CN111854553A - 一种高压水射流轮廓切缝辅助爆破方法及轮廓切缝台车 - Google Patents
一种高压水射流轮廓切缝辅助爆破方法及轮廓切缝台车 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种高压水射流轮廓切缝辅助爆破方法及轮廓切缝台车，通过轮廓射流切缝、压裂等工序来辅助爆破，并采用专用轮廓切缝台车进行射流切缝，提高了爆破效率。轮廓切缝台车包括与隧道开挖轮廓相符的齿轮轨道、活动设置于该齿轮轨道上的高压水射流装置、驱动所述齿轮轨道行进的底座，所述齿轮轨道外侧设置有多个依次衔接且均可沿所述齿轮轨道径向方向独立升降的防护板，多个所述防护板组合形成对所述齿轮轨道及其上的所述高压水射流装置的遮挡防护；所述高压水射流装置包括滑动且可定位于所述齿轮轨道上的移动机具、铰链于该移动机具上的连杆机构、设置于连杆机构末端的高压射流喷头、驱动所述连杆机构上的高压射流喷头前进升降的执行机构。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压水射流轮廓切缝辅助爆破方法及轮廓切缝台车，属于隧道施工技术领域。
背景技术
我国地形复杂多样，山地、丘陵、盆地和高原分布广泛，山区面积占总面积的2/3，地质构造复杂，多种多样的地形导致建设工程难度大。近年来，随着我国城市化建设的加快，隧道及地下工程项目日益增多，铁路、公路、地铁隧道“数量多、长度大、大埋深、大断面”是21世纪我国以及世界隧道工程发展的总趋势。
随着现代爆破技术的广泛应用，隧道爆破掘进施工的安全水平和施工效率迎来了巨大挑战。爆破作为一种高危安全作业，在高速公路、铁路的隧道施工和矿产资源的开采等方面均面临复杂岩体超挖欠挖无法控制的问题，已成为影响隧道施工安全和效率的至关因素，因此保障施工安全、降低围岩损伤、提高作业效率是改善施工质量的当务之急。
目前行业内在降低围岩损伤、防止超挖欠挖方面已经进行了一系列研究并提出相应的措施，例如提高炮眼钻孔精度、加强施工管理、合理采用爆破技术等。提高炮眼的钻孔精度是隧道控制超欠挖的重要手段，为了使超挖欠挖量限制在最小范围内，通过加强技术培训和调换熟练工人来进行操作，使他们熟练掌握钻孔技术，按操作细则、设计要求和布置孔位施钻，确保达到规定的孔位、孔深、倾斜度等。同时优化每循环进尺，合理确定炮孔深度；钻周边孔时通过钻孔位置少量内移来减少外插角，减小钻孔定位和周边孔外插角误差，保证钻孔质量。在技术优化方面主要运用聚能水压爆破技术进行施工，使用聚能管达到定向爆破的目的，降低能量对围岩的扰动，同时根据工作面地质条件和爆破效果变更设计，更改参数、炮孔深度和方向，在一定程度上降低了隧道的超挖欠挖量。
但是上述方法依旧不能改变围岩损伤问题，在运用聚能水压爆破技术进行施工的过程中，在炮眼钻孔数量上与常规爆破没有变化，爆破器材使用量较多，爆炸能量无法得到有效发挥，孔位偏差依旧存在，难以形成理想断面，对围岩的扰动依然很强，超欠挖问题没有得到有效改善。
发明内容
针对上述现有技术中的不足之处，本发明提出一种高压水射流轮廓切缝辅助爆破方法及轮廓切缝台车，能够使爆破时能量传播至围岩时大幅降低，减少爆破能量对围岩的损伤，保障施工安全，降低支护成本并有效防止造成超欠挖现象，增加施工效率。
为了实现上述目的，本发明的技术方案：轮廓切缝台车，包括与隧道开挖轮廓相符的齿轮轨道、活动设置于该齿轮轨道上的高压水射流装置、驱动所述齿轮轨道行进的底座，所述齿轮轨道外侧设置有多个依次衔接且均可沿所述齿轮轨道径向方向独立升降的防护板，多个所述防护板组合形成对所述齿轮轨道及其上的所述高压水射流装置的遮挡防护；
所述高压水射流装置包括滑动且可定位于所述齿轮轨道上的移动机具、铰链于该移动机具上的连杆机构、设置于连杆机构末端的高压射流喷头、驱动所述连杆机构上的高压射流喷头前进升降的执行机构。
进一步的，所述高压水射流装置还包括用于监控所述高压射流喷头切缝情况和/或切缝深度的摄像组件和/或距离传感器。
进一步的，所述齿轮轨道为一呈弧形的工字钢结构，所述移动机具通过驱轮跨设于该工字钢结构上，在工字钢结构上还设立有支座，所述防护板通过升降调整机构定位于所述支座上。
进一步的，所述底座通过履带前行或后退；所述底座上主要通过上横梁、侧梁、中横梁、肋组成主支架，所述齿轮轨道通过支架、支撑杆定位于该主支架上，在主支架上定位有集水箱、高压水泵箱，该集水箱与所述高压水泵箱连通，所述高压水泵箱依次连通高压水管、进水管、输水软管至所述高压射流喷头。
进一步的，所述移动机具、履带动力采用伺服电机，所述升降调整机构、执行机构均采用液压气缸，所述高压水泵箱、高压射流喷头均具有智能控制端口；台车还包括有远程操控系统，该远程操控系统包括PC机、CANopen上位机、USBCAN适配器，所述CANopen上位机收集所述移动机具、履带、防护板、摄像组件、距离传感器的状态后，由PC机根据所述CANopen上位机收集到的信息，通过USBCAN适配器分别对所述移动机具、履带、防护板、高压射流喷头进行控制。
进一步的，所述防护板为轻质合金板。
本发明同时公开了一种高压水射流轮廓切缝辅助爆破的方法，包括如下步骤：
S1、采用前述轮廓切缝台车沿隧道的掌子面的周边轮廓进行切槽，形成沿隧道开挖面分布的环形缝槽；
S2、在环形缝槽内的掌子面上施工钻有数量至少为两个的压裂钻孔，该压裂钻孔之间的间距大于压裂钻孔至所述环形缝槽的距离；
S3、往所述压裂钻孔内送入压裂管，封孔，采用水压压裂泵进行压裂，当压裂泵泵压下降，且环形缝槽内有水渗出后停止压裂；
S4、在压裂钻孔与环形缝槽之间的掌子面上钻设爆破钻孔，进行爆破。
进一步的，S1步骤中，还包括有：
S1-1、轮廓切缝台车先对隧道掌子面轮廓高压水切槽；
S1-2、通过控制轮廓切缝台车上的移动机具在齿轮轨道上移动，高压射流喷头沿隧道的轮廓线进行联通切槽，直至隧道的围岩与开挖岩体分隔开。
进一步的，所述隧道主体为均质岩体。
本发明的有益效果：利用台车上的高压射流喷头与防护板结合，可实现对现有隧道中各类工况下的轮廓切缝，尤其是针对异形隧道断面的切缝作业，同时针对不同尺寸的隧道断面可进行适应性调整，使用范围广，切缝过程中通过摄像组件、距离传感器等实现对高压射流喷头的切缝状态实时监控，进而保证了对切缝作业的准确性。
另在隧道掘进施工过程中，在爆破前预先对掌子面轮廓通过高压水射流切槽，使得围岩与开挖岩体通过槽沟分割开，然后再通过水力压裂技术，使得隧道开挖岩体形成水压裂纹网格，破坏开挖岩体的完整性，最后进行爆破作业，可以增加爆破自由面以降低炸药消耗量和炮眼数量，使得爆破时能量传播至掌子面边缘的环形缝槽后传播大幅降低，减少了周边围岩损伤，降低了支护成本并有效防止造成超欠挖现象，同时隧道开挖岩体在爆破施工前含有大量的水分，减小爆破施工后的粉尘产生量和粉尘浓度，减少通风降尘的时间，提高工作效率，有利于作业人员身心健康。
附图说明
图1是本发明中隧道掌子面上进行射流切缝的示意图；
图2是本发明中开挖岩体上压裂钻孔的示意图；
图3是本发明中水压压裂的示意图；
图4是本发明中爆破钻孔的示意图；
图5是本发明中轮廓切缝台车的正面图；
图6是图5沿I-I线的剖视图；
图7是图6中A部分的放大结构图。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图来进一步详细说明本发明。
一种如图5-图7所示轮廓切缝台车，其包括与隧道开挖轮廓相符的齿轮轨道9、活动设置于该齿轮轨道9上的高压水射流装置16、驱动齿轮轨道9行进的底座3，齿轮轨道9外侧设置有多个依次衔接且均可沿齿轮轨道9径向方向独立升降的防护板11，本实施例中防护板11数量为五个，该五个防护板11组合形成对齿轮轨道9及其上的高压水射流装置16的遮挡防护；
高压水射流装置16包括滑动且可定位于齿轮轨道9上的移动机具13、铰链于该移动机具13上的连杆机构、设置于连杆机构末端的高压射流喷头19、驱动连杆机构上的高压射流喷头19前进升降的执行机构。
具体地，底座3底部设置履带1，用于驱动整个台车的前行、后退及停驻，保证作业时整个台车的平稳性。底座3上通过侧梁、上横梁10及肋7组成图5中正视图的框形结构，再由中横梁8将框形结构串联形成台车的主支架，而齿轮轨道9通过主支架两侧的支架5、上部的支撑杆12与主支架固定连接，比如焊接、螺栓连接等。
本例中，齿轮轨道9为工字钢结构，该工字钢结构冲压呈半圆弧形，工字钢结构的槽部上下背向设置，用于移动机具13的驱动14轨道，也即是移动机具13通过驱轮14跨设于该工字钢结构上，通过驱轮14在工字钢结构的槽部内移动来带动移动机具13的位移。在工字钢结构上还设立有支座，五个防护板11分别通过升降调整机构22定位于支座上。本实施例防护板11优选轻质铝合金板。升降机构22可通过导向轨道及液压气缸组成，由导向轨道来限定防护板的升降方向，以保证防护板始终以齿轮轨道9的径向方向移动，再由液压气缸提供动力驱使防护板11升降。
图5中，五个防护板11在齿轮轨道9上的分别以台车纵向中心线呈对称分布，在实际应用中，可根据情况具体设置防护板11的数量及齿轮轨道9上的分布情况。
在主支架上固定有集水箱4、高压水泵箱2，集水箱4与高压水泵箱2连通，高压水泵箱2依次连通高压水管6、进水管15、输水软管18至高压射流喷头19。本实施例中，高压水射流装置16数量为两个，分别通过移动机具13设置于齿轮轨道9上，因此，高压水泵箱2、高压水管6、进水管15、输水软管18均为两套，以便其分别从集水箱4中获得射流水源。
因高压射流喷头19通过连杆机构铰接于移动机具13上，在切缝过程中高压射流喷头19将随连杆机构的运动进行移动，因为，此段采用输水软管18有利于对管道的整体保护，避免长期的弯折等使得管道破损。连杆机构主要是通过数个转轴17通过旋转接头21转接，类似于现工业常用的机械手或机器人。
执行机构可采用多种形式，比如常见的液压气缸，通过液压气缸来驱使转轴17沿旋转接头21转动，从而达到对高压射流喷头19的位移移动。
摄像组件23、距离传感器24固接于连杆机构末端，与高压射流喷头19并列，实施过程中做好摄像组件23、距离传感器24的防护工作，比如防尘干扰等，以保证摄像组件23、距离传感器24的正常工作。摄像组件23用于监控高压射流喷头切缝情况，以保证多个高压射流喷头19组合对环形缝槽的完全切缝，而距离传感器24用于监控高压射流喷头19的切缝深度，以保证最优爆破。本例中，距离传感器24采用SKD-20激光测距传感器，其测量范围0.15～20m、精度±3mm、最高测量频率可达5～10Hz、工作温度-30℃～50℃，操作方式：上电自动工作或上位机指令控制，全面支持RS232/RS485/4-20mA/0-10V/开关量等各种数据输出形式，可满足目前所有隧道爆破工况下的切缝作业。
本实施例中，移动机具13、履带1动力均采用伺服电机，升降调整机构22、执行机构均采用液压气缸，高压水泵箱2、高压射流喷头19的开启及液压监控均具有智能控制端口；台车还包括有远程操控系统20，该远程操控系统包括PC机、CANopen上位机、USBCAN适配器，CANopen上位机收集移动机具13、履带1、防护板11、摄像组件23、距离传感器24的状态后，由PC机根据CANopen上位机收集到的信息，结合执行任务要求进行分析，再通过USBCAN适配器分别对移动机具13、履带1、防护板11、高压射流喷头19进行控制。
本发明还公开一种高压水射流轮廓切缝辅助爆破的方法，主要针对隧道主体为均质岩体结构，当然其他岩体也可以借鉴使用，包括如下步骤：
S1、采用本实施例中的轮廓切缝台车沿隧道的掌子面的周边轮廓进行切槽，形成沿隧道开挖面分布的环形缝槽；
S2、在环形缝槽内的掌子面上施工钻有数量至少为两个的压裂钻孔，该压裂钻孔之间的间距大于压裂钻孔至所述环形缝槽的距离；
S3、往所述压裂钻孔内送入压裂管，封孔，采用水压压裂泵进行压裂，当压裂泵泵压下降，且环形缝槽内有水渗出后停止压裂；
S4、在压裂钻孔与环形缝槽之间的掌子面上钻设爆破钻孔，进行爆破。
在S1步骤中，环形缝槽可通过两步完成，具体如下：
S1-1、轮廓切缝台车先对隧道掌子面轮廓高压水切槽；
S1-2、通过控制轮廓切缝台车上的移动机具在齿轮轨道上移动，高压射流喷头沿隧道的轮廓线进行联通切槽，直至隧道的围岩与开挖岩体分隔开。
在隧道掘进施工过程中，在爆破前预先对掌子面轮廓通过高压水射流切槽，使得围岩与开挖岩体通过槽沟分割开，然后再通过水力压裂技术，使得隧道开挖岩体形成水压裂纹网格，破坏开挖岩体的完整性，最后进行爆破作业,通过图示2或4中进行类似分布爆破，可以增加爆破自由面以降低炸药消耗量和炮眼数量，使得爆破时能量传播至掌子面边缘的环形缝槽后传播大幅降低，减少了周边围岩损伤，降低了支护成本并有效防止造成超欠挖现象，同时隧道开挖岩体在爆破施工前含有大量的水分，减小爆破施工后的粉尘产生量和粉尘浓度，减少通风降尘的时间，提高工作效率，有利于作业人员身心健康。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.轮廓切缝台车，包括与隧道开挖轮廓相符的齿轮轨道(9)、活动设置于该齿轮轨道(9)上的高压水射流装置(16)、驱动所述齿轮轨道(9)行进的底座(3)，其特征在于：所述齿轮轨道(9)外侧设置有多个依次衔接且均可沿所述齿轮轨道(9)径向方向独立升降的防护板(11)，多个所述防护板(11)组合形成对所述齿轮轨道(9)及其上的所述高压水射流装置(16)的遮挡防护；
所述高压水射流装置(16)包括滑动且可定位于所述齿轮轨道(9)上的移动机具(13)、铰链于该移动机具(13)上的连杆机构、设置于连杆机构末端的高压射流喷头(19)、驱动所述连杆机构上的高压射流喷头(19)前进升降的执行机构。
2.根据权利要求1所述的轮廓切缝台车，其特征在于：所述高压水射流装置(16)还包括用于监控所述高压射流喷头(19)切缝情况和/或切缝深度的摄像组件(23)和/或距离传感器(24)。
3.根据权利要求1所述的轮廓切缝台车，其特征在于：所述齿轮轨道(9)为一呈弧形的工字钢结构，所述移动机具(13)通过驱轮(14)跨设于该工字钢结构上，在工字钢结构上还设立有支座，所述防护板(11)通过升降调整机构(22)定位于所述支座上。
4.根据权利要求2所述的轮廓切缝台车，其特征在于：所述底座(3)通过履带(1)前行或后退；所述底座(3)上主要通过上横梁(10)、侧梁、中横梁(8)、肋(7)组成主支架，所述齿轮轨道(9)通过支架(5)、支撑杆(12)定位于该主支架上，在主支架上定位有集水箱(4)、高压水泵箱(2)，该集水箱(4)与所述高压水泵箱(2)连通，所述高压水泵箱(2)依次连通高压水管(6)、进水管(15)、输水软管(18)至所述高压射流喷头(19)。
5.根据权利要求4所述的轮廓切缝台车，其特征在于：所述移动机具(13)、履带(1)动力采用伺服电机，所述升降调整机构(22)、执行机构均采用液压气缸，所述高压水泵箱(2)、高压射流喷头(19)均具有智能控制端口；台车还包括有远程操控系统(20)，该远程操控系统包括PC机、CANopen上位机、USBCAN适配器，所述CANopen上位机收集所述移动机具(13)、履带(1)、防护板(11)、摄像组件(23)、距离传感器(24)的状态后，由PC机根据所述CANopen上位机收集到的信息，通过USBCAN适配器分别对所述移动机具(13)、履带(1)、防护板(11)、高压射流喷头(19)进行控制。
6.根据权利要求1所述的轮廓切缝台车，其特征在于：所述防护板(11)为轻质合金板。
7.一种高压水射流轮廓切缝辅助爆破的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、采用如权利要求1-6任意一项的轮廓切缝台车沿隧道的掌子面的周边轮廓进行切槽，形成沿隧道开挖面分布的环形缝槽；
S2、在环形缝槽内的掌子面上施工钻有数量至少为两个的压裂钻孔，该压裂钻孔之间的间距大于压裂钻孔至所述环形缝槽的距离；
S3、往所述压裂钻孔内送入压裂管，封孔，采用水压压裂泵进行压裂，当压裂泵泵压下降，且环形缝槽内有水渗出后停止压裂；
S4、在压裂钻孔与环形缝槽之间的掌子面上钻设爆破钻孔，进行爆破。
8.根据权利要求7所述一种高压水射流轮廓切缝辅助爆破的方法，其特征在于：S1步骤中，还包括有：
S1-1、轮廓切缝台车先对隧道掌子面轮廓高压水切槽；
S1-2、通过控制轮廓切缝台车上的移动机具在齿轮轨道上移动，高压射流喷头沿隧道的轮廓线进行联通切槽，直至隧道的围岩与开挖岩体分隔开。
9.根据权利要求7所述一种高压水射流轮廓切缝辅助爆破的方法，其特征在于：所述隧道主体为均质岩体。
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