城市地铁硬岩地层联络通道高压气体膨胀致裂开挖的方法

摘要

本发明公开了一种城市地铁硬岩地层联络通道高压气体膨胀致裂开挖的方法，联络通道采用上、下台阶法开挖，台阶法施工顺序为，进行上台阶开挖、施做上台阶初支、施做拱部砂浆锚杆、下台阶开挖、施做下台阶初支、施做联络通道二衬结构；其中，上台阶采用机械法辅助高压气体膨胀致裂法开挖，下台阶采用高压气体膨胀致裂法破岩开挖。本发明既具有爆破法开挖的高效性，又具有机械法开挖的安全性，影响范围小、基本无环境污染，较于纯机械开挖效率高，并且还具有安全性能好、污染少、噪声低、振动小、易控制等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及硬岩挖掘技术领域，特别是涉及一种城市地铁硬岩地层联络通道高压气体膨胀致裂开挖的方法。

背景技术

近年来，随着我国经济的快速发展和城市建设的大力推进，我国城市交通流量大幅上升，交通拥塞、城市环境日益恶化已成为各大城市普遍存在和待解决的重要问题。城市地铁作为一种安全、快捷、高效、环保的交通形式，成为许多大城市解决交通问题的首要选择。在城市地铁的规划设计中，上下行隧道间通常需要设置联络通道，联络通道是非常重要的附属设施，常起着两隧道连结、集、排水、防火和疏散等作用，在地铁运营过程中发挥着重要的作用。在盾构法隧道基础上修建联络通道，由于要破除管片，使开挖过程中已修建盾构隧道管片的结构受力复杂，另外联络通道部位往往存在降水及地层加固困难，在地下水的作用下，开洞处及联络通道容易产生塌方，因此，如何开洞及如何保护盾构管片的安全稳定，是盾构法施工很关键的问题。在联络通道施工中，目前采取的方法主要有冻结法(或钻爆法)、矿山法、顶管法等，这几种方法在国内的地铁建设中都得到了广泛的应用。冻结法、顶管法等方法主要是解决在富水、软泥等极不稳定的地层中开挖联络通道，以达到在联络通道开挖过程中控制围岩变形，防止塌方、透水等事故的发生；矿山法(或钻爆法)在城郊硬岩地层或允许爆破的环境中应用，但其在人车密集的城区极少采用。

随着我国在建的城市地铁建设项目分布在大江南北，地质条件差异极大，比如，华中及华南的大部分城市盾构法修建地铁大多会穿越上部为素填土、砂卵石地层及下部为硬岩地层的上软下硬复杂地质环境，当联络通道施工穿越硬岩(如花岗岩、灰岩等)地层，围岩强度大(最高达到150MPa以上)，凿岩破岩困难；联络通道下穿城市交通主干道，周围建构筑物、人口密集，对周围环境安全影响大；联络通道拱顶上部为含水砂卵石地层，开挖后拱顶渗水、受力复杂，会使拱顶围岩受到较大的拉应力，硬岩的准脆性特导致其抗拉强度较小，存在较大塌方风险；暗挖联络通道施工过程中受力体系频繁转换和平衡，盾构管片的结构易变形、失衡和破坏。研究可安全、高效率破岩的联络通道掘进方法，规避施工中工程灾害的发生是联络通道施工中亟待解决和技术难题，也是保证联络通道安全、快速、经济施工的首要前提和必要条件。

尽管传统的控制爆破技术已应用于很多工程项目建设中，但在某些特殊和敏感的城区，炸药爆破开挖方法被禁止或不适用，比如，市中心地铁、重要管线附近，紧邻民宅，争议性较大的敏感地区等等。因为在城市地铁复杂施工环境下，邻近既有建构筑，地面人多、车多，而现在炸药爆破施工存在振动、噪声和飞石三大公害，影响范围大，在城市中心采用炸药爆破施工极易引发安全事故。而国内外对非爆破方法的研究主要有机械铣挖法、静态膨胀剂法、劈裂棒法、二氧化碳法、镐头机破岩法、风镐等。这些非爆破开挖法具有振动小、噪声较小且安全可靠等优点，但成本高、破岩效率低、人员和设备用量大、需要多个临空面，对强度超过50MPa的硬岩开挖，效率极低甚至无法实施。目前，城市地铁硬岩地层中的联络通道开挖主要采用人工开挖，辅助使用简单机械工具(如风镐)进行开挖，效率极低。

发明内容

本发明的目的是提供一种城市地铁硬岩地层联络通道高压气体膨胀致裂开挖的方法，以解决上述现有技术存在的问题，使得城市复杂环境下地铁硬岩地层联络通道可以更安全、高效地施工。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种城市地铁硬岩地层联络通道高压气体膨胀致裂开挖的方法，联络通道采用上、下台阶法开挖，台阶法施工顺序为，进行上台阶开挖、施做上台阶初支、施做拱部砂浆锚杆、下台阶开挖、施做下台阶初支、施做联络通道二衬结构；

其中，上台阶采用机械法辅助高压气体膨胀致裂法开挖，第一步，在掌子面中央区域打若干个相邻的水平向大孔，水平向大孔在中央部位形成一个“Y”字型的切槽，为后续破岩工作创造临空面和补偿空间；接着，在切槽周围打若干个第一水平下向孔，在每个第一水平下向孔中各装一根膨胀管，触发所有第一水平下向孔中的膨胀管，用高压气体膨胀致裂法将邻近切槽附近区域致裂后出渣；第二步，在第一步开挖后新形成的临空面基础上，沿地铁联络通道断面轮廓线均匀分布若干个第二水平下向孔，在每个第二水平下向孔中各装一根膨胀管；触发所有第二水平下向孔中的膨胀管，用高压气体膨胀致裂法将地铁联络通道轮廓线周边区域致裂后用机械出渣；

循环第一步和第二步，为下台阶高压气体膨胀致裂法破岩开挖创造临空面；在地铁联络通道已开挖的上台阶空间进行下台阶区域打向后下方倾斜的斜孔，斜孔成排布设，每个斜孔内各装一根膨胀管，斜孔中的膨胀管同时触发，用高压气体膨胀致裂法将下台阶致裂后用机械出渣。

优选地，上台阶高度为2.1m，下台阶高度为2.15m；

利用钻机或其它机械在掌子面中央区域打七个竖向单列设置的水平向大孔，并在顶端的水平向大孔的两侧各打四个水平向大孔，水平向大孔直径为φ110mm，深度为1.5m，孔间距0～200mm；

利用YT-28风动凿岩机在切槽两侧和上下台阶分界线上共打四个第一水平下向孔，第一水平下向孔直径为φ60～φ70mm，深度为1.5m，第一水平下向孔与水平线的夹角为20°，第一水平下向孔呈矩形分布，矩形长1400～1600mm，高700mm；

利用YT-28风动凿岩机在距离轮廓线30cm处打九个第二水平下向孔，第二水平下向孔直径为φ60～70mm，深度为1.5m，第二水平下向孔与水平线的夹角为10°，孔间距600mm；

下台阶分两层开挖，先挖第一层再挖第二层，利用YT-28风动凿岩机打两排斜孔，斜孔排距1.2m，前排斜孔为四个，间距1m，后排斜孔为五个，间距0.8m；斜孔直径为φ60～70mm，深度为1.5m，斜孔向后下方倾斜45°；第二层重复第一层工作。

优选地，洞口段开挖时，先将一侧管片切除并将上部管片拆下，后将锚杆尾部和管片进行固定，开挖后立即进行喷混凝土确保开挖面稳定，正常往前挖至做完第一段初支并喷混凝土后，返回开挖洞口上方部分土石方补做洞口初支，完成初期支护整体封闭。

优选地，上、下台阶开挖时，先开挖上台阶，上台阶开挖时，每开挖一榀立即进行初喷混凝土、挂钢筋网、安装一榀格栅钢架、进行喷射混凝土封闭，上台阶支护完成2m后再进行下台阶开挖支护，上台阶超前下台阶断面保持在1m以上。

优选地，联络通道上方岩体每加固完成3m后，进行通道土石方开挖，上、下台阶开挖每循环进尺控制在0.75～1.2m，开挖过程中割除加长导管外露部分，开挖完成后立即进行初期支护，先喷一层混凝土找平，然后挂钢筋网，安设格栅钢架，施作锚杆，最后喷射混凝土至设计厚度。

优选地，初支厚度250mm，采用钢筋网、格栅钢架、喷射混凝土联合支护；钢筋网为φ8@150×150全断面双层布置；工字钢采用18A，间距0.75m；格栅钢架内侧、外侧环向每隔1m焊接Φ22纵向连接筋；挂网及格栅钢架完成后喷射C25早强混凝土至设计厚度，完成一个循环过程。

优选地，上台阶开挖过程中在格栅钢架上预留注浆管，在拱部120°范围内预埋直径φ42mm，壁厚3.5mm，长0.5m的钢花管作注浆管，注浆管环向间距为2.0m，纵向间距1m，梅花型布置；初期支护施工时，每当初期支护闭合成环到一定长度后，即对初支拱背后压注水泥浆，上台阶全部开挖完成后进行注浆回填，保证喷射混凝土和地层之间密实。

优选地，开挖后地下水出露较多地段、初衬支护回填注浆后仍有渗漏水时，应视具体情况对衬砌背后更深层围岩进行注浆。

优选地，联络通道初喷混凝土、挂钢筋网、安装格栅钢架、喷射混凝土到设计厚度，形成整个断面的初支封闭后，联络通道开挖支护全部完成，再切割拆除对侧区间隧道管片，完成拆除对侧管片后，联络通道的开挖、初期支护工作全部完成。

优选地，联络通道的开挖、初期支护工作全部完成，开挖废水泵房，卷扬机将渣土提上来，然后倒到隧道中的电瓶车中运出。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

高压气体膨胀致裂法破岩是一种非爆破破岩方法与技术，它不同于传统炸药爆破技术，是利用在岩体中装设高压气体膨胀管，通过借助机械设备加入的高压气体联合触发装置将膨胀管底部的触发器(点)激发膨胀管内发气剂生成的高压气体，使膨胀管内的超高压气体瞬间释放，以对周围介质膨胀做功而破碎之。它与一般炸药爆破相比，气体相对膨胀、扩散缓慢些，剪切作用相对平稳些，具有安全性能好、污染少、噪声低、振动小、易控制等特点，在许多情况下具有比炸药爆破更好的适用性，特别适合用于城市复杂环境下(如临近既有建(构)筑物)硬岩开挖。

由于高压气体膨胀致裂法破岩主要为物理膨胀过程，和炸药爆破相比，它具有一些炸药爆破无法比拟的优点，主要表现在以下2个方面：1、从作用机理和危害预防角度来看，由于高压气体膨胀过程没有传统炸药爆破急剧的爆轰过程，且应力波在破岩中的作用也较传统炸药爆破所占比例要小，因此，高压气体膨胀致裂法破岩技术基本避免了传统炸药爆破的三大公害“振动、噪声和飞石”；2、从安全管理与事故预防角度来看：由于高压气体膨胀致裂法破岩无需危险的爆破器材，在生产、储存、运输和使用过程中安全性高，例如高压气体膨胀致裂法破岩在释放气体过程中不会产生火焰，因而就不会有引发火灾和爆炸等危险。

本发明的城市地铁硬岩地层联络通道高压气体膨胀致裂开挖的方法利用高压气体膨胀致裂法破岩，是由应力波作用和高压气体的“气楔”作用两者共同作用来做完成的，但与传统炸药爆破破岩的不同之处在于其应力波破岩作用占的比例少，主要是靠高压气体的“气楔”作用破岩，故振动小、噪声小、无飞石，基本避免了传统炸药爆破的三大公害“振动、噪声和飞石”。

本发明既具有传统炸药爆破法开挖的高效性，又具有机械法开挖的安全性，影响范围小，基本无环境污染，较于纯机械开挖效率高，并且还具有安全性能好、污染少、噪声低、振动小、易控制等特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的联络通道开挖方法划分图；

图2为本发明的上、下台阶开挖施工工序图；

图3为本发明的上台阶开挖断面水平向大孔、第一水平下向孔和第二水平下向孔的布置正视图；

图4为本发明的上台阶开挖断面水平向大孔、第一水平下向孔和第二水平下向孔的布置侧视图；

图5为本发明的下台阶斜孔的平面布置图；

图6为本发明的下台阶斜孔的侧面布置图；

其中：1-水平向大孔，2-第一水平下向孔，3-第二水平下向孔，4-斜孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种城市地铁硬岩地层联络通道高压气体膨胀致裂开挖的方法，以解决上述现有技术存在的问题，使得城市复杂环境下地铁硬岩地层联络通道可以更安全、高效地施工。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-6所示：本实施例提供了一种城市地铁硬岩地层联络通道高压气体膨胀致裂开挖的方法，联络通道采用上、下台阶法开挖，台阶法施工顺序为，进行上台阶开挖、施做上台阶初支、施做拱部砂浆锚杆、下台阶开挖、施做下台阶初支、施做联络通道二衬结构；

其中，上台阶采用机械法辅助高压气体膨胀致裂法开挖，第一步，在掌子面中央区域打若干个相邻的水平向大孔1，水平向大孔1在中央部位形成一个“Y”字型的切槽，为后续破岩工作创造临空面和补偿空间；接着，在切槽周围打若干个第一水平下向孔2，在每个第一水平下向孔2中各装一根膨胀管，触发所有第一水平下向孔2中的膨胀管，用高压气体膨胀致裂法将邻近切槽附近区域致裂后出渣；第二步，在第一步开挖后新形成的临空面基础上，沿地铁联络通道断面轮廓线均匀分布若干个第二水平下向孔3，在每个第二水平下向孔3中各装一根膨胀管；触发所有第二水平下向孔3中的膨胀管，用高压气体膨胀致裂法将通道轮廓线周边区域致裂后用机械出渣；

循环第一步和第二步，为下台阶高压气体膨胀致裂法破岩开挖创造临空面；在联络通道已开挖的上台阶空间进行下台阶区域打向后下方倾斜的斜孔4，斜孔4成排布设，每个斜孔4内各装一根膨胀管，斜孔4中的膨胀管同时触发，用高压气体膨胀致裂法将下台阶致裂后用机械出渣。出渣也可采用风镐和人工出渣。膨胀管可选用50型膨胀管。膨胀管装入后需要封堵好孔口。

具体地，上台阶高度为2.1m，下台阶高度为2.15m。

利用钻机或其它机械在掌子面中央区域打七个竖向单列设置的水平向大孔1，并在顶端的水平向大孔1的两侧各打四个水平向大孔1，水平向大孔1直径为φ110mm，深度为1.5m，孔间距0～200mm。

利用YT-28风动凿岩机在切槽两侧和上下台阶分界线上共打四个第一水平下向孔2，第一水平下向孔2直径为φ60～φ70mm，深度为1.5m，第一水平下向孔2与水平线的夹角为20°，第一水平下向孔2呈矩形分布，矩形长1400～1600mm，高700mm。

利用YT-28风动凿岩机在距离轮廓线30cm处打九个第二水平下向孔3，第二水平下向孔3直径为φ60～70mm，深度为1.5m，第一水平下向孔2与水平线的夹角为10°，孔间距600mm。

下台阶分两层开挖，先挖第一层再挖第二层，利用YT-28风动凿岩机打两排斜孔4，斜孔4距断面1.2m，斜孔4排距1.2m，前排斜孔4为四个，间距1m，距轮廓线两侧0.4m，后排斜孔4为五个，间距0.8m，距轮廓线两侧0.3m；斜孔4直径为φ60～70mm，深度为1.5m，斜孔4向后下方倾斜45°；第二层重复第一层工作。

洞口段开挖时，先将一侧管片切除并将上部管片拆下，后将锚杆尾部和管片进行固定，开挖后立即进行喷混凝土确保开挖面稳定，正常往前挖至做完第一段初支并喷混凝土后，返回开挖洞口上方部分土石方补做洞口初支，完成初期支护整体封闭。

上、下台阶开挖时先开挖上台阶，上台阶开挖时每开挖一榀立即进行初喷混凝土、挂钢筋网、安装一榀格栅钢架、进行喷射混凝土封闭，上台阶支护完成2m后再进行下台阶开挖支护，上台阶超前下台阶断面保持在1m以上。

联络通道上方岩体每加固完成3m后，进行通道土石方开挖，上、下台阶开挖每循环进度控制在0.75～1.2m，开挖过程中割除加长导管外露部分，开挖完成后立即进行初期支护，先喷一层混凝土找平，然后挂钢筋网，安设格栅钢架，施作锚杆，最后喷射混凝土至设计厚度。

初支厚度250mm，采用钢筋网、格栅钢架、喷射混凝土联合支护；钢筋网为φ8@150×150全断面双层布置；工字钢采用18A，间距0.75m；格栅钢架内侧、外侧环向每隔1m焊接Φ22纵向连接筋；挂网及格栅钢架完成后喷射C25早强混凝土至设计厚度，完成一个循环过程。

上台阶开挖过程中在格栅钢架上预留注浆管，在拱部120°范围内预埋直径φ42mm，壁厚3.5mm，长0.5m的钢花管作注浆管，注浆管环向间距为2.0m，纵向间距1m，梅花型布置；初期支护施工时，每当初期支护闭合成环到一定长度后，即对初支拱背后压注水泥浆，水泥浆水灰比为1:1，注浆压力一般为0.3～0.4Mpa，具体浆液配合比和注浆压力可根据现场地质条件确定。上台阶全部开挖完成后进行注浆回填，保证喷射混凝土和地层之间密实。

开挖后地下水出露较多地段、初衬支护回填注浆后仍有渗漏水时应视具体情况对衬砌背后更深层围岩进行注浆。

联络通道初喷混凝土、挂钢筋网、安装格栅钢架、喷射混凝土到设计厚度，形成整个断面的初支封闭后，联络通道开挖支护全部完成，再切割拆除对侧区间隧道管片，完成拆除对侧管片后，联络通道的开挖、初期支护工作全部完成。

联络通道的开挖、初期支护工作全部完成，开挖废水泵房，卷扬机将渣土提上来，然后倒到隧道中的电瓶车中运出。

需要说明的是：本实施例中的各个参数和施工设备的型号、工具的选型可根据硬岩的具体情况而做适当调整，具体的参数、设备和工具不应理解为对本发明的限制。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。