延、右延進行開挖，同時左中、右中進行立架和噴砼作業，基本保證立架、噴砼的時間段內掘進機能將另外一個掌子面開挖完成，保證隧道內各工序之間的銜接，若某個掌子面的仰拱開挖距離達到相關要求時，掘進機在一個掌子面進行開挖完成後，進入另一個掌子面進行仰拱開挖，若另一個掌子面也達到要求時，採取同樣的方法進行轉換作業。
一種較佳的實施方式中，在步驟S2中，掘進機開挖過程中在下穿施工時不斷布設地面監測，以監測數據進行動態反饋，控制每次掘進循環的開挖長度。
一種較佳的實施方式中，在步驟S2中，在掘進機施工過程中不斷進行通風和抽風除塵操作，通風採用壓入式通風，抽風採用除塵機抽風，由於懸臂掘進機在掘進過程中會產生大量粉塵，採用常規的壓入式通風會使粉塵吹到隧道裡面，在掘進機開挖過程中，隧道內一直處於粉塵濃度高的狀態，為保證隧道施工過程中施工人員不受粉塵侵襲，使得隧道內有一個良好的施工環境，採用掘進機截割頭上的噴淋設備不能滿足施工作業環境要求，需在懸臂掘進機掘進過程中對粉塵濃度採取有效的措施，如在掘進機後方增加一臺22KW的除塵風機，從原來的壓入式通風轉變成壓入式和抽出式相結合的方式，除塵風機的布置位置主要採用下列方法確定：
除塵風機在隧道內能通過吸風口吸收大量的汙濁空氣,並通過自身內部的除塵裝置過濾汙濁空氣中的粉塵，並將新鮮空氣排出，實現對隧道內粉塵的捕捉，除塵風機吸風口的強大氣流會在周圍形成局部負壓區，局部負壓區的存在對於汙濁空氣的匯流有重要作用，通過風口匯流有效吸程的計算式為：取隧道斷面面積為38㎡，可得到除塵風機的有效吸程約為18.6m，在實際通風設計中，壓入新風量為6至8m3/s，風口直徑1.2m，壓入口風速約為6m/s，而除塵風機的吸風口流量為4m3/s，風口直徑0.6m，風口的空氣流速高達14.1m/s,局部負壓作用十分明顯，這也是除塵風機匯流作用的基礎，為了儘可能控制粉塵在儘可能小的隧道區域，只需保證其有效吸程能夠覆蓋住機體尾部，因此，除塵風機布置在懸臂式掘進機後方約18m的位置效果較好，根據實際情況調整計算，可確定隧道風機風壓為除塵風機風壓的1.5倍，且將除塵風機安放在距掌子面30m位置處，起到的除塵效果最好。
一種較佳的實施方式中，在步驟S1中，超前地質預報系統勘測包括：
a、超前水平鑽孔：施工時掌子面每個斷面布設4個探孔並一孔取巖心，探測孔15m一個循環，單孔長度20m，相鄰探測孔之間的搭接長度為5m；
b、地質雷達：掌子面布置5條線，每15m一個循環，探測深度20m，相鄰兩次搭接5m；
c、紅外探水：掌子面布置20個點，每20m一個循環，探測深度25m，相鄰兩次搭接5m。
由於在隧道處於高巖溶、高富水地區，開挖過程中較一般地段難度較大，需結合超前地質預報系統的結果確定合適的截割方式，根據探測結果，在掌子面前方探測結果顯示異常的地段開挖過程中，一般的開挖方法為：從異常位置鑽一個小孔，然後以螺旋的形式一圈圈往外擴大，以保證掘進過程中儘量減少對前方圍巖造成大的擾動，防止無預測性的突泥湧水等事故發生。
本發明的適用範圍較廣，可適用於施工周邊環境比較複雜，巷道或隧道側穿或下穿建築物、河流、道路等安全風險較大的施工段落以及由於各種原因不能採用爆破開挖施工的類似隧道工程。
本發明的優勢在於：
1、以懸臂掘進機作為巖體開挖機械，進行隧道開挖，機械化程度較鑽爆法高，地面無爆破振動，對地層的擾動極小。
2、懸臂掘進機開挖與錨杆打設，噴射混凝土，鋼桁(拱)架的架設銜接施工，依次進行，完成隧道開挖和初期支護。
3、懸臂掘進機開挖與地質預報結合，採用超前鑽探以及物探方法確定前方的地質狀況，為溶洞的提前處理和施工提供支持。
4、採用移動式雷射導向的掌子面定位技術，保證掌子面位置的準確性。
5、緊密結合現場監測，動態調整掘進機施工速度，保證周圍建築物的安全。
以上所述，僅為本發明的較佳實施實例，並不用以限制本發明，凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何細微修改、等同替換和改進，均應包含在本發明技術方案的保護範圍之內。