CN111734421B - 一种钻劈开挖施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钻劈开挖施工方法。包括沿隧道轮廓线钻临空层孔；根据掌子面岩石等级差异分布情况，选用水平钻劈开挖方案、垂直钻劈开挖方案或环形钻劈开挖方案，确定初始开挖区域；根据掌子面钻劈区域的岩石等级制定相应的分裂孔的布孔方案；采用钻劈机对临空层孔和初始开挖区域的分裂孔进行劈裂；对进行劈裂后的初始开挖区域进行隧道掘进；对初始开挖区域以外的掌子面进行钻劈和掘进。本发明通过钻劈施工替代钻爆施工，降低了施工噪声，减少了对施工人员的伤害，保障了施工安全，同时根据掌子面岩石等级差异设置合理的施工顺序，提升了钻劈开挖的施工效率。

Description

一种钻劈开挖施工方法

技术领域

本发明涉及隧道施工领域，具体涉及一种钻劈开挖施工方法。

背景技术

随着高速铁路、高速公路交通建设的飞速发展，隧道施工量急速增加，传统的隧道施工常用钻爆法开挖掘进，利用凿岩台车先钻爆破孔，然后放置炸药爆破并进行隧道开挖，此类工法在我国隧道施工中应用广泛，施工技术成熟，钻爆法具有施工工序简单，效率高，成本较低等优势，但通常爆破开挖伴随着爆破振动、噪声、粉尘等不利影响；而在岩石硬度较低，地质松软的隧道施工区段，采用钻爆法容易引起隧道坍塌，因此，在特定工况条件下，钻爆法开挖有所局限。

综上所述，急需一种钻劈开挖施工方法以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种钻劈开挖施工方法，以解决隧道施工过程中的噪声和安全问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种钻劈开挖施工方法，包括以下步骤：

钻临空层孔：沿隧道轮廓线钻临空层孔，相邻临空层孔的中心距为0～30mm；

确定初始开挖区域：根据掌子面岩石等级差异分布情况，选用水平钻劈开挖方案、垂直钻劈开挖方案或环形钻劈开挖方案，确定初始开挖区域；

确认分裂孔的布孔方案：根据掌子面钻劈区域的岩石等级制定相应的分裂孔的布孔方案：当掌子面岩石等级为I级或II级时，采用布孔方案一；当掌子面岩石等级为III级或IV级时，采用布孔方案二；当掌子面岩石等级为V级或V级以上时，采用布孔方案三；

进行钻劈和掘进施工：采用钻劈机对临空层孔和初始开挖区域的分裂孔进行劈裂；

对进行劈裂后的初始开挖区域进行隧道掘进；

对初始开挖区域以外的掌子面进行钻劈和掘进。

优选的，所述临空层孔的孔径为60～120mm，临空层孔的深度为800～1200mm。

优选的，所述水平钻劈开挖方案为当隧道掌子面的左右两侧的岩石等级差异大于两级时，采用CD法施工，沿垂直方向钻临空层孔，选取岩石硬度较低的一侧作为初始开挖区域。

优选的，所述垂直钻劈开挖方案为当隧道掌子面的上部和下部的岩石等级差异大于两级时，采用上下台阶法施工，沿水平方向钻临空层孔，选取岩石硬度较低的区域作为初始开挖区域。

优选的，所述环形钻劈开挖方案为当隧道掌子面的岩石等级差异小于两级时，采用全断面施工法，并在掌子面中心沿环形轨迹线钻临空层孔，环形轨迹线的直径为500～800mm。

优选的，所述分裂孔的孔径为60～120mm，分裂孔的深度为800～1100mm。

优选的，所述布孔方案一为在钻劈区域的掌子面上钻间距为300～500mm的分裂孔，分裂孔的孔径为64～76mm。

优选的，所述布孔方案二为在钻劈区域的掌子面上钻间距为500～800mm的分裂孔，分裂孔的孔径为76～108mm。

优选的，所述布孔方案三为在钻劈区域的掌子面上钻间距为800～1000mm的分裂孔，分裂孔的孔径为108～120mm。

优选的，所述分裂孔的位置应避开隧道断层。

应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明中，通过钻劈施工替代钻爆施工，降低了施工噪声，减少了对施工人员的伤害，保障了施工安全，同时根据掌子面岩石等级差异设置合理的施工顺序，提升了钻劈开挖的施工效率。

(2)本发明中，通过沿隧道边界轮廓线钻密集的临空层孔，便于形成岩石劈裂时的破碎方向的临空面，降低隧道钻劈难度，隧道轮廓线方向的临空层孔的作用也包括隧道廓轮廓开挖成型，降低隧道轮廓开挖超欠挖率。

(3)本发明中，当隧道掌子面的左右两侧的岩石等级差异大于两级时，采用CD法施工，沿垂直方向钻临空层孔，选取岩石硬度较低的一侧作为初始开挖区域，降低了钻劈开挖的施工难度，选取易劈裂的一侧先进行钻劈和掘进，为难劈裂的一侧形成劈裂膨胀空间。

(4)本发明中，当隧道掌子面的上部和下部的岩石等级差异大于两级时，采用上下台阶法施工，沿水平方向钻临空层孔，选取岩石硬度较低的区域作为初始开挖区域，降低了钻劈开挖的施工难度，选取易劈裂的区域先进行钻劈和掘进，为难劈裂的区域形成劈裂膨胀空间。

(5)本发明中，当隧道掌子面的岩石等级差异小于两级时(即掌子面上分布的岩石硬度均匀时)，采用全断面施工法，并在掌子面中心沿环形轨迹线钻临空层孔，形成密集钻孔开挖区，便于先进行掌子面中心的钻劈，有利于后续进行掌子面的边缘区域的膨胀劈裂。

(6)本发明中，分裂孔的孔径和孔深与钻劈机的劈裂杆的直径和长度相关，设置合理的孔径和孔深有利于劈裂杆在分裂孔内部进行液压静力扩张。

(7)本发明中，布孔方案一为在岩石硬度高的钻劈区域钻间距为300～500mm的分裂孔，分裂孔的孔径为64～76mm，若分裂孔间距过大，钻孔孔径过大，劈裂杆分裂力小于岩石抗拉力，将会导致岩石无法分裂开或者劈裂杆损坏，采用短间距、小直径分裂孔方案缩短了岩石分裂有效距离，降低了岩石分裂难度，有利于保护钻劈设备的安全性与每次钻劈施工的有效性，降低作业成本。

(8)本发明中，布孔方案二为在岩石硬度适中的钻劈区域钻间距为500～800mm的分裂孔，分裂孔的孔径为76～108mm，与布孔方案一相比扩大了分裂孔的间距和孔径，断面面积一定时，可减少每个施工循环的钻孔量，提升施工效率。

(9)本发明中，布孔方案三为在岩石硬度较低的钻劈区域钻间距为800～1000mm的分裂孔，分裂孔的孔径为108～120mm，与布孔方案二相比进一步扩大了分裂孔的间距和孔径，断面面积一定时，可减少每个施工循环的钻孔量，进一步提升施工效率。

(10)本发明中，分裂孔的钻孔位置应避开岩石断层、水线等位置，避免钻孔后分裂孔分裂孔内部岩石塌陷而失效，以保证该分裂孔的有效性。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本申请实施例1中水平钻劈开挖方案的钻孔示意图；

图2是本申请实施例1中采用水平钻劈开挖方案的施工示意图；

图3是本申请实施例2中垂直钻劈开挖方案的钻孔示意图；

图4是本申请实施例2中采用垂直钻劈开挖方案的施工示意图；

图5是本申请实施例3中环形钻劈开挖方案的钻孔示意图；

图6是本申请实施例3中采用环形钻劈开挖方案的施工示意图；

其中，1、临空层孔，2、分裂孔一，3、分裂孔二，4、分裂孔三，5、分裂孔四，6、分裂孔五，7、环形轨迹线，8、掌子面，9、临空面一，10、临空面二，11、密集钻孔开挖区。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

参见图1至图2，一种钻劈开挖施工方法，本实施例应用于隧道进口处的隧道钻劈开挖施工。

一种钻劈开挖施工方法，采用申请号为201910074591.X的中国专利中的钻劈台车进行钻劈施工，钻劈施工采用钻劈机劈裂杆的液压静力扩张，利用岩石的抗拉强度远小于抗压强度特性，先钻分裂孔，然后将劈裂杆伸入分裂孔中劈(涨)裂岩石进行破岩开挖，有效的解决了钻爆法开挖的不利影响，是一种安全、稳定、有效的静压式开挖方式，在特殊地质工况下，是钻爆法施工的一种补充或中短长度隧道硬岩隧道开挖的有效替代方式。包括以下步骤：

钻临空层孔：沿隧道轮廓线钻临空层孔1，相邻临空层孔1的中心距为0～30mm，如图1所示，临空层孔的孔径为60～120mm，临空层孔的深度为800～1200mm；

确定初始开挖区域：根据掌子面岩石等级差异分布情况，选用水平钻劈开挖方案、垂直钻劈开挖方案或环形钻劈开挖方案，确定初始开挖区域；

水平钻劈开挖方案为当隧道掌子面8的左右两侧的岩石等级差异大于两级时，采用CD法施工，沿垂直方向钻临空层孔1，选取岩石硬度较低的一侧作为初始开挖区域；

垂直钻劈开挖方案为当隧道掌子面8的上部和下部的岩石等级差异大于两级时，采用上下台阶法施工，沿水平方向钻临空层孔1，选取岩石硬度较低的区域作为初始开挖区域。

环形钻劈开挖方案为当隧道掌子面的岩石等级差异小于两级时，采用全断面施工法，并在掌子面中心沿环形轨迹线钻临空层孔，环形轨迹线的直径为500～800mm。

本实施例中，在隧道进口处对掌子面8的岩石等级进行测量，掌子面8左侧岩石等级为VI级，掌子面8右侧岩石等级为III级，采用水平钻劈开挖方案，沿垂直方向的掌子面8左右两侧分界线钻一竖列临空层孔1，并选取掌子面8左侧区域为初始开挖区域。

进行钻劈和掘进施工：根据掌子面8钻劈区域的岩石等级制定相应的分裂孔的布孔方案：当掌子面岩石等级为I级或II级时，岩石硬度>f10，采用布孔方案一；当掌子面岩石等级为III级或IV级时，岩石硬度为：f5<岩石硬度<f10，采用布孔方案二；当掌子面岩石等级为V级或V级以上时，岩石硬度<f5，采用布孔方案三；

其中，分裂孔的孔径为60～120mm，分裂孔的深度为800～1100mm，分裂孔的孔径与钻劈机的劈裂杆直径有关，分裂孔的孔径一般比劈裂杆直径大10mm以上；分裂孔的深度与钻劈机的劈裂杆长度有关，分裂孔的深度一般比劈裂杆长度大100mm，本实施例中，劈裂杆长度为1000mm，分裂孔的深度为1100mm；

布孔方案一为在钻劈区域的掌子面上钻间距为300～500mm的分裂孔，分裂孔的孔径为64～76mm；适用于岩石硬度高，钻劈施工难度大的工况。由于岩石等级高，岩石硬度大，岩层稳定，当岩石等级为Ⅰ级或Ⅱ级，岩石硬度>f10时，岩石抗拉强度较大，对于长度小于1000mm的劈裂杆，能够分裂岩石的有效距离低于劈裂杆长度的60％，分裂孔钻取位置应避开岩石断层、水线等位置，若分裂孔间距过大，钻孔孔径过大，劈裂杆分裂力小于岩石抗拉力，将会导致岩石无法分裂开或者劈裂杆损坏，采用短间距、小直径分裂孔方案缩短了岩石分裂有效距离，降低了岩石分裂难度，有利于保护钻劈设备的安全性与每次钻劈施工的有效性，降低作业成本。

布孔方案二为在钻劈区域的掌子面上钻间距为500～800mm的分裂孔，分裂孔的孔径为76～108mm；适用于岩石硬度适中，钻劈施工难度中等的工况。由于岩石等级中等，岩石硬度适中，岩石强度存在局部差异，当岩石等级为Ⅲ级或Ⅳ级，f5<岩石硬度<f10时，岩石抗拉强度减小，对于长度小于1000mm的劈裂杆，能够分裂岩石的有效距离为劈裂杆长度的60％—80％，分裂孔钻取位置应避开岩石断层、水线等位置，避免钻孔后分裂孔内部岩石塌陷而失效，以保证该分裂孔的有效性，中等距离、中等直径分裂孔方案增加了岩石分裂有效距离，钻劈效果提升，整体施工效率提高。

布孔方案三为在钻劈区域的掌子面上钻间距为800～1000mm的分裂孔，分裂孔的孔径为108～120mm；适用于岩石硬度较低，钻劈施工难度小的工况。由于岩石等级低，岩石硬度低，岩石强度差异大，当岩石等级为V级或V级以上，岩石硬度<f5时，岩石抗拉强度较小，对于长度小于1000mm的劈裂杆，能够分裂岩石的有效距离高于劈裂杆长度的80％，同样，分裂孔钻取位置应避开岩石断层、水线等位置，避免钻孔后分裂孔内部岩石塌陷而失效，以保证该分裂孔的有效性，采用长间距、大直径分裂孔方案，岩石分裂有效距离大，减少了钻孔工作量，钻劈效果好，整体施工效率较高。

本实施例中，掌子面8左侧岩石等级为VI级，掌子面8右侧岩石等级为III级，因此，在掌子面8左侧钻劈区域采用布孔方案三，分裂孔一2的孔径为110mm，相邻分裂孔一2之间的间距为1000mm；在掌子面8右侧钻劈区域采用布孔方案二，分裂孔二3的孔径为80mm，相邻分裂孔二3之间的间距为500mm；如图1所示。

进行钻劈和掘进施工：采用钻劈机对临空层孔1和初始开挖区域的分裂孔一2进行劈裂；

本实施例中，由于掌子面8左侧的岩石硬度较低，钻劈难度较低，选取掌子面8左侧作为初始开挖区域，采用钻劈机对临空层孔1和掌子面8左侧的分裂孔一2进行劈裂。

对进行劈裂后的初始开挖区域进行隧道掘进；采取CD法施工，对隧道左侧进行掘进，得到临空面一9，如图2所示，为掌子面4右侧的岩石劈裂提供膨胀空间，便于进行掌子面8右侧的劈裂施工。

对初始开挖区域以外的掌子面进行钻劈和掘进。

对掌子面8右侧的分裂孔二3进行劈裂，劈裂完成后对隧道右侧进行掘进。根据施工时岩石实际情况，掌子面岩石断层与水线处没有进行劈裂时，可能由于临近孔的分裂而连带实现了岩石破裂，需借助破碎设备将已破裂的岩层剥离下来。

本实施例中，一个施工循环的掘进量为1m，隧道进口处的施工长度为20m，共20个施工循环，施工时间为8天，施工期间最大噪声不超过60dB，采用布孔方案三的钻劈区域单次劈裂的有效长度为1000mm，采用布孔方案二的钻劈区域单次劈裂的有效长度为800mm；而采用传统隧道非爆破施工方法时，同等岩石硬度的隧道完成20m的隧道施工所需时间为15天，施工期间的噪声为80dB，隧道断面一个循环进尺一米，施工方量60方，与采用传统人工手持风镐钻孔配合手持劈裂棒进行开挖相比，在钻孔速度上提高50％，劈裂孔速度上提高45％，提升了整体钻劈施工效率。采用本申请的钻劈开挖施工方法能有效地降低开挖难度，减少了对工人的身体和听力损伤，保证了施工安全，提高了开挖效率。

实施例2：

参见图3至图4，本实施例应用于隧道中部的隧道钻劈开挖施工。本实施例与实施例1的区别在于，对掌子面8的岩石等级进行测量，掌子面8上部的岩石等级为IV级，掌子面8下部的岩石等级为II级，采用垂直钻劈开挖方案，沿水平方向的掌子面8上部和下部分界线钻一横排临空层孔1，并选取掌子面8上部区域为初始开挖区域。

本实施例中，掌子面8上部的岩石等级为IV级，掌子面8下部岩石等级为II级，因此，在掌子面8上部钻劈区域采用布孔方案二，分裂孔三4的孔径为76mm，相邻分裂孔三4之间的间距为600mm；在掌子面8下部钻劈区域采用布孔方案一，分裂孔四5的孔径为65mm，相邻分裂孔四5之间的间距为400mm；如图3所示。

由于掌子面8上部的岩石硬度较低，钻劈难度较低，选取掌子面8上部作为初始开挖区域，采用钻劈机对临空层孔1和掌子面8上部的分裂孔三4进行劈裂。

对进行劈裂后的初始开挖区域进行隧道掘进；采取上下台阶法施工，对隧道上部进行掘进，得到临空面二10，如图4所示，为掌子面4底部的岩石劈裂提供膨胀空间，便于进行掌子面8底部的劈裂施工。

再对掌子面8底部的分裂孔四5进行劈裂，劈裂完成后对隧道底部进行掘进。

本实施例中，一个施工循环的掘进量为1m，隧道中部的施工长度为15m，共15个施工循环，施工时间为10天，施工期间最大噪声不超过70dB，采用布孔方案二的钻劈区域单次劈裂的有效长度为800mm，采用布孔方案一的钻劈区域单次劈裂的有效长度为500mm；而采用传统隧道非爆破施工方法时，同等岩石硬度的隧道完成15m的隧道施工所需时间为20天，施工期间的噪声为90dB，隧道断面一个循环进尺一米，施工方量60方，与采用传统人工手持风镐钻孔配合手持劈裂棒进行开挖相比，在钻孔速度上提高40％，钻劈开挖效率上提高50％，采用本申请的钻劈开挖施工方法能有效地降低开挖难度，减少了对工人的身体和听力损伤，保证了施工安全，提高了开挖效率。

实施例3：

参见图5至图6，本实施例应用于隧道深埋段的隧道钻劈开挖施工，本实施例与实施例1的区别在于，对掌子面8的岩石等级进行测量，掌子面8的岩石等级分布均匀，岩石等级为I级，施工难度大，采用环形钻劈开挖方案，在掌子面8中心处沿环形轨迹线7密集钻临空层孔1，外侧环形轨迹线7的直径为700mm。

本实施例中，在掌子面8上采用布孔方案一，分裂孔五6的孔径为65mm，相邻分裂孔五6之间的间距为350mm；如图5所示。

选取掌子面8设有环形轨迹线7的密集钻孔区域作为初始开挖区域，采用钻劈机对隧道边界和环形轨迹线7上的临空层孔1进行劈裂。

对进行劈裂后的初始开挖区域进行隧道掘进；采取全断面施工法，对隧道中心进行掘进，得到密集钻孔开挖区11，如图6所示，便于进行掌子面8的全断面劈裂施工和掘进。

本实施例中，一个施工循环的掘进量为1m，隧道中部的施工长度为65m，共65个施工循环。施工时间为40天，施工期间最大噪声不超过80dB，采用布孔方案一的钻劈区域单次劈裂的有效长度为500mm；而采用传统隧道非爆破施工方法时，同等岩石硬度的隧道完成65m的隧道施工所需时间为70天，施工期间的噪声为100dB，隧道断面一个循环进尺一米，施工方量60方，与采用传统人工手持风镐钻孔配合手持劈裂棒进行开挖相比，在钻孔速度上提高30％，钻劈开挖效率上提高40％，采用本申请的钻劈开挖施工方法能有效地降低开挖难度，减少了对工人的身体和听力损伤，保证了施工安全，提高了开挖效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种钻劈开挖施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

钻临空层孔：沿隧道轮廓线钻临空层孔，相邻临空层孔的中心距为0～30mm；

确定初始开挖区域：根据掌子面岩石等级差异分布情况，选用水平钻劈开挖方案、垂直钻劈开挖方案或环形钻劈开挖方案，确定初始开挖区域；

所述水平钻劈开挖方案为当隧道掌子面的左右两侧的岩石等级差异大于两级时，采用CD法施工，沿垂直方向钻临空层孔，选取岩石硬度较低的一侧作为初始开挖区域；

所述垂直钻劈开挖方案为当隧道掌子面的上部和下部的岩石等级差异大于两级时，采用上下台阶法施工，沿水平方向钻临空层孔，选取岩石硬度较低的区域作为初始开挖区域；

所述环形钻劈开挖方案为当隧道掌子面的岩石等级差异小于两级时，采用全断面施工法，并在掌子面中心沿环形轨迹线钻临空层孔；

确认分裂孔的布孔方案：根据掌子面钻劈区域的岩石等级制定相应的分裂孔的布孔方案：当掌子面岩石等级为I级或II级时，采用布孔方案一；当掌子面岩石等级为III级或IV级时，采用布孔方案二；当掌子面岩石等级为V级或V级以上时，采用布孔方案三；

进行钻劈和掘进施工：采用钻劈机对临空层孔和初始开挖区域的分裂孔进行劈裂；

对进行劈裂后的初始开挖区域进行隧道掘进；

对初始开挖区域以外的掌子面进行钻劈和掘进。

2.根据权利要求1所述的一种钻劈开挖施工方法，其特征在于，所述临空层孔的孔径为60～120mm，临空层孔的深度为800～1200mm。

3.根据权利要求1所述的一种钻劈开挖施工方法，其特征在于，外侧所述环形轨迹线的直径为700mm。

4.根据权利要求1所述的一种钻劈开挖施工方法，其特征在于，所述分裂孔的孔径为60～120mm，分裂孔的深度为800～1100mm。

5.根据权利要求1所述的一种钻劈开挖施工方法，其特征在于，所述布孔方案一为在钻劈区域的掌子面上钻间距为300～500mm的分裂孔，分裂孔的孔径为64～76mm。

6.根据权利要求1所述的一种钻劈开挖施工方法，其特征在于，所述布孔方案二为在钻劈区域的掌子面上钻间距为500～800mm的分裂孔，分裂孔的孔径为76～108mm。

7.根据权利要求1所述的一种钻劈开挖施工方法，其特征在于，所述布孔方案三为在钻劈区域的掌子面上钻间距为800～1000mm的分裂孔，分裂孔的孔径为108～120mm。

8.根据权利要求1所述的一种钻劈开挖施工方法，其特征在于，所述分裂孔的位置应避开隧道断层。

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