一種硬巖隧道非爆破開挖分塊方法及施工方法
2023-06-11 12:21:01
一種硬巖隧道非爆破開挖分塊方法及施工方法
【專利摘要】本發明涉及一種硬巖隧道非爆破開挖分塊方法及施工方法，其運用鑽孔取芯技術，沿隧道開挖輪廓線打設互相咬合切割的周邊孔，以便在隧道掌子面周邊形成孔壁狀開挖臨空面；其運用液壓劈裂機劈裂技術，並利用巖石的抗拉強度和抗剪強度遠比抗壓強度小的特性，先進行隧道掌子面開挖分塊，在每一個開挖分塊中，同步劈裂開挖的劈裂面不超過兩個，且兩個劈裂面呈大角度的鈍角相交，並包含至少一個垂直於掌子面的開挖臨空面，再採用先下面後上面、先周邊後中間的開挖施工順序，利用較小的劈裂力沿劈裂面進行掌子面的巖石拉裂和剪切分割的劈裂開挖；本發明能消除硬巖開挖施工中的振動、噪音和粉塵的不利影響，可提高隧道洞碴作為建築石材的利用率。
【專利說明】一種硬巖隧道非爆破開挖分塊方法及施工方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及隧道工程領域，具體涉及一種硬巖隧道非爆破開挖分塊方法及施工方法。
【背景技術】
[0002]硬巖隧道一般採用鑽爆法施工。鑽爆法施工會引起隧道圍巖和鄰近建築物結構發生爆破振動，會對隧道圍巖和鄰近建築物結構力學性能產生不利影響。同時，爆破施工也會發出爆破噪音，會破壞隧道周邊的人居環境。即使在爆破施工中採用了控制爆破技術，仍然難以消除爆破振動和噪音的不利影響。因此，對於爆破振動和爆破噪音要求嚴格的隧道工程，鑽爆法施工難以滿足工程要求，需要採用非爆破開挖施工技術。
[0003]在現有的非爆破開挖施工技術中，銑挖法和隧道掘進機法可以克服鑽爆法的缺點，但銑挖法一般適用在軟巖中施工，在硬巖中其洗頭磨損大、工作效率低；隧道掘進機法一般適用在硬質圍巖、隧道長度較長、隧道斷面保持不變的隧道工程中，不適合長度較短、斷面變化的隧道工程。人工風鎬開挖法和液壓衝擊錘開挖法，常常適用於軟質圍巖的隧道施工中,對於硬質圍巖，其施工效率較低，且液壓衝擊錘施工也會產生一定的衝擊振動。膨脹劑法存在環境汙染問題，且對施工人員會造成人身傷害，施工中須戴防護套。因此，現有硬巖隧道的施工技術可進一步改進。
【發明內容】
[0004]本發明針對上述現有技術作出改進，即本發明要解決的技術問題是提供一種硬巖隧道非爆破開挖分塊方法及施工方法，其運用液壓劈裂機劈裂技術和鑽孔取芯技術，並結合人工風鎬或液壓衝擊錘開挖法，進行硬巖隧道的非爆破開挖，以避免隧道施工對隧道圍巖和鄰近建築物的有害振動影響，消除隧道施工噪音，提高開挖效率，滿足隧道周邊環境對隧道施工的要求。
[0005]為了解決上述技術問題，本發明的第一技術方案是:一種硬巖隧道非爆破開挖分塊方法，其特徵在於，包括以下步驟:
1)沿隧道開挖輪廓線並採用相應的鑽孔外插角打設鑽孔，相鄰鑽孔互相咬合重疊，最後形成相鄰鑽孔互相切割的周邊孔，從而將隧道掌子面與隧道周邊圍巖截然分來，以便在隧道掌子面周邊形成鑽孔孔壁狀的開挖臨空面；
2)在所述掌子面中，打設若干排互相呈平行或相交布置的劈裂孔排孔，每一排劈裂孔排孔組成一個劈裂面，由若干個劈裂面將掌子面分割為若干個菱形、梯形或三角形的開挖分塊；
進一步的，在所述開挖分塊中，利用巖石的抗拉強度和抗剪強度遠遠比巖石的抗壓強度小的特性，每一個開挖分塊中的同步劈裂開挖施工的劈裂面不超過兩個，且兩個劈裂面呈大角度的鈍角相交，以便有效地利用較小的劈裂力來抵抗巖石的拉力或剪力，以實現掌子面的巖石拉裂和剪切分割的劈裂開挖。
[0006]進一步的，在所述開挖分塊中，利用掌子面周邊的開挖臨空面，並利用巖石的重力在巖石劈裂開挖中的有利作用，每一個開挖分塊中至少包含一個垂直於掌子面的開挖臨空面，並且滿足先下面後上面、先周邊後中間的劈裂開挖施工順序的要求。
[0007]進一步的，在所述開挖分塊中，利用小尺寸分塊比大尺寸分塊容易被劈裂開挖的特點，掌子面中的最後幾塊開挖分塊均採用小几何尺寸的三角形分塊，以確保最後一塊開挖分塊的幾何尺寸比較小，便於採用人工風鎬或液壓衝擊錘進行最後一塊開挖分塊的開挖。
[0008]進一步的，所述劈裂孔的孔軸線均垂直於掌子面，同一排劈裂孔排孔的孔軸線互相平行，且位於同一劈裂面平面內。
[0009]進一步的，所述劈裂孔與所述周邊孔的鑽孔深度互相匹配，劈裂孔的每一個作業循環進尺與周邊孔的若干個作業循環總進尺相等。
[0010]進一步的，所述同一排劈裂孔的孔間距小於開挖臨空面的最小抵抗線，以確保掌子面的劈裂開挖能夠沿著預定的劈裂面劈裂分塊；劈裂孔孔徑滿足劈裂機的孔徑要求。
[0011]本發明的第二技術方案是:一種硬巖隧道非爆破開挖施工方法，其特徵在於，包括採用所述一種硬巖隧道非爆破開挖分塊方法，其施工步驟如下:
1)在隧道掌子面上，進行開挖輪廓線、周邊孔、劈裂面和劈裂孔的施工放樣，周邊孔的放樣採用鑽孔孔心沿開挖輪廓線布置；
2)採用鑽孔取芯鑽機，並採用相應的鑽孔外插角，沿隧道開挖輪廓線進行周邊孔的鑽孔施工，相鄰鑽孔互相咬合切割，最後，在掌子面周邊形成鑽孔孔壁狀的開挖臨空面；採用鑽機進行劈裂孔的鑽孔施工，劈裂孔的孔軸線垂直於掌子面，同一排劈裂孔的孔軸線互相平行且位於同一劈裂面平面內；劈裂孔與周邊孔的鑽孔深度互相匹配，劈裂孔的每一個作業循環進尺與周邊孔的若干個作業循環總進尺相等；
3)按照先下面後上面、先周邊後中間的開挖施工順序，首先，劈裂開挖位於隧道掌子面下面和兩側的開挖分塊，然後，依次劈裂開挖相應的開挖分塊，最後，採用人工風鎬或液壓衝擊錘開挖最後一塊開挖分塊；在劈裂開挖每一塊開挖分塊時，先將液壓劈裂機的劈裂工作件插入劈裂孔中，並保持劈裂工作件的劈裂張開方向與劈裂面相垂直，然後再啟動劈裂機，對劈裂孔逐步施加劈裂力，隨著劈裂力的逐漸升高，劈裂孔沿劈裂面方向會發生開裂，且開裂裂縫長度會不斷增長，裂縫寬度也會不斷加寬，在相鄰劈裂孔裂縫貫通後便形成了劈裂面，之後，劈裂面的裂縫寬度會繼續加寬，其長度也會因裂縫向兩端延伸而加長，直至整塊開挖分塊被劈裂分割開來；
4)採用人工風鎬或液壓衝擊錘進行欠挖部分的修整，直至滿足開挖輪廓線的開挖要求之後，再進行下一個劈裂開挖循環的施工。
[0012]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:為硬巖隧道的非爆破開挖施工提供了一種施工方法，其利用巖石的抗拉強度和抗剪強度遠比抗壓強度小的特性，有效地採用較小的劈裂力來抵抗巖石的拉力或剪力，可實現掌子面的巖石拉裂和剪切分割的劈裂開挖，本發明能夠消除硬巖隧道的非爆破開挖過程中的施工振動、施工噪音和施工粉塵，避免了隧道開挖施工對隧道圍巖和鄰近建築物結構以及周邊人居環境的不利影響，劈裂開挖所產生的塊石的損傷率比較低，可作為工程建設中的建築石材，提高了隧道洞碴的利用率。
[0013]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細說明。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明實施例的施工方法示意圖。
[0015]圖中:1-開挖輪廓線，2-周邊孔，3-劈裂面，4-劈裂孔，5、6、7、……、43_開挖分塊編號及施工順序編號。
【具體實施方式】
[0016]如圖1所示，一種硬巖隧道非爆破開挖分塊方法，其特徵在於，包括以下步驟:
O沿隧道開挖輪廓線I並採用相應的鑽孔外插角打設鑽孔，相鄰鑽孔互相咬合重疊，最後形成相鄰鑽孔互相切割的周邊孔2，從而將隧道掌子面與隧道周邊圍巖截然分來，以便在隧道掌子面周邊形成鑽孔孔壁狀的開挖臨空面，本發明實施例中，周邊孔2孔徑20cm，鑽孔間距18cm,相鄰鑽孔的咬合重疊厚度2cm ；
2)在所述掌子面中，打設若干排互相呈平行或相交布置的劈裂孔4排孔，每一排劈裂孔4排孔組成一個劈裂面3，由若干個劈裂面3將掌子面分割為若干個菱形、梯形或三角形的開挖分塊(5或6或7或......或43)，本發明實施例中，開挖分塊呈隧道左右側對稱布置；
在所述開挖分塊(5或6或7或……或43)中，利用巖石的抗拉強度和抗剪強度遠遠比巖石的抗壓強度小的特性，每一個開挖分塊(5或6或7或……或43)中同步進行劈裂開挖的劈裂面3不超過兩個，且兩個劈裂面3呈大角度的鈍角相交，以便採用較小的劈裂力來進行隧道掌子面巖石的拉裂和剪切分割開挖；
在所述開挖分塊中，利用隧道掌子面周邊的開挖臨空面，並利用巖石的重力在巖石劈裂開挖中的有利作用，每一個開挖分塊(5或6或7或……或43)中包含至少一個垂直於掌子面的開挖臨空面，並滿足先下面後上面、先周邊後中間的開挖施工順序(5、6、7、……、43)的要求；
在所述開挖分塊中，利用小尺寸分塊比大尺寸分塊容易被劈裂開挖的特點，掌子面中的最後三塊開挖分塊(41、42、43)均採用小几何尺寸的三角形分塊，以確保最後一塊開挖分塊43的幾何尺寸比較小，便於採用人工風鎬或液壓衝擊錘進行最後一塊開挖分塊43的開挖；
所述劈裂孔4的孔軸線均垂直於掌子面，同一排劈裂孔4的孔軸線互相平行且位於同一劈裂面3平面內；
所述同一排劈裂孔4孔間距小於開挖臨空面的最小抵抗線，以確保掌子面的分塊開挖能夠沿著預定的劈裂面3劈裂分塊；劈裂孔4孔徑滿足劈裂機的孔徑要求，其孔間距與掌子面的巖石完整性及其力學性能、劈裂開挖臨空面及其最小抵抗線、劈裂開挖分塊(5或6或7或……或43)的幾何尺寸以及劈裂機的劈裂力等相關因素有關，可根據現場劈裂開挖試驗的結果選擇劈裂孔4孔間距；
所述劈裂孔4與周邊孔2的鑽孔深度互相匹配，劈裂孔4的每一個作業循環進尺與周邊孔2的若干個作業循環總進尺相等；本發明實施例中，周邊孔2鑽孔深度0.5m，劈裂孔4孔深2m，劈裂孔4的一個作業循環進尺與周邊孔2的四個作業循環總進尺相匹配。
[0017]一種硬巖隧道非爆破開挖施工方法，包括採用所述一種硬巖隧道非爆破開挖分塊方法，其施工步驟如下: 1)在隧道開挖掌子面中，進行開挖輪廓線1、周邊孔2、劈裂面3和劈裂孔4的施工放樣；為滿足較小的隧道超挖量要求，綜合考慮周邊孔2孔徑、鑽孔深度和間距、相鄰鑽孔的咬合重疊厚度、鑽孔外插角和鑽孔施工進度等因素，並結合下一個作業循環對劈裂開挖空間的要求，周邊孔2的放樣採用鑽孔孔心沿開挖輪廓線I布置；
2)採用鑽孔取芯鑽機，並採用相應的鑽孔外插角，沿隧道開挖輪廓線I進行周邊孔2的鑽孔施工，相鄰鑽孔互相咬合切割，最後，在掌子面周邊形成鑽孔孔壁狀的開挖臨空面；採用鑽機進行劈裂孔4的鑽孔施工，劈裂孔4的孔軸線垂直於掌子面，同一排劈裂孔4的孔軸線互相平行且位於同一劈裂面3平面內；劈裂孔4與周邊孔2的鑽孔深度互相匹配，劈裂孔4的一個作業循環進尺與周邊孔2的四個作業循環總進尺相等；
3)按照先下面後上面、先周邊後中間的開挖施工順序(5、6、7、……、43)，首先，劈裂開挖位於隧道掌子面下面和兩側的開挖分塊5，然後，依次劈裂開挖相應的開挖分塊(6、7、……、42)，最後，採用人工風鎬或液壓衝擊錘開挖最後一塊開挖分塊43;在劈裂開挖每一塊開挖分塊(5或6或7或……或42)時，先將液壓劈裂機的劈裂工作件插入劈裂孔4中，並保持劈裂工作件的劈裂張開方向與劈裂面3相垂直，然後再啟動劈裂機，對劈裂孔4逐步施加劈裂力，隨著劈裂力的逐漸升高，劈裂孔4沿劈裂面3方向會發生開裂，且開裂裂縫長度會不斷增長，裂縫寬度也會不斷加寬，在相鄰劈裂孔4裂縫貫通後便形成了劈裂面3，之後，劈裂面3的裂縫寬度會繼續加寬，其長度也會因裂縫向兩端延伸而加長，直至整塊開挖分塊(5或6或7或……或42)被劈裂分割開來；
4)採用人工風鎬或液壓衝擊錘進行欠挖部分的修整，直至滿足開挖輪廓線I的開挖要求之後，再進行下一個劈裂開挖循環的施工。
[0018]以上所述，僅是本發明的較佳實施例子而已，並非對本發明做任何形式上的限制，任何未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例子所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，均屬於本發明技術方案的範圍內。
【權利要求】
1.一種硬巖隧道非爆破開挖分塊方法，其特徵在於，包括以下步驟: (1)沿隧道開挖輪廓線並採用相應的鑽孔外插角打設鑽孔，相鄰鑽孔互相咬合重疊，最後形成相鄰鑽孔互相切割的周邊孔，從而將隧道掌子面與隧道周邊圍巖截然分來，以便在隧道掌子面周邊形成鑽孔孔壁狀的開挖臨空面； (2)在所述掌子面中，打設若干排互相呈平行或相交布置的劈裂孔排孔，每一排劈裂孔排孔組成一個劈裂面，由若干個劈裂面將掌子面分割為若干個菱形、梯形或三角形的開挖分塊。
2.根據權利要求1所述的一種硬巖隧道非爆破開挖分塊方法，其特徵在於:在所述開挖分塊中，利用巖石的抗拉強度和抗剪強度遠遠比巖石的抗壓強度小的特性，每一個開挖分塊中的同步劈裂開挖施工的劈裂面不超過兩個，且兩個劈裂面呈大角度的鈍角相交，以便有效地利用較小的劈裂力來抵抗巖石的拉力或剪力，以實現掌子面的巖石拉裂和剪切分割的劈裂開挖。
3.根據權利要求1所述的一種硬巖隧道非爆破開挖分塊方法，其特徵在於:在所述開挖分塊中，利用掌子面周邊的開挖臨空面，並利用巖石的重力在巖石劈裂開挖中的有利作用，每一個開挖分塊中至少包含一個垂直於掌子面的開挖臨空面，並且滿足先下面後上面、先周邊後中間的劈裂開挖施工順序的要求。
4.根據權利要求3所述的一種硬巖隧道非爆破開挖分塊方法，其特徵在於:在所述開挖分塊中，利用小尺寸分塊比大尺寸分塊容易被劈裂開挖的特點，掌子面中的最後幾塊開挖分塊均採用小几何尺寸的三角形分塊，以確保最後一塊開挖分塊的幾何尺寸比較小，便於採用人工風鎬或液壓衝擊錘進行最後一塊開挖分塊的開挖。
5.根據權利要求1所述的一種硬巖隧道非爆破開挖分塊方法，其特徵在於:所述劈裂孔的孔軸線均垂直於掌子面，同一排劈裂孔排孔的孔軸線互相平行，且位於同一劈裂面平面內。
6.根據權利要求1所述的一種硬巖隧道非爆破開挖分塊方法，其特徵在於:所述劈裂孔與所述周邊孔的鑽孔深度互相匹配，劈裂孔的每一個作業循環進尺與周邊孔的若干個作業循環總進尺相等。
7.根據權利要求1所述的一種硬巖隧道非爆破開挖分塊方法，其特徵在於:所述同一排劈裂孔的孔間距小於開挖臨空面的最小抵抗線，以確保掌子面的劈裂開挖能夠沿著預定的劈裂面劈裂分塊；劈裂孔孔徑滿足劈裂機的孔徑要求。
8.—種硬巖隧道非爆破開挖施工方法,其特徵在於,包括權利要求1所述的一種硬巖隧道非爆破開挖分塊方法，其施工步驟如下: (1)在隧道掌子面上，進行開挖輪廓線、周邊孔、劈裂面和劈裂孔的施工放樣，周邊孔的放樣採用鑽孔孔心沿開挖輪廓線布置； (2)採用鑽孔取芯鑽機，並採用相應的鑽孔外插角，沿隧道開挖輪廓線進行周邊孔的鑽孔施工，相鄰鑽孔互相咬合切割，最後，在掌子面周邊形成鑽孔孔壁狀的開挖臨空面；採用鑽機進行劈裂孔的鑽孔施工，劈裂孔的孔軸線垂直於掌子面，同一排劈裂孔的孔軸線互相平行且位於同一劈裂面平面內；劈裂孔與周邊孔的鑽孔深度互相匹配，劈裂孔的每一個作業循環進尺與周邊孔的若干個作業循環總進尺相等； (3)按照先下面後上面、先周邊後中間的開挖施工順序，首先，劈裂開挖位於隧道掌子面下面和兩側的開挖分塊，然後，依次劈裂開挖相應的開挖分塊，最後，採用人工風鎬或液壓衝擊錘開挖最後一塊開挖分塊；在劈裂開挖每一塊開挖分塊時，先將液壓劈裂機的劈裂工作件插入劈裂孔中，並保持劈裂工作件的劈裂張開方向與劈裂面相垂直，然後再啟動劈裂機，對劈裂孔逐步施加劈裂力，隨著劈裂力的逐漸升高，劈裂孔沿劈裂面方向會發生開裂，且開裂裂縫長度會不斷增長，裂縫寬度也會不斷加寬，在相鄰劈裂孔裂縫貫通後便形成了劈裂面，之後，劈裂面的裂縫寬度會繼續加寬，其長度也會因裂縫向兩端延伸而加長，直至整塊開挖分塊被劈裂分割開來； (4)採用人工風鎬或液壓衝擊錘進行欠挖部分的修整，直至滿足開挖輪廓線的開挖要求之後，再進行下一個劈裂開挖循環的施工。
【文檔編號】E21D9/00GK104314574SQ201410537149
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月13日 優先權日:2014年10月13日
【發明者】陳七林, 劉金福 申請人:福州市規劃設計研究院