顺层复杂地质隧道微台阶通道机械流水化挖掘施工方法与流程

本发明属于顺层复杂地质的大跨度长隧道施工，涉及一种顺层复杂地质隧道微台阶通道机械流水化挖掘施工方法。

背景技术：

1、如图10所示，某三车道的隧道进口段洞身斜穿东山背斜，东山背斜地质为志留系下统龙马溪组，该地层为泥质灰岩与泥岩赋存，下部为泥岩、黑色炭质泥岩，为含烃地层。该隧道进口端左洞煤系地层设计段落桩号为zk39+890～zk40+090，长200m，右洞煤系地层段落桩号为yk39+970～yk40+210，长240m；出口端左洞煤系地层段落桩号为zk43+385～zk43+620，长235m，右洞煤系地层段落桩号为yk43+480～yk43+715，长235m。根据收集距某隧道较近的另一高铁隧道瓦斯压力测试成果，煤层瓦斯压力最大达1.5mpa，瓦斯压力大，而瓦斯压力随深度增加有增大趋势，在隧道埋深范围内的瓦斯压力实际远高于测试结果，瓦斯地段等级一级。

2、隧道碳质泥岩发育，隧道埋深640m，隧道穿越背斜核部长约800m，原设计为非瓦斯地层。在隧道施工过程中，炮眼施钻时出现严重喷孔动力现象（喷孔距离3m～5m）和明显的顶钻、夹钻现象以及瓦斯燃烧情况。通过钻孔、岩样送检、现场调查、访谈等方式得出结论，某隧道东山背斜核部地层泥岩、炭质泥岩具有生烃能力及储烃能力，瓦斯以页岩气（主要成分为甲烷）的形式赋存于该地层中。受施工扰动，在地应力与瓦斯压力共同作用下，钻孔内岩石碎屑和瓦斯突然喷出到采掘空间，经瓦斯咨询单位鉴定该瓦斯动力现象为岩石与瓦斯突出动力现象，此现象施工期间称为非煤瓦斯。在东山背斜地质构造带内，炭质泥岩受着强大的地质构造力的作用而积蓄大量的能量，同时破坏了的炭质泥岩及泥岩岩体形成了贯通裂隙，促使瓦斯积聚，给瓦斯突出创造了条件。当开挖工作面接近这一区域时，在地压的参与下，炭质泥岩中所积蓄的瓦斯潜能突然释放，瓦斯突然涌出，就会造成喷孔现象，如果采用隧道设计采用双侧壁导坑法施工，工效非常低，因为拆除临时支撑初支结构影响导致施工工效低，而且煤层瓦斯及非煤瓦斯容易在双侧壁导坑间聚集，有瓦斯伤害隐患。

3、针对上述隧道的复杂地质条件，如果采用常规三台阶法，不仅施工安全难以保证，而且挖掘机械仅仅配置在各台阶上，单纯实现所在台阶的挖、出渣作业，各台阶挖掘工作单独完成，即是完成上台阶开挖和出渣之后，转移挖掘机到中台阶上挖掘和出渣，最后再转移到下台阶上开挖的和出渣，不仅挖掘和出渣效工效低，而且由于各台阶挖掘和出渣时间耗费太长，导致隧道支护不及时，软弱围岩得不到及时封闭支护，导致失稳定坍塌事故，而且隧道常规台阶法的渐进施工，是先开挖上台阶及初期支护，然后在开挖中台阶及初期支护，最后开挖下台阶及初期支护，推进周期非常长，而且对于软弱大断面的三车道的隧道，常规台阶法施工存在坍塌隐患。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：提供一种顺层复杂地质隧道微台阶通道机械流水化挖掘施工方法，实现复杂地质iv级、v级围岩隧道三台阶爆破机械流水化高效施工，提高了挖掘和出渣工效；还隧道导坑钢架，辅助在初支护拱架未施作完成期间，对围岩进行临时支护，并研制玄武岩纤维混凝土喷射支护技术，有效避免顺层边坡开挖过程中出现坍方冒顶事故。

2、本发明采取的技术方案为：顺层复杂地质隧道微台阶通道机械流水化挖掘施工方法，该方法为：采用围岩三台阶法开挖，开挖的上台阶长度为4-5 m 及高度0.45h1，其中，h1为隧道开挖高度，单位为m，中台阶长度为4m及高度0.35h1，下台阶高度为0.2h1及长度10m，采用多功能台阶拱架作业台车实现iv级围岩三台阶法开挖方式，在中台阶和下台阶中部预留连续的斜坡开挖通道，斜坡开挖通道连接上台阶边缘，斜坡开挖通道与中台阶和下台阶同步挖掘及预留，并同时采用侧翻装载机配合多功能台阶拱架作业台车联合装渣，实现同时对上台阶、中台阶和下台阶进行施工，并在初支护拱架未全部完成封闭期间，配合使用隧道导坑钢架，错位对隧道顺层围岩进行临时支护，并采用玄武岩纤维混凝土喷射支护技术对隧道顺层围岩支护。

3、进一步地，上述玄武岩纤维混凝土的制备方法为：混凝土加入玄武岩纤维，再掺入粉煤灰，水灰比为0.38，水泥、粉煤灰和纤维质量配合比为360：90：1.5。

4、进一步地，上述玄武岩纤维混凝土喷射施作步骤为：研制玄武岩纤维喷射混凝土→防瓦斯涌突超前钻孔→现场试配玄武岩纤维喷射混凝土→玄武岩纤维喷射混凝土现场试喷作业→布设及检查钢拱架和钢筋网→玄武岩纤维喷射混凝土施工→玄武岩纤维喷射混凝土表观质量检查→玄武岩纤维喷射混凝土回弹料回收利用→玄武岩纤维喷射混凝土表观效果检查→玄武岩纤维喷射混凝土强度检测。

5、进一步地，上述隧道导坑钢架包括支撑架体、顶面踏板和门架立柱，支撑架体底部两侧固定连接有门架立柱，顶面踏板固定连接在支撑架体顶面上，门架立柱两侧安装有贴合隧道顺层围岩侧部的侧面弧形支撑，弧形支撑与门架立柱上下端铰接，支撑架体左右两端铰接有贴合隧道顺层围岩顶部的顶部弧形支撑。

6、进一步地，上述支撑架体包括正方形框和分布在正方形框的纵向和横向的纵梁和横梁，横梁与门架立柱之间拐角处固定连接有斜撑。

7、进一步地，上述ⅳ级围岩三台阶开挖用到的爆破方式为：采用楔形掏槽，周边眼采用不耦合装药，其中，

8、ⅳ级围岩上台阶爆破：掏槽孔数量6个，深度2.2m，间距0. 8m，单孔装药量1.5kg；辅助孔数量12 个，深度2.1m，间距0.7m，单孔装药量1.4kg；周边孔数量24，深度2.1 m，间距0.5m，单孔装药量0.3 kg；底孔数量9个，深度2.4m，间距0.8 m，单孔装药量1.4kg；

9、ⅳ级围岩中台阶爆破：掏槽孔数量4个，深度2.2m，间距1.1m，单孔装药量1.5kg；辅助孔数量24个，深度2.1m，间距0.8m，单孔装药量1.4kg；周边孔数量15个，深度2.1 m，间距0.5m，单孔装药量0.3 kg；底孔数量13个，深度2.4m，间距1.1 m，单孔装药量1.4kg；

10、ⅳ级围岩下台阶爆破：掏槽孔数量6个，深度2.2m，间距1.1m，单孔装药量1.5kg；辅助孔数量15个，2.1 m，间距0.8m，单孔装药量1.4 kg；周边孔数量23，深度2.1 m，间距0.5m，单孔装药量0.3 kg；底孔数量10个，深度2.4m，间距1.1 m，单孔装药量1.4 kg；

11、iv级围岩每一循环开挖进尺不得大于2米；

12、爆破作业工序：上台阶、中台阶和下台阶同时钻眼装药爆破；

13、上台阶两侧拱角均加密至35cm，中台阶和下台阶平行斜向布置上抬炮眼进行爆破。

14、进一步地，上述玄武岩纤维喷射混凝土施工中采用的喷射机的喷嘴指向与受喷面应保持90°夹角，喷头与受喷面的距离为1.0～2.0m，在喷边墙时，将喷头略向下俯10°，使混凝土束喷射在相对较厚的混凝土顶端。

15、进一步地，上述玄武岩纤维喷射混凝土施工中喷射作业时分片、分段、先墙后拱、自下而上依次进行的喷射顺序，每段长度不大于6m，在由边墙到拱顶的喷射过程中增加速凝剂，对有较大蜂窝、低凹处和裂缝的结构，先进行处理符合要求后，再进行喷射，喷射时采用多层薄层喷射；常温下使用掺有速凝剂的普通硅酸盐水泥进行多层喷射混凝土时，第二次喷射在第一次喷射的混凝土终凝后进行，间隔时间超过1h时，采用高压水或压缩空气对混凝土喷层表面进行清洗处理；喷射混凝土施工过程中，水平喷射混凝土拌合物回弹率不大于3%，竖直喷射混凝土拌合物回弹率不大于5%。

16、进一步地，上述隧道掌子面开挖后，立即进行初喷施工，封闭掌子面，然后进行拱架支护安装，拱架安装过程利用铅锤和量尺进行拱架垂直度和间距控制，拱架连接钢板螺栓拧紧；支护所用的锚杆数量、质量按照设计图纸及规范要求进行施工，锚杆配套垫片紧贴岩面并采用锚固剂填塞密实垫片与岩面之间空隙；支护所用的钢筋网片及拱架连接钢筋安装：钢筋网片型号、搭接和焊接满足设计图纸和规范要求，连接钢筋环向间距不超过±5cm，连接钢筋与拱架焊接，该焊接处的焊接长度、焊缝高度满足搭接要求。

17、本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明效果如下：

18、（1）应用微台阶通道机械流水化挖掘施工方法，有效缩短隧道开挖工序衔接时间，实现仰拱及时封闭成环，安全步距可控，保证施工安全；连通到上台阶的斜坡开挖通道即是挖掘机挖、扒、翻渣土通道，而且还具有环形留核心土的存在稳固围岩土体的作业；

19、挖掘机在中下台阶的通道上灵活地执行高效挖、扒、翻渣，大型装载机联合装渣作业，加快施工进度，提高机械化作业程度，缩短工序时间；

20、本发明的核心创新，针对本发明的地质复杂条件，采用的上中下台阶的开挖高度分别为：0.45h1、0.35h1和0.2h1，其中，h1为隧道开挖高度，该高度配比，通过试验获得，为最佳开挖高度比，过大时就会发生突变的沉降量（通过试验验证：上台阶高度0.4h→0.45h时，拱顶沉降增加了6.4%；当上台阶高度增加到0.5h时，拱顶沉降相较于0.4h时，拱顶沉降增加了87%）；

21、（2）玄武岩纤维气密性喷射混凝土研制。制备高气密性抗裂喷射混凝土，水灰比为0.38，（水泥+粉煤灰）+纤维=（360+90）kg/m3+1.5kg/m3的配合比施工性能好，喷射速度快，回弹量小，采用普通喷射砼+粉煤灰+纤维1.5kg/m3配合比施工，与普通喷射混凝土配合比相比较，节约1/3的时间；研制的c30玄武岩纤维喷射混凝土，通过加入玄武岩纤维可提喷射高混凝土的抗拉、抗裂性能，再掺入粉煤灰，二者协同可以很好增加喷射混凝土气密性；测试其气密性时，最佳的进气压力可以采用0.3~0.6mpa；

22、（3）应用隧道导坑钢架，在初支拱架未安装封闭施工期间，应用隧道导坑钢架（具备操作平台和支护拱架的功能），错位对围岩进行临时支撑，待拱架安装完成之后使用挖掘机斗移放置在初支护施工完成段落，避免常规台阶开挖方法中每个台阶需要支护导致的效率低下的问题；

23、（4）本施工方法分片、分段、先墙后拱、自下而上依次进行的喷射，每段长度不宜大于6m，混凝土喷射厚度大于20cm时，分层喷射，保证喷射面上的混凝土覆盖均匀，减小由于喷射作业时粉尘覆盖在喷射面上造成的混凝土回弹量增加。

24、（5）与传统三台阶cd法相比，可避免拆除临时支撑的应力重分布对初支结构的影响，保证结构安全，节省工程费用；

25、综上，本发明顺层复杂地质隧道微台阶通道机械流水化高效挖掘施工施工方法，实现复杂地质iv级、v级围岩隧道三台阶爆破机械流水化高效施工，提高了挖掘和出渣工效；本发明的施施工方法还应用隧道导坑钢架，辅助在初支护拱架未施作完成期间，对围岩进行临时支护，并应用玄武岩纤维混凝土喷射支护技术，有效避免顺层边坡开挖过程中出现坍方冒顶事故。