CN112432566A - 一种大断面隧道全断面快速开挖方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及隧道技术领域，且公开了一种大断面隧道全断面快速开挖方法，采用一种包括仰拱在内的全断面一次成型开挖施工技术，实现了拱顶沉降、周边位移及应力值相差最小，有效解决了施工满足围岩稳定性及安全性的相关要求，实现最大程度上加快开挖施工进度。

Description

一种大断面隧道全断面快速开挖方法

技术领域

本发明涉及隧道技术领域，具体为一种大断面隧道全断面快速开挖方法。

背景技术

隧道是埋置于地层内的工程建筑物，是人类利用地下空间的一种形式，隧道可分为交通隧道、水工隧道、市政隧道、矿山隧道、军事隧道，1970年国际经济合作与发展组织召开的隧道会议综合了各种因素，对隧道所下的定义为：“以某种用途、在地面下用任何方法按规定形状和尺寸修筑的断面积大于2平方米的洞室。”隧道的结构包括主体建筑物和附属设备两部分。主体建筑物由洞身和洞门组成，附属设备包括避车洞、消防设施、应急通讯和防排水设施，长的隧道还有专门的通风和照明设备。

当隧道工程中开挖断面较大的时候，称为大断面，在施工工程中，大断面隧道开挖受力较为不利，由于开挖断面积的增大，施工难度也急剧增加，特别是对一般地质条件下的初期支护技术和不良地质条件下的超前支护技术，提出来很高的要求，因此，在大断面的条件下要特别关注初期支护和超前支护的质量；开挖底部转角处应力容易过度集中，要求的地基承载力也会较高；松弛荷载较大，开挖宽度和开挖高度越大，则要求成拱效应的的条件越高，在埋深不够处，会产生很大的松弛荷载；支护结构需要承载的力相对较小。传统隧道断面开挖爆破分两次进行，仰拱二次爆破开挖时对围岩及上部初期支护产生二次扰动，降低了围岩自身的承载力，易引发安全事故。仰拱二次爆破开挖用时长，增加了隧道的施工工期，容易造成安全步距超标，无法实现快速施工的技术难题。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种大断面隧道全断面快速开挖方法，具备围岩稳定性及安全性高、风钻打孔高效等优点，解决了背景技术提出的问题。

(二)技术方案

为实现上述围岩稳定性及安全性高、风钻打孔高效的目的，本发明提供如下技术方案：一种大断面隧道全断面快速开挖方法，包括以下步骤：

步骤一、施工准备

(1)对需要施工的地质进行探测预报，确定地质适合采用全断面法施工，并准备好钻孔凿岩台车。

(2)对需要施工部分进行量测。

(3)利用隧道内部分石砟将隧道底部整平，为施工提供作业平台，平台标高控制好，便于开挖台车就位。

步骤二、钻爆设计

(1)考虑隧道围岩的整体性、岩性、开挖断面大小、队伍施钻水平、钻眼机具、开挖进尺、爆破器材，爆破的震动强度、对围岩的扰动等因素进行爆破参数设计。

(2)钻爆设计应包括各类炮眼(掏槽眼、辅助眼、周边眼、底板眼)的布置、深度、斜率和数量，爆破器材、装药量和装药结构，起爆方法和顺序，钻眼机具和钻眼要求，主要技术经济指标及必要的说明等。

(3)掏槽眼的布设方式和掏槽大小对爆破创设临空面和爆破效果起到关键的影响，掏槽方式和掏槽位置的选择可根据断面大小，炮眼数量、设定的掘进进尺综合考虑后来选择。一般采用斜眼掏槽或直眼掏槽。

(4)周边眼沿隧道开挖轮廓线布置，保证开挖断面符合施工图要求；掘进眼交错均匀布置在内圈眼与掏槽眼之间，力求爆破出的石渣块度适合装渣的需求；周边眼、内圈眼与辅助眼的孔底保持在同一垂直面上，采用光面爆破。

(5)仰拱部位炮眼钻孔要利用凿岩台车进行斜向打眼，采用预先输入数据，电脑自动控制钻孔的角度及深度，确保仰拱部分与上部断面一次爆破成型。

(6)周边眼应使用小直径药卷，采用间隔装药结构，并用竹片将药卷与围岩隔开，其它炮眼采用连续装药结构，一般采用较大直径药卷。

步骤三、布置炮眼

(1)根据爆破设计布置各类炮眼，并用明显的标志标记在掌子面开挖轮廓线内。仰拱范围内的炮眼，通过在拉槽范围内斜向打眼的方式进行。

(2)钻孔采用三臂凿岩台车实施，自动定位、钻孔、控制孔深。

步骤四、进行爆破

(1)进行爆破，从掏槽眼开始，一层一层从截面中心向外起爆，最后是周边眼爆破，具体为掏槽眼先爆，接着为辅助眼，再接着为周边眼，最后是底板眼。根据现场人工装药的方便及非电毫秒雷管的延时误差，确定合理的起爆时差。

(2)爆破过程中，对爆破的各项数据进行记录、分析并修正，确定最佳的钻爆参数。

步骤五、通风排烟

对爆破后的隧道内进行通风排烟。

步骤六、排险除渣

(1)对开挖断面质量进行检查，并进行地质素描和地质状况判定。检查结果满足验标和规范要求，方可进行下道工序施工，否则应对开挖轮廓表面局部存在欠挖的部位进行处理，直至合格为止。

(2)装运机械就位，将爆破产生的多余碎渣运走。

步骤七、监控量测

建立相应的质量保证体系。在施作初期支护的同时，进行量测断面及量测点的布置，及时采集初始量测基础数据，并按照方案要求的频率进行后续监测，及时分析处理监测数据，并及时将结果反馈到施工过程中指导现场施工。

优选的，步骤一中，平台标高控制在仰拱底以上1至1.2米左右，纵向长度控制在5至7米左右，便于开挖台车就位。

优选的，步骤三中，在极硬岩作业时，周边眼间距应控制在50至60厘米之间，周边眼抵抗线长度应控制在55至75厘米之间，周边眼的相对距离系数应控制在0.8至0.85之间；在硬岩作业时，周边眼间距应控制在40至55厘米之间，周边眼抵抗线长度应控制在50至60厘米之间，周边眼的相对距离系数应控制在0.8至0.85之间；在软质岩作业时，周边眼间距应控制在30至45厘米之间，周边眼抵抗线长度应控制在45至60厘米之间，周边眼的相对距离系数应控制在0.75至0.8之间。

优选的，步骤三中，掏槽钻孔应加深10至20厘米，炮眼眼口用炮泥堵塞，炮泥堵塞长度应大于30厘米。

优选的，所述装药结构用于控制装药量，包括：

S1，根据以下公式计算出预计装药量M：

其中，M代表预计装药量,ρ代表装药密度，α代表换算系数，0.9≤α≤1.14，v代表爆速，π代表自然常数，h代表装药高度，ρ_c代表炸药原始质量密度，r代表炮眼的半径，R代表炸药爆破的作用半径；

S2，所述装药结构根据控制装药量按照计算的预计装药量进行装药。

(三)有益效果

与现有技术对比，本发明具备以下有益效果：

1、该种大断面隧道全断面快速开挖方法，采用一种包括仰拱在内的全断面一次成型开挖施工技术，实现了拱顶沉降、周边位移及应力值相差最小，有效解决了施工满足围岩稳定性及安全性的相关要求，实现最大程度上加快开挖施工进度。

附图说明

图1为本发明一种大断面隧道全断面快速开挖方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

实施例

请参阅图1，一种大断面隧道全断面快速开挖方法，包括以下步骤：

步骤一、施工准备

(1)对需要施工的地质进行探测预报，确定地质适合采用全断面法施工，并准备好钻孔凿岩台车。

(2)对需要施工部分进行量测。

(3)利用隧道内部分石砟将隧道底部整平，为施工提供作业平台，平台标高控制好，便于开挖台车就位。

步骤二、钻爆设计

(1)考虑隧道围岩的整体性、岩性、开挖断面大小、队伍施钻水平、钻眼机具、开挖进尺、爆破器材，爆破的震动强度、对围岩的扰动等因素进行爆破参数设计。

(2)钻爆设计应包括各类炮眼(掏槽眼、辅助眼、周边眼、底板眼)的布置、深度、斜率和数量，爆破器材、装药量和装药结构，起爆方法和顺序，钻眼机具和钻眼要求，主要技术经济指标及必要的说明等。

(3)掏槽眼的布设方式和掏槽大小对爆破创设临空面和爆破效果起到关键的影响，掏槽方式和掏槽位置的选择可根据断面大小，炮眼数量、设定的掘进进尺综合考虑后来选择。一般采用斜眼掏槽或直眼掏槽。

(4)周边眼沿隧道开挖轮廓线布置，保证开挖断面符合施工图要求；掘进眼交错均匀布置在内圈眼与掏槽眼之间，力求爆破出的石渣块度适合装渣的需求；周边眼、内圈眼与辅助眼的孔底保持在同一垂直面上，掏槽钻孔应加深10至20厘米，炮眼眼口用炮泥堵塞，炮泥堵塞长度应大于30厘米，采用光面爆破，在极硬岩作业时，周边眼间距应控制在50至60厘米之间，周边眼抵抗线长度应控制在55至75厘米之间，周边眼的相对距离系数应控制在0.8至0.85之间；在硬岩作业时，周边眼间距应控制在40至55厘米之间，周边眼抵抗线长度应控制在50至60厘米之间，周边眼的相对距离系数应控制在0.8至0.85之间；在软质岩作业时，周边眼间距应控制在30至45厘米之间，周边眼抵抗线长度应控制在45至60厘米之间，周边眼的相对距离系数应控制在0.75至0.8之间。

(5)仰拱部位炮眼钻孔要利用凿岩台车进行斜向打眼，采用预先输入数据，电脑自动控制钻孔的角度及深度，确保仰拱部分与上部断面一次爆破成型。

(6)周边眼应使用小直径药卷，采用间隔装药结构，并用竹片将药卷与围岩隔开，其它炮眼采用连续装药结构，一般采用较大直径药卷。

步骤三、布置炮眼

(1)根据爆破设计布置各类炮眼，并用明显的标志标记在掌子面开挖轮廓线内。仰拱范围内的炮眼，通过在拉槽范围内斜向打眼的方式进行。

(2)钻孔采用三臂凿岩台车实施，自动定位、钻孔、控制孔深。

步骤四、进行爆破

(1)进行爆破，从掏槽眼开始，一层一层从截面中心向外起爆，最后是周边眼爆破，具体为掏槽眼先爆，接着为辅助眼，再接着为周边眼，最后是底板眼。根据现场人工装药的方便及非电毫秒雷管的延时误差，确定合理的起爆时差。

(3)爆破过程中，对爆破的各项数据进行记录、分析并修正，确定最佳的钻爆参数。

步骤五、通风排烟

对爆破后的隧道内进行通风排烟。

步骤六、排险除渣

(1)对开挖断面质量进行检查，并进行地质素描和地质状况判定。检查结果满足验标和规范要求，方可进行下道工序施工，否则应对开挖轮廓表面局部存在欠挖的部位进行处理，直至合格为止。

(2)装运机械就位，将爆破产生的多余碎渣运走。

步骤七、监控量测

建立相应的质量保证体系。在施作初期支护的同时，进行量测断面及量测点的布置，及时采集初始量测基础数据，并按照方案要求的频率进行后续监测，及时分析处理监测数据，并及时将结果反馈到施工过程中指导现场施工。

在本实施例中，装药结构用于控制装药量，包括：

S1，根据以下公式计算出预计装药量M：

其中，M代表预计装药量,ρ代表装药密度，α代表换算系数，0.9≤α≤1.14，v代表爆速，π代表自然常数，h代表装药高度，ρ_c代表炸药原始质量密度，r代表炮眼的半径，R代表炸药爆破的作用半径；

S2，所述装药结构根据控制装药量按照计算的预计装药量进行装药。

有益效果：通过以上技术方案计算出炸药的装药密度，根据装药密以及炸药爆破的作用半径等计算出炸药的装药量，从而采用适量的炸药进行爆破，从而使药包爆轰传播来的应力波互相叠加，造成应力极高状态，因而使破坏区的介质破坏效果大为改善，以上算法通过考虑装药密度、换算系数及爆速等多因素计算出装药量，从而使计算结果更为准确，使得计算结果误差更小，根据计算出的装药量进行控制炸药的填装，从而节省了炸药用量,防止药末过多产生飞溅带来的实验环境污染，使得爆炸能量利用将更充分、合理，减少了爆炸产生的有毒气体，通过装入合理的药量从而提升了实验的效率，提高了的安全性能，防止了因为药末过多产生飞溅导致引爆时的危险，从而实现最大程度上加快开挖施工进度。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种大断面隧道全断面快速开挖方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、施工准备

(1)对需要施工的地质进行探测预报，确定地质适合采用全断面法施工，并准备好钻孔凿岩台车；

(2)对需要施工部分进行量测；

(3)利用隧道内部分石砟将隧道底部整平，为施工提供作业平台，平台标高控制好，便于开挖台车就位；

步骤二、钻爆设计

(1)考虑隧道围岩的整体性、岩性、开挖断面大小、队伍施钻水平、钻眼机具、开挖进尺、爆破器材，爆破的震动强度、对围岩的扰动等因素进行爆破参数设计；

(2)钻爆设计应包括各类炮眼(掏槽眼、辅助眼、周边眼、底板眼)的布置、深度、斜率和数量，爆破器材、装药量和装药结构，起爆方法和顺序，钻眼机具和钻眼要求，主要技术经济指标及必要的说明等；

(3)掏槽眼的布设方式和掏槽大小对爆破创设临空面和爆破效果起到关键的影响，掏槽方式和掏槽位置的选择可根据断面大小，炮眼数量、设定的掘进进尺综合考虑后来选择。一般采用斜眼掏槽或直眼掏槽；

(4)周边眼沿隧道开挖轮廓线布置，保证开挖断面符合施工图要求；掘进眼交错均匀布置在内圈眼与掏槽眼之间，力求爆破出的石渣块度适合装渣的需求；周边眼、内圈眼与辅助眼的孔底保持在同一垂直面上，采用光面爆破；

(5)仰拱部位炮眼钻孔要利用凿岩台车进行斜向打眼，采用预先输入数据，电脑自动控制钻孔的角度及深度，确保仰拱部分与上部断面一次爆破成型；

(6)周边眼应使用小直径药卷，采用间隔装药结构，并用竹片将药卷与围岩隔开，其它炮眼采用连续装药结构，一般采用较大直径药卷；

步骤三、布置炮眼

(1)根据爆破设计布置各类炮眼，并用明显的标志标记在掌子面开挖轮廓线内；仰拱范围内的炮眼，通过在拉槽范围内斜向打眼的方式进行；

(2)采用三臂凿岩台车进行钻孔；

步骤四、进行爆破

(1)进行爆破，从掏槽眼开始，一层一层从截面中心向外起爆，最后是周边眼爆破，具体为掏槽眼先爆，接着为辅助眼，再接着为周边眼，最后是底板眼。根据现场人工装药的方便及非电毫秒雷管的延时误差，确定合理的起爆时差；

(2)爆破过程中，对爆破的各项数据进行记录、分析并修正，确定最佳的钻爆参数；

步骤五、通风排烟

对爆破后的隧道内进行通风排烟；

步骤六、排险除渣

(1)对开挖断面质量进行检查，并进行地质素描和地质状况判定；检查结果满足验标和规范要求，方可进行下道工序施工，否则应对开挖轮廓表面局部存在欠挖的部位进行处理，直至合格为止；

(2)装运机械就位，将爆破产生的多余碎渣运走；

步骤七、监控量测

建立相应的质量保证体系；在施作初期支护的同时，进行量测断面及量测点的布置，及时采集初始量测基础数据，并按照方案要求的频率进行后续监测，及时分析处理监测数据，并及时将结果反馈到施工过程中指导现场施工。

2.根据权利要求1所述的一种大断面隧道全断面快速开挖方法，其特征在于，步骤一中，平台标高控制在仰拱底以上1至1.2米左右，纵向长度控制在5至7米左右，便于开挖台车就位。

3.根据权利要求1所述的一种大断面隧道全断面快速开挖方法，其特征在于，步骤二中，在极硬岩作业时，周边眼间距应控制在50至60厘米之间，周边眼抵抗线长度应控制在55至75厘米之间，周边眼的相对距离系数应控制在0.8至0.85之间；在硬岩作业时，周边眼间距应控制在40至55厘米之间，周边眼抵抗线长度应控制在50至60厘米之间，周边眼的相对距离系数应控制在0.8至0.85之间；在软质岩作业时，周边眼间距应控制在30至45厘米之间，周边眼抵抗线长度应控制在45至60厘米之间，周边眼的相对距离系数应控制在0.75至0.8之间。

4.根据权利要求1所述的一种大断面隧道全断面快速开挖方法，其特征在于，步骤二中，掏槽钻孔应加深10至20厘米，炮眼眼口用炮泥堵塞，炮泥堵塞长度应大于30厘米。

5.根据权利要求1所述的一种大断面隧道全断面快速开挖方法，其特征在于，所述装药结构用于控制装药量，包括：

S1，根据以下公式计算出预计装药量M：

其中，M代表预计装药量,ρ代表装药密度，α代表换算系数，0.9≤α≤1.14，v代表爆速，π代表自然常数，h代表装药高度，ρ_c代表炸药原始质量密度，r代表炮眼的半径，R代表炸药爆破的作用半径；

S2，所述装药结构根据控制装药量按照计算的预计装药量进行装药。

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