一种软弱围岩隧道液压岩土铣挖设备及方法.pdf

本发明属于一种软弱围岩隧道液压岩土铣挖设备及方法，采用带有移土装置的铣挖设备进行挖掘，该方法将隧道作业面分为依次进行的六个作业区。铣挖设备包括液压挖掘机体、铣挖头和铣挖移动臂，在铣挖头后端的铣挖移动臂上设有移土装置，所述的移土装置包括承土斗、承重臂、调节液压器、斗液压器和连接座。本发明能够有效地在软弱围岩隧道施工中，保证隧道施工和运营安全，减少地质灾害造成的经济损失，具有施工资源和成本低，易施工，建设速度快，安全风险小和施工质量高的优点。

1.  一种软弱围岩隧道液压岩土铣挖的方法，其特征在于：采用铣挖设备进 行开挖，该方法将隧道作业面分为依次进行的六个作业区，包括如下步骤；
(1)隧道的超前支护，制备直径50mm壁厚5mm的导管，每根导管长4.5m，其 一端部制成锥形，采用YT28风枪进行钻孔，并推送导管，纵向各孔交错呈梅花 形布置，纵向间距15cm，沿开挖轮廓线布置，环向间距35cm，角度控制在10°～ 30°，每环搭接长度1.5m，导管安装完毕后对每根导管进行注浆施工，每根导 管尾部与对应部的钢拱架焊接；
(2)上导左侧作业区及其初期支护，上导左侧作业区将隧道预留变形量调整 为80cm，按照测量放样点采用铣挖设备进行开挖，减少震动对围岩的扰动，上 导台阶长度控制在3～5m的距离，而后进行上导左侧初期支护，上导左侧初期支 护的钢拱架采用I22b工字钢，按照实际开挖轮廓线预留变形量80cm制作，洞外 分节制作，洞内拼装，根据围岩及沉降情况适时调整拱架间距50～60cm，每节 钢拱架之间采用4颗M20高强螺栓进行连接，确保连接板连接紧密，螺栓无松动， 每榀钢拱架之间采用直径22mm螺纹钢筋连接，环向间距1.0m，采用直径8mm双层 钢筋网网片，内外双层，交替布置，网片中的网格尺寸15cm×15cm，每榀拱架 的拱脚施做两根直径50mm壁厚5mm锁脚导管，采用L型钢筋焊接牢固，并施做系 统锚杆，喷射28cm厚C25钢纤维早强混凝土，形成上导左侧初期支护；
(3)中导左侧作业区及其初期支护，中导左侧作业区的开挖在上导左侧初期 支护后进行，而后进行中导左侧初期支护，中导左侧初期支护的上端与上导左 侧初期支护的下端连成一体；
(4)上导右侧作业区及其初期支护，中导左侧初期支护施工完成后，即可开 始上导右侧作业区的挖掘施工，上导右侧作业区的初期支护左侧端与上导左侧 作业区的初期支护右侧端连成一体，且初期支护施工与上导左侧作业区施工相 同；
(5)下导左侧作业区及其初期支护，下导左侧作业区的开挖在上导右侧初期 支护后进行，而后进行下导左侧初期支护，下导左侧初期支护的上端与中导左 侧初期支护的下端连成一体；
(6)中导右侧作业区及其初期支护，中导右侧作业区的开挖在下导左侧初期 支护后进行，而后进行中导右侧初期支护，中导右侧初期支护的上端与上导右 侧初期支护的下端连成一体；
(7)下导右侧作业区及其初期支护，下导右侧作业区的开挖在中导右侧初期 支护后进行，而后进行下导右侧初期支护，下导右侧初期支护的上端与中导右 侧初期支护的下端连成一体；
(8)仰拱的初期支护，仰拱的初期支护的钢拱架的两端与下导右侧初期支护 和下导左侧初期支护的钢拱架下端进行闭合连接，仰拱的钢拱架采用I22b工字 钢，并喷射28cm厚C25钢纤维混凝土。

2.  按权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的隧道的超前支护沿开挖轮 廓线布置。

3.  按权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的铣挖设备带有移土装置。

4.  一种实现权利要求1所述方法的铣挖设备，包括液压挖掘机体、铣挖头和 铣挖移动臂，其特征在于：在铣挖头后端的铣挖移动臂上设有移土装置，所述 的移土装置包括，承土斗、承重臂、调节液压器、斗液压器和连接座，连接座 的上端设有与铣挖移动臂连接固定的螺栓孔，连接座下部的两外侧面上凸设有 一个固定轴，两个承重臂的后部设有平滑槽且通过该平滑槽与对应侧的固定轴 轴接，两个承重臂的前端通各自的轴栓与位于承土斗下端两侧的底栓座轴接， 两个承重臂的下端各设有一个调节液压器，调节液压器体的后端通过各自的轴 螺栓与位于连接座下端两侧面轴接，各调节液压器的液压杆前端分别与同一侧 的承重臂前部下侧轴接，各承重臂前部上侧设有轴杆座，轴杆的两端轴设在轴 杆座上，轴杆的中部固接导杆的中部，导杆的上端通过轴栓与斗液压杆的前端 轴接，斗液压器体的后端通过轴栓与连接座的下端中部轴接，导杆的下端通过 轴栓与连杆的一端轴接，连杆的另一端通过轴栓与位于承土斗后侧上端中部的 接座轴接。

5.  按权利要求4所述的铣挖设备，其特征在于：所述的连接座呈U形。

6.  按权利要求4所述的铣挖设备，其特征在于：所述的位于调节液压器的轴 心线与同侧的承重臂轴心线呈V字形交叉。

一种软弱围岩隧道液压岩土铣挖设备及方法
技术领域
本发明属于一种软弱围岩隧道液压岩土铣挖方法及设备。
背景技术
目前在公路及铁路隧道开挖施工中，普遍采用的是机械开挖法和爆破法，即 采用挖掘机开挖和用人工凿炮眼用爆破的方法完成；这两种方法虽然是最为常 用的，但却存在较大的安全和质量隐患。
机械开挖多用在隧道的围岩较松软的地质施工区域。施工时，通常先用挖 掘机将围岩挖下，而后退出作业面，停靠在隧道的侧壁下，装载机进入开始出 渣，出渣结束后马上对隧洞壁进行支护结构的安装、喷射混凝土工序，然后进 行下一个施工循环。但是挖掘机的作业(如风镐式)对围岩的扰动比较大，易造成 塌方和超挖，会使闭合面形成慢，成本投入增加，延误了施工工期。
遇到石质较为坚硬的地质则用爆破法。爆破法对人员和环境条件的要求较 为严格，但两种方法均容易造成隧道开挖的控制偏差。
特别是，施工所在地属于剥蚀丘陵山地地貌，地形起伏较大，节理发育， 裂隙较多，大量红土夹浮石、孤石、分层较多，土石交接夹泥、黑色泥岩不规 律分布，对岩体稳定性影响较大的中低硬度的围岩层，上述两种方法难于适用。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种软弱围岩隧道液压岩土铣挖设备及方法，能 够有效地在软弱围岩隧道施工中，保证隧道施工和运营安全，减少地质灾害造 成的经济损失，具有施工资源和成本低，易施工，建设速度快，安全风险小和 施工质量高的优点。
为此，本发明的方法采用铣挖设备进行开挖，该方法将隧道作业面分为依次 进行的六个作业区，包括如下步骤；
(1)隧道的超前支护，制备直径50mm壁厚5mm的导管，每根导管长4.5m，其 一端部制成锥形，采用YT28风枪进行钻孔，并推送导管，纵向各孔交错呈梅花 形布置，纵向间距15cm，沿开挖轮廓线布置，环向间距35cm，角度控制在10°～ 30°，每环搭接长度1.5m，导管安装完毕后对每根导管进行注浆施工，每根导 管尾部与对应部的钢拱架焊接；
(2)上导左侧作业区及其初期支护，上导左侧作业区将隧道预留变形量调整 为80cm，按照测量放样点采用铣挖设备进行开挖，减少震动对围岩的扰动，上 导台阶长度控制在3～5m的距离，而后进行上导左侧初期支护，上导左侧初期支 护的钢拱架采用I22b工字钢，按照实际开挖轮廓线预留变形量80cm制作，洞外 分节制作，洞内拼装，根据围岩及沉降情况适时调整拱架间距50～60cm，每节 钢拱架之间采用4颗M20高强螺栓进行连接，确保连接板连接紧密，螺栓无松动， 每榀钢拱架之间采用直径22mm螺纹钢筋连接，环向间距1.0m，采用直径8mm双层 钢筋网网片，内外双层，交替布置，网片中的网格尺寸15cm×15cm，每榀拱架 的拱脚施做两根直径50mm壁厚5mm锁脚导管，采用L型钢筋焊接牢固，并施做系 统锚杆，喷射28cm厚C25钢纤维早强混凝土，形成上导左侧初期支护；
(3)中导左侧作业区及其初期支护，中导左侧作业区的开挖在上导左侧初期 支护后进行，而后进行中导左侧初期支护，中导左侧初期支护的上端与上导左 侧初期支护的下端连成一体；
(4)上导右侧作业区及其初期支护，中导左侧初期支护施工完成后，即可开 始上导右侧作业区的挖掘施工，上导右侧作业区的初期支护左侧端与上导左侧 作业区的初期支护右侧端连成一体，且初期支护施工与上导左侧作业区施工相 同；
(5)下导左侧作业区及其初期支护，下导左侧作业区的开挖在上导右侧初期 支护后进行，而后进行下导左侧初期支护，下导左侧初期支护的上端与中导左 侧初期支护的下端连成一体；
(6)中导右侧作业区及其初期支护，中导右侧作业区的开挖在下导左侧初期 支护后进行，而后进行中导右侧初期支护，中导右侧初期支护的上端与上导右 侧初期支护的下端连成一体；
(7)下导右侧作业区及其初期支护，下导右侧作业区的开挖在中导右侧初期 支护后进行，而后进行下导右侧初期支护，下导右侧初期支护的上端与中导右 侧初期支护的下端连成一体；
(8)仰拱的初期支护，仰拱的初期支护的钢拱架的两端与下导右侧初期支护 和下导左侧初期支护的钢拱架下端进行闭合连接，仰拱的钢拱架采用I22b工字 钢，并喷射28cm厚C25钢纤维混凝土。
所述的隧道的超前支护沿开挖轮廓线布置。所述的铣挖设备带有移土装置。
一种实现本发明方法的铣挖设备，包括液压挖掘机体、铣挖头和铣挖移动 臂，其中：在铣挖头后端的铣挖移动臂上设有移土装置，所述的移土装置包括， 承土斗、承重臂、调节液压器、斗液压器和连接座，连接座的上端设有与铣挖 移动臂连接固定的螺栓孔，连接座下部的两外侧面上凸设有一个固定轴，两个 承重臂的后部设有平滑槽且通过该平滑槽与对应侧的固定轴轴接，两个承重臂 的前端通各自的轴栓与位于承土斗下端两侧的底栓座轴接，两个承重臂的下端 各设有一个调节液压器，调节液压器体的后端通过各自的轴螺栓与位于连接座 下端两侧面轴接，各调节液压器的液压杆前端分别与同一侧的承重臂前部下侧 轴接，各承重臂前部上侧设有轴杆座，轴杆的两端轴设在轴杆座上，轴杆的中 部固接导杆的中部，导杆的上端通过轴栓与斗液压杆的前端轴接，斗液压器体 的后端通过轴栓与连接座的下端中部轴接，导杆的下端通过轴栓与连杆的一端 轴接，连杆的另一端通过轴栓与位于承土斗后侧上端中部的接座轴接。
所述的连接座呈U形。所述的位于调节液压器的轴心线与同侧的承重臂轴心 线呈V字形交叉。
上述铣挖设备和方法达到了本发明的目的。
本发明能够有效地在软弱围岩隧道施工中，保证隧道施工和运营安全，减 少地质灾害造成的经济损失，具有施工资源和成本低，易施工，建设速度快， 安全风险小和施工质量高的优点。
在京新高速集呼土建二标的金盆湾隧道施工中，该隧道全线设计为V级围 岩，单向三车道五心圆曲墙形断面，隧道开挖高度为12.31米，开挖宽度为17.093 米，隧道左线长3310m，右线长3375m，为分离式三车道特长公路隧道。隧址区 属于剥蚀丘陵山地地貌，地形起伏较大。在隧道轴线范围内存在很多大小不一、 挖掘时间不同的经过废渣回填的淘金坑，在右线初期施工过程中用传统的方法 和机械施工，围岩出现大面积的塌方冒顶等多种灾害，人员伤亡大，费工费力， 质量差，效率低，返工率高，施工成本预计超预算近3倍，且施工速度慢，不 能按计划完工。
变更用本发明的方法和铣挖设备进行施工，建筑施工成本较预算的施工成 本降低10％，可节省大量的人力物力资源。本发明的方法建设速度快，较预计 的完工时间提前20％，易施工和安全风险小，可杜绝人员伤亡，确保施工安全， 降低施工难度，省工省力，质量好达到优级标准，效率高，至今对隧道各项指 标检测仍均为优级标准。本发明的铣挖设备利用自身的铣刨功能，人工控制， 按照施工放样点进行准确的开挖，由于铣挖设备开挖震动小，对围岩的扰动较 小，减少拱部围岩的掉块及滑塌，有效的解决了因爆破不能人为控制的因素造 成的超欠挖过大的现象，避免了因人工处理欠挖而造成时间及人工的浪费，会 使闭合面快速形成。同时，本发明的铣挖设备挖掘和载运出土为一体，避免机 械更换造成的误工，在狭小的隧道内作业效果更好。
附图说明
图1是本发明的铣挖设备使用状态结构示意图。
图2是本发明的铣挖设备作业面的六个作业区示意图。
图3是本发明的铣挖设备结构示意图。
图4是本发明的铣挖设备另一面结构示意图。
具体实施方式
如图1至图4所示，一种软弱围岩隧道液压岩土铣挖的方法，采用铣挖设备 进行开挖，该方法将隧道作业面2分为依次进行的六个作业区在围岩6中进行挖 掘，包括如下步骤：
(1)隧道的超前支护，制备直径50mm壁厚5mm的导管，每根导管长4.5m，其 一端部制成锥形，采用YT28风枪进行钻孔，并推送导管，纵向各孔交错呈梅花 形布置，纵向间距15cm，沿开挖轮廓线布置，环向间距35cm，角度控制在10°～ 30°，每环搭接长度1.5m，导管安装完毕后对每根导管进行注浆施工，每根导 管尾部与对应部的钢拱架焊接。钢拱架为构成初期支护内的钢拱架。
(2)上导左侧作业区61及其初期支护。上导左侧作业区将隧道预留变形量调 整为80cm，按照测量放样点采用铣挖设备进行开挖，减少震动对围岩的扰动。 上导台阶长度控制在3～5m的距离，而后进行上导左侧初期支护，上导左侧初期 支护的钢拱架采用I22b工字钢，按照实际开挖轮廓线预留变形量80cm制作，洞 外分节制作，洞内拼装，根据围岩及沉降情况适时调整拱架间距50～60cm，每 节钢拱架之间采用4颗M20高强螺栓进行连接，确保连接板连接紧密，螺栓无松 动，每榀钢拱架之间采用直径22mm螺纹钢筋连接，环向间距1.0m，采用直径8mm 双层钢筋网网片，内外双层，交替布置，网片中的网格尺寸15cm×15cm，每榀 拱架的拱脚施做两根直径50mm壁厚5mm锁脚导管，采用L型钢筋焊接牢固，并施 做系统锚杆，喷射28cm厚C25钢纤维早强混凝土，形成上导左侧初期支护。
(3)中导左侧作业区62及其初期支护。中导左侧作业区的开挖在上导左侧初 期支护后进行，而后进行中导左侧初期支护，中导左侧初期支护的上端与上导 左侧初期支护的下端连成一体(包括各初期支护内各钢拱架端的连接，以下同， 故不再累述)。中导左侧初期支护的施工步骡与上导左侧初期支护相同，故不再 累述。
(4)上导右侧作业区63及其初期支护。中导左侧初期支护施工完成后，即可 开始上导右侧作业区的挖掘施工，上导右侧作业区的初期支护左侧端与上导左 侧作业区的初期支护右侧端连成一体，且初期支护施工与上导左侧作业区施工 相同。
(5)下导左侧作业区64及其初期支护。下导左侧作业区的开挖在上导右侧初 期支护后进行，而后进行下导左侧初期支护。下导左侧初期支护的上端与中导 左侧初期支护的下端连成一体。下导左侧初期支护的施工步骡与上导左侧初期 支护相同，故不再累述。
(6)中导右侧作业区65及其初期支护。中导右侧作业区的开挖在下导左侧初 期支护后进行，而后进行中导右侧初期支护，中导右侧初期支护的上端与上导 右侧初期支护的下端连成一体。中导右侧初期支护的施工步骡与上导左侧初期 支护相同，故不再累述。
(7)下导右侧作业区66及其初期支护。下导右侧作业区的开挖在中导右侧初 期支护后进行，而后进行下导右侧初期支护，下导右侧初期支护的上端与中导 右侧初期支护的下端连成一体。下导右侧初期支护的施工步骡与上导左侧初期 支护相同，故不再累述。
(8)仰拱67的初期支护。仰拱的初期支护的钢拱架的两端与下导右侧初期支 护和下导左侧初期支护的钢拱架下端进行闭合连接，仰拱的钢拱架采用I22b工 字钢，并喷射28cm厚C25钢纤维混凝土。
所述的隧道的超前支护沿开挖轮廓线布置。所述的铣挖设备带有移土装置。
一种实现本发明所述方法的铣挖设备，包括液压挖掘机体1、铣挖头4和铣挖 移动臂3。其中：在铣挖头后端的铣挖移动臂上设有移土装置5。
铣挖头由截齿、铣挖转盘、机架、传动机构、驱动马达、连接机构所组成， 通过连接机构9接在铣挖移动臂前端。由液压挖掘机体提供液压动力源，采用液 压马达驱动，液压马达通过传动机构驱动铣挖转盘和其上密布的截齿旋转。从 而使安装在其的截齿对接触的物料进行铣掘。为传统结构，故不再累述。
所述的移土装置包括：承土斗8、承重臂20、调节液压器19、斗液压器12和 连接座14。连接座的上端设有与铣挖移动臂连接固定的螺栓孔13，并通过固定 螺栓与铣挖头后端的铣挖移动臂固定。连接座下部的两外侧面上凸设有一个固 定轴17。两个承重臂的后部设有平滑槽16且通过该平滑槽与对应侧的固定轴轴 接。这样，两个承重臂依靠各自的平滑槽在固定轴上前后平移，以调整承土斗 的前后位置，平滑槽的长度由承土斗平移长度确定。所述的连接座呈U形。
两个承重臂的前端通各自的轴栓与位于承土斗下端两侧的底栓座26轴接。 两个承重臂的下端各设有一个调节液压器，调节液压器体的后端通过各自的轴 螺栓18与位于连接座下端两侧面轴接，各调节液压器的液压杆22前端分别与同 一侧的承重臂前部下侧轴接，两者的轴接可亦通过轴栓23实现。所述的位于调 节液压器的轴心线与同侧的承重臂轴心线呈V字形交叉，形成调节液压器对承重 臂的三角支撑。
各承重臂前部上侧设有轴杆座，轴杆21的两端轴设在轴杆座上。轴杆的中 部固接导杆24的中部，导杆的上端通过轴栓10与斗液压杆11的前端轴接，斗液 压器体的后端通过轴栓15与连接座的下端中部轴接。导杆的下端通过轴栓与连 杆25的一端轴接，连杆的另一端通过轴栓与位于承土斗后侧上端中部的接座7 轴接。
本发明的铣挖设备作业时，承土斗应调整到位于铣挖转盘下部后侧的位置 上(可通过同时伸缩调节液压器的液压杆和斗液压杆完成)。这样，铣挖转盘挖下 的料土可落入承土斗中，承土斗装满料土后，再转动液压挖掘机体将铣挖移动 臂和其上承土斗移至液压挖掘机体后侧的承载车上端，斗液压器的斗液压杆顶 出，带动导杆和连杆将承土斗倾翻，将其内的料土装在承载车上，运出隧洞。 本发明的铣挖设备亦可单独铲装料土，如卸下铣挖头。
总之，本发明能够有效地在软弱围岩隧道施工中，保证隧道施工和运营安 全，减少地质灾害造成的经济损失，具有施工资源和成本低，易施工，建设速 度快，安全风险小和施工质量高的优点。可推广使用。