CN112160767A - 一种隧道机械-化学腐蚀-水力切割联合掘进施工方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种隧道机械‑化学腐蚀‑水力切割联合掘进施工方法，属于隧道掘进施工技术领域；设计要点在于：S1，确定打孔位置，S2，进行机械钻孔；S3，安装止水‑回流装置，启动化学腐蚀装置并关闭截止阀；S4,打开截止阀回收酸性溶液，启动水力切割装置进行切割作业。本申请旨在提供一种隧道机械‑化学腐蚀‑水力切割联合掘进施工方法，该方法能够高效、快速开挖岩质隧道，对周围环境影响较小、较为环保，腐蚀性溶液可重复利用成本较低。

Description

一种隧道机械-化学腐蚀-水力切割联合掘进施工方法

技术领域

本申请涉及隧道工程施工(对应分类号：E21D9/00)这一领域，具体涉及一种隧道机械-化学腐蚀-水力切割联合掘进施工方法。

背景技术

为加快各地区人流、物流流通和缓解城市公共交通压力，隧道作为一种能够打破各城市间地域限制的基础设施，早已成为各城市间沟通连接的纽带。隧道工程的发展带动着周边经济的发展，进而推动国家经济实力的提升，因而如何高效、快捷的推动隧道工程建设成为了业内人士重点关注的问题。而对于山岭隧道和山地城市隧道的建设，隧道开挖机械的选择决定了隧道工程建设的速度与质量。

随着我国科学实力和技术水平的不断提高，隧道的开挖逐渐从人工挖掘走向机械化、自动化和智能化的道路，各类先进机械设备的引进和创新解决了一系列工程难题。近年来,三臂液压凿岩台车、铣挖机、全断面隧道掘进机(TBM)等专业凿岩设备已广泛运用于隧道工程中，但面对不同的工况和要求，这些机械设备仍然具有一定的局限性。相比于常规的手持风动凿岩机，机械化程度更高、钻进速度更快的三臂液压凿岩台车对环境污染小且施工安全系数更高，但其钻眼后需要进行爆破开挖，无法满足一些城市中不允许爆破施工的条件。铣挖机作为一种可以安装在任何类型的液压挖掘机上高效替代挖斗、破碎锤、液压剪进行隧道掘进的机械化设备，不仅可以快速准确的修整隧道的轮廓，还能解决令施工单位头疼的欠挖问题。但其只适用于开挖中低硬度的岩石，无法适用于掘进较为坚硬的岩石，且在实际工程中凿岩效率非常低，在大断面隧道中往往耗时较长。全断面隧道掘进机(TBM)是一种能够掘进稳定性良好、中厚埋深、中高强度岩层长大隧道的机械设备，相比于传统隧道施工工艺，它具有更安全和高效的特点。但动辄上亿的TBM成本太高，而且施工过程中不易改变开挖直径和形状。在此情况下，研发适用于大断面岩质隧道的高效、环保、经济的隧道掘进装置具有重要的理论意义和工程应用价值。

近年来，水力切割技术作为一种绿色环保的切割方式，已广泛运用于工业、机械制造、医学和食品加工等领域。其工作时化水为刀，通过液体增压原理经特定喷嘴或增压设备将机械能转换为压力能并经由喷嘴小孔形成具有较高能量的射流，从而将压力能转换为巨大的动能。在水中混入不同材质和比例的磨料能使得原有的纯水射流中水的滞止动压冲蚀变为磨料的冲击动压冲蚀，可以增强对靶体材料的磨削和冲击作用，因此高速磨料射流几乎可以切割任何物质。基于其优异的切割效果，国内外学者已将水力切割及其改良技术运用于煤岩开采、油气钻井的各类破岩工程中(例如现有技术：CN104314573B、CN108593321B)。

但是，对于煤岩开采、隧道建设等，单纯的使用水刀切割，对于岩石强度较高的地区，其施工效率较慢(切割强度不足等问题)。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本申请的目的提供一种隧道机械-化学腐蚀-水力切割联合掘进施工方法。

一种隧道机械-化学腐蚀-水力切割联合掘进施工方法，采用隧道机械-化学腐蚀-水力切割联合掘进施工机械施工，包括以下步骤：

S1，确定打孔位置：

具体包括：

S1-1，根据即将开挖隧道的断面大小将其划分为大断面和小断面隧道；

S1-2，利用地质分析法及地质雷达超前预报技术分析隧道围岩力学特性和岩体完整程度，实现对围岩的快速分级；

S1-3，根据断面大小和隧道围岩分级情况，确定隧道的开挖方法、隧道断面的开挖步长、孔距和排距情况；

S2，进行机械钻孔，根据分区情况在区域角点位置处利用钻孔装置进行机械成孔，到达指定深度停止钻孔；

S3，安装止水-回流装置，启动化学腐蚀装置并关闭截止阀；

具体包括：

S3-1，在钻孔孔口安装止水-回流装置，并使止水塞与钻孔周围围岩紧密贴合；

S3-2，启动化学腐蚀装置，将酸性溶液增压后通过喷嘴注入钻孔中；

S3-3，待钻孔中有溶液渗出时逐渐抽出钻臂，此时旋启式止水塞在水压力作用下自动关闭并与围岩紧密贴合，孔洞中酸性溶液充分与围岩反应，达到延伸裂隙、降低岩体强度的目的；

S4，打开截止阀回收酸性溶液，启动水力切割装置进行切割作业；

具体而言，分为以下几步：

S4-1，待整个隧道断面所有分区完成S2、S3，待岩体与酸性溶液充分反应；后打开分区内的截止阀，使酸性溶液通过回流管进入酸性溶液储罐；

S4-2，钻臂重新进入钻孔，启动水力切割装置的同时旋转钻臂，按照分区轮廓线对强度已降低、裂隙扩展的孔洞洞周围岩进行绕轴360°切割作业，使围岩破碎、掉落。

进一步，S1-1还包括：所述隧道断面面积小于或等于50m²的为小断面隧道，大于50m²的为大断面隧道。

进一步，S1-3中根据断面大小和围岩分级情况推荐使用的隧道开挖方法、开挖步长、孔距和排距情况如下表所示：

进一步，S1-3还包括：根据地质分析法获取的结构面形状及产状，对局部分区孔距、排距的位置进行调整，达到利用结构面特性使掌子面围岩更加破碎及减少切割次数的目的。

进一步，S2中还包括：小断面隧道及大断面、围岩分级为Ⅰ～Ⅲ级的隧道的钻孔顺序为从下往上、从两侧向中心，即在不同排钻孔中先开凿断面中位置较低处的钻孔，再开凿断面中位置较高处的钻孔，在同一排钻孔中先开凿两侧隧道轮廓处的钻孔，再逐渐向隧道中心处钻孔；大断面、围岩分级为Ⅳ～Ⅴ级的隧道的钻孔顺序为分A、B两个台阶分别从上往下、从两侧向中心，即在A、B两个区域中，不同排钻孔中先开凿断面中位置较高处的钻孔，再开凿断面中位置较低处的钻孔，在同一排钻孔中先开凿两侧隧道轮廓处的钻孔，再逐渐向隧道中心处钻孔。

进一步，S4-2中还包括：钻臂重新进入钻孔的顺序与S2中钻孔的顺序保持一致。小断面隧道及大断面、围岩分级为Ⅰ～Ⅲ级的隧道切割岩块的顺序采用先下后上、先两侧再中心的顺序；大断面、围岩分级为Ⅳ～Ⅴ级的隧道切割岩块的顺序采用先上后下、先两侧再中心的顺序。

一种隧道机械-化学腐蚀-水力切割联合掘进施工机械，包括钻孔装置、水力切割-化学腐蚀装置、止水-回流装置；

其中，所述钻孔装置包括：钻头、钻臂，钻头设置在钻臂的端部，钻臂为端口带螺纹的可拼装结构；

其中，所述水力切割-化学腐蚀装置包括：供水水箱、酸性溶液储罐、三通球阀、增压泵、第一智能阀、第二智能阀、磨料罐、混合室、喷嘴；水力切割-化学腐蚀装置放置于靠近掌子面处以减小管道远距离运输高压水或溶液的压力损失；

其中，所述止水-回流装置包括：旋启式止水塞、截止阀、回流管；

钻孔装置与水力切割-化学腐蚀装置的关联在于：钻臂轴向设置有多个喷嘴；三通球阀的第一端口a连接供水水箱，第二端口b连接酸性溶液储罐，第三端口c连接增压泵；

第一智能阀一端与增压泵相连，另一端直接与喷嘴相连；

第二智能阀一端与增压泵相连，另一端与磨料罐连接，磨料罐与混合室连接，混合室与喷嘴连接；

其中，所述止水-回流装置与钻孔装置的关联在于：旋启式止水塞套装于钻臂尾部，在使用时，旋启式止水塞与钻孔孔口围岩紧密贴合；截止阀安装在回流管上、且设置在靠近旋启式止水塞一端；回流管的一端与旋启式止水塞的下端连接。

进一步，钻头依据岩体强度选择PDC钻头或金刚石钻头，表面喷涂防腐涂料，钻头直径比钻臂直径大6～8mm；以保证钻臂上喷嘴的靶距适中、水力切割作业时效率最高；每节钻臂的基础长度为1m，端口具有螺纹，可根据所需开挖步长拼装或拆卸以达到所需长度；喷嘴沿着钻臂轴向每隔25cm安装一组，因此在隧道纵向方向岩块分割区域的长度为25cm。

进一步，回流管14另一端也可以连接专门的酸性溶液回收系统。

进一步，还包括防爆电机，其作用是为钻臂提供动力。

进一步，所述增压泵8可选择额定压力较大的柱塞泵，它直接将机械能转化为输送液体的压力能，并借助工作腔里的容积周期性变化来达到输送液体的目的，根据所需增压的溶液为水或酸性溶液，调节柱塞泵上的压力控制阀即可达到两种溶液不同的压力要求。

进一步，还包括控制器，控制器的输出端与第一智能阀、第二智能阀、增压泵、三通球阀的输入端连接。

进一步，所述旋启式止水塞边部结构采用遇水膨胀橡胶，使之与钻孔壁更好的贴合。

进一步，所述酸性溶液采用pH＝2的HCl溶液。

一种隧道机械-化学腐蚀-水力切割联合掘进施工机械的工作方法，其包括以下步骤：

首先，钻孔装置穿过旋启式止水塞，将旋启式止水塞套在钻臂的尾部；钻孔装置开始钻孔，钻臂到达指定位置处将旋启式止水塞与钻孔孔口围岩紧密贴合；

或者是，钻孔装置开始钻孔，然后在钻臂尾部与钻孔孔口围岩结合处再安装旋启式止水塞；

然后，钻孔结束后，关闭截止阀13：开启第一智能阀91、关闭第二智能阀92，三通球阀7的第一端口a关闭、第二端口b开启，第三端口c开启，增压泵8开启，将酸性溶液储罐6的酸性溶液加压喷射到钻孔内；

再次，待钻孔中有溶液渗出时逐渐抽出钻臂，然后使得旋启式止水塞关闭，孔洞中酸性溶液充分与围岩反应，达到延伸裂隙、降低岩体强度的目的；

第四，待一段时间后，打开截止阀，通过回流管回收酸性溶液；

第五，回收止水-回流装置:酸性溶液回收结束后，将止水-回流装置从钻孔上卸除回收；

第六，将钻孔钻臂重新进入钻孔，启动水力切割装置:关闭第一智能阀、开启第二智能阀，三通球阀的第一端口a开启、第二端口b关闭，第三端口c开启，增压泵开启，将水通过磨料罐，水和磨料在混合室混合，然后从喷嘴喷出；启动水力切割装置的同时旋转钻臂，对强度降低、裂隙扩展的孔洞洞周围岩进行绕轴360°切割作业，使围岩破碎、掉落；同时，钻臂还沿着钻孔的轴向方向不断往复运动，以使得水刀的切割面能够移动。

进一步，钻臂还沿着钻孔的轴向方向的运动幅度，与喷嘴在钻臂上的轴向方向上间隔的距离相同)。

进一步，采用间歇性喷水-磨料的方法，即按照t₁-t₂-t₁-t₂………,即“t₁-t₂”循环的方式来进行施工，钻头的直径为D_钻头，钻臂的直径为D_钻臂；钻孔的长度为L，喷嘴的截面积为S，喷嘴在喷水-磨料的速度为V_水-磨料；钻臂上的喷嘴的数量为N；

其中，t₁表示水切割的时间，其确定方法见下式；t₂表示相邻的水切割间隔的时间，其根据实际情况而定，一般取值在2s～20s；

t₁采用下式计算

α表示修正系数，其值一般在1.0～3.0之间。

本申请的优点在于：

第一，先钻孔到断面岩体内部，然后注入酸性溶液，待酸性溶液经过裂隙扩展开来，岩体的强度降低后，然后再在钻孔内进行水力切割；上述施工顺序缺一不可，共同构成了本申请的基础构思(同时也是本申请的必要技术特征)。

第二，本申请的第二个发明点在于：酸性溶液如何注入，即动力来源于哪里是个问题，本申请是通过钻臂旋转，喷嘴喷出高压酸性溶液，来不断推动酸性溶液在裂隙中扩展。

同时，水切割也是采用钻臂上设置的喷嘴来实现；因此，本申请采用了如图7所示的设计：采用了二合一的系统“喷酸性溶液+喷混合水磨料”，集成了功能。

同时，本申请的“喷酸性溶液+喷混合水磨料”更深层次的关联设计在于，两者都是在钻孔内实现，即，酸性溶液的灌注需要钻孔；而水切割直接在钻孔内切割，更加有效。而采用类似于CN105673029B这样的水切割设备，是不可能演化出本申请的方案的(CN105673029B的水切割刀头设计无法应用于本申请)。

同时，上述关联，还依赖于：止水-回流装置的设计。也即，在注入酸性溶液时，钻孔的喷嘴加压喷射酸性溶液，是起到的对酸性溶液加压的功能(由于旋启式止水塞12的功能，溶液充满钻孔中)；而在水力切割的时候，旋启式止水塞12去掉，钻孔中不会充满水分，水分磨料能够始终对岩石进行切割。

第三，本申请的第三个发明点在于：本申请为不同断面大小、不同围岩分级的岩质隧道提供了以机械-化学腐蚀-水力切割为基本原理的隧道开挖方法、开挖步长、孔距及排距。

第四，本申请的第四个发明点在于：本申请根据隧道断面大小、围岩分级、地质分析法以及地质雷达超前预报获取的隧道断面结构面形状及产状信息对掌子面上局部区域的孔距、排距进行调整，可达到利用已存在结构面使掌子面围岩更加破碎及减少水力切割次数的目的。

第五，本申请的第五个发明点在于：S2中，小断面隧道及大断面、围岩分级为Ⅰ～Ⅲ级的隧道的钻孔顺序为从下往上、从两侧向中心，即在不同排钻孔中先开凿断面中位置较低处的钻孔，再开凿断面中位置较高处的钻孔，在同一排钻孔中先开凿两侧隧道轮廓处的钻孔，再逐渐向隧道中心处钻孔；大断面、围岩分级为Ⅳ～Ⅴ级的隧道的钻孔顺序为分A、B两个台阶分别从上往下、从两侧向中心，即在A、B两个区域中，不同排钻孔中先开凿断面中位置较高处的钻孔，再开凿断面中位置较低处的钻孔，在同一排钻孔中先开凿两侧隧道轮廓处的钻孔，再逐渐向隧道中心处钻孔。S4-2中钻臂重新进入钻孔的顺序与S2中钻孔的顺序保持一致，其优点是，可以保证各钻孔中进行化学腐蚀的时间大致相同、高效利用化学腐蚀性溶液。在小断面隧道及大断面、围岩分级为Ⅰ～Ⅲ级的隧道中采用先下后上的顺序便于出渣运输和管线的布置；在大断面、围岩分级为Ⅳ～Ⅴ级的隧道中采用先上后下的切割顺序可利用开挖预留的作业空间及时进行支护从而保证岩体不致过度松弛而丧失或降低承载能力。

第六，本申请的第六个发明点在于：与其他水切割方法不同，本申请采用间歇性喷水-砂(磨料)的方法(这是发明人在试验时取得的独创性的成果)，即按照t₁-t₂-t₁-t₂………,即“t₁-t₂”循环的方式来进行施工，钻头的直径为D_钻头，钻臂的直径为D_钻臂；钻孔的长度为L，喷嘴在喷水-磨料的速度为V_水-磨料；钻臂上的喷嘴的数量为N，喷嘴的截面积为S；

其中，t₁表示水切割的时间，其确定方法见下式；t₂表示相邻的水切割间隔的时间，其根据实际情况而定，一般取值在2s～20s；

t₁采用下式计算：

α表示修正系数，其值一般在1.0～3.0之间。

特别的，本申请在水切割时，钻臂沿着钻孔的轴向方向往复运动，除了移动切割面外，另外一个功能也是为了加快钻孔内的溶液排出孔外(其功能在于提高t₁、减少t₂)。

附图说明

下面结合附图中的实施例对本申请作进一步的详细说明，但并不构成对本申请的任何限制。

图1为一种隧道机械-化学腐蚀-水力切割联合掘进施工方法。

图2为一种小断面隧道及大断面、Ⅰ～Ⅲ级隧道全断面开挖法隧道横断面钻孔布置及分区示意图。

图3为一种考虑两组结构面的小断面隧道及大断面、Ⅰ～Ⅲ级隧道横断面钻孔布置及分区示意图。

图4为一种大断面、Ⅳ～Ⅴ级隧道两台阶开挖法横断面钻孔布置及分区示意图。

图5为一种隧道机械-化学腐蚀-水力切割联合掘进施工机械部分设计图。

图6为喷嘴安装位置示意图。

图7为水力切割-化学腐蚀装置结构示意图。

图8为止水-回流装置的开启、关闭状态图。

具体实施方式

实施例一，一种隧道机械-化学腐蚀-水力切割联合掘进施工方法，包括以下施工步骤：

S1，确定打孔位置：

具体包括：

S1-1，根据即将开挖隧道的断面大小将其划分为大断面和小断面隧道；

S1-2，利用地质分析法及地质雷达超前预报技术分析隧道围岩力学特性和岩体完整程度，实现对围岩的快速分级；

S1-3，根据断面大小和隧道围岩分级情况，确定隧道的开挖方法、隧道断面的开挖步长、孔距和排距情况；

S2，进行机械钻孔，根据分区情况在区域角点位置处利用钻孔装置进行机械成孔，到达指定深度停止钻孔；

S3，安装止水-回流装置，启动化学腐蚀装置并关闭截止阀；

具体包括：

S3-1，在钻孔孔口安装止水-回流装置，并使止水塞与钻孔周围围岩紧密贴合；

S3-2，启动化学腐蚀装置，将酸性溶液增压后通过喷嘴注入钻孔中；

S3-3，待钻孔中有溶液渗出时逐渐抽出钻臂，此时旋启式止水塞在水压力作用下自动关闭并与围岩紧密贴合，孔洞中酸性溶液充分与围岩反应，达到延伸裂隙、降低岩体强度的目的；

S4，打开截止阀回收酸性溶液，启动水力切割装置进行切割作业；

具体而言，分为以下几步：

S4-1，待整个隧道断面所有分区完成S2、S3，待岩体与酸性溶液充分反应；后打开分区内的截止阀，使酸性溶液通过回流管进入酸性溶液储罐；

S4-2，钻臂重新进入钻孔，启动水力切割装置的同时旋转钻臂，按照分区轮廓线对强度已降低、裂隙扩展的孔洞洞周围岩进行绕轴360°切割作业，使围岩破碎、掉落。

与已有的CN105673029B(也是水刀掘进)相比，CN105673029B在掘进过程中，实质上应用针对地铁等土层掘进，水刀是设置在刀盘上，水力方向是水平方向喷向岩石、土体，其对于岩石山体，切割效果很差；或者是刀盘、水刀联合切割，此时刀头也容易产生破坏。

因此，本申请的发明构思在于：

第一，先钻孔到断面岩体内部，然后注入酸性溶液，待酸性溶液经过裂隙扩展开来，岩体的强度降低后，然后再在钻孔内进行水力切割；上述施工顺序缺一不可，共同构成了本申请的基础构思(同时也是本申请的必要技术特征)。

第二，酸性溶液如何注入，即动力来源于哪里是个问题，本申请是通过钻臂旋转，喷嘴喷出高压酸性溶液，来不断推动酸性溶液在裂隙中扩展。

同时，水切割也是采用钻臂上设置的喷嘴来实现；因此，本申请采用了如图7所示的设计：采用了二合一的系统“喷酸性溶液+喷混合水磨料”，集成了功能。

同时，本申请的“喷酸性溶液+喷混合水磨料”更深层次的关联设计在于，两者都是在钻孔内实现，即，酸性溶液的灌注需要钻孔；而水切割直接在钻孔内切割，更加有效。而采用类似于CN105673029B这样的水切割设备，是不可能演化出本申请的方案的(CN105673029B的水切割刀头设计无法应用于本申请)。

第三，本申请为不同断面大小、不同围岩分级的岩质隧道提供了以机械-化学腐蚀-水力切割为基本原理的隧道开挖方法、开挖步长、孔距及排距。

第四，本申请根据隧道断面大小、围岩分级、地质分析法以及地质雷达超前预报获取的隧道断面结构面形状及产状信息对掌子面上局部区域的孔距、排距进行调整，可达到利用已存在结构面减少水力切割次数的目的。

第五，S2中，小断面隧道及大断面、围岩分级为Ⅰ～Ⅲ级的隧道的钻孔顺序为从下往上、从两侧向中心，即在不同排钻孔中先开凿断面中位置较低处的钻孔，再开凿断面中位置较高处的钻孔，在同一排钻孔中先开凿两侧隧道轮廓处的钻孔，再逐渐向隧道中心处钻孔；大断面、围岩分级为Ⅳ～Ⅴ级的隧道的钻孔顺序为分A、B两个台阶分别从上往下、从两侧向中心，即在A、B两个区域中，不同排钻孔中先开凿断面中位置较高处的钻孔，再开凿断面中位置较低处的钻孔，在同一排钻孔中先开凿两侧隧道轮廓处的钻孔，再逐渐向隧道中心处钻孔。S4-2中钻臂重新进入钻孔的顺序与S2中钻孔的顺序保持一致，其优点是，可以保证各钻孔中进行化学腐蚀的时间大致相同、高效利用化学腐蚀性溶液。在小断面隧道及大断面、围岩分级为Ⅰ～Ⅲ级的隧道中采用先下后上的顺序便于出渣运输和管线的布置；在大断面、围岩分级为Ⅳ～Ⅴ级的隧道中采用先上后下的切割顺序可利用开挖预留的作业空间及时进行支护从而保证岩体不致过度松弛而丧失或降低承载能力。

图2为一种小断面隧道及大断面、Ⅰ～Ⅲ级隧道全断面开挖法隧道横断面钻孔布置及分区示意图。当隧道断面较小时，由于围岩受扰动范围较小，因此在开挖一段时间内能保持良好的自稳状态，此时采用全断面法进行布孔和开挖工作，整个断面一次开挖成形然后再支护衬砌。根据不同的围岩等级确定开挖步长、孔距及排距情况，Ⅰ～Ⅲ级围岩开挖步长为3～5m，孔距为15～25cm，排距为25cm～35cm，Ⅳ～Ⅴ级围岩开挖步长为2～3m，孔距为35cm～45cm，排距为45cm～55cm。当隧道断面较大、围岩较好时，仍采用全断面法，但将开挖步长减小至1～3m，即通过减小开挖进尺、更早支护来达到洞室的稳定。如图2所示，根据孔距、排距和隧道轮廓线在隧道掌子面上布孔，钻孔将整个断面分成若干个易于破碎的近似矩形或三角形区域，如区域a、区域b所示。在S2中，钻孔顺序为从下往上、从两侧向中心的顺序，即在不同排钻孔中先开凿断面中位置较低处的钻孔，再开凿断面中位置较高处的钻孔，在同一排钻孔中先开凿两侧隧道轮廓处的钻孔，再逐渐向隧道中心处钻孔，其优点是掌子面下方岩体和两侧岩体先破碎掉落，有利于出渣运输、管线布置以及后续的支护衬砌等工作的进行。在S4-2中，钻臂重新进入孔洞的顺序与S2中钻孔顺序相同，可以保证各钻孔中进行化学腐蚀的时间大致相同、高效利用化学腐蚀性溶液。进行水力切割作业时，每个分区内下排孔洞只沿分区轮廓线进行水平方向的切割工作，上排孔洞除了进行水平方向的切割工作，还需进行竖向切割作业，使每个分区岩块破碎掉落。对图2中a、b两个分区而言，其进行水力切割的顺序：第一排为1→2，第二排为3→1、3→4、4→1、4→5、5→2，区域a、b即可破碎掉落。

图3为一种考虑两组结构面的小断面隧道及大断面、Ⅰ～Ⅲ级隧道横断面钻孔布置及分区示意图。若掌子面围岩存在结构面，可利用地质分析法和地质雷达超前预报对掌子面的结构面特性进行判断，了解结构面形状及产状，并在布孔阶段考虑利用结构面特性来增加岩体的破碎程度以及减少后期水力切割的次数。在本实施例中，考虑小断面隧道及大断面、Ⅰ～Ⅲ级隧道掌子面随机位置处存在两组结构面，局部调整后的钻孔位置和分区情况如图3所示，掌子面上部岩体更加破碎，便于出渣运输。

图4为一种大断面、Ⅳ～Ⅴ级隧道两台阶开挖法横断面钻孔布置及分区示意图。由于其断面较大且围岩较为破碎，首先因考虑开挖过程中的围岩稳定性问题，因此采用两台阶开挖法将大断面分为A、B两个主要区域，A区域为上台阶，B区域为下台阶，两个区域依次错开1～2m进行平行钻孔、开挖作业，其优点是分上下两台阶后具有足够的作业空间和较快的施工速度，台阶有利于开挖面的稳定性，尤其是上部开挖支护后，下部作业较为安全。在S2中，两个区域的钻孔顺序均采用从上往下、从两侧向中心钻孔的顺序。在S4-2中，钻臂重新进入孔洞的顺序与S2中钻孔顺序相同，可以保证各钻孔中进行化学腐蚀的时间大致相同、高效利用化学腐蚀性溶液。进行水力切割作业时，每个分区内上排孔洞只沿分区轮廓线进行水平方向的切割工作，下排孔洞除了进行水平方向的切割工作，还需进行竖向切割作业，使每个分区岩块破碎掉落。对图4中a、b两个分区而言，其进行水力切割的顺序：第一排为1→2，第二排为3→1、3→4、4→1、4→5、5→2，区域a、b即可破碎掉落。

如图5所示，一种隧道机械-化学腐蚀-水力切割联合掘进施工机械，该装置包括钻孔装置、水力切割-化学腐蚀装置、止水-回流装置；

其中，所述钻孔装置包括：钻头1、钻臂2，钻头1设置在钻臂2的端部，钻臂为端口带螺纹的可拼装结构；钻头1依据岩体强度选择PDC钻头或金刚石钻头，表面喷涂防腐涂料，钻头1直径比钻臂2直径大6～8mm；以保证钻臂2上喷嘴3的靶距适中、水力切割作业时效率最高；每节钻臂的基础长度为1m，端口具有螺纹，可根据所需开挖步长拼装或拆卸以达到所需长度；喷嘴沿着钻臂轴向每隔25cm安装一组，因此在隧道纵向方向岩块分割区域的长度为25cm。

其中，所述水力切割-化学腐蚀装置包括：供水水箱5、酸性溶液储罐6、三通球阀7、增压泵8、第一智能阀91、第二智能阀92、磨料罐10、混合室11、喷嘴3；水力切割-化学腐蚀装置4放置于靠近掌子面处以减小管道远距离运输高压水或溶液的压力损失；

其中，所述止水-回流装置包括：旋启式止水塞12、截止阀13、回流管14；

钻孔装置与水力切割-化学腐蚀装置的关联在于：钻臂2轴向设置有多个喷嘴(特别的，钻臂2轴向方向上每隔25cm安装一组互成180°的喷嘴3)；三通球阀7的第一端口a连接供水水箱5，第二端口b连接酸性溶液储罐6，第三端口c连接增压泵8；

第一智能阀91一端与增压泵8相连，另一端直接与喷嘴3相连；

第二智能阀92一端与增压泵8相连，另一端与磨料罐10连接，磨料罐10与混合室11连接，混合室11与喷嘴3连接；

其中，所述止水-回流装置与钻孔装置的关联在于：旋启式止水塞12套装于钻臂2尾部，在使用时，旋启式止水塞12与钻孔孔口围岩紧密贴合；截止阀13安装在回流管14上、且设置在靠近旋启式止水塞12一端；回流管14另一端连接酸性溶液储罐6，用于收集残余的酸性溶液。

一种隧道机械-化学腐蚀-水力切割联合掘进施工机械的工作方法，

首先，钻孔装置穿过旋启式止水塞，将旋启式止水塞套在钻臂的尾部；钻孔装置开始钻孔，钻臂到达指定位置处将旋启式止水塞与钻孔孔口围岩紧密贴合；

或者是，钻孔装置开始钻孔，然后在钻臂尾部与钻孔孔口围岩结合处再安装旋启式止水塞(止水-回流装置)；

然后，钻孔结束后，关闭截止阀13：开启第一智能阀91、关闭第二智能阀92，三通球阀7的第一端口a关闭、第二端口b开启，第三端口c开启，增压泵8开启，将酸性溶液储罐6的酸性溶液加压喷射到钻孔内；

再次，待钻孔中有溶液渗出时逐渐抽出钻臂，然后使得旋启式止水塞关闭(主动式、被动式均可(图8采用被动式))，孔洞中酸性溶液充分与围岩反应，达到延伸裂隙、降低岩体强度的目的(此阶段可以钻洞转动钻臂，实质上也类似于“水刀”，可以利用酸性溶液的高喷出速度，给予酸性溶液进入裂隙的压力)；

第四，待一段时间后，打开截止阀，通过回流管14回收酸性溶液；

第五，回收止水-回流装置:酸性溶液回收结束后，将止水-回流装置从钻孔上卸除回收；

第六，将钻孔钻臂重新进入钻孔，启动水力切割装置:关闭第一智能阀91、开启第二智能阀92，三通球阀7的第一端口a开启、第二端口b关闭，第三端口c开启，增压泵8开启，将水通过磨料罐10，水和磨料在混合室11混合，然后从喷嘴3喷出；启动水力切割装置的同时旋转钻臂，对强度降低、裂隙扩展的孔洞洞周围岩进行绕轴360°切割作业，使围岩破碎、掉落；同时，钻臂还沿着钻孔的轴向方向不断往复运动(运动幅度为25cm，即与喷嘴在钻臂上的轴向方向上间隔的距离相同)，以使得水刀的切割面能够移动。

特别的，与其他水切割方法不同，本申请采用间歇性喷水-砂(磨料)的方法(这是发明人在试验时取得的独创性的成果)，即按照t₁-t₂-t₁-t₂………,即“t₁-t₂”循环的方式来进行施工，钻头的直径为D_钻头，钻臂的直径为D_钻臂；钻孔的长度为L，喷嘴的截面积为S，喷嘴在喷水-磨料的速度为V_水-磨料；钻臂上的喷嘴的数量为N；

其中，t₁表示水切割的时间，其确定方法见下式；t₂表示相邻的水切割间隔的时间，其根据实际情况而定，一般取值在2s～20s；

t₁采用下式计算：

α表示修正系数，其值一般在1.0～3.0之间。

特别的，本申请在水切割时，钻臂沿着钻孔的轴向方向往复运动，除了移动切割面外，另外一个功能也是为了加快钻孔内的溶液排出孔外(其功能在于提高t₁、减少t₂)。

需要说明的是，回流管14另一端也可以连接专门的酸性溶液回收系统。

需要说明的是，还包括防爆电机，其作用是为钻臂提供动力。

需要说明的是，所述钻臂2可绕轴自由旋转。

需要说明的是，所述增压泵8可选择额定压力较大的柱塞泵，它直接将机械能转化为输送液体的压力能，并借助工作腔里的容积周期性变化来达到输送液体的目的，根据所需增压的溶液为水或酸性溶液，调节柱塞泵上的压力控制阀即可达到两种溶液不同的压力要求。

需要说明的是，还包括控制器，控制器的输出端与第一智能阀91、第二智能阀、增压泵8、三通球阀7的输入端连接。

需要说明的是，所述旋启式止水塞12边部结构采用遇水膨胀橡胶，使之与钻孔壁更好的贴合。

需要说明的是，所述酸性溶液采用pH＝2的HCl溶液。

需要说明的是：图6为本实施例提供的喷嘴安装位置示意图，该图表示钻臂2的横截面，每组喷嘴互成180°，在水力切割作业过程中钻臂2可绕轴360°旋转，因此可使隧道横截面方向的切割速度加倍。纵、横方向的分区使大断面岩质隧道被分割为体积较小、易于破碎和清除的岩块，从而达到高效、快速掘进岩质隧道的目的。

需要说明的是：图7为本实施例提供的水力切割-化学腐蚀装置结构示意图。5、6分别为供水水箱、酸性溶液储罐，7为三通球阀。三通球阀7的第一端口a与供水水箱5相连，第二端口b与酸性溶液储罐6相连，第三端口c与增压泵8相连。通过控制三通球阀7顶端的手柄位置，可以调节需要增压的液体，即在化学腐蚀阶段，旋转手柄打开第二端口b与第三端口c，可以使酸性溶液通过增压泵增压，进一步压入孔洞中，在水力切割作业阶段，旋转手柄打开第一端口a、第三端口c(三通球阀7也可以采用控制器自动控制)，可使水进入增压泵增压获得高压水。增压泵8根据输入溶液的不同，可通过调节压力控制阀对其增压压力进行调整。第一智能阀91和第二智能阀92分别控制酸性液体或高压磨料射流进入喷嘴，其中智能阀91与三通球阀7的第二端口b、第三端口c开合保持一致，即当增压泵8中进行增压的是酸性溶液，则第一智能阀91自动打开，酸性溶液增压后直接进入喷嘴3和钻孔中；第二智能阀92与三通球阀7的第一端口a、第三端口c开合保持一致，即当增压泵8中进行增压的是水，则第二智能阀92自动打开，高压水经过增压后分为两路，一路为平衡水路直接进入混合室11，另一路为引射水路，经过磨料罐10后再进入混合室11，达到磨料与水的充分混合，而后进入喷嘴3进行水力切割作业。

图8为本实施例提供的止水-回流装置工作原理示意图，其中12为旋启式止水塞，121为止水塞内的阀瓣，13为截止阀，14为回流管。左图表示钻臂逐渐从钻孔中抽离时的工作示意图，此时由于在向钻孔中持续性输入酸性溶液且钻臂处于插入状态，因此阀瓣121在水压及钻臂的控制下始终处于向上旋启的状态，截止阀13为关闭状态。右图表示钻臂完全与钻孔分离后止水-回流装置工作示意图，此时在水压压力差的作用下阀瓣121处于关闭状态，因此酸性溶液能充分的与围岩反应。由于旋启式止水塞外部结构采用遇水膨胀橡胶，其膨胀后能与洞壁更紧密的贴合。待化学腐蚀阶段完成后，打开截止阀13，酸性溶液即可通过回流管14进入酸性溶液储罐6或者是进入专用的回收系统，经过处理后再到达酸性溶液储罐6，达到溶液的有效回收再利用。

以上所举实施例为本申请的较佳实施方式，仅用来方便说明本申请，并非对本申请作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本申请所提技术特征的范围内，利用本申请所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本申请的技术特征内容，均仍属于本申请技术特征的范围内。

Claims (8)

1.一种隧道机械-化学腐蚀-水力切割联合掘进施工方法，其特征在于，包括以下施工步骤：

S2，进行机械钻孔；

S3，安装止水-回流装置，启动化学腐蚀装置并关闭截止阀；

具体包括：

S3-1，在钻孔孔口安装止水-回流装置，并使止水塞与钻孔周围围岩紧密贴合；

S3-2，启动化学腐蚀装置，将酸性溶液增压后通过喷嘴注入钻孔中；

S3-3，待钻孔中有溶液渗出时逐渐抽出钻臂，此时旋启式止水塞在水压力作用下自动关闭并与围岩紧密贴合，孔洞中酸性溶液充分与围岩反应，达到延伸裂隙、降低岩体强度的目的；

S4，打开截止阀回收酸性溶液，启动水力切割装置进行切割作业；

具体包括：

S4-1，待整个隧道断面所有分区完成S2、S3，待岩体与酸性溶液充分反应；后打开分区内的截止阀，使酸性溶液通过回流管进入酸性溶液储罐；

S4-2，钻臂重新进入钻孔，启动水力切割装置的同时旋转钻臂，按照分区轮廓线对强度已降低、裂隙扩展的孔洞洞周围岩进行绕轴360°切割作业，使围岩破碎、掉落。

2.根据权利要求1所述的隧道机械-化学腐蚀-水力切割联合掘进施工方法，其特征在于：

还包括：步骤S1，确定打孔位置；

具体包括：

S1-1，根据即将开挖隧道的断面大小将其划分为大断面和小断面隧道：所述隧道断面面积小于或等于50m²的为小断面隧道，大于50m²的为大断面隧道；

S1-2，利用地质分析法及地质雷达超前预报技术分析隧道围岩力学特性和岩体完整程度，实现对围岩的快速分级；

S1-3，根据断面大小和隧道围岩分级情况，确定隧道的开挖方法、隧道断面的开挖步长、孔距和排距情况。

3.根据权利要求2所述的隧道机械-化学腐蚀-水力切割联合掘进施工方法，其特征在于：对于S2，还包括：根据步骤S1确定的打孔位置进行机械成孔。

4.根据权利要求1所述的隧道机械-化学腐蚀-水力切割联合掘进施工方法，其特征在于：

S2还包括：小断面隧道的钻孔顺序为从下往上、从两侧向中心，即在不同排钻孔中先开凿断面中位置较低处的钻孔，再开凿断面中位置较高处的钻孔，在同一排钻孔中先开凿两侧隧道轮廓处的钻孔，再逐渐向隧道中心处钻孔。

5.根据权利要求4所述的隧道机械-化学腐蚀-水力切割联合掘进施工方法，其特征在于：

S2还包括：围岩分级为Ⅰ～Ⅲ级的大断面隧道的钻孔顺序为从下往上、从两侧向中心，即在不同排钻孔中先开凿断面中位置较低处的钻孔，再开凿断面中位置较高处的钻孔，在同一排钻孔中先开凿两侧隧道轮廓处的钻孔，再逐渐向隧道中心处钻孔。

6.根据权利要求5所述的隧道机械-化学腐蚀-水力切割联合掘进施工方法，其特征在于：

S2还包括：围岩分级为Ⅳ～Ⅴ级的大断面隧道的钻孔顺序为分A、B两个台阶分别从上往下、从两侧向中心，即在A、B两个区域中，不同排钻孔中先开凿断面中位置较高处的钻孔，再开凿断面中位置较低处的钻孔，在同一排钻孔中先开凿两侧隧道轮廓处的钻孔，再逐渐向隧道中心处钻孔。

7.根据权利要求2所述的隧道机械-化学腐蚀-水力切割联合掘进施工方法，其特征在于，S1-3中根据断面大小和围岩分级情况，使用的隧道开挖方法、开挖步长、孔距和排距情况采用下表：

8.根据权利要求2所述的隧道机械-化学腐蚀-水力切割联合掘进施工方法，其特征在于：

S4-2中还包括：钻臂重新进入钻孔的顺序与S2中钻孔的顺序保持一致；

其中，小断面隧道：隧道切割岩块的顺序采用先下后上、先两侧再中心的顺序；

其中，围岩分级为Ⅰ～Ⅲ级的大断面隧道切割岩块的顺序采用先下后上、先两侧再中心的顺序；

其中，围岩分级为Ⅳ～Ⅴ级的大断面隧道切割岩块的顺序采用先上后下、先两侧再中心的顺序。

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