CN111336875B - 一种隧道衬砌高效拆除方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隧道衬砌的拆除方法，具体涉及一种基于机械和爆破的隧道衬砌高效拆除方法，包括如下步骤：(1)确定衬砌待拆除区段与非拆除区段；(2)衬砌待拆除区段分为微扰动拆除段和爆破拆除段；(3)微扰动拆除段设置于爆破拆除段与非拆除区段之间,微扰动拆除段纵向长度为爆破极限损伤距离R_D和环切槽减振有效距离R_E中的较大值；(4)爆破拆除段分为多个爆破作业区间，爆破作业区间长度为环切槽减振有效距离R_E；与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用环切槽将爆破作业区间、微扰动拆除段进行分割，阻断了爆破地震波在衬砌中的传播路径，有效降低了爆破对既有衬砌的扰动，保证了隧道结构安全。

Description

一种隧道衬砌高效拆除方法

技术领域

本发明涉及一种隧道衬砌的拆除方法，具体涉及一种基于机械和爆破的隧道衬砌高效拆除方法。

背景技术

随着交通运输行业的不断发展，隧道病害处治工程和改扩建工程日益增多，为了最大限度地降低工程施工对交通路网正常通行的影响，需要极大地提高这些工程项目的施工效率，而衬砌拆除是这类工程项目中难度最大、风险最高、耗时最长的环节。大量工程经验表明，爆破是目前效率最高的隧道衬砌拆除方法，但现有技术方案未对爆破在隧道衬砌拆除时的适用范围、控制标准、减振措施进行系统阐述。隧道衬砌爆破拆除有别于新建隧道工程爆破开挖，其作业对象为衬砌结构及部分扩挖围岩，边界条件增加了隧道内部的临空面，扰动目标涉及围岩、既有衬砌结构和新建衬砌结构。为满足隧道衬砌拆除的安全高效需求，一方面要确保扰动目标安全可控或扰动后可恢复，另一方面要提高隧道衬砌爆破拆除的最大适用范围。

因此，开发一种新隧道衬砌高效拆除方法，不但具有迫切的研究价值，也具有良好的经济效益和工业应用潜力，这正是本发明得以完成的动力所在和基础。

发明内容

为了克服上述所指出的现有技术的缺陷，本发明人对此进行了深入研究，在付出了大量创造性劳动后，从而完成了本发明。

具体而言，本发明所要解决的技术问题是：提供一种隧道衬砌高效拆除方法，以解决现有隧道衬砌拆除效率低或扰动影响大的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种隧道衬砌高效拆除方法,其特征在于，包括如下步骤：

(1)确定衬砌待拆除区段与非拆除区段；

(2)衬砌待拆除区段分为微扰动拆除段和爆破拆除段；

(3)微扰动拆除段设置于爆破拆除段与非拆除区段之间,微扰动拆除段纵向长度为爆破极限损伤距离R_D和环切槽减振有效距离R_E中的较大值；

(4)爆破拆除段分为多个爆破作业区间，爆破作业区间长度为环切槽减振有效距离R_E；

(5)按照施工组织顺序，采用环切槽将衬砌非拆除区段、微扰动拆除段、爆破作业区间进行分割，降低爆破地震波对待拆除衬砌和非拆除衬砌的扰动，保证衬砌拆除边缘的平整度。

在本发明中，作为一种改进，所述步骤(2)中微扰动拆除段的衬砌通过机械破碎方式拆除。

所述爆破极限损伤距离R_D是爆破地震波在围岩中传播、衰减至岩体安全振速时对应的岩体质点与爆源的距离；

所述环切槽减振有效距离R_E是对隧道衬砌设置环切槽后，爆破地震波经围岩绕射传播至环切槽后方衬砌，引起的衬砌质点振速达到衬砌安全振速时对应的衬砌质点与爆源的距离；

所述爆破极限损伤距离R_D和环切槽减振有效距离R_E可通过现场试验与计算分析获得。

在本发明中，作为一种改进，所述爆破极限损伤距离R_D的确定过程包括如下步骤：

(1)现场试验

在爆破拆除段中，选取一个或多个爆破作业循环进行现场试验，在衬砌表面布置爆破测振动监测点，测试爆破地震波引起的质点振速；

(2)计算分析

将试验测得的质点振速峰值通过萨道夫斯基公式进行拟合，建立质点与爆源的距离R、炸药量Q、质点振速V三者之间的关系，确定场地系数k₀、地震波衰减指数α₀；

根据萨道夫斯基公式以及确定的场地系数k₀、地震波衰减指数α₀，计算不同炸药量Q、围岩安全振速[V_R]对应的爆破极限损伤距离R_D：

在本发明中，作为一种改进，所述环切槽减振有效距离R_E的确定过程包括如下步骤：

(1)现场试验

在爆破拆除段中，选取一个或多个爆破作业循环进行现场试验，采用环切槽将该爆破作业循环与一侧衬砌进行分割，并在设置环切槽的一侧衬砌表面布置爆破测振动监测点，测试爆破地震波引起环切槽后方的衬砌质点振速；

(2)计算分析

将试验测得的质点振速峰值通过萨道夫斯基公式进行拟合，建立质点与爆源的距离R、炸药量Q、质点振速V三者之间的关系，确定设置环切槽时的场地系数k₁、地震波衰减指数α₁；

根据萨道夫斯基公式以及确定的场地系数k₁、地震波衰减指数α₁，计算不同炸药量Q、衬砌安全振速[V_L]对应的环切槽减振有效距离R_E：

在本发明中，为一种改进，所述环切槽及爆破作业区间的设置包括如下步骤：

(1)将衬砌待拆除区段总长度设定为L，微扰动拆除段长度为L_P，爆破拆除段长度为L_B；

(2)衬砌爆破拆除段分割的爆破作业区间数量为m＝L_B/R_E，爆破拆除施工时，在距离第一个爆破作业面R_E处设置第一道环切槽，经n＝R_E/l个爆破作业循环后，第一个爆破作业面施工结束，然后在上一施工边界前方R_E处设置第二道环切槽，依次循环至爆破拆除段施工结束。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)采用环切槽将爆破作业区间、微扰动拆除段进行分割，阻断了爆破地震波在衬砌中的传播路径，有效降低了爆破对既有衬砌的扰动，保证了隧道结构安全。

(2)充分考虑了爆破对围岩的扰动影响，在衬砌非拆除区段和待拆除区段之间设置微扰动拆除段，确保损伤围岩可进行补强，无法补强围岩不受损伤。

(3)基于衬砌爆破拆除的地震波常规传播规律和环切槽减振规律，确定了衬砌爆破拆除的最大适用范围，并以此进行衬砌拆除作业的合理分区，在保证隧道稳定的前提下，极大地提高了衬砌拆除效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明衬砌拆除作业分区示意图；

图2为本发明爆破振动监测布点图；

图3为本发明实施例二的炮孔布置图；

图4为常规爆破和环切槽减振2种方案的试验测试结果曲线图；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一：一种隧道衬砌高效拆除方法，在拆除时，根据工程需求，首先确定衬砌待拆除区段与非拆除区段。

将衬砌待拆除区段分为微扰动拆除段和爆破拆除段。

微扰动拆除段设置于爆破拆除段与非拆除区段之间,微扰动拆除段纵向长度为爆破极限损伤距离R_D和环切槽减振有效距离R_E中的较大值。

爆破拆除段分为多个爆破作业区间，爆破作业区间长度为环切槽减振有效距离R_E。

按照施工组织顺序，采用环切槽将衬砌非拆除区段、微扰动拆除段、爆破作业区间进行分割，降低爆破地震波对待拆除衬砌和非拆除衬砌的扰动，保证衬砌拆除边缘的平整度，将衬砌拆除区段分为微扰动拆除段和爆破拆除段是为了更好地控制衬砌拆除的扰动，保护隧道围岩和衬砌的既有承载性能；如果隧道衬砌爆破拆除时不设置微扰动拆除段，爆破应力波会对非拆除区段的围岩造成损伤，与此同时，由于非拆除区段的衬砌不被拆除，后期无法对非拆除区段受到损伤的围岩进行加固或加固效果不佳、过程繁杂、成本高昂，不利于围岩承载和防水，容易形成安全隐患。

如图1所示，微扰动拆除段设置于爆破拆除段与非拆除区段之间，微扰动拆除段的衬砌通过机械破碎等微扰动方式进行拆除，确保衬砌拆除爆破应力波对围岩的最大损伤范围处于微扰动拆除段内，通过微扰动拆除段的设置有效规避爆破应力波对非拆除区段围岩的损伤，且微扰动拆除段衬砌被拆除后，可在后期对这部分围岩进行加固，充分发挥围岩的承载和防水性能。

在爆破拆除时，对隧道围岩及结构稳定性的控制应满足如下要求：1)拆换段落洞壁岩体开裂或掉块可控，非拆换段落围岩不受损伤；2)待拆除衬砌结构稳定，非拆除衬砌和新作衬砌不受损伤；

为满足上述要求，需要确定围岩、既有混凝土结构、新浇(喷)混凝土结构的爆破振动安全控制标准，综合文献调研与工程类比，制定控制对象的爆破振动安全控制标准如下：

在所述微扰动拆除段纵向长度及爆破作业区间的区间长度计算前需确定被保护对象的安全振速[V]，安全振速[V]的取值由爆破振动安全控制标准的上表中对照得出，区间长度在满足安全振速[V]的前提下进行计算。

在满足爆破安全振速的前提下，为充分发挥爆破作业效率，对微扰动拆除段与爆破拆除段进行计算划分，实现最大的爆破范围，其中，微扰动拆除段在隧道内的纵向长度为爆破极限损伤距离R_D和环切槽减振有效距离R_E中的较大值。

所述爆破极限损伤距离R_D是爆破地震波在围岩中传播、衰减至岩体安全振速[V]时对应的岩体质点与爆源的距离。

所述环切槽减振有效距离R_E是对隧道衬砌设置环切槽后，爆破地震波经围岩绕射传播至环切槽后方衬砌，引起的衬砌质点振速达到衬砌安全振速[V]时对应的衬砌质点与爆源的距离。

所述爆破极限损伤距离R_D和环切槽减振有效距离R_E可通过现场试验与计算分析获得。

所述爆破极限损伤距离R_D的确定过程包括如下步骤：

(1)现场试验

在爆破拆除段中，选取一个或多个爆破作业循环进行现场试验，在衬砌表面布置爆破测振动监测点，测试爆破地震波引起的质点振速；

(2)计算分析

将试验测得的质点振速峰值通过萨道夫斯基公式进行拟合，建立质点与爆源的距离R、炸药量Q、质点振速V三者之间的关系，确定场地系数k₀、地震波衰减指数α₀；

根据萨道夫斯基公式以及确定的场地系数k₀、地震波衰减指数α₀，计算不同炸药量Q、围岩安全振速[V_R]对应的爆破极限损伤距离R_D：

所述环切槽减振有效距离R_E的确定包括如下步骤：

(1)现场试验

在爆破拆除段中，选取一个或多个爆破作业循环进行现场试验，采用环切槽将该爆破作业循环与一侧衬砌进行分割，并在设置环切槽的一侧衬砌表面布置爆破测振动监测点，测试爆破地震波引起环切槽后方的衬砌质点振速；

(2)计算分析

将试验测得的质点振速峰值通过萨道夫斯基公式进行拟合，建立质点与爆源的距离R、炸药量Q、质点振速V三者之间的关系，确定设置环切槽时的场地系数k₁、地震波衰减指数α₁；

根据萨道夫斯基公式以及确定的场地系数k₁、地震波衰减指数α₁，计算不同炸药量Q、衬砌安全振速[V_L]对应的环切槽减振有效距离R_E：

确定爆破极限损伤距离R_D的常规爆破试验及确定环切槽减振有效距离R_E的环切槽试验可采用同一现场爆破作业循环，在爆破作业循环的一侧边界设置环切槽，并将两类试验测点在该爆破作业循环的两侧对称布置，进而提高试验测试效率。

环切槽设置于隧道衬砌上，是用于阻断爆破地震波在衬砌中传播路径的槽体，环切槽减振方案是在常规爆破方案的基础上，设置环切槽将待拆除衬砌与非拆除衬砌分离，因此，爆破前宜将爆破区段与待爆区段环切分离，保证结构安全，改善爆破效果。当衬砌质量较好时，可根据工程监测，加大环切槽的设置间距，但不宜超过“环切槽设置临界距离R_C”。

所述环切槽设置临界距离R_C是指不再对衬砌质点的振速衰减规律产生影响时对应的环切槽与爆源间的距离。

环切槽及爆破作业区间的设置包括如下步骤：

(1)将衬砌待拆除区段总长度设定为L，微扰动拆除段长度为L_P，爆破拆除段长度为L_B；

(2)衬砌爆破拆除段分割的爆破作业区间数量为m＝L_B/R_E，爆破拆除施工时，在距离第一个爆破作业面R_E处设置第一道环切槽，经n＝R_E/l个爆破作业循环后，第一个爆破作业面施工结束，然后在上一施工边界前方R_E处设置第二道环切槽，依次循环至爆破拆除段施工结束。

实施例二：本实施例结合具体工程数据对本发明的技术方案进行说明。

一种隧道衬砌高效拆除方法，其中，隧道衬砌的中间待拆除区段的长度为500m，中间待拆除区段的两侧为非拆除区段，隧道衬砌的材质为素混凝土，衬砌后方的围岩为完整岩体。

结合在围岩、既有混凝土结构、新浇混凝土结构爆破振动控制标准方面取得的研究成果并综合文献调研与工程类比，确定隧道衬砌拆除工程的爆破振动安全控制标准如下表所示：

由上表中对照可知，隧道衬砌为素混凝土，安全振速为12cm/s，围岩为完整岩体，安全振速为40cm/s。

将隧道衬砌的待拆除区段分为微扰动拆除段和爆破拆除段。

为确定合理的衬砌拆除分区，开展爆破地震波传播规律的现场试验，包括常规爆破和环切槽减振2种方案，其中，环切槽减振方案是在常规爆破方案的基础上，设置环切槽将待拆除衬砌与非拆除衬砌分离，环切槽宽度10cm，深度同衬砌厚度相同，基本爆破参数如下表所示：

其中，试验段衬砌炮孔布置如图3所示，沿施工方向布置6个爆破振动监测断面，每个断面设拱顶和侧壁2个测点，采用测振仪对爆破地震波进行监测，测点布置方案如图2所示，图中，1-12为测点。

常规爆破和环切槽减振2种方案的试验测试结果如图4所示。

根据图示结果，计算18kg炸药量对应的爆破极限损伤距离R_D和环切槽减振有效距离R_E分别为：

由此确定微扰动拆除段长度L_P为爆破极限损伤距离R_D和环切槽减振有效距离R_E中的较大值，即L_P＝R_E＝7m，爆破拆除段长度L_B＝L-2L_P＝500-2×7＝486m；

衬砌爆破拆除段分割的爆破作业区间数量为m＝L_B/R_E＝486/7＝70个，爆破拆除施工时，在距离第一个爆破作业面R_E＝7m处设置第一道环切槽，施工进尺l＝4m，经n＝R_E/l＝2个爆破作业循环后，第一个爆破作业面施工结束，然后在上一施工边界前方R_E＝7m处设置第二道环切槽，依次循环至爆破拆除段施工结束。

如图2所示，在隧道衬砌爆破拆除过程中，为了确保邻近隧道结构的稳定，在爆破作业面两侧设置临时支护钢架对既有衬砌进行补强，避免衬砌拆除扰动造成混凝土掉块或结构坍塌而威胁施工安全。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (5)

1.一种隧道衬砌高效拆除方法,其特征在于，包括如下步骤：

(1)确定衬砌待拆除区段与非拆除区段；

(2)衬砌待拆除区段分为微扰动拆除段和爆破拆除段；

(3)微扰动拆除段设置于爆破拆除段与非拆除区段之间,微扰动拆除段纵向长度为爆破极限损伤距离R_D和环切槽减振有效距离R_E中的较大值；

(4)爆破拆除段分为多个爆破作业区间，爆破作业区间长度为环切槽减振有效距离R_E；

(5)按照施工组织顺序，采用环切槽将衬砌非拆除区段、微扰动拆除段、爆破作业区间进行分割，降低爆破地震波对待拆除衬砌和非拆除衬砌的扰动，保证衬砌拆除边缘的平整度；

所述步骤(3)中爆破极限损伤距离R_D是爆破地震波在围岩中传播、衰减至岩体安全振速时对应的岩体质点与爆源的距离；所述环切槽减振有效距离R_E是对隧道衬砌设置环切槽后，爆破地震波经围岩绕射传播至环切槽后方衬砌，引起的衬砌质点振速达到衬砌安全振速时对应的衬砌质点与爆源的距离；

所述爆破极限损伤距离R_D和环切槽减振有效距离R_E可通过现场试验与计算分析获得；

所述爆破极限损伤距离R_D的确定过程包括如下步骤：

(1)现场试验

在爆破拆除段中，选取一个或多个爆破作业循环进行现场试验，在衬砌表面布置爆破测振动监测点，测试爆破地震波引起的质点振速；

(2)计算分析

将试验测得的质点振速峰值通过萨道夫斯基公式进行拟合，建立质点与爆源的距离R、炸药量Q、质点振速V三者之间的关系，确定场地系数k₀、地震波衰减指数α₀；

根据萨道夫斯基公式以及确定的场地系数k₀、地震波衰减指数α₀，计算不同炸药量Q、围岩安全振速[V_R]对应的爆破极限损伤距离R_D：

2.根据权利要求1所述的一种隧道衬砌高效拆除方法,其特征在于：所述步骤(2)中微扰动拆除段的衬砌通过微扰动方式拆除，所述环切槽为沿隧道环向贯通切割衬砌所得。

3.根据权利要求1所述的一种隧道衬砌高效拆除方法,其特征在于：所述爆破极限损伤距离R_D和环切槽减振有效距离R_E确定之前，应先确定被保护对象的类型及其爆破安全振速。

4.根据权利要求3所述的一种隧道衬砌高效拆除方法,其特征在于，所述环切槽减振有效距离R_E的确定过程包括如下步骤：

(1)现场试验

在爆破拆除段中，选取一个或多个爆破作业循环进行现场试验，采用环切槽将该爆破作业循环与一侧衬砌进行分割，并在设置环切槽的一侧衬砌表面布置爆破测振动监测点，测试爆破地震波引起环切槽后方的衬砌质点振速；

(2)计算分析

将试验测得的质点振速峰值通过萨道夫斯基公式进行拟合，建立质点与爆源的距离R、炸药量Q、质点振速V三者之间的关系，确定设置环切槽时的场地系数k₁、地震波衰减指数α₁；

根据萨道夫斯基公式以及确定的场地系数k₁、地震波衰减指数α₁，计算不同炸药量Q、衬砌安全振速[V_L]对应的环切槽减振有效距离R_E：

5.根据权利要求1所述的一种隧道衬砌高效拆除方法,其特征在于，所述步骤(3)中环切槽及爆破作业区间的设置包括如下步骤：

(1)将衬砌待拆除区段总长度设定为L，微扰动拆除段长度为L_P，爆破拆除段长度为L_B；

(2)衬砌爆破拆除段分割的爆破作业区间数量为m＝L_B/R_E，爆破拆除施工时，在距离第一个爆破作业面R_E处设置第一道环切槽，经n＝R_E/l个爆破作业循环后，第一个爆破作业面施工结束，然后在上一施工边界前方R_E处设置第二道环切槽，依次循环至爆破拆除段施工结束。

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