CN112627841B - 一种利用温差效应的隧道超前钻孔破岩方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用温差效应的隧道超前钻孔破岩方法，步骤包括确定掌子面布孔位置，由圆心向四周呈放射状共布置四层孔位，布置的孔位使孔位成“米”字分布；采用间隔法按照由内向外的顺序在孔位进行钻孔；利用电磁线圈加热的方法对由内而外第二层以及最外层孔洞处的岩体进行加热升温；在圆心处的孔洞和第三层的孔洞中迅速加入干冰或者液氮；破岩清理工作。本发明运用温差的物理方法使硬岩破裂并逐渐丧失强度，可以有效地加快盾构机的掘进速度，并且采用电磁加热以及干冰降温的方法不仅施工简单而且降低了盾构机在硬岩掘进过程中导致的刀具损坏所引起的成本增加的问题，且整个硬岩破裂过程稳定且不会出现突发情况，提高了施工质量。

Description

一种利用温差效应的隧道超前钻孔破岩方法

技术领域

本发明涉及一种利用温差效应的隧道超前钻孔破岩方法,尤其涉及在盾构机掘进中碰到硬岩的过程中利用温差效应的隧道超前钻孔破岩方法，属于岩土工程技术领域。

背景技术

进入新世纪以来，我国城市的发展规模和人口流入量不断加快，当前，我国的轨道交通业也迎来了高速发展时期，很多一线城市都已经开通了地铁,目前为了加快建设速度，隧道开挖常使用盾构机这一种自动化程度高、安全高效的大型机器，但是在盾构机掘进的过程中，经常遇到类似于花岗岩一类的硬岩，这给盾构机的掘进带来了不小的困难，在硬岩中掘进，盾构机的刀具必须有较高的耐磨性和一定的韧性，否则，刀具磨损快会造成频繁换刀，使成本加大，此外若刀具强度太高遇到硬岩也会崩刃，由于岩层强度高且存在软硬岩不均的现象，因此在掘进中盾构机姿态难以控制，且由于岩石强度高，切削围岩时反力矩大，容易使盾体发生旋转，这些都是盾构机在掘进过程中碰到硬岩时所遇到的问题，这不仅会加大施工的成本，拖延施工的进度，还会给工程质量带来一定的隐患，因此，需要一种行之有效的方法，来破除盾构机掘进过程中所遇到的硬岩，从而使盾构机可以更加顺利的通过硬岩，以达到加快施工速度，提高施工质量，降低施工成本的目的。

发明内容

本发明针对上述问题，提供了一种利用温差效应的隧道超前钻孔破岩方法，能够有效地对盾构机掘进过程中掌子面处的硬岩进行破除。本发明运用温差的物理方法使硬岩破裂并逐渐丧失强度，可以有效地加快盾构机的掘进速度，并且采用电磁加热以及干冰降温的方法不仅施工简单而且降低了盾构机在硬岩掘进过程中导致的刀具损坏所引起的成本增加的问题，且整个硬岩破裂过程稳定且不会出现突发情况，提高了施工质量。本发明的技术方案如下：

一种利用温差效应的隧道超前钻孔破岩方法，具体步骤如下：

步骤一：确定掌子面布孔位置，由圆心向四周呈放射状共布置四层孔位，布置的孔位使孔位成“米”字分布，除圆心处的孔位外，其余三层的孔位数均为8个；这样均匀的布置孔位使孔位成“米”字分布，在后续的加热降温的过程中可以最大限度的使温度效应影响到整个掌子面，进而可以使孔位间的岩石由于温度效应产生的裂缝充分发展达到最大，更加有利于破岩。优选的，掌子面直径为7m时，每相邻层孔位的最小距离为2.3m。

步骤二：采用间隔法按照由内向外的顺序在孔位进行钻孔；优选的，钻孔的直径为360mm，钻孔深度为3-5m。

步骤三：钻孔完成之后，利用电磁线圈加热的方法对由内而外第二层以及最外层孔洞处的岩体进行加热升温；根据具体岩石类型选择温度设计值，当温度达到设计值后维持恒温（通常设计值为800℃-1000℃）；

步骤四：在圆心处的孔洞和第三层的孔洞中迅速加入干冰或者液氮，使孔洞范围中的岩体温度急剧下降，从而制造温差效应和温度应力致使岩体破裂；

步骤五：破岩清理工作。

进一步的，步骤三中所述电磁线圈加热的方法为：利用圆柱形含铁质容器，并搭配电磁线圈插入到孔洞中，接通电源之后含铁质容器迅速升温并且通过热传导的方式将热量源源不断的传输到孔洞周围的岩体中，岩体在温度的作用下产生岩体温度应力，这是一种由于热胀冷缩而产生的应力，对于一般岩体，温度每升高1度，就可以产生0.4-0.5MPa的温度应力，随着孔洞周围岩体温度的不断升高，孔洞周围的温度应力也在不断的上升，孔洞周围的岩石也在不断的膨胀。当温度根据岩体强度达到一定的设计值后，在圆心处的孔洞和第三层的孔洞中迅速加入干冰或者液氮，使孔洞范围中的岩体温度急剧下降，该处的孔洞与加热处的孔洞之间形成巨大的温度差，从而使岩体中的温度应力进一步加大，在热胀冷缩作用下产生的巨大内力一旦超过岩体的强度，就会在孔洞周围出现岩体的破坏即裂纹的产生，整个掌子面上的岩体强度大幅降低，此时破岩清理工作和盾构机的继续掘进就可以顺利的进行了。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

与传统应对盾构机在掘进过程中遇到硬岩的方法相比，本发明通过利用岩体的热胀冷缩所产生的温度应力以及所产生的膨胀变形，借用岩体的内力对硬岩进行破坏，更加实用高效；该物理方法相较于其他方法其反应稳定，安全可靠并且不会对周边岩体造成破坏，很大限度的保证了施工质量，还可以减少对施工环境的污染；其施工工艺操作简单，大大提高了施工速度，缩短了施工工期，在施工过程中所需要的材料获取方便并且工艺成熟，有效的减少了施工成本，此外由于各类岩体都存在热膨胀这一物理性质，所以该方法适用范围更广，不仅适应于各种硬岩，对于一些软硬相交的岩体也同样适用。

附图说明

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

图1为本发明方法的施工平面图；

图2为本发明方法中电磁加热装置的正视图。

其中，1需要使用电磁加热的第二层和最外层孔洞；2需要加入干冰或液氮降温的圆心处和第三层孔洞；3掌子面处的硬岩；4含铁质圆柱形容器；5电磁线圈。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

实施例：

一种利用温差效应的隧道超前钻孔破岩方法，步骤如下：

步骤一：确定掌子面硬岩3的布孔位置，由圆心向四周呈放射状共布置四层孔位，布置的孔位使孔位成“米”字分布，除圆心处的孔位外，其余三层的孔位数均为8个；对于直径为7m的掌子面，每相邻层孔位的最小距离为2.3m；这样均匀的布置孔位使孔位成“米”字分布，在后续的加热降温的过程中可以最大限度的使温度效应影响到整个掌子面，进而可以使孔位间的岩石由于温度效应产生的裂缝充分发展达到最大，更加有利于破岩。

步骤二：采用间隔法按照由内向外的顺序在孔位进行钻孔；优选的，钻孔的直径为360mm，钻孔深度为4m。

步骤三：钻孔完成之后，利用电磁线圈加热的方法对由内而外第二层以及最外层孔洞处的岩体进行加热升温；当温度根据岩体强度达到一定的设计值后维持恒温（通常设计值为800℃-1000℃）；需要使用电磁加热的由内而外的第二层和最外层孔洞1如图1所示；所述电磁线圈加热的方法，如图2所示，利用圆柱形含铁质容器4，并搭配电磁线圈5插入到孔洞中，接通电源之后含铁质容器迅速升温并且通过热传导的方式将热量源源不断的传输到孔洞周围的岩体中，岩体在温度的作用下产生岩体温度应力，这是一种由于热胀冷缩而产生的应力，对于一般岩体，温度每升高1度，就可以产生0.4-0.5MPa的温度应力，随着孔洞周围岩体温度的不断升高，孔洞周围的温度应力也在不断的上升，孔洞周围的岩石也在不断的膨胀。

步骤四：在圆心处的孔洞和第三层的孔洞中迅速加入干冰或者液氮，使孔洞范围中的岩体温度急剧下降，从而制造温差效应和温度应力致使岩体破裂；需要加入干冰或液氮降温的圆心处和第三层孔洞2如图1所示；步骤四使孔洞范围中的岩体温度急剧下降，该处的孔洞与步骤三加热处的孔洞之间形成巨大的温度差，从而使岩体中的温度应力进一步加大，在热胀冷缩作用下产生的巨大内力一旦超过岩体的强度，就会在孔洞周围出现岩体的破坏即裂纹的产生，整个掌子面上的岩体强度大幅降低；

步骤五：破岩清理工作。

Claims (2)

1.一种利用温差效应的隧道超前钻孔破岩方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一：确定掌子面布孔位置，由圆心向四周呈放射状共布置四层孔位，布置的孔位使孔位成“米”字分布，除圆心处的孔位外，其余三层的孔位数均为8个；

步骤二：采用间隔法按照由内向外的顺序在孔位进行钻孔；

步骤三：钻孔完成之后，利用电磁线圈加热的方法对由内而外第二层以及最外层孔洞处的岩体进行加热升温；根据具体岩石类型选择温度设计值，当温度达到设计值后维持恒温；

步骤四：在圆心处的孔洞和第三层的孔洞中迅速加入干冰或者液氮；

步骤五：破岩清理工作；

所述步骤一中掌子面直径为7m时，每相邻层孔位的最小距离为2.3m；

所述步骤二中钻孔的直径为360mm，钻孔深度为3-5m。

2.根据权利要求1所述利用温差效应的隧道超前钻孔破岩方法，其特征在于，所述步骤三中所述电磁线圈加热的方法为：利用圆柱形含铁质容器，并搭配电磁线圈插入到孔洞中。

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