CN101196117A - 隧道及地下工程非爆破开挖方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道及地下工程非爆破开挖方法，用于隧道及地下工程。该方法的技术要点是在隧道软质岩地段采用以液压破碎锤为主、静态破碎为辅进行开挖，在硬质岩地段采用以静态破碎为主、液压冲击锤配合进行开挖。具体步骤为：在掌子面外轮廓线上间隔钻设一定间距周边孔；用液压冲击锤凿除掌子面上的软质岩段，以及硬质岩体中的岩体破碎部分，在硬质岩体中制造出至少一个临空面；在临空面轮廓外的硬质岩体上钻孔布设药孔，装药后对硬质岩体进行静态破碎。本发明能减小对开挖工程周边环境的影响，可有效地加快施工进度和节省工程投资，具有显著的技术经济效益和社会效益。

Description

隧道及地下工程非爆破开挖方法

技术领域

本发明涉及隧道及地下工程，特别涉及一种用于隧道及地下工程开挖的非爆破开挖方法。

背景技术

在隧道及地下工程施工中，常常需要采用非爆破开挖，其原因有以下几个方面：

(1)隧道及地下工程采用爆破开挖会引起周围地层和地表的振动，当地下或地表的建(构)筑物离爆破现场的距离不能满足振动限制要求时，采用爆破开挖会危及到既有建(构)筑物的安全，尤其是在城镇附近施工，地表建(构)筑物密集，居民众多，隧道及地下工程埋深通常较浅，爆破开挖产生的振动常常造成地表房屋变形开裂，引起居民恐慌，对社会安定产生不利影响。

(2)隧道及地下工程采用爆破开挖会产生较大的爆破声，且持续时间较长，对生态环境影响大，尤其是在城镇附近，居民众多或靠近医院、学校、风景区等敏感区域，爆破开挖常常难以实施。

(3)当周围有易燃易爆物品时，常常不允许采用爆破法施工，如开挖工程位于在油罐、油库等设施附近时。

目前，常用的非爆破开挖方法有静态破碎法、液压冲击锤法和铣挖法。

静态破碎法的破碎原理是利用装在炮眼中的静态破碎剂的水化反应，使晶体变形，产生体积膨胀，从而缓慢地和静静地将此膨胀压力施加给炮眼壁，由于受到炮眼壁的约束，这种膨胀压力转化为拉伸应力。由于岩体的抗拉强度远远小于抗压强度，所以岩体在这种拉伸应力作用下，容易引起破碎。静态破碎剂的破碎效果除了与破碎剂的性能、介质的强度和破碎条件有关以外，还取决于破裂参数和炮孔的排列。

液压冲击锤法，即采用挖掘机携带的液压冲击锤(俗称“啄木鸟”)进行分部凿岩开挖。液压冲击锤法最适用于有裂缝的和层理分明的地层。节理发育的和层理分明的以及层理和节理之间有软弱夹层的坚硬岩层是有利于使用液压冲击成功地进行隧道掘进的典型条件。在后一种条件下，开挖过程主要受控于岩块之间的结合强度，而且是有利于在液压冲击锤上使用凿式设备进行隧道开挖的条件。

铣挖法，是通过采用一种叫铣挖机的设备，安装在普通的液压挖掘机上，高效替代挖斗、破碎锤、液压钳等通用配置，应用于隧道掘进及轮廓修整、渠道沟槽铣掘、建筑物拆除、沥青混凝土路面铣刨，岩石冻土铣挖、树根铣削等多个领域。

静态破碎法、铣挖法、液压冲击锤等非爆破开挖法各有优点，同时也具有自身的缺陷。单独采用某种非爆破开挖法在工程实际中往往很难实施，这是由于在隧道施工中遇到的地质条件十分复杂，特别是岩石强度跨度很大，且在同一断面并不是均一体，如像硬岩中常常夹有软岩俘虏体。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可有效地加快施工进度、并降低成本的隧道及地下工程非爆破开挖方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明的隧道及地下工程非爆破开挖方法，在隧道软质岩地段采用以液压破碎锤为主、静态破碎为辅进行开挖；在硬质岩地段采用以静态破碎为主、液压冲击锤配合进行开挖。

上述隧道及地下工程非爆破开挖方法，包括如下步骤：

①在掌子面外轮廓线上间隔钻设一定间距的周边孔；

②用液压冲击锤凿除掌子面上的软质岩段，以及硬质岩体中的岩体破碎部分，在硬质岩体中制造出至少一个临空面；

③在临空面轮廓外的硬质岩体上钻孔布设药孔，装药后对硬质岩体进行静态破碎。

采用上述技术方案，可有效地避免爆破振动对周边环境的影响，软质岩段采用液压冲击锤凿除，施工中虽有一定噪声，但具有对周边环境影响较小，具有施工进度较快，工程投资较省的优点；硬质岩体，采用静态破碎法施工，施工中采用液压冲击锤预先对硬质岩体中的岩体破碎部分局部凿除，尽量形成较多临空面，提高静态破碎效果。

作为本发明的一种优选方案，为最大程度地提高静态破碎效果，所述药孔的钻孔方向与临空面平行，同一排药孔保持在一个平面上。

本发明的有益效果是，能减小对开挖工程周边环境的影响，可有效地加快施工进度和节省工程投资，具有显著的技术经济效益和社会效益。

附图说明

本说明书包括如下一幅附图：

图1是本发明隧道及地下工程非爆破开挖方法的示意图。

图中部位及所对应的标记：掌子面10、周边孔11、硬质岩体20、岩体破碎部分21、药孔30。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

参照图1，本发明的隧道及地下工程非爆破开挖方法，在隧道软质岩地段采用以液压破碎锤为主、静态破碎为辅进行开挖；在硬质岩地段采用以静态破碎为主、液压冲击锤配合进行开挖。

该方法包括如下步骤：

①在掌子面10外轮廓线上间隔钻设一定间距的周边孔11；

②用液压冲击锤凿除掌子面10上的软质岩段，以及硬质岩体20中的岩体破碎部分21，在硬质岩体20中制造出至少一个临空面；

③在临空面轮廓外的硬质岩体20上钻孔布设药孔30，装药后对硬质岩体20进行静态破碎。

即对软质岩段采用液压冲击锤凿除，对周边环境影响较小，施工进度较快，工程投资较省。对硬质岩体，采用静态破碎法施工，施工中采用液压冲击锤预先对硬质岩体中的岩体破碎部分局部凿除，尽量形成较多临空面，提高静态破碎效果。沿掌子面10外轮廓线上间隔布置周边孔11有利于开挖边界的规则成形。

IV、V级围岩以液压锤冲击破碎为主，静态破碎剂局部碎剂为辅，当围岩强度超30MPa后液压锤施工比较费劲，此时应充分利用围岩节理，从节理方向开凿，采用先下后上原则局部围岩较完整地段则采用静态破碎法施工。

II、III级围岩地段以静态破碎为主，以液压锤开凿临空面为辅，液压锤尽量选择节理比较发育，围岩比较破碎处开凿，尽可能多制造临空面。

为最大程度地提高静态破碎效果，所述步骤③中，药孔30的钻孔方向与临空面平行，同一排药孔30保持在一个平面上。临空面越多，单位破石量就越大，经济效益也更高。

药孔30的孔距与排距的大小与岩石硬度直接关系，硬度越大、强度越高、时，孔距与排距越小，反之则大，孔距与排距布置见下表：

岩石硬度(普氏系数)		f＝4	f＝6	f＝8	f＝12
						岩石强度(MPa)	硬质岩	30＜Rc≤60	30＜Rc≤60	30＜Rc≤60	＞60
软质岩	15＜Rc≤30	Rc≈30	-	-
					孔距(cm)		50～100	35～45	25～35	15～25
排距(cm)		75～85	45～55	35～45							25～35

药孔30的直径与破碎效果有直接关系，钻孔过小，不利于药剂充分发挥效力；钻孔太大，易冲孔。药孔30的直径优选为42mm。钻孔后内余水和余渣应用高压风吹洗干净，孔口旁应干净无土石渣。药孔30的钻孔深度可根据施工要求选择，一般在1.5至2米较好。装药深度为孔深的100％。

药孔30装药工艺要求如下：

1、向下和向下倾斜的药孔，可在药剂中加入22-32％(重量比)左右的水(具体加水量由颗粒大小决定)拌成流质状态(糊状)后，迅速倒入孔内并确保药剂在孔内处于密实状态。用药卷装填钻孔时，应逐条捅实。粗颗粒药剂水灰比调节到0.22-0.25时静态破碎剂的流动性较好，细粉末药剂水灰比在32％左右时流动性较好，也可以不通过捅实过程。向下灌装捣实较方便，如施工条件允许，推荐采用“由上到下，分层破碎”的施工方式，方便工人操作。

2、水平方向和向上方向的钻孔，可用比钻孔直径略小的高强长纤维纸袋装入药剂，按一个操作循环所需要的药卷数量，放在盆中，倒入洁净水完全浸泡，30-50秒左右药卷充分湿润、完全不冒气泡时，取出药卷从孔底开始逐条装入并捅紧，密实地装填到孔口。即“集中浸泡，充分浸透，逐条装入，分别捣实”。也可将药剂拌和后用灰浆泵压入，孔口留五厘米用黄泥封堵保证水分药剂不流出。

3、岩石刚开裂后，可向裂缝中加水，支持药剂持续反应，可获得更好效果。

4、每次装填药剂，都要观察确定1、岩石；2、药剂；3、拌和水的温度是不是符合要求。灌装过程中，已经开始发生化学反应的药剂(表现开始冒气和温度快速上升)不允许装入孔内。从药剂加入拌合水到灌装结束，这个过程的时间不能超过五分钟。

药剂反应时间的控制：

药剂反应的快慢与温度有直接的关系，温度越高，反应时间越快，反之则慢。实际操作中，控制药剂反应时间太快的方法有两种，一种是在拌合水中加入抑制剂。另一种方法是严格控制拌和水、干粉药剂和岩石(或混凝土)的温度。夏季气温较高，破碎前应对被破碎物遮挡，药剂存放低温处，避免曝晒。将拌合水温度控制在15℃以下。

药剂(卷)反应时间过快易发生冲孔伤人事故，同时也影响施工效果，增加了施工成本。抑制剂放入浸泡药剂(卷)的拌和水中。加入量为拌合水的0.5％-6％。温度越高，加入量越多，反之则少。冬季气温较低，药剂反应时间会相应延长，给施工带来不便，一般解决办法是加入激发剂和提高拌和水温度。激发剂加入过多，也会降低药剂膨胀力。拌和水温可根据实际适当提高，但最高不可超过50℃，(否则可能太快冲孔)。反应时间一般控制在30-60分钟较好。

Claims (5)

1.隧道及地下工程非爆破开挖方法，其特征是：在隧道软质岩地段采用以液压破碎锤为主、静态破碎为辅进行开挖；在硬质岩地段采用以静态破碎为主、液压冲击锤配合进行开挖。

2.如权利要求1所述的隧道及地下工程非爆破开挖方法，该方法包括如下步骤：

①在掌子面(10)外轮廓线上间隔钻设一定间距周边孔(11)；

②用液压冲击锤凿除掌子面(10)上的软质岩段，以及硬质岩体(20)中的岩体破碎部分(21)，在硬质岩体(20)中制造出至少一个临空面；

③在临空面轮廓外的硬质岩体(20)上钻孔布设药孔(30)，装药后对硬质岩体(20)进行静态破碎。

3.如权利要求2所述的隧道及地下工程非爆破开挖方法，其特征是：所述步骤③中，药孔(30)的钻孔方向与临空面平行，同一排药孔(30)保持在一个平面上。

4.如权利要求3所述的隧道及地下工程非爆破开挖方法，其特征是：步骤③中，所述药孔(30)的孔距与排距如下：

岩石硬度(普氏系数)   f＝4   f＝6   f＝8   f＝12 岩石强度(MPa)   硬质岩   30＜Rc≤60   30＜Rc≤60   30＜Rc≤60   ＞60   软质岩   15＜Rc≤30   Rc≈30   -   - 孔距(cm)   50～100   35～45   25～35   15～25 排距(cm)   75～85   45～55   35～45   25～35

5.如权利要求3或4所述的隧道及地下工程非爆破开挖方法，其特征是：所述药孔(30)直径为42mm。

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