利用水射流的開挖系統及利用它的開挖方法
2023-12-10 21:02:07 1
專利名稱：利用水射流的開挖系統及利用它的開挖方法
技術領域：
本發明涉及一種基於火藥爆破的隧道開挖技術，本發明具體涉及到一種可以把隧道開挖過程中發生的爆破所致衝擊或震動的傳播加以抑制的技術。更具體地說，本發明的利用水射流(Waterjet)的開挖系統及利用它的開挖方法涉及一種利用水射流沿著隧道的外周面形成一系列的連續空間，即形成所謂的自由面而防止爆破時的震動傳播到地表面。
背景技術：
建設及土木工程，尤其是進行地下隧道開挖時頻繁地採取使用火藥的爆破工序。爆破工序可以憑藉火藥的爆發力有效地清除基巖或其它障礙物，但爆破時必然發生的震動與噪音會傳播到地表面而對 建築物或各種結構物造成不良影響。附帶一提的是，在爆破工序中從爆破源傳播的衝擊波雖然會隨著距離而顯著地衰減，但此時所發生的能量中的一部分以彈性波的形態傳播而引起地盤震動(爆破震動，blast vibration)。如果相距爆破源較近處存在著建築物或地鐵設施，有可能造成嚴重問題。抑制前述爆破震動的先前技術如下。首先，大韓民國註冊專利第0531985號揭示了利用線鑽孔的爆破震動遮蔽用開挖結構及工藝，該專利所示技術在待開挖的基巖中的爆破用領域周邊鑽2列以上的線鑽孔(Line drilling hole)並且讓各列的線鑽孔互相錯開地配置。大韓民國註冊專利第0599982號隧道爆破工藝則揭示了下列技術，其利用了與隧道外廓部相隔地鑽孔的大口徑無裝藥孔、配置在該無裝藥孔之間地鑽孔的龜裂誘導孔、鑽到無裝藥孔的內側的多個擴展孔。這些先前技術的共同點是把沿著隧道行進方向鑽孔的多個孔作為爆破時的震動抑制手段使用。然而，即使鑽了多個孔，也會在孔與孔之間存在著連接區。通過該連接區傳播的爆破震動是無法遮蔽的。亦即，先前技術所使用的鑽孔是不完整的震動抑制手段。而且，現有的隧道爆破工藝由於隨著爆破而在鄰接基巖形成危險區，因此具有導致隧道崩潰的問題(請參閱圖21)。尤其是爆破力較大而超出所計劃的隧道空間地開挖後形成超挖時，需要在內空的空間澆注很多噴混凝土(shotcrete)。與此相反地，爆破力不足時會發生欠挖而需要利用挖掘機等設備另外進行作業。現有的隧道開挖技術利用車裝式鑽機製作多個裝藥孔並且在該部分放進火藥後加以爆發。裝藥孔一次需要一百多個，裝藥孔的形成作業由車裝式鑽機操作員以手動方式操作，因此作業效率亟待改善。一般來說，開挖隧道時為了防止隧道崩潰等問題而開發了能夠針對處於開挖前方區域的基巖狀態進行檢查的各種前方預測方法，但它們進行的不是實質檢查而是諸如根據基巖性質而量測抵抗值的間接檢查，因此檢查的可靠性較低，在開挖過程中可能會出現隧道崩潰之類的問題。
發明內容
解決的技術課題
為了解決上述的現有問題，本發明的目的是提供一種水射流設備及開挖方法，其可以有效地抑制開挖過程中發生的爆破所致衝擊、震動及噪音的傳播。而且，本發明的目的防止隧道爆破所導致的欠挖或超挖。而且，本發明的目的是儘量減少爆破所導致的危險區而得以增強隧道穩定性。而且，本發明的目的是在開挖隧道時大幅提升作業效率而得以有效地進行作業。而且，本發明的目的是針對隧道的前方開挖地點進行實質檢查。
解決課題的技術方案實現上述技術課題的本發明的利用水射流的開挖系統及利用它的開挖方法如下。本發明的發明人把先前技術的鑽孔間連接區視為必須清除的有害要素，並且把沿著隧道的外周面形成一系列的連續空間自由面的方案定義為最佳方案。實現該最佳方案的主要解決手段則是引進水射流(waterjet)技術及研磨劑。具體地說，本發明的水射流系統包括:移動單元，為了開挖隧道而朝爆破目標區進行前後移動；多關節機械臂，裝載到上述移動單元；水射流噴嘴，裝載到上述機械臂的前端；供應單元，把高壓水供應到上述水射流噴嘴；控制單元，控制上述移動單元、機械臂及水射流噴嘴。較佳地，水射流噴嘴能夠噴射水與研磨劑。本發明的水射流噴嘴還包括:深度傳感器單元，其檢測上述高壓水所導致的開挖對象面的破碎深度；上述控制單元則利用上述破碎深度控制上述機械臂及供應單元。而且，上述水射流噴嘴還包括橫寬傳感器單元，其檢測上述高壓水所導致的開挖對象面的破碎橫寬；上述控制單元則利用上述破碎橫寬控制上述機械臂及供應單元。憑藉具有前述結構的水射流系統沿著隧道開挖方向在爆破目標區的外廓形成具有預設深度的自由面。形成了自由面後，在爆破目標區裝藥並加以爆破。有益效果本發明可以通過自由面有效地抑制爆破時的震動傳播。而且，由於減少了爆破時的超挖而節省了另外進行補強工程的費用。而且，由於沒有發生欠挖而不必額外進行作業，還能儘量減少爆破所導致的危險區而得以增強隧道穩定性，進一步提高了作業效率。而且，可以針對開挖隧道的前方區域進行實質地質分析而確保隧道工程的安全性。
圖1是本發明一實施例的隧道開挖用水射流系統構成圖。圖2是本發明一實施例的隧道開挖用水射流設備圖。圖3是圖2所示本發明一實施例的隧道開挖用水射流設備的動作圖。圖4是本發明一實施例的隧道開挖用水射流噴嘴圖。圖5是本發明一實施例的多關節機械臂的自由度例示圖。圖6是本發明的水射流系統所形成的自由面的說明例示圖。圖7是本發明的水射流系統所形成的破碎樣式的線的說明例示圖。圖8是本發明再一實施例的隧道開挖用水射流設備圖。圖9是本發明的利用水射流系統的隧道開挖方法說明圖。
圖10是本發明的形成了自由面的開挖對象面的裝藥孔圖。圖11是本發明再一實施例的框架型隧道開挖用水射流設備圖。圖12是圖11所示水射流系統所形成的自由面的說明例示圖。圖13是三維有限元素解析模型圖。圖14是基於時間的爆破壓力模擬圖。圖15是XYZ方向的合成位移模擬圖。圖16是水平方向位移模擬圖。圖17是鉛直方向位移模擬圖。圖18是最外廊孔IM上端的基於時間的鉛直位移變化圖。圖19及圖20是爆破地點上端的鉛直方向位移圖。圖21是現有技術及本技術的隧道開挖概念圖。圖22是垂直方向數值分析用模型圖。圖23是垂直方向位移的模擬值圖。圖24是垂直方向位移的最大位移量測曲線圖。附圖標記: 100:移動單元200:多關節機械臂300:水射流噴嘴(water jet nozzle) 310:深度傳感器單元320:橫寬傳感器單元400:供應單元500:控制單元600:水射流設備L:線710:框架720:移動裝置730:水射流噴嘴(water jet nozzle)732:量測傳感器740:控制裝置750:導軌752:第一導軌754:第二導軌
具體實施例方式為了實現上述目的，本發明提供下列利用水射流的開挖系統而得以完成該目的。該系統包括:移動單元，在爆破目標區上移動；多關節機械臂，裝載到上述移動單元；水射流噴嘴，裝載到上述機械臂的前端；供應單元，把高壓水供應到上述水射流噴嘴；及控制單元，控制上述移動單元、機械臂及水射流噴嘴。下面結合附圖詳細說明本發明的較佳實施例。在此附帶一提的是，本說明書及權利要求書中所用術語或詞彙的解釋不能限定於通常意義或詞典意義，發明人可以為了使用最佳方法闡釋其發明而適當地定義相關術語之概念，基於該原則，應該按照符合本發明之技術思想的含義與概念來解釋。因此，本說明書所揭示的實施例與圖形所揭示的結構只是本發明的最佳的一個的實施例，不能將其視為代表本發明的所有技術思想，在本發明的專利申請時可以存在能替代的各種均等物與變形例。圖1是本發明一實施例的隧道開挖用水射流系統構成圖。如圖所示，本發明的利用水射流設備(600)的開挖系統具體涉及到一種技術，該技術能把隧道開挖過程中發生的爆破所致衝擊或震動的傳播加以抑制。更具體地說，本發明涉及一種使用水射流設備(600)的開挖系統，該系統利用水射流設備(600)沿著開挖對象面(10)的外周面(隧道計劃面:請參閱圖21)形成一系列的連續空間，即形成所謂的自由面(20)而防止爆破時的震動傳播到地表面。請參閱圖1到圖3，本發明一實施例的水射流設備(600)主要包括:移動單元(100)、多關節機械臂(200)、水射流噴嘴(300)、供應單元(400)及控制單元(500)。移動單元(100)是一種可以在開挖目標區上沿著開挖方向前後移動的移動裝置。具體地說，移動單元(100)是一種允許本水射流設備(600)朝前、後、左、右進行自由移動的構成要素。移動單元(100)可以由多個車輪或環狀軌道形態實現。該移動單元(100)被配置在作為爆破目標區的開挖對象面(10)的前面並沿著隧道開挖方向移動，移動對象物是具有水射流噴嘴(300)的多關節機械臂(200)。
上述多關節機械臂(200)具有裝載到移動單元(100)的多關節結構形態。多關節機械臂(200)被裝載到移動單元(100)的上部並且為安裝於其前端的水射流噴嘴(300)進行空間移動提供支撐架的功能。上述多關節機械臂(200)的關節需要承受水射流噴嘴(300)的反彈力或反作用，因此以液壓方式構成較佳。作為一例，圖2所示水射流設備￠00)的基巖破碎及切削工序全部被圖示為水平(以下稱為「水平工序」)，但根據本發明的水射流設備(600)所採取的多關節機械臂(200)的特性而應該包括水平工序與垂直工序。而且，圖2或圖3雖然圖示了一個多關節機械臂(200)，但也可以根據需要而安裝多個機械臂後使用。如前所述，上述多關節機械臂(200)的前端安裝水射流噴嘴(300)。也可以使用多個水射流噴嘴(300)。水射流噴嘴(300)以能夠前後伸縮的形態構成。請參閱圖4，具有預設長度的棒狀水射流噴嘴(300)被安裝在支撐框架(220)上。該水射流噴嘴(300)的伸縮長度可以由控制單元(500)進行控制。在開挖隧道時爆破一次所要求的深度會隨著基巖之類的地質特性而不同，但通常是2到3m，噴嘴(300)的可伸縮長度應該克服該深度。而且,上述水射流噴嘴(300)為了讓水射流設備(600)所噴射的水的破壞力充分地傳達到地盤而構成旋轉部分以便讓水射流噴嘴(300)的一部分可旋轉。水射流噴嘴(300)的一側包含能夠量測切削深度與橫寬的深度傳感器單元(310)與橫寬傳感器單元(320)。具體地說，上述水射流噴嘴(300)包含有能夠量測高壓水所造成的自由面(20)破碎深度的深度傳感器單元(310)，上述控制單元(500)則利用上述破碎深度控制多關節機械臂(200)及供應單元(400)。而且，水射流噴嘴(300)包含有能夠量測高壓水所造成的自由面(20)破碎橫寬的橫寬傳感器單元(320)，控制單元(500)則利用上述破碎橫寬控制多關節機械臂(200)及供應單元(400)。前述深度傳感器單元(310)與橫寬傳感器單元(320)可基於雷射地構成。機械臂(200)具備有用於噴嘴傾斜角度的調整及長度的調整的多個姿態控制傳感器，並且根據檢測值而實時控制噴嘴。而且還具備有下列傳感器，該傳感器在噴嘴於作業過程中進入該自由面內的狀態下基巖崩潰時能將其檢測。水射流噴嘴(300)需要和基巖維持一定距離地讓噴嘴(300)前後伸縮地動作，可以通過距離傳感器(310)及橫寬傳感器單元(320)實時量測基巖的破碎情形而得以讓基巖與噴嘴(300)維持最佳距離。根據量測結果，基巖與噴嘴的隔離距離通常在IOcm左右時能夠發揮出最佳性能。下列表是基於噴嘴狀態及隔離距離等因素的自由面形成時間，該數值是通過實驗量測的。實驗以兩個噴嘴作為一雙並且把結合角度(在側面結合噴嘴時，噴嘴之間的角度)設定為7.1與3.8度後進行實驗，該數值是根據與基巖的隔離距離及噴嘴的移動速度(不進行前進、後退伸縮，只進行左右直線移動)而進行實驗的數值。表I
權利要求
1.一種利用水射流的開挖系統，包括: 移動單元，在爆破目標區上移動； 多關節機械臂，裝載到上述移動單元； 水射流噴嘴，裝載到上述機械臂的前端； 供應單元，把高壓水供應到上述水射流噴嘴； 控制單元，控制上述移動單元、機械臂及水射流噴嘴；
2.根據權利要求1所述的利用水射流的開挖系統，其特徵在於， 上述供應單元供應上述高壓水與研磨劑。
3.根據權利要求1所述的利用水射流的開挖系統，其特徵在於， 還包括線識別裝置，其能夠識別塗在開挖對象面上的預設彩色線； 上述控制單元控制上述機械臂以便讓水射流噴嘴跟蹤憑藉上述線識別裝置識別的上述線。
4.根據權利要求3所述的利用水射流的開挖系統，其特徵在於， 上述線是破碎樣式。
5.根據權利要求1所述的利用水射流的開挖系統，其特徵在於， 上述水射流噴嘴所造成的開挖對象面的破碎樣式為拱形樣式。
6.根據權利要求5所述的利用水射流的開挖系統，其特徵在於， 上述破碎樣式基本上採取拱形樣式，還包括複合了 「之」字樣式的複合樣式。
7.根據權利要求1所述的利用水射流的開挖系統，其特徵在於， 上述水射流噴嘴還包括深度傳感器單元，其檢測上述高壓水所導致的自由面的破碎深度 上述控制單元則例用上述破碎深度控制上述機械臂及供應單元。
8.根據權利要求7所述的利用水射流的開挖系統，其特徵在於， 上述水射流噴嘴還包括橫寬傳感器單元，其檢測上述高壓水所導致的自由面的破碎橫寬； 上述控制單元則例用上述破碎橫寬控制上述機械臂及供應單元。
9.根據權利要求7所述的利用水射流的開挖系統，其特徵在於， 上述深度傳感器單元基於雷射。
10.根據權利要求8所述的利用水射流的開挖系統，其特徵在於， 上述橫寬傳感器單元基於雷射。
11.根據權利要求1所述的利用水射流的開挖系統，其特徵在於， 上述水射流噴嘴可伸縮地安裝在多個機械臂並且把開挖對象面予以破碎。
12.一種利用水射流的開挖系統，其特徵在於， 包括: 拱形框架，能夠朝開挖隧道的爆破目標區進行前後移動； 移動裝置，可移動地契合在拱形框架； 水射流噴嘴，被上述移動裝置支撐固定而朝上述爆破目標區噴射高壓的水；及 控制裝置，控制上述移動裝置及水射流噴嘴。
13.根據權利要求12所述的利用水射流的開挖系統，其特徵在於，上述移動裝置契合在上述拱形框架上部的導軌。
14.根據權利要求13所述的利用水射流的開挖系統，其特徵在於，上述移動裝置包括導軌，上述導軌包括允許框架前後移動的第一導軌、允許水射流噴嘴移動的第二導軌。
15.一種利用水射流的開挖方法，其特徵在於，包括第一工序，其利用水射流在開挖對象面形成具有預設深度的自由面。
16.根據權利要求15所述的利用水射流的開挖方法，其特徵在於，還包括第二工序，其利用上述水射流在上述自由面的內側領域形成裝藥孔。
17.根據權利要求16所述的利用水射流的開挖方法，其特徵在於，還包括第三工序，其在 上述裝藥孔裝填火藥後爆破。
全文摘要
本發明屬於利用水射流的隧道開挖技術。本發明的水射流系統包括移動單元，為了開挖隧道而朝爆破目標區進行前後移動；多關節機械臂，裝載到上述移動單元；水射流噴嘴，朝開挖目標區噴射高壓水與研磨劑；及控制單元，控制前述眾單元。憑藉具有該結構的水射流系統沿著隧道開挖方向形成開挖目標區的具備預設深度的自由面。本發明由於形成了自由面後實行爆破而得以有效地抑制爆破震動。
文檔編號E21B7/18GK103221627SQ201180046495
公開日2013年7月24日 申請日期2011年10月4日 優先權日2010年10月1日
發明者趙啟春, 吳泰旻 申請人:韓國科學技術院