CN104314574B - 一种硬岩隧道非爆破开挖分块方法及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种硬岩隧道非爆破开挖分块方法及施工方法，其运用钻孔取芯技术，沿隧道开挖轮廓线打设互相咬合切割的周边孔，以便在隧道掌子面周边形成孔壁状开挖临空面；其运用液压劈裂机劈裂技术，并利用岩石的抗拉强度和抗剪强度远比抗压强度小的特性，先进行隧道掌子面开挖分块，在每一个开挖分块中，同步劈裂开挖的劈裂面不超过两个，且两个劈裂面呈大角度的钝角相交，并包含至少一个垂直于掌子面的开挖临空面，再采用先下面后上面、先周边后中间的开挖施工顺序，利用较小的劈裂力沿劈裂面进行掌子面的岩石拉裂和剪切分割的劈裂开挖；本发明能消除硬岩开挖施工中的振动、噪音和粉尘的不利影响，可提高隧道洞碴作为建筑石材的利用率。

Description

一种硬岩隧道非爆破开挖分块方法及施工方法

技术领域

本发明涉及隧道工程领域，具体涉及一种硬岩隧道非爆破开挖分块方法及施工方法。

背景技术

硬岩隧道一般采用钻爆法施工。钻爆法施工会引起隧道围岩和邻近建筑物结构发生爆破振动，会对隧道围岩和邻近建筑物结构力学性能产生不利影响。同时，爆破施工也会发出爆破噪音，会破坏隧道周边的人居环境。即使在爆破施工中采用了控制爆破技术，仍然难以消除爆破振动和噪音的不利影响。因此，对于爆破振动和爆破噪音要求严格的隧道工程，钻爆法施工难以满足工程要求，需要采用非爆破开挖施工技术。

在现有的非爆破开挖施工技术中，铣挖法和隧道掘进机法可以克服钻爆法的缺点，但铣挖法一般适用在软岩中施工，在硬岩中其洗头磨损大、工作效率低；隧道掘进机法一般适用在硬质围岩、隧道长度较长、隧道断面保持不变的隧道工程中，不适合长度较短、断面变化的隧道工程。人工风镐开挖法和液压冲击锤开挖法，常常适用于软质围岩的隧道施工中，对于硬质围岩，其施工效率较低，且液压冲击锤施工也会产生一定的冲击振动。膨胀剂法存在环境污染问题，且对施工人员会造成人身伤害，施工中须戴防护套。因此，现有硬岩隧道的施工技术可进一步改进。

发明内容

本发明针对上述现有技术作出改进，即本发明要解决的技术问题是提供一种硬岩隧道非爆破开挖分块方法及施工方法，其运用液压劈裂机劈裂技术和钻孔取芯技术，并结合人工风镐或液压冲击锤开挖法，进行硬岩隧道的非爆破开挖，以避免隧道施工对隧道围岩和邻近建筑物的有害振动影响，消除隧道施工噪音，提高开挖效率，满足隧道周边环境对隧道施工的要求。

为了解决上述技术问题，本发明的第一技术方案是：一种硬岩隧道非爆破开挖分块方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）沿隧道开挖轮廓线并采用相应的钻孔外插角打设钻孔，相邻钻孔互相咬合重叠，最后形成相邻钻孔互相切割的周边孔，从而将隧道掌子面与隧道周边围岩截然分来，以便在隧道掌子面周边形成钻孔孔壁状的开挖临空面；

2）在所述掌子面中，打设若干排互相呈平行或相交布置的劈裂孔排孔，每一排劈裂孔排孔组成一个劈裂面，由若干个劈裂面将掌子面分割为若干个菱形、梯形或三角形的开挖分块；

进一步的，在所述开挖分块中，利用岩石的抗拉强度和抗剪强度远远比岩石的抗压强度小的特性，每一个开挖分块中的同步劈裂开挖施工的劈裂面不超过两个，且两个劈裂面呈大角度的钝角相交，以便有效地利用较小的劈裂力来抵抗岩石的拉力或剪力，以实现掌子面的岩石拉裂和剪切分割的劈裂开挖。

进一步的，在所述开挖分块中，利用掌子面周边的开挖临空面，并利用岩石的重力在岩石劈裂开挖中的有利作用，每一个开挖分块中至少包含一个垂直于掌子面的开挖临空面，并且满足先下面后上面、先周边后中间的劈裂开挖施工顺序的要求。

进一步的，在所述开挖分块中，利用小尺寸分块比大尺寸分块容易被劈裂开挖的特点，掌子面中的最后几块开挖分块均采用小几何尺寸的三角形分块，以确保最后一块开挖分块的几何尺寸比较小，便于采用人工风镐或液压冲击锤进行最后一块开挖分块的开挖。

进一步的，所述劈裂孔的孔轴线均垂直于掌子面，同一排劈裂孔排孔的孔轴线互相平行，且位于同一劈裂面平面内。

进一步的，所述劈裂孔与所述周边孔的钻孔深度互相匹配，劈裂孔的每一个作业循环进尺与周边孔的若干个作业循环总进尺相等。

进一步的，所述同一排劈裂孔的孔间距小于开挖临空面的最小抵抗线，以确保掌子面的劈裂开挖能够沿着预定的劈裂面劈裂分块；劈裂孔孔径满足劈裂机的孔径要求。

本发明的第二技术方案是：一种硬岩隧道非爆破开挖施工方法，其特征在于，包括采用所述一种硬岩隧道非爆破开挖分块方法，其施工步骤如下：

1）在隧道掌子面上，进行开挖轮廓线、周边孔、劈裂面和劈裂孔的施工放样，周边孔的放样采用钻孔孔心沿开挖轮廓线布置；

2）采用钻孔取芯钻机，并采用相应的钻孔外插角，沿隧道开挖轮廓线进行周边孔的钻孔施工，相邻钻孔互相咬合切割，最后，在掌子面周边形成钻孔孔壁状的开挖临空面；采用钻机进行劈裂孔的钻孔施工，劈裂孔的孔轴线垂直于掌子面，同一排劈裂孔的孔轴线互相平行且位于同一劈裂面平面内；劈裂孔与周边孔的钻孔深度互相匹配，劈裂孔的每一个作业循环进尺与周边孔的若干个作业循环总进尺相等；

3）按照先下面后上面、先周边后中间的开挖施工顺序，首先，劈裂开挖位于隧道掌子面下面和两侧的开挖分块，然后，依次劈裂开挖相应的开挖分块，最后，采用人工风镐或液压冲击锤开挖最后一块开挖分块；在劈裂开挖每一块开挖分块时，先将液压劈裂机的劈裂工作件插入劈裂孔中，并保持劈裂工作件的劈裂张开方向与劈裂面相垂直，然后再启动劈裂机，对劈裂孔逐步施加劈裂力，随着劈裂力的逐渐升高，劈裂孔沿劈裂面方向会发生开裂，且开裂裂缝长度会不断增长，裂缝宽度也会不断加宽，在相邻劈裂孔裂缝贯通后便形成了劈裂面，之后，劈裂面的裂缝宽度会继续加宽，其长度也会因裂缝向两端延伸而加长，直至整块开挖分块被劈裂分割开来；

4）采用人工风镐或液压冲击锤进行欠挖部分的修整，直至满足开挖轮廓线的开挖要求之后，再进行下一个劈裂开挖循环的施工。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：为硬岩隧道的非爆破开挖施工提供了一种施工方法，其利用岩石的抗拉强度和抗剪强度远比抗压强度小的特性，有效地采用较小的劈裂力来抵抗岩石的拉力或剪力，可实现掌子面的岩石拉裂和剪切分割的劈裂开挖，本发明能够消除硬岩隧道的非爆破开挖过程中的施工振动、施工噪音和施工粉尘，避免了隧道开挖施工对隧道围岩和邻近建筑物结构以及周边人居环境的不利影响，劈裂开挖所产生的块石的损伤率比较低，可作为工程建设中的建筑石材，提高了隧道洞碴的利用率。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明实施例的施工方法示意图。

图中：1-开挖轮廓线，2-周边孔， 3-劈裂面， 4-劈裂孔， 5、6、7、……、43-开挖分块编号及施工顺序编号。

具体实施方式

如图1所示，一种硬岩隧道非爆破开挖分块方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）沿隧道开挖轮廓线1并采用相应的钻孔外插角打设钻孔，相邻钻孔互相咬合重叠，最后形成相邻钻孔互相切割的周边孔2，从而将隧道掌子面与隧道周边围岩截然分来，以便在隧道掌子面周边形成钻孔孔壁状的开挖临空面，本发明实施例中，周边孔2孔径20cm，钻孔间距18cm，相邻钻孔的咬合重叠厚度2cm；

2）在所述掌子面中，打设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排孔组成一个劈裂面3，由若干个劈裂面3将掌子面分割为若干个菱形、梯形或三角形的开挖分块（5或6或7或……或43），本发明实施例中，开挖分块呈隧道左右侧对称布置；

在所述开挖分块（5或6或7或……或43）中，利用岩石的抗拉强度和抗剪强度远远比岩石的抗压强度小的特性，每一个开挖分块（5或6或7或……或43）中同步进行劈裂开挖的劈裂面3不超过两个，且两个劈裂面3呈大角度的钝角相交，以便采用较小的劈裂力来进行隧道掌子面岩石的拉裂和剪切分割开挖；

在所述开挖分块中，利用隧道掌子面周边的开挖临空面，并利用岩石的重力在岩石劈裂开挖中的有利作用，每一个开挖分块（5或6或7或……或43）中包含至少一个垂直于掌子面的开挖临空面，并满足先下面后上面、先周边后中间的开挖施工顺序（5、6、7、……、43）的要求；

在所述开挖分块中，利用小尺寸分块比大尺寸分块容易被劈裂开挖的特点，掌子面中的最后三块开挖分块（41、42、43）均采用小几何尺寸的三角形分块，以确保最后一块开挖分块43的几何尺寸比较小，便于采用人工风镐或液压冲击锤进行最后一块开挖分块43的开挖；

所述劈裂孔4的孔轴线均垂直于掌子面，同一排劈裂孔4的孔轴线互相平行且位于同一劈裂面3平面内；

所述同一排劈裂孔4孔间距小于开挖临空面的最小抵抗线，以确保掌子面的分块开挖能够沿着预定的劈裂面3劈裂分块；劈裂孔4孔径满足劈裂机的孔径要求，其孔间距与掌子面的岩石完整性及其力学性能、劈裂开挖临空面及其最小抵抗线、劈裂开挖分块（5或6或7或……或43）的几何尺寸以及劈裂机的劈裂力等相关因素有关，可根据现场劈裂开挖试验的结果选择劈裂孔4孔间距；

所述劈裂孔4与周边孔2的钻孔深度互相匹配，劈裂孔4的每一个作业循环进尺与周边孔2的若干个作业循环总进尺相等；本发明实施例中，周边孔2钻孔深度0.5m，劈裂孔4孔深2m，劈裂孔4的一个作业循环进尺与周边孔2的四个作业循环总进尺相匹配。

一种硬岩隧道非爆破开挖施工方法，包括采用所述一种硬岩隧道非爆破开挖分块方法，其施工步骤如下：

1）在隧道开挖掌子面中，进行开挖轮廓线1、周边孔2、劈裂面3和劈裂孔4的施工放样；为满足较小的隧道超挖量要求，综合考虑周边孔2孔径、钻孔深度和间距、相邻钻孔的咬合重叠厚度、钻孔外插角和钻孔施工进度等因素，并结合下一个作业循环对劈裂开挖空间的要求，周边孔2的放样采用钻孔孔心沿开挖轮廓线1布置；

2）采用钻孔取芯钻机，并采用相应的钻孔外插角，沿隧道开挖轮廓线1进行周边孔2的钻孔施工，相邻钻孔互相咬合切割，最后，在掌子面周边形成钻孔孔壁状的开挖临空面；采用钻机进行劈裂孔4的钻孔施工，劈裂孔4的孔轴线垂直于掌子面，同一排劈裂孔4的孔轴线互相平行且位于同一劈裂面3平面内；劈裂孔4与周边孔2的钻孔深度互相匹配，劈裂孔4的一个作业循环进尺与周边孔2的四个作业循环总进尺相等；

3）按照先下面后上面、先周边后中间的开挖施工顺序（5、6、7、……、43），首先，劈裂开挖位于隧道掌子面下面和两侧的开挖分块5，然后，依次劈裂开挖相应的开挖分块（6、7、……、42），最后，采用人工风镐或液压冲击锤开挖最后一块开挖分块43；在劈裂开挖每一块开挖分块（5或6或7或……或42）时，先将液压劈裂机的劈裂工作件插入劈裂孔4中，并保持劈裂工作件的劈裂张开方向与劈裂面3相垂直，然后再启动劈裂机，对劈裂孔4逐步施加劈裂力，随着劈裂力的逐渐升高，劈裂孔4沿劈裂面3方向会发生开裂，且开裂裂缝长度会不断增长，裂缝宽度也会不断加宽，在相邻劈裂孔4裂缝贯通后便形成了劈裂面3，之后，劈裂面3的裂缝宽度会继续加宽，其长度也会因裂缝向两端延伸而加长，直至整块开挖分块（5或6或7或……或42）被劈裂分割开来；

4）采用人工风镐或液压冲击锤进行欠挖部分的修整，直至满足开挖轮廓线1的开挖要求之后，再进行下一个劈裂开挖循环的施工。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例子而已，并非对本发明做任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例子所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种硬岩隧道非爆破开挖施工方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

1）在隧道掌子面上，进行开挖轮廓线、周边孔、劈裂面和劈裂孔的施工放样，周边孔的放样采用钻孔孔心沿开挖轮廓线布置；

2）采用钻孔取芯钻机，并采用相应的钻孔外插角，沿隧道开挖轮廓线进行周边孔的钻孔施工，相邻钻孔互相咬合切割，最后，在隧道掌子面周边形成钻孔孔壁状的开挖临空面；采用钻机进行劈裂孔的钻孔施工，劈裂孔的孔轴线垂直于隧道掌子面，同一排劈裂孔的孔轴线互相平行且位于同一劈裂面平面内；劈裂孔与周边孔的钻孔深度互相匹配，劈裂孔的每一个作业循环进尺与周边孔的若干个作业循环总进尺相等；

3）按照先下面后上面、先周边后中间的开挖施工顺序，首先，劈裂开挖位于隧道掌子面下面和两侧的开挖分块，然后，依次劈裂开挖相应的开挖分块，最后，采用人工风镐或液压冲击锤开挖最后一块开挖分块；在劈裂开挖每一块开挖分块时，先将液压劈裂机的劈裂工作件插入劈裂孔中，并保持劈裂工作件的劈裂张开方向与劈裂面相垂直，然后再启动劈裂机，对劈裂孔逐步施加劈裂力，随着劈裂力的逐渐升高，劈裂孔沿劈裂面方向会发生开裂，且开裂裂缝长度会不断增长，裂缝宽度也会不断加宽，在相邻劈裂孔裂缝贯通后便形成了劈裂面，之后，劈裂面的裂缝宽度会继续加宽，其长度也会因裂缝向两端延伸而加长，直至整块开挖分块被劈裂分割开来；

4）采用人工风镐或液压冲击锤进行欠挖部分的修整，直至满足开挖轮廓线的开挖要求之后，再进行下一个劈裂开挖循环的施工。

2.根据权利要求1所述的一种硬岩隧道非爆破开挖施工方法，其特征在于：在所述开挖分块中，利用岩石的抗拉强度和抗剪强度远远比岩石的抗压强度小的特性，每一个开挖分块中的同步劈裂开挖施工的劈裂面不超过两个，且两个劈裂面呈大角度的钝角相交，以便有效地利用较小的劈裂力来抵抗岩石的拉力或剪力，以实现隧道掌子面的岩石拉裂和剪切分割的劈裂开挖。

3.根据权利要求1所述的一种硬岩隧道非爆破开挖施工方法，其特征在于：在所述开挖分块中，利用隧道掌子面周边的开挖临空面，并利用岩石的重力在岩石劈裂开挖中的有利作用，每一个开挖分块中至少包含一个垂直于隧道掌子面的开挖临空面，并且满足先下面后上面、先周边后中间的劈裂开挖施工顺序的要求。

4.根据权利要求3所述的一种硬岩隧道非爆破开挖施工方法，其特征在于：在所述开挖分块中，利用小尺寸分块比大尺寸分块容易被劈裂开挖的特点，隧道掌子面中的最后几块开挖分块均采用小几何尺寸的三角形分块，以确保最后一块开挖分块的几何尺寸比较小，便于采用人工风镐或液压冲击锤进行最后一块开挖分块的开挖。

5.根据权利要求1所述的一种硬岩隧道非爆破开挖施工方法，其特征在于：所述劈裂孔的孔轴线均垂直于隧道掌子面，同一排劈裂孔排孔的孔轴线互相平行，且位于同一劈裂面平面内。

6.根据权利要求1所述的一种硬岩隧道非爆破开挖施工方法，其特征在于：所述劈裂孔与所述周边孔的钻孔深度互相匹配，劈裂孔的每一个作业循环进尺与周边孔的若干个作业循环总进尺相等。

7.根据权利要求1所述的一种硬岩隧道非爆破开挖施工方法，其特征在于：同一排劈裂孔的孔间距小于开挖临空面的最小抵抗线，以确保隧道掌子面的劈裂开挖能够沿着预定的劈裂面劈裂分块；劈裂孔孔径满足劈裂机的孔径要求。