双线铁路隧道施工人机套打全断面开挖工法.docx

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双线铁路隧道施工人机套打全断面开挖工法

双线铁路隧道施工人机套打全断面开挖工法

一、前言

八十年代初以来，国内在双线铁路隧道中硬岩地段开挖施工中，一般均采用深孔爆破全断面工法,开挖炮眼采用多臂液压凿岩台车钻孔，全断面深孔光面爆破，循环进尺为3.5~4.0m。

这种工法的优点是机械化程度高、每循环进尺大、开挖速度快，其缺点是施工进度受液压凿岩台车机况制约较大、隧道开挖周边轮廓超挖量大、工程成本投入大。

近几年来，我局在双线铁路隧道中硬岩地段开挖施工中，探索出一套风钻与多臂液压凿岩台车人机套打全断面开挖工法。

该工法充分发挥了台车与风钻各自的优点，借助于多功能作业台架，实行“人机套打”，即液压凿岩台车与人工手风钻钻孔平行作业，利用光面爆破原理，超前于开挖全断面提前形成导洞，增加临空面，减少对隧道周边围岩的扰动，预留扩挖部分利用人工手风钻钻孔，减小外插角，从而有效地提高了隧道洞室自稳能力并减少了隧道开挖周边轮廓超挖量。

在朔黄线寺铺尖隧道（全长6407m）进口DK153+211~DK153+664（全长453m，围岩级别属Ⅲ级、Ⅳ级）成功地运用了人机套打全断面开挖工法，获得了非常理想的效果。

据此总结整理完成本工法。

该工法适合我国现阶段铁路工程施工领域的实际情况，达到路内先进水平，具有较好的应用前景。

二、工法特点

1、台车超前开挖导洞，人工台架扩挖。

2、隧道开挖周边轮廓爆破成型好，超挖量小，可以提高初期支护施作质量，且大大降低成本投入。

3、施工进度受液压凿岩台车机况制约较小。

譬如液压凿岩台车发生故障，可以用风钻进行全断面钻孔作业，把损失减小到最低限度。

三、适用范围

1、本工法适用于双线铁路隧道Ⅱ~Ⅳ级围岩地段一般开挖断面大于高×宽=10×8m。

2、本工法适用于二级公路、一级公路、高速公路隧道Ⅱ~Ⅳ级围岩地段一般开挖断面大于高×宽=9×7.5m。

四、工法原理及关键技术

（一）工法原理

开挖全断面划分为导洞和扩挖两部分。

导洞超前4~6m形成临空面，以利于后续扩挖爆破，达到成型良好的效果。

（二）关键技术

1、超前导洞用台车钻孔。

2、扩挖用全断面多功能台架。

3、多功能台架的设计制造。

4、强化管理，执行标准化作业。

五、施工方法

1、多功能作业台架的研制

（1）多功能作业台架的作用与要求

1）多功能作业台架的作用

多功能作业台架的作用是为作业人员提供了可移动的并可多层作业的工作平台，解决了洞内作业高度问题，在其上施工人员可进行测量画线、钻孔、装药、找顶、喷锚作业，同时可在其上放置风钻等工具，堆放锚杆、钢筋网等材料，还可将高压风水管路、照明灯具安装布置其上，使开挖工作面井然有序、文明施工，因而称之为“多功能作业台架”。

2）多功能作业台架的要求

多功能作业台架应满足以下要求：

合理的几何尺寸，足够的结构强度与刚度及稳定性，较机动的行走机构，风水电配套，作业人员可安全便利地工作。

A.几何尺寸

几何尺寸应满足以下要求：

施工人员可以多层平行作业；有较充分的作业场所；机械和车辆在其下可畅通或停放；便于周边钻孔作业；台架进退时两侧与岩壁间有一定间隙确保进退自如。

B.结构强度、刚度及稳定性

结构要有足够的强度、刚度及稳定性，应满足以下要求：

台架行走时结构稳定不变形；台架在作业人员、机具、台架自重等压力及落石等重物冲击下结构稳定不变形；在落石等重物打击下不被破坏；纵向、横向有抗倾覆能力。

C.行走机构

行走机构应满足以下要求：

台架前进就位和后退待避时机动、方便、快捷，节省时间，减少移动所需牵引机械和人力。

D.风水电配套

台架就位后，作业人员可以减少施工准备时间，并在足够照明度的安全环境下作业，因此，要求台架上要固定设置高压风分风器和高压水分水器，设置固定或活动的照明用灯具。

E.作业人员的安全和便利

台架上的作业属高空作业，为保证作业人员的安全和便利，要求：

每层作业平台四周边缘设置安全防护栏，由地面至作业平台及作业平台之间设固定人梯便于人员上下。

（2）多功能台架的设计计算

1）多功能台架的几何尺寸与主要参数

多功能作业台架主骨架采用I20钢，以铨焊连接，辅助杆件采用∠15和匸15钢，与主骨架之间采用铨焊连接，行走架纵梁采用I30钢，两层作业平台上均满铺5cm厚木板并固定。

台架自重约20T。

主要尺寸见下页图。

2）结构检算

多功能作业台架荷载主要由台架自重、风钻和作业人员的重量以及其工作时支腿向下的反力、偶然荷载等组成，根据这些荷载的不同组合方式以及分布规律，多功能作业台架结构建议采用可靠度理论进行检算。

检算项目主要包括以下五个方面：

纵向稳定性、横向稳定性、压杆稳定性、杆件强度、主门梁挠度。

2、超前导洞台车钻爆方法与参数

（1）、超前导洞台车钻爆方法

导洞超前于全断面4~6m，导洞利用液压凿岩台车钻孔，液压凿岩台车的操作台位于多功能作业台架下（如下图所示）。

导洞装药用装药炮车进行。

导洞开挖轮廓线的测量画线及找顶也利用装药炮车进行。

导洞超前全断面示意图

（单位：

cm）

开挖断面示意图

单位：

cmcm）

（2）导洞钻爆设计图及参数

导洞钻爆参数表

钻孔深度

进尺

钻眼数量

毫秒雷管数

用炸药量

单位耗药量

4.0m

3.5m

84

80

208kg

1.41kg/m3

3、全断面多功能台架扩挖方法与参数

（1）全断面多功能台架扩挖方法

导洞以外的全断面的余留部分，利用多功能作业台架，作业人员在其上进行找顶、测量画线、风钻钻孔、装药，进行扩挖。

（2）扩挖钻爆设计图及参数

钻孔深度

进尺

钻眼数量

毫秒雷管数

用炸药量

单位耗药量

3.0m

2.85m

109

109

132kg

0.75kg/m3

4、利用多功能台架的找顶、喷锚支护施工方法

出碴完毕，台架前行就位后，先进行危石找顶，再施作锚喷支护。

锚杆眼利用人工手持风钻打眼，注浆采用注浆机高压注浆，人工安装锚杆。

利用多功能作业台架为工作平台，喷射手进行喷砼作业。

5、导洞超前与全断面扩大配合

导洞超前与扩挖的钻爆作业平行作业，每进行5个循环，暂停一次导洞掘进，使导洞与扩挖基本保持平行前进。

6、人机套打时光面爆破技术的应用

（1）光爆参数的选择

1）周边眼孔距（E）及抵抗线（W）

a、孔距（E）：

取40～50cm，Ⅳ级取40cm，Ⅲ级取45cm，Ⅱ级取50cm。

b、抵抗线（W）：

取50～65cm，Ⅳ级取50cm,Ⅲ级取55cm，Ⅱ级取65cm。

2）炮眼深度：

Ⅳ类取2.5m，Ⅲ级取3.0m，Ⅱ级取3.5m。

3）炸药及装药结构的选择

a、炸药：

采用乳化炸药，周边眼采用Φ25小药卷，其它炮眼采用普通药卷，即Φ32药卷。

b、装药结构：

周边眼采用小药卷径向连续装药结构，竹片固定药卷并以传爆线连接，非电毫秒雷管起爆；掏槽眼采用Φ32普通药卷，连续装药结构；其它炮眼采用Φ32普通药卷，空气柱间隔装药结构。

所有炮眼以长20cm炮泥堵塞眼口。

4）装药量：

a、单孔光面爆破径向装药量计算式：

式中Q－单孔装药量（g）

E－孔距（m）

W－抵抗线（m）

L－孔深（m）

Rb－岩石层抗压强度（MPa）

b、光爆装药集中度

Ⅳ级围岩q取0.20，Ⅲ级围岩q取0.30，Ⅱ级取0.35。

（２）炮眼布置的步骤

1）掏槽眼的布置

a、掏槽位置：

选在导洞的中心部位。

b、掏槽形式：

采用五梅花直眼掏槽，如下图示。

2）沿开挖轮廊线布置周边眼和底板眼。

a、周边眼：

根据光面爆破选定的周边眼的间距，沿扩大部分开挖轮廓线布置，导洞部分的周边眼间距可适当放大。

b、二圈眼：

二圈眼所在的位置即周边眼抵抗线的边缘。

二圈眼的孔距稍大于周边眼抵抗线，即E=1.2W，通常不大于0.9m。

c、扩大眼：

扩大眼间距一般取0.8～1.2m。

3）确定合理的起爆顺序：

起爆顺序见下页框图。

毫秒雷管间隔时间取50～100毫秒。

六、施工程序

七、机具设备

序号

设备名称

设备型号

单位

数量

1

液压凿岩台车

H178

台

1

2

装药炮车

PT-100

台

1

3

风钻

YT-28

台

8

4

空压机

135Kw20m3/min

台

3

5

喷浆机

JZPⅡ

台

1

6

通风机

MFA100P-SCHS

台

1

7

注浆泵

风动牛角泵

台

1

八、劳力组织

序号

班组

作业人数量

备注

1

台车班

6

含台车司机、领钎人、炮车司机

2

风钻班

12

含领钎人、炮工

3

初支班

12

含喷、锚作业

4

测量组

4

5

其它

6

空压机司机、电工、机修工

九、质量标准及技术要求

（一）质量标准

严格控制开挖断面，不应欠挖。

不同围岩条件下允许超挖值见下表。

围岩条件类别

开挖部位

中硬岩相当于Ⅱ~Ⅳ级围岩

拱部

平均：

15cm

最大：

25cm

边墙、仰拱及隧底

平均：

10cm

（二）技术要求

１、采用光面爆破技术，并根据工程类比和现场优化光爆设计参数。

２、配备性能良好的机具器材，扩挖部分采用性能良好的YT-28风钻钻孔，测量放线用高精密度的T2经纬仪和S4自动安平水准仪，爆破器材为防水乳化炸药和非电毫秒雷管。

３、严格控制断面的测量放样精度，选取较合理的开挖断面，避免随意放大或缩小断面的现象。

４、严格控制钻孔精度，重点应控制周边眼的外插角度、开口径向误差，以及炮孔深度和炮孔在断面分布上的均匀性。

５、严格控制爆破作业质量，特别应严格控制装药量，并保证正确的起爆顺序。

６、及时检测及时反馈，检测内容应包括：

作业精度和质量、开挖面地质状况、开挖效果，还应进行围岩变形量测，及时进行效果评价分析和信息反馈。

７、强化施工组织管理，执行标准化作业，经常对作业人员进行作业技能和责任心教育，并制定超欠挖奖惩措施，严格执行。

十、安全措施

施工过程中除应严格遵守国家和部颁有关隧道施工安全技术规则外，还应注意以下事项：

1、端头密封。

2、防止拉伸。

3、传爆雷管：

起爆导爆索的根数不宜过多。

4、导爆管在使用中尽量不出现接头。

5、外观检查：

当导爆管破损、折断、压偏，应切去不用。

6、导爆索长度不得小于1.5m。

7、导洞部分的起爆网络因为较扩挖部分起爆延迟，要注意防止扩挖爆破时被破坏。

十一、效益分析

（一）开挖进度、进尺和作业循环时间

序号

施工

方法

施工区段

长度（m）

围岩级别

时间

作业循环数

月平均循环进尺（m/月）

平均循环进尺（m）

平均作业循环时间（h）

Ⅳ

Ⅲ

１

台车全断面

DK152+498～+817

319

95

224

97年3-5月

88

108

3.60

24.5

２

人机套打全断面

DK153+205～+664

459

423

36

97年10月-98年1月

161

115

2.85

17.9

从上表看出，人机套打方法的开挖速度较台车方法快。

（二）开挖质量（超欠挖）和爆破器材消耗量

1997年9月至1998年元月期间采用人机套打全断面方法开挖，1997年9月前采用台车全断面方法开挖，二者列表做出比较，超挖费用按400元／m3计，炸药单价以2.50元/m3计。

里程

长度（M）

超挖情况

减少超挖量

减少炸药量

折合降低成本（万元）

DK153+210～+660

450

1997年9月前

1997年9月－1998年1月

m3/m

元/m

Kg/m

元/m

27.9

12.9

3.60

1440

36.10

90.30

68.77

由上表可以看出，采用人机套打全断面方法开挖，减少了超挖量和炸药消耗量，经济效益十分显著。

（三）可充分发挥围岩自稳能力

DK153+210~+660段全部采用人机套打全断面法开挖，其中Ⅲ类围岩为270m，占70％。

由于人机套打全断面方法超前形成导洞，后部扩挖，爆破对周边围岩扰动较小，充分发挥了围岩自稳能力，没有出现坍塌现象。

十二、工程实例

本工法成功地应用于朔（州）~黄（骅）铁路线寺铺尖隧道进口开挖施工中。

寺铺尖隧道1996年7月1日开始横洞施工，1996年10月1日进入正洞施工，1996年10月1日至1997年8月31日开挖采用液压凿岩台车钻孔，1997年9月1日至1998年1月31日开挖采用人机套打工法，1998年2月1日之后由于液压凿岩台车严重故障停用，开挖采用多功能作业台架人工手持风钻钻孔，1999年8月21日全隧道提前2个月贯通。

在1997年9月1日至1998年1月31日期间，在DK153+205~DK153+628（Ⅳ级围岩）和DK153+628~DK153+664（Ⅲ级围岩）段开挖施工中，采用人机套打方法，利用H178凿岩台车开挖导洞，导洞断面高×宽=6.5×6.5m，导洞超前于后续扩挖断面4~6m，每循环进尺3.5~4.0m，平均进尺3.8m；后续扩挖人工YT-28风钻在自制多功能台架上钻孔，每循环进尺2.5~3.0m，平均进尺2.85m。

月平均进尺108m/月，超欠挖节约成本约69万元，无发生大小坍塌现象，确保了安全、质量、效益、工期。

（执笔：

中铁隧道集团二处杨秀权）