一种高效且环保的隧道开挖施工方法与流程

1.本发明属于隧道施工领域，尤其是涉及一种高效且环保的隧道开挖施工方法。


背景技术：

2.现如今我国高速铁路建设取得了长足进步，而隧道作为高速铁路建设过程中的难点，尤其是长大隧道往往成为控制性工程，长大隧道有施工工期长、投资大等特点，合理的开挖方法通过开挖工法的优化，降低能源和资源的消耗，提高施工效率，能够保证经济效益提高和安全质量可靠。
3.现有的隧道上爆下切施工方法能够改善目前艰苦条件下开挖作业面劳动力严重缺失和劳动力成本增加的局面；隧道ii、iii级围岩采用光面爆破开挖方法，但从施工现场实际情况看，光面爆破效果不理想，爆破超挖严重，导致初支喷射混凝土超方问题凸显，混凝土平整度不能满足两突出物之间深长比d/l≤1/20的规定，爆破班组人员及设备投入较多，增加了长大隧道的施工成本；同时现有的下切方式施工效率低，影响了隧道施工的整体效率，这是由于隧道内部空间的局限性，无法满足多组切割设备同时进行切割作业，尤其是无法同时对下台阶两侧的岩体进行同时切割，只能沿隧道长度方向切割岩体，极大的影响了隧道的施工效率，并且在实际施工中发现，采用现有切割方式切割效果不佳，切割后的石料无法直接作为成品石料利用，造成了资源的浪费。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明旨在提出一种高效且环保的隧道开挖施工方法，以解决目前长达隧道爆破施工效果不佳的问题。
5.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
6.一种高效且环保的隧道开挖施工方法，包括以下步骤：
7.s1、对隧道上台阶进行超前地质预报，得到上台阶处岩体的地质数据后，根据地质数据进行爆破参数的设计；
8.s2、隧道上台阶采用光面爆破施工，一次爆出隧道上部的设计轮廓；
9.s3、在距离下台阶开挖轮廓线2米的范围采取弱爆破施工，一次爆出隧道下部的设计轮廓；
10.s4、清理爆破后下台阶周围的废料层，并形成作业通道后，在距离下台阶开挖轮廓线2米至隧道中心线的主料层范围内进行石料开采；
11.s5、利用岩石开采切割机切割主料层进行石料开采，并将成品石料运输出隧道作业区域，直至主料层石料开采结束；
12.s6、重复步骤s1至s5，直至隧道开挖结束。
13.进一步的，所述步骤s2中，隧道上台阶爆破施工的具体方法如下：
14.s21、在所需起爆的上台阶岩体上设置掏槽孔、辅助孔、以及光爆孔；
15.s22、针对不同的孔采取合理的单孔装药量；
16.s23、采用非电毫秒雷管起爆，爆破顺序为掏槽孔先起爆、然后辅助孔依次起爆、最后起爆周边光爆孔；
17.s24、进行上台阶初期支护施工，确保围岩稳定及施工安全。
18.进一步的，所述步骤s3中，弱爆破施工的具体步骤如下：
19.s31、将距离下台阶开挖轮廓线2米的范围划分为爆破区，将距离下台阶开挖轮廓线2米至隧道中心线的主料层范围划分为非爆破区；
20.s32、在爆破区内进行转孔作业，在所需起爆的下台阶岩体上设置掏槽孔、辅助孔、外圈孔、以及光爆孔；
21.s33、针对不同的孔采取合理的单孔装药量，并进行延期导爆雷管的安装；
22.s34、根据延期导爆雷管的安装方式，按照先中部后两侧的书序进行爆破。
23.进一步的，所述步骤s4中废料层清理的具体步骤如下：
24.s41、利用切割机切割废料层，并通过钻孔打契劈裂废料层，形成方便运输的碎石废料；
25.s42、将碎石废料运输出隧道作业区域。
26.进一步的，所述步骤s5中，切割主料层的具体步骤如下：
27.s51、对主料层进行清理和平整，并在主料层开采上平面铺设轨道后，在轨道上安装圆盘锯切割机；
28.s52、利用圆盘锯切割机在主料层上进行纵向切割和横向切割；
29.s53、在主料层上沿纵向切槽的长度方向进行纵向钻孔，沿横向切槽的长度方向进行横向钻孔，形成沿纵向切割和横向切割设置的穿绳通道；
30.s54，将绳锯的锯绳沿纵向切槽和横向切槽放置到穿绳通道内，并利用纵向钻孔和横向钻孔限位住锯绳后，再利用绳锯对主料层的水平面进行切割；
31.s55，重复步骤s51至s54，直至将主料层的石料开采完毕。
32.进一步的，所述步骤s52中，主料层上还设有与纵向钻孔或横向钻孔连通的分钻孔，主料层上沿纵向钻孔或横向钻孔的长度方向至少间隔设置两个分钻孔，各分钻孔均与其连通的纵向钻孔或横向钻孔相互垂直设置。
33.相对于现有技术，本发明所述的一种高效且环保的隧道开挖施工方法具有以下优势：
34.本发明提供了一种高效且环保的隧道开挖施工方法，通过采用上爆下切的施工方式对长大隧道进行施工，可同时满足上台阶爆破、出渣、初期支护，下台阶多侧台阶切割，保证了隧道上下台阶同步进尺，满足施工工期，通过对下台阶岩体进行切割开采，在隧道施工过程中，可以持续稳定的产出成品石材进行利用，减少了石材的浪费，具有较好的经济效益，同时减少了爆炸物的施工，更加环保；通过对隧道施工下台阶的施工划分，在施工过程中，可以同时形成施工通道和石材开采区，有利于提高隧道的施工效率和安全性，通过改进石材开采区的开采方法，不仅提高了石材的开采效率，而且提高了石材开采后的成材率，利于石材的后续利用和出售。
附图说明
35.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实
施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
36.图1为本发明实施例所述的一种高效且环保的隧道开挖施工方法中隧道内爆破区和切割区的结构示意图。
具体实施方式
37.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
38.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
39.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
40.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
41.一种高效且环保的隧道开挖施工方法，如图1所示，包括上台阶爆破和下台阶切割。隧道上台阶采用光面爆破施工，上台阶采用开挖多功能台架与手持钻爆机钻眼，爆破采用常规隧道岩石爆破方法，钻孔辅助装药，非电毫秒雷管起爆，爆破顺序为掏槽孔先起爆、然后辅助孔依次起爆、最后起爆周边光爆孔，一次爆出隧道的设计轮廓，开挖后及时施做初期支护。下台阶开挖轮廓线2米范围采取弱爆破形式，2米范围至隧道中心线采用岩石开采切割机切割，切割包括绳锯、盘踞分别对废料层及主料层切割，本发明提供的这种施工方法可同时满足上台阶爆破、出渣、初期支护，下台阶多侧台阶切割，保证了隧道上下台阶同步进尺，满足施工工期，解决了爆破施工扰动大、混凝土超方、资源投入大等难题，该工法在施工进度、效益、安全、质量、环保方面均取得了良好效果，可为类似工程的施工提供借鉴。
42.本发明通过采用上爆下切的施工方法，具有以下的优势：1、围岩交替变化时，减少了施工方法多次变换，保证了施工工期；2、可以减少隧道施工混凝体超耗严重问题；3、爆破面积小，对隧道扰动小，降低安全风险；4、具有较好的经济效益和社会效益。
43.具体的，一种高效且环保的隧道开挖施工方法包括以下步骤：
44.s1、对隧道上台阶进行超前地质预报，得到上台阶处岩体的地质数据后，根据地质数据进行爆破参数的设计；通过提前进行地质预报，可以提高后续施工过程中的安全性，确保围岩的稳定及施工安全；
45.s2、隧道上台阶采用光面爆破施工，一次爆出隧道上部的设计轮廓；s3、在距离下台阶开挖轮廓线2米的范围采取弱爆破施工，一次爆出隧道下部的设计轮廓；通过两侧爆破
施工，可以完成隧道设计轮廓的施工，有利于提高隧道的施工效率，降低后续施工的难度。
46.s4、清理爆破后下台阶周围的废料层，并形成作业通道后，在距离下台阶开挖轮廓线2米至隧道中心线的主料层范围内进行石料开采；s5、利用岩石开采切割机切割主料层进行石料开采，并将成品石料运输出隧道作业区域，直至主料层石料开采结束；s6、重复步骤s1至s5，直至隧道开挖结束。
47.通过在距离下台阶开挖轮廓线2米的范围采取弱爆破施工，可以在主料层两侧两米范围内形成施工通道，施工通道可以用来运输石料或进行切割施工，提高废料层的清理速度、以及主料层的开采效率。
48.例如，在进行废料层清理时，操作人员可以先清理主料层的上平面，并将废料向主料层两侧的施工通道堆积，清理后的主料层上平面可用于设置岩石开采切割机对主料层进行切割，岩石开采切割机切割主料层时，其余操作人员可以利用挖掘机，运输车等设备，将主料层两侧的废料进行清理，将废料运输出隧道施工区域；在施工通道清理完成前后，岩石开采切割机也可以同步完成主料层的初步切割，最后操作人员可以在主料层上平面和左右两侧侧面同时对主料层的岩体进行后续切割开采，有利于减少主料层的切割开采时间，提高了隧道下切施工整体的施工效率。
49.步骤s2中，隧道上台阶爆破施工的具体方法如下：s21、在所需起爆的上台阶岩体上设置掏槽孔、辅助孔、以及光爆孔；s22、针对不同的孔采取合理的单孔装药量；s23、采用非电毫秒雷管起爆，爆破顺序为掏槽孔先起爆、然后辅助孔依次起爆、最后起爆周边光爆孔；
50.s24、进行上台阶初期支护施工，确保围岩稳定及施工安全。半断面爆破减少了爆破施工人员、机械投入、节约爆破施工炸药、雷管的使用量，节约施工资源及施工成本。
51.在实际操作中，通过采用预裂光面爆破的微震爆破技术，只要控制爆破振动波速≤6cm/s，在满足隧道整体工期的前提下，尽可能减少爆破对下台阶岩体的震动破碎作用，便于后续对下台阶岩体进行整体切割开采，提高石材的开采成功率，以及石材的品质；同时通过采用预裂光面爆破的微震爆破技术，还可以提高爆破后下台阶上平面的平整度，降低了后续下台阶的平整施工难度，方便岩石开采切割机的安装；在实际施工过程中，需按照要求设置逃生通道，加强爆破、临时用电、临边防护以及场地排水等安全措施管理，并加强爆破过程中震动波速、光面效果、围岩损伤情况等的检测工作，根据检测结构动态调整爆破参数设计，结合对隧道上台阶进行超前地质预报，提高隧道爆破施工的安全性和施工效果，有利于最大程度的提高长大隧道的施工效率。
52.步骤s3中，弱爆破施工的具体步骤如下：s31、将距离下台阶开挖轮廓线2米的范围划分为爆破区，将距离下台阶开挖轮廓线2米至隧道中心线的主料层范围划分为非爆破区；s32、在爆破区内进行转孔作业，在所需起爆的下台阶岩体上设置掏槽孔、辅助孔、外圈孔、以及光爆孔；s33、针对不同的孔采取合理的单孔装药量，并进行延期导爆雷管的安装；s34、根据延期导爆雷管的安装方式，按照先中部后两侧的书序进行爆破；通过采用弱爆破施工的方式，可以降低爆破对隧道侧壁的影响，避免爆破损坏隧道的设计轮廓，有利于提高后续隧道的施工效率。
53.步骤s4中废料层清理的具体步骤如下：
54.s41、利用切割机切割废料层，并通过钻孔打契劈裂废料层，形成方便运输的碎石
废料；s42、将碎石废料运输出隧道作业区域。在运输碎石废料时，也可以使用施工通道运输，避免运输车影响正在主料层进行切割开采的操作人员。
55.步骤s5中，切割主料层的具体步骤如下：
56.s51、对主料层进行清理和平整，并在主料层开采上平面铺设轨道后，在轨道上安装圆盘锯切割机；s52、利用圆盘锯切割机在主料层上进行纵向切割和横向切割；s53、在主料层上沿纵向切槽的长度方向进行纵向钻孔，沿横向切槽的长度方向进行横向钻孔，形成沿纵向切割和横向切割设置的穿绳通道；s54，将绳锯的锯绳沿纵向切槽和横向切槽放置到穿绳通道内，并利用纵向钻孔和横向钻孔限位住锯绳后，再利用绳锯对主料层的水平面进行切割；s55，重复步骤s51至s54，直至将主料层的石料开采完毕。
57.通过在主料层上安装轨道，可以提高圆盘锯切割机运行过程中的稳定性，提高石材的切割精度；其中，轨道间距可以为2m，轨道下用枕木及木楔垫至水平设置，轨道直线度不超过0.05％，相邻轨道平行度不超过0.05％，可以实现圆盘锯切割机对主料层的稳定切割，提高石材的成材率；在实际操作过程中，轨道铺设应平行流水进行，已经切割完成段轨道需及时拆卸，便于后续石材的细分割，加速石材的开采速度。
58.通过在在主料层上沿纵向切槽的长度方向进行纵向钻孔，沿横向切槽的长度方向进行横向钻孔，可以降低穿绳钻孔的难度，钻孔机沿槽向伸入时，由于已经开槽，钻头只是对开槽底部进行冲孔扩大，因此钻孔施工难度很低，可以快速完成对主料层上各块岩石的钻孔作业；实际施工过程中钻孔可以对应开槽底部设置，钻孔完成后，可以在纵向切槽和横向切槽底部形成连通的穿绳通道，该穿绳通道侧壁上可形成与绳锯锯绳配合的凹陷部，对锯绳起到一定的限制作用，提高绳锯的切割效率和切割效果，也有利于提高石材的成材率。
59.同时通过对应纵向切槽和横向切槽钻孔，钻孔完成后，绳锯锯绳可以通过纵向切槽和横向切槽快速装配到穿绳通道内，装配难度低，提高了绳锯的安装效率，相比与现有的水流带动锯绳的安装方式，操作简便，装配过程中对用水量无要求，只在切割过程中用水，减少了水的使用，对山区施工尤其适合。
60.实际施工过程中，一次钻孔即可在一个纵向切槽两侧形成两个与锯绳配合的凹陷部，相邻两个纵向切槽只需分别钻孔一次，横向切槽只需进行贯穿钻孔一次，即可实现绳锯的装配和切割，操作人员在施工过程中，可以在主料层左右两侧的施工通道内使用绳锯进行同步切割施工，同时还可以在主料层后端面利用绳锯进行同步切割，在后端面利用绳锯切割时，绳锯矩形需要设置在两个相邻纵向切槽和一个横向切槽形成的u型切割通道内，以实现对石材的切割开槽；这样在同一施工时刻，操作人员可以在主料层的两个侧面，一个后端面进行绳锯开采施工，在主料层的顶面进行圆盘锯切割施工，提高了主料层的石料开采施工效率，施工过程中，也可以同步利用主料层两侧的施工通道进行废料和石材的运输，有利于缩短隧道施工的工期。
61.步骤s52中，主料层上还设有与纵向钻孔或横向钻孔连通的分钻孔，主料层上沿纵向钻孔或横向钻孔的长度方向至少间隔设置两个分钻孔，各分钻孔均与其连通的纵向钻孔或横向钻孔相互垂直设置。通过设置分钻孔，分钻孔也可用于设置锯绳，锯绳设置时，也无需使用水流法，只需将锯绳穿入分钻孔，然后利用钩子等工具伸入纵向切槽或横向切槽将锯绳拉出即可，后续锯绳也可沿横向钻孔或纵向钻孔设置，通过设置分钻孔，可以进一步分割各个主料层分割区，降低主料层分割区内岩体的切割难度，有利于进一步提高绳锯的切
割效率，提高石材的开采速度。
62.本发明提供了一种高效且环保的隧道开挖施工方法，通过采用上爆下切的施工方式对长大隧道进行施工，可同时满足上台阶爆破、出渣、初期支护，下台阶多侧台阶切割，保证了隧道上下台阶同步进尺，满足施工工期，通过对下台阶岩体进行切割开采，在隧道施工过程中，可以持续稳定的产出成品石材进行利用，减少了石材的浪费，具有较好的经济效益，同时减少了爆炸物的施工，更加环保；通过对隧道施工下台阶的施工划分，在施工过程中，可以同时形成施工通道和石材开采区，有利于提高隧道的施工效率和安全性，通过改进石材开采区的开采方法，不仅提高了石材的开采效率，而且提高了石材开采后的成材率，利于石材的后续利用和出售。
63.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。