CN103221627A - 利用水射流的开挖系统及利用它的开挖方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于利用水射流的隧道开挖技术。本发明的水射流系统包括：移动单元，为了开挖隧道而朝爆破目标区进行前后移动；多关节机械臂，装载到上述移动单元；水射流喷嘴，朝开挖目标区喷射高压水与研磨剂；及控制单元，控制前述众单元。凭借具有该结构的水射流系统沿着隧道开挖方向形成开挖目标区的具备预设深度的自由面。本发明由于形成了自由面后实行爆破而得以有效地抑制爆破震动。

Description

利用水射流的开挖系统及利用它的开挖方法

技术领域

本发明涉及一种基于火药爆破的隧道开挖技术，本发明具体涉及到一种可以把隧道开挖过程中发生的爆破所致冲击或震动的传播加以抑制的技术。更具体地说，本发明的利用水射流(Waterjet)的开挖系统及利用它的开挖方法涉及一种利用水射流沿着隧道的外周面形成一系列的连续空间，即形成所谓的自由面而防止爆破时的震动传播到地表面。

背景技术

建设及土木工程，尤其是进行地下隧道开挖时频繁地采取使用火药的爆破工序。爆破工序可以凭借火药的爆发力有效地清除基岩或其它障碍物，但爆破时必然发生的震动与噪音会传播到地表面而对建筑物或各种结构物造成不良影响。附带一提的是，在爆破工序中从爆破源传播的冲击波虽然会随着距离而显著地衰减，但此时所发生的能量中的一部分以弹性波的形态传播而引起地盘震动(爆破震动，blast vibration)。如果相距爆破源较近处存在着建筑物或地铁设施，有可能造成严重问题。

抑制前述爆破震动的先前技术如下。首先，大韩民国注册专利第0531985号揭示了利用线钻孔的爆破震动遮蔽用开挖结构及工艺，该专利所示技术在待开挖的基岩中的爆破用领域周边钻2列以上的线钻孔(Line drilling hole)并且让各列的线钻孔互相错开地配置。大韩民国注册专利第0599982号隧道爆破工艺则揭示了下列技术，其利用了与隧道外廓部相隔地钻孔的大口径无装药孔、配置在该无装药孔之间地钻孔的龟裂诱导孔、钻到无装药孔的内侧的多个扩展孔。

这些先前技术的共同点是把沿着隧道行进方向钻孔的多个孔作为爆破时的震动抑制手段使用。然而，即使钻了多个孔，也会在孔与孔之间存在着连接区。通过该连接区传播的爆破震动是无法遮蔽的。亦即，先前技术所使用的钻孔是不完整的震动抑制手段。

而且，现有的隧道爆破工艺由于随着爆破而在邻接基岩形成危险区，因此具有导致隧道崩溃的问题(请参阅图21)。尤其是爆破力较大而超出所计划的隧道空间地开挖后形成超挖时，需要在内空的空间浇注很多喷混凝土(shotcrete)。与此相反地，爆破力不足时会发生欠挖而需要利用挖掘机等设备另外进行作业。

现有的隧道开挖技术利用车装式钻机制作多个装药孔并且在该部分放进火药后加以爆发。装药孔一次需要一百多个，装药孔的形成作业由车装式钻机操作员以手动方式操作，因此作业效率亟待改善。

一般来说，开挖隧道时为了防止隧道崩溃等问题而开发了能够针对处于开挖前方区域的基岩状态进行检查的各种前方预测方法，但它们进行的不是实质检查而是诸如根据基岩性质而量测抵抗值的间接检查，因此检查的可靠性较低，在开挖过程中可能会出现隧道崩溃之类的问题。

发明内容

【解决的技术课题】

为了解决上述的现有问题，本发明的目的是提供一种水射流设备及开挖方法，其可以有效地抑制开挖过程中发生的爆破所致冲击、震动及噪音的传播。

而且，本发明的目的防止隧道爆破所导致的欠挖或超挖。

而且，本发明的目的是尽量减少爆破所导致的危险区而得以增强隧道稳定性。

而且，本发明的目的是在开挖隧道时大幅提升作业效率而得以有效地进行作业。

而且，本发明的目的是针对隧道的前方开挖地点进行实质检查。

【解决课题的技术方案】

实现上述技术课题的本发明的利用水射流的开挖系统及利用它的开挖方法如下。

本发明的发明人把先前技术的钻孔间连接区视为必须清除的有害要素，并且把沿着隧道的外周面形成一系列的连续空间自由面的方案定义为最佳方案。实现该最佳方案的主要解决手段则是引进水射流(waterjet)技术及研磨剂。

具体地说，本发明的水射流系统包括：移动单元，为了开挖隧道而朝爆破目标区进行前后移动；多关节机械臂，装载到上述移动单元；水射流喷嘴，装载到上述机械臂的前端；供应单元，把高压水供应到上述水射流喷嘴；控制单元，控制上述移动单元、机械臂及水射流喷嘴。较佳地，水射流喷嘴能够喷射水与研磨剂。

本发明的水射流喷嘴还包括：深度传感器单元，其检测上述高压水所导致的开挖对象面的破碎深度；上述控制单元则利用上述破碎深度控制上述机械臂及供应单元。

而且，上述水射流喷嘴还包括横宽传感器单元，其检测上述高压水所导致的开挖对象面的破碎横宽；上述控制单元则利用上述破碎横宽控制上述机械臂及供应单元。

凭借具有前述结构的水射流系统沿着隧道开挖方向在爆破目标区的外廓形成具有预设深度的自由面。形成了自由面后，在爆破目标区装药并加以爆破。

【有益效果】

本发明可以通过自由面有效地抑制爆破时的震动传播。

而且，由于减少了爆破时的超挖而节省了另外进行补强工程的费用。

而且，由于没有发生欠挖而不必额外进行作业，还能尽量减少爆破所导致的危险区而得以增强隧道稳定性，进一步提高了作业效率。

而且，可以针对开挖隧道的前方区域进行实质地质分析而确保隧道工程的安全性。

附图说明

图1是本发明一实施例的隧道开挖用水射流系统构成图。

图2是本发明一实施例的隧道开挖用水射流设备图。

图3是图2所示本发明一实施例的隧道开挖用水射流设备的动作图。

图4是本发明一实施例的隧道开挖用水射流喷嘴图。

图5是本发明一实施例的多关节机械臂的自由度例示图。

图6是本发明的水射流系统所形成的自由面的说明例示图。

图7是本发明的水射流系统所形成的破碎样式的线的说明例示图。

图8是本发明再一实施例的隧道开挖用水射流设备图。

图9是本发明的利用水射流系统的隧道开挖方法说明图。

图10是本发明的形成了自由面的开挖对象面的装药孔图。

图11是本发明再一实施例的框架型隧道开挖用水射流设备图。

图12是图11所示水射流系统所形成的自由面的说明例示图。

图13是三维有限元素解析模型图。

图14是基于时间的爆破压力模拟图。

图15是XYZ方向的合成位移模拟图。

图16是水平方向位移模拟图。

图17是铅直方向位移模拟图。

图18是最外廓孔1M上端的基于时间的铅直位移变化图。

图19及图20是爆破地点上端的铅直方向位移图。

图21是现有技术及本技术的隧道开挖概念图。

图22是垂直方向数值分析用模型图。

图23是垂直方向位移的模拟值图。

图24是垂直方向位移的最大位移量测曲线图。

附图标记：

100：移动单元                        200：多关节机械臂

300：水射流喷嘴(water jet nozzle)    310：深度传感器单元

320：横宽传感器单元                  400：供应单元

500：控制单元                        600：水射流设备

L：线                                710：框架

720：移动装置                        730：水射流喷嘴(water jet nozzle)

732：量测传感器                      740：控制装置

750：导轨                            752：第一导轨

754：第二导轨

具体实施方式

为了实现上述目的，本发明提供下列利用水射流的开挖系统而得以完成该目的。该系统包括：移动单元，在爆破目标区上移动；多关节机械臂，装载到上述移动单元；水射流喷嘴，装载到上述机械臂的前端；供应单元，把高压水供应到上述水射流喷嘴；及控制单元，控制上述移动单元、机械臂及水射流喷嘴。

下面结合附图详细说明本发明的较佳实施例。

在此附带一提的是，本说明书及权利要求书中所用术语或词汇的解释不能限定于通常意义或词典意义，发明人可以为了使用最佳方法阐释其发明而适当地定义相关术语之概念，基于该原则，应该按照符合本发明之技术思想的含义与概念来解释。

因此，本说明书所揭示的实施例与图形所揭示的结构只是本发明的最佳的一个的实施例，不能将其视为代表本发明的所有技术思想，在本发明的专利申请时可以存在能替代的各种均等物与变形例。

图1是本发明一实施例的隧道开挖用水射流系统构成图。如图所示，本发明的利用水射流设备(600)的开挖系统具体涉及到一种技术，该技术能把隧道开挖过程中发生的爆破所致冲击或震动的传播加以抑制。更具体地说，本发明涉及一种使用水射流设备(600)的开挖系统，该系统利用水射流设备(600)沿着开挖对象面(10)的外周面(隧道计划面：请参阅图21)形成一系列的连续空间，即形成所谓的自由面(20)而防止爆破时的震动传播到地表面。

请参阅图1到图3，本发明一实施例的水射流设备(600)主要包括：移动单元(100)、多关节机械臂(200)、水射流喷嘴(300)、供应单元(400)及控制单元(500)。

移动单元(100)是一种可以在开挖目标区上沿着开挖方向前后移动的移动装置。具体地说，移动单元(100)是一种允许本水射流设备(600)朝前、后、左、右进行自由移动的构成要素。移动单元(100)可以由多个车轮或环状轨道形态实现。该移动单元(100)被配置在作为爆破目标区的开挖对象面(10)的前面并沿着隧道开挖方向移动，移动对象物是具有水射流喷嘴(300)的多关节机械臂(200)。

上述多关节机械臂(200)具有装载到移动单元(100)的多关节结构形态。多关节机械臂(200)被装载到移动单元(100)的上部并且为安装于其前端的水射流喷嘴(300)进行空间移动提供支撑架的功能。

上述多关节机械臂(200)的关节需要承受水射流喷嘴(300)的反弹力或反作用，因此以液压方式构成较佳。作为一例，图2所示水射流设备(600)的基岩破碎及切削工序全部被图示为水平(以下称为“水平工序”)，但根据本发明的水射流设备(600)所采取的多关节机械臂(200)的特性而应该包括水平工序与垂直工序。而且，图2或图3虽然图示了一个多关节机械臂(200)，但也可以根据需要而安装多个机械臂后使用。

如前所述，上述多关节机械臂(200)的前端安装水射流喷嘴(300)。也可以使用多个水射流喷嘴(300)。水射流喷嘴(300)以能够前后伸缩的形态构成。请参阅图4，具有预设长度的棒状水射流喷嘴(300)被安装在支撑框架(220)上。

该水射流喷嘴(300)的伸缩长度可以由控制单元(500)进行控制。在开挖隧道时爆破一次所要求的深度会随着基岩之类的地质特性而不同，但通常是2到3m，喷嘴(300)的可伸缩长度应该克服该深度。

而且，上述水射流喷嘴(300)为了让水射流设备(600)所喷射的水的破坏力充分地传达到地盘而构成旋转部分以便让水射流喷嘴(300)的一部分可旋转。

水射流喷嘴(300)的一侧包含能够量测切削深度与横宽的深度传感器单元(310)与横宽传感器单元(320)。具体地说，上述水射流喷嘴(300)包含有能够量测高压水所造成的自由面(20)破碎深度的深度传感器单元(310)，上述控制单元(500)则利用上述破碎深度控制多关节机械臂(200)及供应单元(400)。而且，水射流喷嘴(300)包含有能够量测高压水所造成的自由面(20)破碎横宽的横宽传感器单元(320)，控制单元(500)则利用上述破碎横宽控制多关节机械臂(200)及供应单元(400)。前述深度传感器单元(310)与横宽传感器单元(320)可基于激光地构成。

机械臂(200)具备有用于喷嘴倾斜角度的调整及长度的调整的多个姿态控制传感器，并且根据检测值而实时控制喷嘴。而且还具备有下列传感器，该传感器在喷嘴于作业过程中进入该自由面内的状态下基岩崩溃时能将其检测。

水射流喷嘴(300)需要和基岩维持一定距离地让喷嘴(300)前后伸缩地动作，可以通过距离传感器(310)及横宽传感器单元(320)实时量测基岩的破碎情形而得以让基岩与喷嘴(300)维持最佳距离。根据量测结果，基岩与喷嘴的隔离距离通常在10cm左右时能够发挥出最佳性能。

下列表是基于喷嘴状态及隔离距离等因素的自由面形成时间，该数值是通过实验量测的。实验以两个喷嘴作为一双并且把结合角度(在侧面结合喷嘴时，喷嘴之间的角度)设定为7.1与3.8度后进行实验，该数值是根据与基岩的隔离距离及喷嘴的移动速度(不进行前进、后退伸缩，只进行左右直线移动)而进行实验的数值。

【表1】

【表2】

【表3】

在上表中，切削形态是利用成双的喷嘴进行实验时根据基岩与喷嘴的隔离距离而发生的切削形态。

实验条件如下表。

水射流泵(Water jet pump)

使用高流量水射流设备

【表4】

洞口

使用No 24 orifice(dia.0.061cm，8.8升/分2500bar)

聚焦(focusing)喷嘴

喷嘴tip内径：0.09inch＝2.29mm

实验压力与研磨剂投入量

实验压力：2500bar

研磨剂投入量：57g/s(单个)

另一方面，供应单元(400)生成高压水后供应到水射流喷嘴(300)。供应单元(400)可以把研磨剂与高压水一起供应到水射流喷嘴(300)。该研磨剂可以理解为沙子之类的粒子。供应到水射流喷嘴(300)的研磨剂被高压水加速后与水一起提高开挖对象面(10)的破碎及切削效率。当然，通过水射流喷嘴(300)喷射的水的压力与研磨剂的投入量可以由控制单元(500)进行调节。

如前所述，本发明的控制单元(500)控制移动单元(100)、多关节机械臂(200)及水射流喷嘴(300)。控制单元(500)控制配备有水射流喷嘴(300)与多关节机械臂(200)的移动单元(100)的移动，还控制水射流喷嘴(300)的旋转部分的旋转速度及水射流喷嘴(300)所喷射的水的压力及方向。

另一方面，为了利用本发明的水射流设备(600)在开挖对象面(10)形成自由面(20)地予以破碎而另外包括能够把涂到开挖对象面(10)的预设彩色线(L)加以识别的线识别装置(210)。前述的识别可以按照下列方式实现，工作人员事先在预估的隧道计划面的线上涂色，设备通过影像识别而自动识别该线并控制设备(600)动作以形成自由面。

除了上述的影像识别方法以外，设备(600)针对自由面的拟形成位置进行自动识别的方法还能如下实现。

在隧道入口侧安装多个位置量测终端机(3个以上较佳)。位置量测终端机侦测到来自卫星的信号后获得自己的位置，各终端机连同有关自己位置的信息把位置信息发送到隧道内侧。设备(600)针对来自位置量测终端机的位置信息进行分析后获得与各终端机之间的距离信息及终端机的位置信息，通过演算识别自己的三维位置。之后，针对基于事先输入的隧道计划的三维位置信息进行匹配(Matching)而形成开挖隧道所需自由面。此时，隧道的长度较长而使得设备无法收到信号时另外安装中继终端机以使得设备能够识别位置。中继终端机确认了自己的位置后将储存自己的位置并且利用它发送位置信息时，清除安装在隧道入口侧的终端机也无妨，把安装在入口侧的终端机重新作为中继器使用。

其它方法还包括，利用激光等物在后方的特定地点向开挖方向发射相当于指南(guideline)的信息，然后由设备(600)将其侦测后识别设备(600)的三维位置。所发射的激光在三维空间上显示为直线，只要计算终端机与设备之间的距离信息就能获得设备的三维空间位置。为此，设备(600)还包括位置量测部(未图示)及姿态(倾斜，根据喷嘴伸缩的信息掌握喷嘴位置)量测部(未图示)，让设备(600)能够自动形成自由面。

请参阅图5到图7，在此，上述线(L)是形成于开挖对象面(10)的破碎样式。

上述线(L)是在开挖对象面(10)上以预设彩色线(L)划出来的破碎样式，具有拱形态。

上述破碎样式基本上采取拱形样式，也可以采取加上“之”字样式的复合样式。

此时，水射流喷嘴(300)沿着“之”字样式破碎基岩，在开挖对象面(10)上的自由面(20)具有预设横宽。

在此，对于以上述破碎样式形成的线(L)，控制单元(500)控制上述多关节机械臂(200)以便让水射流喷嘴(300)跟踪凭借上述线识别装置(210)所识别的上述线(L)。

此时，识别上述线(L)的线识别装置(210)可以由拍摄装置构成。

如前所述，线的识别装置(210)是设备的位置识别方法之一，设备位置识别完毕后针对需进行作业的面(10)实行扫描，确实掌握需进行作业的自由面的当前状态是朝设备(600)侧突出还是朝开挖方向进入。

确实掌握后，在正式进行作业之前，先把喷嘴(300)移动到需要予以破碎的突出部分并实行前置作业。第一阶段的前置作业完毕后，从整体上划分区段后驱动机械臂进行作业。

亦即，对于画在开挖对象面(20)上的线(L)，控制单元(500)控制多关节机械臂(200)沿着线(L)移动而使得安装在上述多关节机械臂(200)的水射流喷嘴(300)以线(L)形态破碎自由面(20)。

如前所述地，上述多关节机械臂(200)沿着线(L)移动，上述水射流喷嘴(300)则随着多关节机械臂(200)移动而以拱形或“之”字形形成轨迹。

因此，在开挖对象面(10)的外廓形成被开挖成拱形或“之”字形并具有预设深度的自由面(20)。该自由面(20)位于开挖对象面(10)与地表面之间而呈现包裹开挖对象面(10)的形态。

另一方面，水射流设备(600)还包括能够把涂到开挖对象面(10)的预设彩色线(L)加以识别的线识别装置(210)。请参阅图5到图7，拱形态的线(L)被涂到开挖对象面(10)。该线(L)可以视为本发明的水射流设备(600)所造成的实质破碎样式。上述破碎样式基本上采取拱形样式，也可以采取加上“之”字样式的复合样式。

具体地说，控制单元(500)控制上述多关节机械臂(200)以便让水射流喷嘴(300)跟踪凭借上述线识别装置(210)识别的上述线(L)。线识别装置(210)可以由拍摄装置构成。因此，自由面(20)沿着上述线(L)形成。作为参考，控制单元(500)如图7所示地基本上以跟踪拱形态线(L)地控制多关节机械臂(200)，但也可以考虑到破碎横宽而以划出“之”字形轨迹地进行控制。其结果，在开挖对象面(10)的外廓形成被开挖成拱形或“之”字形并具有预设深度的自由面(20)。

形成了自由面时，通过安装在喷嘴上的照相机拍摄自由面内侧并检查基岩状态，从而预测后续进行装药爆破或隧道工程过程中的崩溃可能性而得以增加后续工程的安全性。

图8是本发明的再一实施例图。图8是安的水射流喷嘴(300)的水射流设备(600)的再一实施例，其具有2个多关节机械臂(200)。此时，多关节机械臂(200)支撑水射流喷嘴(300)并且如图中箭头所示地允许水射流喷嘴(300)的高低调节与长度调节。

下面说明上述水射流设备(600)。其主要构成要素包括多关节机械臂(200)、游隙距离量测传感器及温度监视传感器、抽吸(suction)系统、凹陷侦测系统。

更具体地说，多关节机械臂(200)被设计成能够解决形成自由面(20)时自由面(20)误差所引起的机器错误动作及能够控制多关节机械臂(200)的动作速度。

游隙距离量测传感器贴附在水射流喷嘴(300)并且在一定距离内没有标的时让水射流喷嘴(300)停止动作。

而且，温度监视传感器在水射流喷嘴(300)所对准的开挖地点测量据以识别人的温度范围以防止安全事故。

抽吸系统在基岩破碎后和水一起流出时将其吸收后排放到其它区域而得以防止沉积，还能提高自由面(20)的形成速度。凹陷侦测系统可以检测所形成的自由面(20)的凹陷位置部位并检查凹陷地盘是否引起了水射流喷嘴(300)的损伤。此时，水射流喷嘴(300)被设计成受损时能够轻易地拆下、更换及重新组装，或者以此方式构成。

而且，如果在形成自由面(20)时水射流喷嘴(300)的动作不正确，还能确认其原因。

下面结合图9到图10说明本发明的实施例的利用水射流的开挖方法。

首先，利用移动单元(100)让水射流设备(600)前进到开挖位置。

设备(600)进入正确位置后，扫描自己的位置及形成自由面的部位而掌握当前状态，利用喷嘴(300)实行前置作业。较佳地，一边让喷嘴旋转一边沿着线(L)进行往复运动而得以有效地形成自由面。较佳地，根据扫描结果而先对突出部分进行作业，在制成一定深度的自由面的状态下从整体上运转机械臂而形成自由面。

在开挖对象面(10)形成由线(L)构成的破碎样式。

此时，上述破碎样式采取拱形或“之”字形态的复合样式并且在开挖对象面(10)上涂上预设的彩色线(L)。

控制单元(500)通过线识别装置(210)识别形成于开挖对象面(10)的线(L)并且控制水射流喷嘴(300)而使其跟踪上述线(L)。

此时，如果具备有多个机械臂(200)则可以划分区域后进行作业，考虑到机械臂(200)相互之间的干涉而控制各机械臂的作业顺序与时间。

控制单元(500)让多关节机械臂(200)沿着线(L)移动而得以按照所计划的线(L)形态形成自由面(20)。

利用上述水射流喷嘴(300)在开挖对象面(10)上形成具有预设深度的自由面(20)。

在自由面(20)量测阶段则通过传感器实时量测被水射流喷嘴(300)破碎的自由面(20)的破碎深度及破碎横宽。所量测到的横宽或深度为基准以下时，针对该部分重新运转喷嘴(300)而得以确保所需要的横宽与深度。

如果没有确保自由面(20)的深度及空间则实行初始的执行命令，如果确保了自由面(20)的深度及空间则进入爆破准备阶段。

如前所述地完成了自由面(20)的形成工序后，随后利用上述水射流喷嘴(300)在上述自由面(20)的内侧领域形成多个装药孔(30)，然后在上述装药孔(30)装填火药并加以爆破。

而且，本发明的破碎样式沿着开挖部分的开挖设计线的线(L)形成一系列的连续自由面(20)，该一系列的连续自由面(20)能够减少冲击、震动及噪音的传播而得以抑制爆破震动。至于隧道的开挖方向，与现有技术只开放前方而凭借邻接基岩密封上下左右及背面的状态下实行爆破相比，本发明凭借邻接基岩密封下面及背面而在前方及上面、左右面开放的状态下实行爆破。因此，由于自由面(20)增加而得以大幅减少所需装药量而减少了冲击、震动及噪音的传播并得以实现安全环保的爆破工序。

而且，让装填在装药孔(30)里的火药爆发时所发生的震动与噪音及破坏力通过作为媒介的开挖对象基岩(10)朝四方扩散。但，自由面(20)部分由于媒介相异(基岩、空气)而使得震动与噪音及破坏力朝开挖对象基岩(10)侧反射。如同水中发生的声音在水中能够顺利地传达却在不同于水的外面空气中无法听到的情形一样，其原理是相同的。

因此，自由面(20)可以有效地遮蔽及减轻因爆发而发生的震动与噪音。

现有技术中爆发所造成的破坏力沿着基岩朝四方传播而造成较大的损失，但本发明由于破坏力被自由面(20)反射后重新朝向内侧(请参阅图9)。因此，可以利用较小的爆发力就能破坏作为开挖对象的基岩而得以节约火药使用量。

另一方面，如图10所示地在自由面(20)内侧(开挖对象面；10)以等距方式形成装填火药并具有预设深度的多个装药孔(30)。

装药孔(30)可以凭借本发明的方式利用水射流进行作业，也可以利用现有的车装式钻机设备形成。而且，安装了多个机械臂(600)时，让一部分机械臂形成自由面而其余的机械臂(600)则形成装药孔地动作。

与此同时，凭借上述开挖对象面(10)的爆破而实现隧道开挖。

爆破的顺序为，邻接自由面(20)的火药首先爆破，然后朝隧道的中心及底面依次爆破。亦即，邻接前方及左右自由面与上部自由面的部分先开始爆破，然后依次让隧道内侧及下侧基岩的装药爆发。而且，装药孔通常形成为2m到3m深度，因此可以让安装在该装药孔的装药并不同时爆发而实现多段爆破。例如，如同剥洋葱似地让位于最外廓的(邻接前方、左右、上部自由面的)装药首先爆发，然后一边进入内侧一边依次执行爆破。如前所述地执行爆破时，自由面较多的基岩先破碎而得以减少装药量。

另一方面，下面详细说明作为本发明的另一个实施形态的利用水射流的开挖系统。

请参阅图11到图12，水射流系统包括框架(710)、移动装置(720)、水射流喷嘴(730)及控制装置(740)。

更具体地说，框架(710)配置在开挖对象面(10)的前面。框架(710)如图所示地具有和隧道纵截面形态相似的拱形，可以沿着隧道开挖方向移动。框架(710)上部具有导轨(750)。移动装置(720)可移动地契合在导轨(750)上。移动装置(720)在控制装置(740)的控制下沿着导轨(750)往复巡回。较佳地，不使用导轨而让移动装置(720)利用轮子或轨道在框架(710)上移动。

上述移动装置(720)的移动对象物是水射流喷嘴(730)。水射流喷嘴(730)朝开挖对象面(10)的正面喷射高压水。该高压水则由未图示的供水装置供应。本发明通过水射流喷嘴(730)所喷射的水把开挖对象面(10)加以粉碎(或破碎)，可以为了提高其性能而兼用研磨剂。研磨剂是沙粒之类的粒子并且通过未图示的研磨剂供应装置被供应到水射流喷嘴(730)。因此，水射流喷嘴(730)朝开挖对象面(10)喷射水及被该水加速的研磨剂。通过水射流喷嘴(730)喷射的水的压力与研磨剂的投入量可以由控制装置(740)进行调节。前述水射流喷嘴(730)被移动装置(720)固定支撑，因此沿着导轨(750)往复巡回。

此时，上述移动装置(720)包括导轨(750)，上述导轨(750)由允许框架(710)前后移动的第一导轨(752)与允许水射流喷嘴(730)移动的第二导轨(754)构成。

上述第一导轨(752)用于框架(710)的前后移动，第二导轨则位于框架(710)上部并允许水射流喷嘴(730)移动。该上述移动装置(720)的构成方式为，其安装水射流喷嘴(730)后在上述第二导轨(754)上往复巡回。而且，水射流喷嘴(730)安装在前面所说明的机械臂上而机械臂则安装在框架(710)，让机械臂沿着框架移动就能实现。

如前所述地，上述水射流喷嘴(730)以隶属于框架(710)形态地移动而形成拱形轨迹。因此在开挖对象面(10)的外廓形成具有预设深度的拱形自由面(20)。该自由面(20)位于开挖对象面(10)与地表面之间而呈包裹开挖对象面(10)的形态。

在此，上述水射流喷嘴(730)可以通过移动装置(720)进行移动并且可以使用复数个，上述水射流喷嘴(730)的一侧可以包含量测切削深度的量测传感器(732)。

而且，控制装置(740)控制移动装置(720)的移动速度、水射流喷嘴(730)所喷射的水的压力及方向。此时，为了提高开挖效率而在水射流喷嘴(730)所喷射的水里混入研磨剂之类的辅助物质。

下面针对利用水射流系统形成自由面(20)进行说明。通过第一导轨(752)使框架(710)前进到开挖位置。前进后，通过控制装置(740)决定水射流喷嘴(730)的压力、移动装置(720)的移送速度、研磨剂投入量等。

水射流喷嘴(730)以隶属于框架(710)形态地移动而形成拱形轨迹。因此在开挖对象面(10)的外廓形成具有预设深度的拱形自由面(20)。该自由面(20)位于开挖对象面(10)与地表面之间而呈包裹开挖对象面(10)的形态。

如前所述地完成了自由面(20)的形成工序时，通过第一导轨(752)从开挖对象面(10)后退，然后在开挖对象面(10)形成多个装药孔，然后装药并实行爆破。爆破时从爆破源发生爆破震动(震动能量)。该爆破震动被自由面(20)反射而得以有效地抑制其传播到包括地表面在内的周边区域。

另一方面，从自由面(20)反射的爆破震动的大部分则作为爆破所需能量而发挥作用。因此爆破所需火药量将少于没有自由面(20)的情形。还能显著地减少爆破后的超挖(overbreak)可能性。这表示不需要爆破后的后续工序，得以节约工程成本并缩短工期。

实验例

图13～图20是形成自由面时的爆破震动抑制模拟结果。图13是三维有限元素解析模型图并且图示了最外廓孔(40)与扩展孔(30)的位置。

图14是基于时间的爆破压力模拟图，(a)表示扩展孔(30)处的爆破压力，(b)表示最外廓孔(40)处的爆破压力。此时，最外廓孔(请参阅图13，40)的装填条件是把作为精密火药的直径17mm的古利特炸药(Gurit)予以不耦合装药(Decoupling)，扩展孔(请参阅图13，30)的装填条件是装填直径32mm的乳化炸药(Emulsion)。扩展孔(30)与最外廓孔(40)的爆破压力差异不明显。最外廓孔(40)的爆破与否对爆破震动的影响不大。

图15是最外廓孔(40)及扩展孔(30)的XYZ方向的合成位移模拟图，图16是最外廓孔(40)及扩展孔(30)的水平方向位移图，图17是铅直方向位移模拟图。(a)是没有形成自由面(20)而让最外廓孔(40)与扩展孔(30)爆发的情形，(b)是形成自由面(20)后让最外廓孔与扩展孔爆发的情形，(c)是形成自由面(20)后只让扩展孔(30)爆发的情形。如图15到图17所示，由于形成了自由面(20)而使得爆破压力没有被传达到隧道周边的地表面。而且，(b)与(c)的爆破压力差异不明显。

图18是最外廓孔(40)1m上端的基于时间的铅直位移变化图。在此，Case A是不形成自由面(20)的一般爆破截面的铅直变化数值，Case B是形成自由面(20)后的爆破截面的铅直变化数值，

是不考虑最外廓孔(40)而只以扩展孔(30)爆破后的爆破截面的铅直变化。最外廓孔(40)的存在与否对爆破震动的影响不大。将其联系到钻孔数量的减少及装药量的减少等而得以节约工程费。

图19到图20是爆破地点上端的铅直方向位移图。此时，爆破位置离隧道上部越远爆破震动的大小越减少(请参阅图19)。离开爆破位置时震动幅度会衰减。而且，爆破位置离隧道上部越远震动波的抵达时间越长(请参阅图19)。

图20是隧道爆破位置的上端地表面(从爆破地点隔离20m的位置)处基于自由面存在与否及自由面深度的铅直变化模拟曲线图。如图20所示，随着自由面(20)的深度变大而使得爆破震动衰减。

没有自由面(20)时上端地表面(离爆破地点20m的地表面)的最大铅直位移是0.07左右(请参阅图20)。然而，形成了自由面(20)时最大铅直位移比没有形成自由面(20)时减少了很多。而且，自由面(20)的深度越深隧道上部地表面上出现的最大铅直位移越小，适用了4m深度的自由面(20)时比没有适用自由面(20)时的震动衰减效果最高达到90％以上。

图22是垂直方向位移的模拟用模型，在“外廓孔(Contourholes)”及“扩展孔(Stopping holes)”如下表所示地装药后爆发的条件下进行了实验。

【表5】

“a”是以自由面10cm宽度、1m深度安装的情形，“b”是没有自由面而安装了1列线钻孔的状态下、“c”是没有自由面而安装了2列线钻孔的状态下进行的爆破。

图23是爆破所致垂直位移的量测值，安装了线钻孔的情形与一般隧道爆破没有多大差异，安装了自由面时上端部分几乎没有发生垂直位移。

图24是最大垂直位移的量测值，形成了自由面时最大位移的量测值为0.6左右。一般来说，发生0.7以上的最大位移时会形成危险区。

因此可以确认，凭借本发明形成自由面时能够有效地抑制爆破震动。

前文虽然只通过有限的实施例与附图说明了本发明，但本发明并不局限于此，在本领域中具有通常知识者可以在本发明的技术思想范畴与权利要求书的均等范围内进行各种变形及修改。

【产业上的用途】

本发明可适用于基于火药爆破的隧道开挖。尤其是，适用于需要高水平的爆破震动抑制效果的市中心地铁及地下设施工程时效果更好。

Claims (17)

1.一种利用水射流的开挖系统，包括：

移动单元，在爆破目标区上移动；

多关节机械臂，装载到上述移动单元；

水射流喷嘴，装载到上述机械臂的前端；

供应单元，把高压水供应到上述水射流喷嘴；

控制单元，控制上述移动单元、机械臂及水射流喷嘴；

2.根据权利要求1所述的利用水射流的开挖系统，其特征在于，

上述供应单元供应上述高压水与研磨剂。

3.根据权利要求1所述的利用水射流的开挖系统，其特征在于，

还包括线识别装置，其能够识别涂在开挖对象面上的预设彩色线；

上述控制单元控制上述机械臂以便让水射流喷嘴跟踪凭借上述线识别装置识别的上述线。

4.根据权利要求3所述的利用水射流的开挖系统，其特征在于，

上述线是破碎样式。

5.根据权利要求1所述的利用水射流的开挖系统，其特征在于，

上述水射流喷嘴所造成的开挖对象面的破碎样式为拱形样式。

6.根据权利要求5所述的利用水射流的开挖系统，其特征在于，

上述破碎样式基本上采取拱形样式，还包括复合了“之”字样式的复合样式。

7.根据权利要求1所述的利用水射流的开挖系统，其特征在于，

上述水射流喷嘴还包括深度传感器单元，其检测上述高压水所导致的自由面的破碎深度

上述控制单元则例用上述破碎深度控制上述机械臂及供应单元。

8.根据权利要求7所述的利用水射流的开挖系统，其特征在于，

上述水射流喷嘴还包括横宽传感器单元，其检测上述高压水所导致的自由面的破碎横宽；

上述控制单元则例用上述破碎横宽控制上述机械臂及供应单元。

9.根据权利要求7所述的利用水射流的开挖系统，其特征在于，

上述深度传感器单元基于激光。

10.根据权利要求8所述的利用水射流的开挖系统，其特征在于，

上述横宽传感器单元基于激光。

11.根据权利要求1所述的利用水射流的开挖系统，其特征在于，

上述水射流喷嘴可伸缩地安装在多个机械臂并且把开挖对象面予以破碎。

12.一种利用水射流的开挖系统，其特征在于，

包括：

拱形框架，能够朝开挖隧道的爆破目标区进行前后移动；

移动装置，可移动地契合在拱形框架；

水射流喷嘴，被上述移动装置支撑固定而朝上述爆破目标区喷射高压的水；及

控制装置，控制上述移动装置及水射流喷嘴。

13.根据权利要求12所述的利用水射流的开挖系统，其特征在于，

上述移动装置契合在上述拱形框架上部的导轨。

14.根据权利要求13所述的利用水射流的开挖系统，其特征在于，

上述移动装置包括导轨，

上述导轨包括允许框架前后移动的第一导轨、允许水射流喷嘴移动的第二导轨。

15.一种利用水射流的开挖方法，其特征在于，

包括第一工序，其利用水射流在开挖对象面形成具有预设深度的自由面。

16.根据权利要求15所述的利用水射流的开挖方法，其特征在于，

还包括第二工序，其利用上述水射流在上述自由面的内侧领域形成装药孔。

17.根据权利要求16所述的利用水射流的开挖方法，其特征在于，

还包括第三工序，其在上述装药孔装填火药后爆破。

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