一种隧道环形扩挖施工方法与流程

本发明属于隧道扩挖方法，具体涉及一种隧道环形扩挖施工方法。

背景技术：

1、随着我国地下空间开发建设的快速推进，大断面隧道工程数量持续增长，既有隧道扩径改造、地下车站断面扩展等工程需求日益增多。如何在保证施工效率与经济性的同时，实现隧道断面的精准成型，成为隧道工程施工领域亟需解决的核心问题。

2、目前隧道扩挖施工主要采用钻爆法与机械掘进法两类技术路线。钻爆法凭借设备投入少、施工组织灵活、地层适应性强的优势，在大量硬岩隧道扩挖工程中仍广泛应用。但钻爆法扩挖依靠爆破作用破碎岩体，隧道轮廓成型质量受爆破参数、围岩条件及施工经验影响较大，爆破振动、炮孔布置误差以及围岩裂隙发育等因素，均容易导致开挖轮廓偏差，产生超挖或欠挖现象。超挖会增加喷射混凝土、衬砌以及回填工程量，直接推高施工成本；欠挖则需要进行二次修整，降低施工效率，难以满足高精度断面成型的工程需求。

3、机械掘进法通过刀具直接切削岩体，能够实现连续开挖与较高精度的断面控制。其中全断面隧道掘进机施工具有围岩扰动小、成洞质量高等优点，但对于大断面隧道扩挖工程，若采用与设计断面尺寸相匹配的全断面掘进设备，不仅设备直径大、结构复杂，还需要配置大功率驱动系统与推进系统，导致设备制造、运输及施工成本显著上升，工程经济性大幅下降。

4、为降低大断面隧道施工成本，行业内提出了“中心导洞先行、后续扩挖”的施工思路，即首先采用小直径设备或钻爆法形成中心导洞，再对中心导洞外围区域进行扩挖。该方法能够利用中心导洞提供的施工空间，但现有扩挖施工方法仍存在明显不足。

5、现有机械扩挖施工多采用整体式刀盘全断面切削，刀盘需要同时作用于较大范围的岩体，破岩过程中承受较大的轴向切削阻力与推进反力，因此需要配置大扭矩驱动与大推力推进系统，设备尺寸大、施工组织复杂。同时，现有扩挖施工方法本质上仍属于整体断面切削，未充分利用中心导洞形成的自由面优势，破岩阻力未能得到有效降低，施工效率提升有限。而局部扩挖施工方法通常依赖复杂的伸缩机构分步作业，工序衔接繁琐，硬岩切削效率低，且难以保证全环断面的成型精度。

6、此外，现有扩挖施工方法多依赖操作人员的经验控制设备运行参数，参数匹配精度低，难以实时适应围岩条件变化，容易出现刀具过载、冲击损坏或效率偏低的问题，施工稳定性与经济性难以兼顾。

7、综上，现有隧道扩挖施工方法难以同时兼顾成型精度、施工效率、设备成本与运行稳定性，无法满足当前大断面隧道与扩径改造工程的综合需求。

8、需要特别说明的是，上述技术信息的分析是创造性劳动成果，将其在背景技术部分进行详细说明，仅仅旨在加深本领域技术人员对本技术总体背景技术非显而易见性的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示上述技术信息已构成本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、针对现有技术中的上述缺陷与技术偏见，本技术方案提出一种隧道环形扩挖施工方法，要解决的技术问题为：如何克服现有钻爆法扩挖边缘控制困难、超欠挖严重的缺陷，解决现有机械扩挖施工推进阻力大、设备要求高、工序繁琐、效率低下的问题，同时实现施工参数的自适应匹配，降低对人工经验的依赖，提升施工过程的稳定性与经济性。

2、本发明的技术方案为：

3、一种隧道环形扩挖施工方法，包括以下步骤：

4、s1中心导洞开挖：沿隧道设计轴线先行开挖中心导洞，形成环形扩挖作业空间与临空面；

5、s2扩挖装备就位：将具有自转与公转复合切削功能的环形扩挖装备布置于中心导洞内，完成设备定位与调试；

6、s3循环掘进扩挖：采用刀盘绕自身轴线自转、同时绕隧道轴线公转的复合切削方式，对中心导洞外围的环形岩体进行连续切削；完成一个掘进循环后，装备迈步换步，进入下一掘进循环，直至完成设计范围内的环形扩挖作业。

7、进一步地，所述步骤s3中的每个掘进循环具体包括以下步骤：

8、s31撑紧洞壁：撑靴径向伸出，压紧中心导洞洞壁，提供掘进反力支撑；

9、s32启动刀盘自转：驱动刀盘绕自身轴线转动至设定转速；

10、s33启动整机公转：驱动刀盘整体绕隧道轴线周向转动至设定公转速度；

11、s34推进切削：刀盘轴向进给，滚刀在自转与公转复合运动下对环形岩体进行连续切削，同步排出岩渣；

12、s35循环停机：完成设定进尺后，刀盘停止自转与公转，轴向回缩复位；

13、s36迈步换步：撑靴缩回脱离洞壁，沿轴向向前迈步至新的位置，再次撑紧洞壁。

14、进一步地，所述步骤s36中，撑靴沿主机轴向轨道迈步，迈步距离与单循环进尺相匹配；迈步完成后撑靴再次径向撑紧洞壁，刀盘推进系统复位至初始位置，准备下一循环切削。

15、进一步地，本施工方法还包括智能化控制步骤：实时采集扩挖过程中的运行状态参数，对参数进行数据融合处理，识别刀盘切削状态；根据识别出的切削状态，动态匹配调节刀盘的运行参数。

16、进一步地，采集的运行状态参数包括刀盘切削扭矩、驱动电机电流、刀盘自转速度、推进力、推进速度以及三个方向的振动加速度。

17、进一步地，采用模糊c均值聚类算法识别刀盘切削状态，将切削状态划分为低负载高效切削状态、正常稳定切削状态、高负载过载风险状态、异常冲击或刀具失效状态四类。

18、进一步地，动态匹配调节的运行参数包括刀盘自转速度、整机公转速度、轴向推进速度以及驱动功率；检测到负载升高时降低运行参数，检测到负载降低时提高运行参数。

19、进一步地，还包括刀盘自转与公转协同控制步骤：根据目标切削速度，匹配调节刀盘自转角速度与整机公转角速度，使滚刀的合成切削速度保持在设定范围内。

20、进一步地，所述步骤s1中，中心导洞采用钻爆法或小直径tbm掘进机开挖；开挖完成后对中心导洞进行初期支护，保证围岩稳定。

21、进一步地，所述步骤s3中，采用平面圆形刀盘或锥形刀盘进行切削；采用锥形刀盘时，滚刀沿锥形斜面布置，形成由中心导洞外缘向设计轮廓扩展的渐进式切削。

22、本发明可广泛应用于铁路隧道、公路隧道、地铁隧道及市政管廊等新建隧道的大断面扩挖成型施工，也适用于既有隧道的扩径改造工程，同时可用于“先隧后站”式车站施工中隧道断面向车站断面的转换开挖作业。与现有技术相比，本发明包括以下有益效果：

23、第一，充分利用中心导洞临空面，显著降低破岩阻力，提升切削效率。本方法先行开挖中心导洞，使待切削的环形岩体朝向中心一侧具有自由面，滚刀压入岩体后形成的裂纹更易向临空面扩展贯通，有效降低了单位进尺所需的推进力与切削能耗，提升了硬岩地层的切削效率。

24、第二，采用自转与公转复合切削的循环步进施工工艺，工序衔接顺畅，施工组织简单。本方法通过小尺寸刀盘的复合运动实现全环切削，无需配置大直径全断面刀盘与大功率牵引系统；采用撑靴步进式推进，完成一个循环后无需整体牵引主机即可实现迈步换步，辅助作业时间短，连续施工能力强。

25、第三，成型精度高，超欠挖量小。本方法采用机械连续切削，设计轮廓由刀盘运动轨迹直接约束，配合自转与公转协同控制，能够保证切削轨迹均匀覆盖环形区域，有效减少超挖、欠挖与围岩扰动，降低后续修整、喷射混凝土、衬砌与回填工程量，尤其适用于对成型精度要求高的工程场景。

26、第四，智能化自适应控制，降低人工经验依赖，提升施工稳定性。本方法通过多源参数实时采集与状态识别，能够自动匹配不同围岩条件下的运行参数，避免刀具过载与冲击损坏，使设备始终保持在高效稳定的切削状态，实现了由传统经验驱动向数据驱动的施工模式升级。

27、第五，工程适应性强，应用场景广泛。本方法可适配钻爆法或小直径tbm开挖的中心导洞，可选用平面刀盘或锥形刀盘适配不同围岩与成型要求，可应用于新建大断面隧道、既有隧道扩径改造、“先隧后站”断面转换等多种工程场景，具有较强的通用性与经济性。

28、第六，围岩扰动小，施工安全性高。环形区域采用机械连续切削，无爆破振动冲击，对周边围岩与既有结构的影响小，尤其适用于城市核心区地下工程以及对振动敏感的既有隧道扩径改造工程。