CN109281672A - 一种硬岩隧道开挖方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种隧道开挖方法，主要用于在坚硬岩层开挖隧道，包括以下步骤：爆破预裂，在隧道掘进掌子面上设置炮孔和空孔，且使得所述炮孔至少和一个所述空孔相邻；采用隧道掘进机对爆破后的掌子面进行掘进。本发明提供的隧道开挖方法，对坚硬岩层进行预裂，使原始致密围岩的完整性受到破坏，从而降低开挖难度，然后再采用隧道掘进机进行开挖，能够大大提高开挖速率，采用该种方法进行隧道开挖，对开挖断面周边围岩扰动小，不会影响临近施工、附近建筑和交通安全。

Description

一种硬岩隧道开挖方法

技术领域

本发明属于隧洞开挖施工技术领域，具体涉及一种硬岩隧道开挖方法。

背景技术

目前，岩层开挖隧道主要有钻孔爆破法(简称钻爆法)和隧道掘进机开挖法。钻爆法通过“钻孔-装药-爆破”这一作业流程，可开挖硬度较大、断面大的岩石隧道。但是，钻爆法在施工过程中爆破冲击波较大，对围岩的扰动破坏性较大，断面周边往往产生较大范围的裂纹扩展，既破坏了围岩的原始构造，又造成隧道超挖量较大，支护成本高，限制了其应用范围。

随着开挖机械的不断发展，隧道掘进机开挖法越来越多的被采用。隧道掘进机开挖法的主要施工工艺为采用滚刀破岩、全断面机械化开挖，施工速率快，隧道成型好，不会像钻爆法那样具有大的冲击，对围岩的损伤小，几乎不产生松弛、掉块，围岩崩塌的危险小，并且该施工方法振动、噪声小，对周围的居民、临近施工和结构物的影响小。因此，隧道掘进机在泥岩、砂质泥岩和页岩等裂隙发育，以及岩石的坚固性和整体性较差的围隧道施工岩中，具有明显的优势。但是，在坚硬及特坚硬岩层环境下，隧道掘进机的滚刀破岩效率很低，刀具消耗速度快，导致停机换刀和检修频繁，施工速度低，施工成本高。

因此，在较坚硬和特坚硬岩层中开挖隧道时，对开挖断面质量要求较严格的情况下，尤其是对围岩扰动范围要求较严格的情况下，现有的施工方法均难以满足要求。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种隧道开挖方法，大大提高了开挖速率，并且对开挖断面周边围岩扰动小，不会影响临近施工、附近建筑和交通安全。

本发明提供的技术方案如下：

一种隧道开挖方法，主要用于在坚硬岩层开挖隧道，包括以下步骤：

爆破预裂，在隧道掘进掌子面上设置炮孔和空孔，且使得所述炮孔至少和一个所述空孔相邻；

采用隧道掘进机对爆破后的掌子面进行掘进。

进一步的，所述炮孔和所述空孔分别呈环形布置在掌子面上，炮孔环与空孔环内外交替间隔布置。

进一步的，所述掌子面中心布置有炮孔。

进一步的，沿掌子面边缘布置一圈空孔。

进一步的，所述炮孔与邻近的所述空孔的距离小于炮孔爆破的影响半径。

进一步的，所述炮孔深度与所述空孔深度相同且不小于1倍TBM步进距离。

本发明提供的隧道开挖方法,适用于坚硬岩层及特坚硬岩层的隧道或巷道开挖。在开挖的掌子面布置炮孔和空孔，炮孔用于安装炸药进行爆破，空孔主要用于破坏掌子面原始岩层的致密结构状态，为岩层内部应力的释放提供空间，有利于岩层在爆破过程中，岩层内部的变形、裂纹或裂缝等构造特征产生和加速发展；对坚硬岩层进行爆破破坏后，使原始致密围岩的完整性受到破坏，从而降低了开挖难度，再用隧道掘进机进行开挖掘进，能够大大提高开挖速率，并可有效降低刀具消耗。并且，通过炮孔与空孔的结合，空孔辅助炮孔对岩层进行破坏，能够在装药量较小的情况下，即可实现对岩层的破坏，能有效减少装药量，对开挖断面周边围岩扰动小，不会影响临近施工和附近建筑、交通安全。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种隧道开挖方法在掌子面上钻孔布置示意图；

图2为本发明提供的一种隧道开挖方法的炮孔与空孔相对位置示意图；

图3为本发明提供的一种隧道开挖方法的隧道掘进机的工作示意图；

图4为本发明提供的一种隧道开挖方法中隧道掘进机后退后的示意图。

附图标记说明：

岩体1；开挖面边界101；掌子面102；炮孔2；空孔3；裂隙4；爆炸有效影响范围5；隧道掘进机6；刀盘601；主推进油缸602；撑靴603；主梁604。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

本申请中，所述的炮孔与空孔相邻，是指每一炮孔周边至少有一个空孔与之相邻，即每一炮孔可以是只与一个空孔相邻，也可以是每一炮孔周围全是空孔。爆破的影响半径是指，炸药包中心至岩层在爆破过程中受到破坏的区域边缘的距离。一个TBM步进距离是指TBM整体向前平移一个行程。

如图1至图4所示，本实施例提供的一种隧道开挖方法，主要用于在坚硬岩层开挖隧道，包括以下步骤：

爆破预裂，在隧道掘进掌子面102上设置炮孔2和空孔3，且使得所述炮孔2至少和一个所述空孔3相邻；

采用隧道掘进机6对爆破后的掌子面102进行掘进。

本实施例提供的隧道开挖方法,适用于坚硬岩层及特坚硬岩层的隧道或巷道开挖，以及岩层坚硬且对围岩扰动范围要求严格的情况。所述坚硬或特坚硬岩层为岩石单轴抗压强度≥150MPa、节理不发育、结构完整性好的坚硬岩层。在开挖的掌子面102布置炮孔2和空孔3，炮孔2用于安装炸药进行爆破，空孔3主要用于破坏掌子面102原始岩层的致密结构状态，为岩层内部应力的释放提供空间，有利于岩层在爆破过程中岩层内部的变形、裂纹或裂缝等构造特征产生和加速发展；对坚硬岩层进行爆破预裂，使原始致密围岩的完整性受到破坏，从而降低了开挖难度，再用隧道掘进机6进行开挖掘进，能够大大提高掘进速率，有效降低了刀具的消耗。并且，通过炮孔2与空孔3的结合，空孔3辅助炮孔2对岩层进行破坏，能够在装药量较小的情况下，即可实现对岩层的破坏，能有效减少装药量，对开挖断面周边围岩扰动小，不会影响临近施工、附近建筑和交通安全。本实施例中，炮孔2的装药结构可以是连续装药，也可以是间隔装药。由于设置有空孔3，且炮孔2至少与一个空孔3相邻，炮孔2布置较分散，故所有炮孔2可同时起爆，不会产生爆炸能量集中。

在隧道开挖过程中，中途常常会遇到整体性好的坚硬岩层或特坚硬岩层，甚至，在整个开挖过程中均是坚硬或特坚硬岩层。首先对岩层进行钻孔，炮孔与空孔相邻布置，本实施例中，炮孔与空孔可交替间隔布置；然后向炮孔2内装入炸药进行爆破，炮孔2周围的空孔3，既可对原始地层造成一定的破坏，又可加速爆破裂隙的发展，使岩层进一步被破坏，从而在原始致密围岩内部人为制造出一定数量、深度的裂纹或裂缝，增加待开挖岩体1内的裂隙4，降低坚硬岩层的开挖难度。炮孔2和空孔3相邻布置，可以减少炮孔2的数量，从而减少装药总量。

在开挖过程中，钻孔爆破和隧道掘进机6掘进两种施工方式进交替进行。本实施例优选采用全断面隧道掘进机6(即TBM)。隧道掘进机6完成对预先破坏的岩层的掘进后，需要重新在掌子面102上进行钻孔，要求隧道掘进机6的主机后退一定距离，以供作业人员到达隧道掘进机6刀盘601前方的掌子面102，并使刀盘601与掌子面102之间具有足够的钻孔作业空间，同时，确保爆破时不会对隧道掘进机6造成破坏。一般隧道掘进机6主机后退的距离为一个TBM推进行程。

隧道掘进机6后退的方式：首先，确保隧道掘进机6在后退前，其主推进油缸602应处于全部伸出状态，并保持隧道掘进机6的撑靴603撑紧在已开挖围岩的洞壁上；然后，隧道掘进机6的护盾撑紧油缸缩回，护盾尤其是顶护盾与已开挖的围岩脱离接触，并使其他部件脱离与围岩的接触，或解除其受到围岩的力；最后，隧道掘进机6主推进油缸602缓慢回缩，同时拉动主梁604和隧道掘进机6主机一同后退，直至油缸全部缩回。此时，即完成隧道掘进机6刀盘601后退一个TBM推进行程，如图4所示。

具体的，所述炮孔2和所述空孔3分别呈环形布置在掌子面102上，炮孔环与空孔环内外交替间隔布置。

本实施例中，炮孔2与空孔3的具体布置方式可以是：在掌子面102上沿着半径方向由中心向外，按照空孔3→炮孔2→空孔3的顺序交替布置。本实施例优选：在掌子面102上按照炮孔2→空孔3→炮孔2的顺序交替布置。炮孔2和空孔3呈环形交替规律布置在整个掘进掌子面102，有利于对掌子面102的岩层进行均匀爆破，空孔3的设置可以有效减少炮孔2的布置数量。爆破预裂的炮孔2的装药-爆破流程同常规钻爆法施工一样，但由于爆破预裂的目的是使坚硬岩层形成初始裂纹或裂缝，而不需要将整个断面进行爆破开挖，因此，爆破预裂在装药量、爆炸烈度等方面的设计，不同于常规的钻爆法。爆破预裂的装药量和爆炸烈度远远小于常规钻爆法爆破的装药量和爆炸烈度，故对隧道的围岩的扰动小。

优选的，所述掌子面102中心布置有炮孔2。掌子面102中心布置炮孔2，由掌子面102中心沿半径方向向外，依次布置炮孔2→空孔3→炮孔2，有利于掌子面102的破裂。

本实施例中，沿掌子面102边缘布置一圈空孔3。掌子面102边缘的空孔3可以隔断掌子面102上爆破产生的裂纹或裂缝等破坏，防止爆破对围岩及隧道侧壁的影响，有利于实现爆破仅对掌子面102进行破坏，从而降低了对隧道围岩开挖面边界101的支护成本。相邻空孔3之间的距离根据实际需要而确定，距离可以尽可能小一些，空孔3对爆破破坏隔断的效果更好。

为了使炮孔2与空孔3位置布置更加优化，所述炮孔2与邻近的所述空孔3的距离小于炮孔2爆破的影响半径。空孔3布置在炮孔2爆破的影响范围内，从而空孔3在爆破过程中可以起到辅助破坏的功效，从而可减少炮孔2布置的数量和装药量。

具体的，所述炮孔2深度与所述空孔3深度相同，且两者的深度应不小于1倍TBM步进行程。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种隧道开挖方法，主要用于在坚硬岩层开挖隧道，其特征在于，包括以下步骤：

爆破预裂，在隧道掘进掌子面(102)上设置炮孔(2)和空孔(3)，且使得所述炮孔(2)至少和一个所述空孔(3)相邻；

采用隧道掘进机(6)对爆破后的掌子面(102)进行掘进。

2.根据权利要求1所述的隧道开挖方法，其特征在于，所述炮孔(2)和所述空孔(3)分别呈环形布置在掌子面(102)上，炮孔环与空孔环内外交替间隔布置。

3.根据权利要求2所述的隧道开挖方法，其特征在于，所述掌子面(102)中心布置有所述炮孔(2)。

4.根据权利要求2所述的隧道开挖方法，其特征在于，沿所述掌子面(102)边缘布置一圈所述空孔(3)。

5.根据权利要求1所述的隧道开挖方法，其特征在于，所述炮孔(2)与邻近的所述空孔(3)的距离小于炮孔爆破的影响半径。

6.根据权利要求1所述的隧道开挖方法，其特征在于，所述炮孔(2)深度与所述空孔(3)深度相同且不小于1倍TBM步进行程。