CN108729924A - 一种城市硬岩隧道机械开挖快速施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市硬岩隧道机械开挖快速施工方法，包括按照隧道断面形状，采用多孔组合水磨钻机沿隧道开挖轮廓线外周钻孔取芯，以形成隧道轮廓的周边连续临空面；继续采用多孔组合水磨钻机，按照从周边到中心的顺序对掌子面进行钻孔取芯，以使隧道掌子面内的剩余岩体形成筛子状或多个孤岛状；采用冲击锤装置对掌子面内的剩余岩体进行冲击破碎；采用挖铲工作头对破碎后散落的岩块和岩渣进行机械清渣和出渣。优选，多孔组合水磨钻机与冲击锤集成在同一自行走设备上。本发明的有益效果是，通过组合型自行走设备实现多孔钻孔取芯、液压冲击破碎和机械化清渣出渣；其机械化程度高，掘进速度快，施工作业人员少、掘进效率高，安全风险低。

Description

一种城市硬岩隧道机械开挖快速施工方法

技术领域

本发明涉及城市硬岩隧道施工技术，特别是一种用于城市隧道非爆开挖快速施工中的城市硬岩隧道机械开挖快速施工方法。

背景技术

随着国民经济与基础建设的发展和掘进装备与施工技术的革新，岩石隧道掘进机(TBM)由于其施工环境友好、施工进度快、对围岩扰动小以及长隧道施工的经济效益显著，已广泛用于各国的地下工程建设。但由于其施工成本较高，只适用于长大隧道施工。传统钻爆法开挖隧道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建构力学性能产生不利影响。铣挖法一般适用于软岩中施工，在硬岩中由于铣头磨损大、工作效率低。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，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。人工钻孔取芯法需人工操作水磨钻机进行单个成孔，安全风险高、机械化水平低、工效较差。因此在城市硬岩隧道施工中，偶遇隧道浅埋地段、洞顶构筑物较多地段、地表抗震等级低或不允许采用爆破开挖的地段，采用以上施工工法从安全、经济及工效方面均存在不同程度的不适用性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有隧道机械开挖施工过程中，对硬岩隧道所采用液压冲击锤、人工钻芯成孔等开挖方式存在的工效较低、安全风险高等不足，提供一种适用于城市隧道在浅埋地段、洞顶构筑物较多地段、地表抗震等级低或不允许采用爆破开挖的地段中进行非爆开挖的城市硬岩隧道机械开挖快速施工方法。

为实现前述目的，本发明采用如下技术方案。

一种城市硬岩隧道机械开挖快速施工方法，包括如下步骤：

第一步，隧道轮廓钻孔取芯：按照设计要求的隧道断面形状，采用具有多个钻头同时作业的多孔组合水磨钻机，沿隧道开挖轮廓线外周钻孔取芯，以形成隧道开挖区断面轮廓的周边连续临空面；

第二步，掌子面钻孔取芯：继续采用具有多个钻头同时作业的多孔组合水磨钻机，按照从周边到中心的顺序对掌子面进行钻孔取芯，以使隧道掌子面内的剩余岩体形成具有“筛子孔”的筛子状；或者，通过钻孔取芯形成的连续临空面使隧道掌子内面的剩余岩体形成多个孤岛状；

第三步，硬岩破碎：采用冲击锤装置对掌子面内的剩余岩体进行冲击破碎；

第四步，清渣出渣：采用挖铲工作头对破碎后散落的岩块和岩渣进行机械清渣和出渣。

采用前述技术方案的本发明，通过采用具有多个钻头同时作业的多孔组合水磨钻进行钻孔取芯，以及对隧道轮廓线周边和掌子面的钻孔取芯，使每次采用冲击锤装置破碎的岩体在破碎前呈具有“筛子孔”的筛子状或孤岛型结构，确保破碎效果和效率，而采用多孔组合水磨钻的钻机，可有效提高钻孔取芯效率，实现快速掘进目的。本方法在完成一个进尺深度后，重复第一步到第四步，直至隧道掘进完成。显然，用于钻孔取芯的多孔组合水磨钻机具有实现多个钻头同时作业的结构，以提高开挖工效，显然，同时作业的钻头数量应尽可能多为最好。

为更好的实施本发明创造，用于钻孔取芯的所述多孔组合水磨钻机中相邻钻头之间净距应小于等于钻头直径。以在经过两轮钻孔后，确保保证开挖轮廓线周边相邻钻孔相割或相切，从而形成连续临空面。

为更好的实施本发明创造，用于钻孔取芯的所述多孔组合水磨钻机中的各个水磨钻头均独立的进给系统，每个钻头能够实现单独进给；在所述第一步和第二步的钻孔取芯后，还包括利用单个水磨钻头施钻或人工风镐进行修正，以在周边钻孔取芯后出现的局部欠挖进行修正；而在出现超挖时，对超挖部分和非超挖部分之间通过修正形成圆滑过渡段。

为更好的实施本发明创造，在所述第二步的掌子面钻孔取芯前，还包括按照围岩强度等级、产状以及冲击施工方便性为原则，确定钻孔取芯的钻孔数量和钻孔布置形状。

为更好的实施本发明创造，在所述第一步和第二步的钻孔取芯过程中，还包括根据钻头长度及设计循环进尺深度确定每次钻孔取芯深度，且轮廓线周边的钻孔深度大于掌子面内的钻孔取芯深度。

为更好的实施本发明创造，多孔组合水磨钻机与冲击锤集成在一台掘进设备上，多孔组合水磨钻机与冲击锤装置分别对应设在一工作臂上，每个工作臂对应连接一液压驱动单元，以形成多臂独立的液压驱动结构；以紧凑设备结构、减少设备数量，以适应于作业空间受限的隧道掘进施工；并且掘进设备还包括挖铲工作头，挖铲工作头与冲击锤装置按择一方式与对应工作臂固定连接；以减少掘进设备品种和数量，提高设备运行的方便性；掘进设备还包括分别与多孔组合水磨钻机、冲击锤和挖铲工作头相适配的配重部分；以满足平衡性要求，确保掘进安全；掘进设备还通过行走装置、传动装置和行走驱动装置形成自行走结构，以实现自行走功能。

本发明的有益效果在于：

1)该工法以机械化开挖方式解决了城市硬岩隧道非爆施工问题，适用性较强，基本不受隧道长度、断面形状及大小的限制，可方便运用于隧道全断面及分部开挖中。

2)多孔组合水磨钻各钻头可同时作业，还与冲击锤集成在同一设备上，以及时破碎岩体，提高了工效，可实现快速施工。

3)该工法对隧道周边超挖和欠挖问题较易控制、可及时修正。

4)该工法机械化程度高，减少了施工作业人员投入，降低了安全风险。

附图说明

图1隧道开挖轮廓线周边第一次钻孔取芯的钻孔分布示意图。

图2隧道开挖轮廓线周边第二次钻孔取芯完成后的钻孔分布示意图。

图3相邻钻孔间位置关系示意图。

图4掌子面较稀疏钻孔布置示意图。

图5掌子面较密集钻孔布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

参见图1、图2、图3、图4、图5，一种城市硬岩隧道机械开挖快速施工方法，包括如下步骤：

第一步，隧道轮廓钻孔取芯：按照设计要求的隧道断面形状，采用具有多个钻头同时作业的多孔组合水磨钻机，沿隧道开挖轮廓线外周钻孔取芯，以形成隧道开挖区断面轮廓的周边连续临空面；

第二步，掌子面钻孔取芯：继续采用具有多个钻头同时作业的多孔组合水磨钻机，按照从周边到中心的顺序对掌子面进行钻孔取芯，以使隧道掌子面内的剩余岩体形成具有“筛子孔”的筛子状；或者，通过钻孔取芯形成的连续临空面使隧道掌子内面的剩余岩体形成多个孤岛状；

第三步，硬岩破碎：采用冲击锤装置对掌子面内的剩余岩体进行冲击破碎；

第四步，清渣出渣：采用挖铲工作头对破碎后散落的岩块和岩渣进行机械清渣和出渣。

其中，用于钻孔取芯的所述多孔组合水磨钻机中相邻钻头之间净距应小于等于钻头直径；并且多孔组合水磨钻机中的各个水磨钻头均独立的进给系统，每个钻头能够实现单独进给；多孔组合水磨钻机与冲击锤集成在一台掘进设备上，多孔组合水磨钻机与冲击锤装置分别对应设在一工作臂上，每个工作臂对应连接一液压驱动单元，以形成多臂独立的液压驱动结构；并且掘进设备还包括挖铲工作头，挖铲工作头与冲击锤装置按择一方式与对应工作臂固定连接；掘进设备同时还具有分别与多孔组合水磨钻机、冲击锤和挖铲工作头相适配的配重部分；以及行走装置、传动装置和行走驱动装置，以通过这些装置形成自行走结构，实现自行走功能。

在所述第一步和第二步的钻孔取芯后，还包括利用单个水磨钻头施钻或人工风镐进行修正，以在周边钻孔取芯后出现的局部欠挖进行修正；而在出现超挖时，对超挖部分和非超挖部分之间通过修正形成圆滑过渡段；在所述第一步和第二步的钻孔取芯过程中，还包括根据钻头长度及设计循环进尺深度确定每次钻孔取芯深度，且轮廓线周边的钻孔深度大于掌子面内的钻孔取芯深度；在所述第二步的掌子面钻孔取芯前，还包括按照围岩强度等级、产状以及冲击施工方便性为原则，确定钻孔取芯的钻孔数量和钻孔布置形状。

本方法中，第一步的隧道轮廓钻孔取芯按两轮进行，第一轮形成的钻孔1沿轮廓周边间隙分布，形成如图1的分布图形。其中，隧道断面为半径为R的圆形，钻孔1的直径为d，相邻两钻孔孔壁间最小处的间距b小于或者等于钻孔1的直径d；第二轮钻掉两相邻钻孔1之间的残留部分形成钻孔2，其钻孔直径与钻孔1的直径d相同，第二轮钻孔后形成如图2的分布图形；同样；第二步的掌子面钻孔取芯也按照两轮进行，第一轮和第二轮钻孔直径与轮廓周边钻孔相同，第一轮相邻的钻孔孔壁间最小处的间距b小于或者等于钻孔直径d；多孔组合水磨钻机相邻钻头轴线间的距离t以前述钻孔布置要求为原则设置，如图3所示。

本方法的掌子面内临空面设置包括如图4所示的钻孔布置成较稀疏的情形，掌子面内的岩石通过纵横交错的临空面形成多个块状形孤岛结构；当然，也可按如图5所示的钻孔布置成较密集的形式，掌子面内的岩石通过多个圆环形的临空面形成圆饼状和多个圆环状的孤岛结构；还有掌子面内的钻孔也可布置成筛子形，剩余岩石破碎时，冲击锤通过筛子孔孔壁施加破碎冲击。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种城市硬岩隧道机械开挖快速施工方法，包括如下步骤：

第一步，隧道轮廓钻孔取芯：按照设计要求的隧道断面形状，采用具有多个钻头同时作业的多孔组合水磨钻机，沿隧道开挖轮廓线外周钻孔取芯，以形成隧道开挖区断面轮廓的周边连续临空面；

第二步，掌子面钻孔取芯：继续采用具有多个钻头同时作业的多孔组合水磨钻机，按照从周边到中心的顺序对掌子面进行钻孔取芯，以使隧道掌子面内的剩余岩体形成具有“筛子孔”的筛子状；或者，通过钻孔取芯形成的连续临空面使隧道掌子内面的剩余岩体形成多个孤岛状；

第三步，硬岩破碎：采用冲击锤装置对掌子面内的剩余岩体进行冲击破碎；

第四步，清渣出渣：采用挖铲工作头对破碎后散落的岩块和岩渣进行机械清渣和出渣。

2.根据权利要求1所述的城市硬岩隧道机械开挖快速施工方法，其特征在于，用于钻孔取芯的所述多孔组合水磨钻机中相邻钻头之间净距应小于等于钻头直径。

3.根据权利要求1所述的城市硬岩隧道机械开挖快速施工方法，其特征在于，用于钻孔取芯的所述多孔组合水磨钻机中的各个水磨钻头均独立的进给系统，每个钻头能够实现单独进给；在所述第一步和第二步的钻孔取芯后，还包括利用单个水磨钻头施钻或人工风镐进行修正。

4.根据权利要求1所述的城市硬岩隧道机械开挖快速施工方法，其特征在于，在所述第二步的掌子面钻孔取芯前，还包括按照围岩强度等级、产状以及冲击施工方便性为原则，确定钻孔取芯的钻孔数量和钻孔布置形状。

5.根据权利要求1所述的城市硬岩隧道机械开挖快速施工方法，其特征在于，在所述第一步和第二步的钻孔取芯过程中，还包括根据钻头长度及设计循环进尺深度确定每次钻孔取芯深度，且轮廓线周边的钻孔深度大于掌子面内的钻孔取芯深度。

6.根据权利要求1所述的城市硬岩隧道机械开挖快速施工方法，其特征在于，所述多孔组合水磨钻机与冲击锤集成在一台掘进设备上，多孔组合水磨钻机与冲击锤装置分别对应设在一工作臂上，每个工作臂对应连接一液压驱动单元，以形成多臂独立的液压驱动结构。

7.根据权利要求6所述的城市硬岩隧道机械开挖快速施工方法，其特征在于，所述掘进设备还包括挖铲工作头，挖铲工作头与冲击锤装置按择一方式与对应工作臂固定连接。

8.根据权利要求6所述的城市硬岩隧道机械开挖快速施工方法，其特征在于，所述掘进设备还包括分别与多孔组合水磨钻机、冲击锤和挖铲工作头相适配的配重部分。

9.根据权利要求6所述的城市硬岩隧道机械开挖快速施工方法，其特征在于，所述掘进设备还通过行走装置、传动装置和行走驱动装置形成自行走结构。