隧道的台阶法开挖方法与流程

本申请涉及一种路桥建设领域，尤其涉及一种隧道的台阶法开挖方法。

背景技术：

高速公路的建设的过程中常见山体隧道的开挖，对于山体稳定性优良的地区进行隧道开挖时，利用爆破方式能够有效加快掘进进度，但是对于山体状态稳定性稍差的地区，综合考虑施工进度时，爆破开挖也是优选的方案之一，但需要对爆破方案进行优化。

公路隧道的ⅳ级围岩，是指以下状态的山体：(1)具有坚硬岩，但岩体破碎的山体，(2)具有较坚硬岩、岩体较破碎，有时是镶嵌了碎裂结构的山体，(3)较软岩和软硬岩相互嵌套，(4)岩体较完整，但以软岩为主，(5)岩体较破碎，并且具有中薄层状结构。围岩基本质量指标在350～251之间。也就是说ⅳ级围岩的稳定性较差。

技术实现要素：

本申请的目的是，提供一种适合岩体稳定性欠佳的隧道开挖方法，特别是适合ⅳ级围岩的台阶法开挖方法。

为达到以上技术目的，本申请采用的技术方案如下：

一种隧道的台阶法开挖方法，其包括以下步骤：

依据隧道的掌子面利用虚设的分割线划分上断面和下断面；

进行上断面开挖时，在所述分割线以上、隧道中轴线两侧钻设多个掏槽眼，环绕该掏槽眼的下半部分钻设多个二次掏槽眼，环绕所述掏槽眼向隧道拱圈的方向依次钻设上台阶崩落眼、内圈眼和上台阶周边眼；

进行下断面开挖时，在所述分割线以下、以隧道中轴线为对称中心均匀钻设下台阶崩落眼，在预设的下断面的下方边界线钻设下台阶周边眼；

在掌子面之后进行仰拱施工工序；

在仰拱之后进行二次衬砌施工工序。

所述分割线位于隧道的掌子面竖向高度的中点附近。

所述掏槽眼包括三对掏槽孔：中心掏槽孔、位于所述中心掏槽孔上方的上掏槽孔和位于所述中心掏槽孔下方的下掏槽孔。

每对所述掏槽孔以隧道中轴线为对称中心钻设；所述上掏槽孔和所述下掏槽孔以所述中心掏槽孔为对称中心钻设。

所述中心掏槽孔以斜眼形式钻设，斜率为2％。

所述二次掏槽眼包括与所述中心掏槽孔平齐的辅助上掏槽孔、与所述下掏槽孔平齐的辅助中掏槽孔以及在所述下掏槽孔下方并且与所述分割线平行的辅助下掏槽孔。

所述上台阶崩落眼为至少一圈环绕所述掏槽眼钻设的炮孔。

所述进行下断面开挖时，钻设炮孔之前，对下断面的其中一侧进行跳槽开挖。

所述对下断面的其中一侧进行跳槽开挖，开挖宽度为4～5m，开挖深度为4～5m。

所述进行跳槽开挖之后、钻设炮孔之前，对开挖后暴露的隧道侧壁进行初期支护的施工。

所述下台阶崩落眼包括首爆崩落眼，所述首爆崩落眼包括靠近所述分割线、钻设在隧道中轴线上的中心崩落孔、钻设在所述中心崩落孔左侧的左崩落孔、钻设在所述中心崩落孔右侧的右崩落孔。

所述下台阶崩落眼还包括多个沿所述隧道中轴线钻设在所述中心崩落孔正下方的辅助中心崩落孔，以及设在其余下断面上分别斜向平行所述左崩落孔和右崩落孔钻的辅助崩落孔。

所述下断面开挖时，在所述下台阶崩落眼和下台阶周边眼之间设置离散的补眼。

所述上台阶周边眼和下台阶周边眼中，相邻的孔距为40～60cm，孔径为38mm，孔深为1.6～3m，最小抵抗线取值60cm，使得每循环进尺为1-1.2m。

如权利要求1所述的隧道的台阶法开挖方法，其特征在于，所述上断面和下断面之间的距离为隧道毛洞洞径的1.5倍。

所述仰拱施工位置与所述下断面的距离不大于50m；所述二次衬砌施工位置与所述下断面的距离不大于90m，或者，所述二次衬砌施工位置与所述仰拱施工位置的距离不大于40m。

每轮所述仰拱施工位置的宽度为3～6m。

与现有技术相比较，本申请具有如下优势：

(1)本申请的方法，在掏槽眼的基础上增加二次掏槽眼，可以增加向下的爆破临空面，使岩渣聚集在爆破台阶之前，避免飞石；

(2)本申请的方法，在利用二次掏槽眼进行充分爆破之后，避免了爆破振动在隧道内释放不全进而传递至周边岩体，对原本稳定性欠佳的周边岩体带来不利影响；

(3)本申请的方法，钻设在下断面上的崩落眼以上断面掏槽眼为中心进行环形排列，可以更好地利用上台阶所形成的临空面，让爆破振动在隧道内释放完全，避免影响隧道周边岩体；

(4)本申请的方法，在进行下断面施工之前进行跳槽开挖，跳槽开挖也是保护隧道结构和周边岩体的有效措施，跳槽处可以对周边岩体中渗水、松软或破碎的区域进行避让；

(5)本申请的方法，所控制的循环进尺的距离、各施工位置之间的距离经过试验和设计，保证隧道周边岩体的稳定性的同时，又保证了隧道施工的工期。

附图说明

图1为本申请隧道的台阶法开挖方法的施工方案设计图。

图2为本申请隧道的台阶法开挖方法的爆破炮孔布置示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细描述。

台阶法是隧道及地下工程施工方法之一，主要的施工思路是将隧道的断面分为至少两层，由上向下，或者由下向上分层进行开挖，每层开挖面之间交错从而形成台阶。对于不稳定岩体，台阶法具有较高的适用性。

参考图1和图2，本申请提供一种改良的隧道的台阶法开挖方法，包括以下步骤：

s1，依据隧道的掌子面利用虚设的分割线4划分上断面212和下断面223；

本申请将隧道断面分为上下两层，分别为上断面212和下断面223，开挖后在隧道坑道2内所形成的台阶即分别为上台阶21和下台阶22。掌子面即为开挖隧道不断向前推进的工作面，所述掌子面的轮廓和隧道断面基本保持一致。

如图2所示，所述分割线4位于隧道的掌子面竖向高度的中点附近。若隧道顶部的岩体稳定性不足，所述分割线4可以适当向上偏移。

根据台阶的划分方法，本实施例中隧道的开挖及施工顺序总体如下：开挖上断面212以形成上台阶21，并且及时对上台阶21进行初期支护；开挖下断面223以形成下台阶22，并且及时对下台阶22进行初期支护；开挖仰拱23，并且进行仰拱23的后续施工工序；待前述的初期支护趋于稳定之后整体浇筑二次衬砌24。下面将对各个开挖工序进行更进一步的描述。

s2，进行上断面212开挖；上断面212开挖采用光面爆破技术，出渣之后即进行拱圈211部分的初期支护，以维持周边岩体1的稳定性，保护开挖结构。

参考图2，进行上断面212开挖时，在所述分割线4以上、隧道中轴线3两侧钻设多个掏槽眼2121，环绕该掏槽眼2121的下半部分钻设多个二次掏槽眼2122，环绕所述掏槽眼2121向隧道拱圈211的方向依次钻设上台阶崩落眼2123、内圈眼2124和上台阶周边眼2125；

所述掏槽眼2121包括三对掏槽孔：中心掏槽孔21211、位于所述中心掏槽孔21211上方的上掏槽孔21212和位于所述中心掏槽孔21211下方的下掏槽孔21213。进一步地，每对所述掏槽孔以隧道中轴线3为对称中心钻设；所述上掏槽孔21212和所述下掏槽孔21213以所述中心掏槽孔21211为对称中心钻设。即构成所述掏槽眼2121的六个掏槽孔围合成矩形矩阵。优选地，所述中心掏槽孔21211以斜眼形式钻设，斜率为2％。随着隧道掘进过程中围岩状态的变化，或者上一次爆破后所形成的断面出现预期之外的情况，所述掏槽眼2121的位置和中心掏槽孔21211的斜率应当按照操作规范进行优化性调整。

进一步地，所述二次掏槽眼2122包括与所述中心掏槽孔21211平齐的辅助上掏槽孔21221、与所述下掏槽孔21213平齐的辅助中掏槽孔21222以及在所述下掏槽孔21213下方并且与所述分割线4平行的辅助下掏槽孔21223。所述二次掏槽眼2122可以增加向下的爆破临空面，也使岩渣聚集在爆破台阶之前，以加快清渣的进度。优选地，所述辅助上掏槽孔21221设置一对，且与所述掏槽眼212的距离应适当缩短，同时，所述辅助中掏槽孔21222设置一对，且与所述掏槽眼2121的距离应当适当拉长；所述辅助下掏槽孔21223设置多个，且在所述掏槽眼2121的下方沿直线排列，与上断面212的其他炮孔的底眼在一条直线上，所述直线与所述分割线4平行。

进一步地，所述上台阶崩落眼2123为至少一圈环绕所述掏槽眼2121钻设的炮孔。根据当前断面的面积大小，所述上台阶崩落眼2123应当在所述掏槽眼2121和上台阶周边眼2125之间区域均匀分布，若设置两圈或以上的上台阶崩落眼2123，相邻两圈的炮眼应当错开。所述上台阶崩落眼2123中最靠近所述分割线4的底眼需要布置在与其他炮孔的底眼在一条平行于所述分割线4的直线上。

所述上台阶周边眼2125，相邻的孔距为40～60cm，孔径为38mm，孔深为1.6～3m，最小抵抗线取值60cm，使得每循环进尺为1-1.2m。优选地，周边眼装药采用φ20的小药卷间隔装药。所有装药炮眼用炮泥堵塞，周边眼间隔堵塞长度不小于26cm。

为了进一步保证爆破效果，靠近所述上台阶周边眼2125钻设一圈内圈眼2124，所述内圈眼2124的相邻孔距应当比所述上台阶周边眼2125的相邻孔距大，同时又比上台阶崩落眼2123的相邻孔距小。

进一步地，参考图2，本实施例中，所述上断面212控制起爆时差的雷管段别按照掏槽眼2121(1段)、二次掏槽眼2122(3段)、上台阶崩落眼2123(5段和7段)、内圈眼2124(9段)和上台阶周边眼2125(11段)的顺序设置。

开挖出渣完毕，立刻初喷4cm厚的砼以封闭新开挖岩面。然后进行初期支护的施工：测量定位格栅拱架，施工超前支护、拱部系统锚杆、钢筋网，并且复喷砼以进行加固。

s3，进行下断面223开挖；下断面223开挖采用预裂爆破技术，出渣之后即进行边拱221部分的初期支护，以维持周边岩体1的稳定性，保护开挖结构。

进行下断面223开挖时，在所述分割线4以下、以隧道中轴线3为对称中心均匀钻设下台阶崩落眼2231，在预设的下断面223的下方边界线钻设下台阶周边眼2232；

所述进行下断面223开挖时，钻设炮孔之前，对下断面223的其中一侧进行跳槽开挖。跳槽开挖可以对周边岩体1中渗水、松软或破碎的区域进行避让，具体地是经过勘探发现边拱221处的周边岩体1存在不利因素(渗水、松软或破碎)时，在该边拱221出开挖一段坑槽222，以便于在后续进行爆破时与边拱221存在一定的缓冲区域，减弱传递到所述边拱221以及边拱221附近的周边岩体1的爆破振动。本实施例中，所述对下断面223的其中一侧进行跳槽开挖，开挖宽度为4～5m，开挖深度(d2)为4～5m，挖至边拱221底部。所述进行跳槽开挖之后、钻设炮孔之前，对开挖后暴露的隧道侧壁进行初期支护的施工，初期支护的施工主要包括测量定位钢架，该边拱221的初期支护需跟随下断面223开挖的进度进行。

进一步地，所述下台阶崩落眼2231包括首爆崩落眼22321，所述首爆崩落眼22321包括靠近所述分割线4、钻设在隧道中轴线3上的中心崩落孔22321a、钻设在所述中心崩落孔22321a左侧的左崩落孔22321b、钻设在所述中心崩落孔22321a右侧的右崩落孔22321c。优选地，所述左崩落孔22321b和右崩落孔22321c以中心崩落孔22321a为中心对称钻设，并且中心崩落孔22321a、左崩落孔22321b和右崩落孔22321c排列在一条与所述分割线4平行的直线上，以及正对所述掏槽眼2121下方。所述首爆崩落眼22321利用上台阶21所形成的临空面产生预裂效果，使下断面223爆破效果更符合预期设计。

所述下台阶崩落眼2231还包括多个沿所述隧道中轴线3钻设在所述中心崩落孔22321a正下方的辅助中心崩落孔22322，以及设在其余下断面223上分别斜向平行所述左崩落孔22321b和右崩落孔22321c钻的辅助崩落孔22323。参考图2，最靠近所述首爆崩落眼22321的辅助中心崩落孔22322和辅助崩落孔22323设计以2段雷管进行起爆，这几个以2段雷管进行起爆的炮孔实质是环绕所述首爆崩落眼22321设置，而设计为其他段位雷管的炮孔也是层层环绕所述首爆崩落眼22321设置的，即后续起爆的炮孔是以首爆崩落眼22321所产生的临空面进行临空面的扩大，以达到碎裂岩体的效果。进一步地，以下断面223左侧的辅助崩落孔22323为例进行进一步地优化，各列斜向平行的辅助崩落孔22323相互交错，均匀分布在左侧的下断面223上，所设计的雷管段位从靠近所述左崩落孔22321b到下断面223的边界依次延时。

进一步地，所述下台阶周边眼2232中，相邻的孔距为40～60cm，孔径为38mm，孔深为1.6～3m，最小抵抗线取值60cm，使得每循环进尺为1-1.2m。优选地，周边眼装药采用φ20的小药卷间隔装药。所有装药炮眼用炮泥堵塞，周边眼间隔堵塞长度不小于26cm。所述下台阶周边眼2232的设置与所述上台阶周边眼2125的设置相同。

若所述下断面223存在部分爆破盲区，可以在所述下台阶崩落眼2231和下台阶周边眼2232之间设置离散的补眼2233。

进一步地，参考图2，本实施例中，所述下断面223控制起爆时差的雷管段别按照首爆崩落眼22321(1段)、辅助中心崩落孔22322和辅助崩落孔22323(2段、3段、5段、7段、11段和13段)、补眼2233(15段)和下台阶周边眼2232(17段)的顺序设置。

下台阶22开挖应在上台阶21支护完成后、喷射混凝土强度达到设计强度的70％后进行。进一步地，所述上断面212和下断面223之间的距离(d1)为隧道毛洞洞径的1.5倍。当周边岩体1的稳定性变差时，所述上断面212和下断面223之间的距离应当适当缩小，以达到“短进尺、弱爆破、强支护”的要求。

s4，在掌子面之后进行仰拱23施工工序；

仰拱23的施工工序通常依次包括仰拱23开挖施工、仰拱23的初期支护施工、仰拱23的钢筋砼施工以及仰拱23的砼回填施工。仰拱23的砼回填施工时需安装中心排水管，以构建隧道坑道2的排水系统。所述仰拱23施工位置与所述下断面223的距离(d3)不大于50m，每轮所述仰拱23施工位置的宽度为4～6m，以避免两个施工区域相互干扰，影响隧道坑道2的稳定性。

s5，在仰拱23之后进行二次衬砌24施工工序。

二次衬砌24的施工应当及时，以达到尽早稳定隧道坑道2的结构的目的，通常可以利用整体钢模衬砌模板台车进行二次衬砌24模板的架设和混凝土浇筑。所述二次衬砌24施工位置与所述下断面223的距离(d5)不大于90m，或者，所述二次衬砌24施工位置与所述仰拱23施工位置的距离(d4)大于50m。

对于局部松散破碎、富水地段，围岩自身稳定性较差，易发生围岩失稳，采用缩短进尺距离的方法，短进尺、弱爆破、强支护，并及时施作二次衬砌24。

综上所述，本申请的隧道的台阶法开挖方法，在掏槽眼的基础上增加二次掏槽眼，可以增加向下的爆破临空面，使岩渣聚集在爆破台阶之前；在利用二次掏槽眼进行充分爆破之后，避免了爆破振动在隧道内释放不全进而传递至周边岩体，对原本稳定性欠佳的周边岩体带来不利影响；钻设在下断面上的崩落眼以上断面掏槽眼为中心进行环形排列，可以更好地利用上台阶所形成的临空面，让爆破振动在隧道内释放完全，避免影响隧道周边岩体。

上述实施例为本申请较佳的实施方式，但并不仅仅受上述实施例的限制，其他的任何未背离本申请的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，均包含在本申请的保护范围之内。