CN113605899A - 一种基于水力冲击破碎与静力破碎的隧道开挖方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于水力冲击破碎与静力破碎的隧道开挖方法，解决了现有技术中隧道施工爆破环境存在安全隐患的问题，具有降低安全隐患，降低空气污染的问题，且有利于提高施工效率的有益效果，具体方案如下：一种基于水力冲击破碎与静力破碎的隧道开挖方法，包括在隧道掌子面进行定位放线确定隧道开挖位置和方向；待定位放线后，对隧道掌子面进行水力冲击，切割出隧道开挖轮廓线，使得开挖岩体与围岩分离；在隧道掌子面进行钻孔，并在钻孔内放置静力破碎剂，待静力破碎剂膨胀后使得开挖岩体破碎。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程施工技术领域，尤其是一种基于水力冲击破碎与静力破碎的隧道开挖方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
21世纪是地下空间大量开发利用的一个世纪，随着我国经济的迅速发展，对交通的需求日益增长，国家不断加大公路、铁路、市政等基础设施建设的力度，隧道工程迎来了蓬勃发展阶段。隧道建设全过程朝着更加安全、高效、环保的方向不断优化。
根据发明人了解，目前钻爆法是隧道的主要开挖方式，根据隧道的设计要求，结合隧道自身的形状、结构、地质勘查资料，利用挖孔埋设炸药爆破的方法，不断破碎前方岩石，从而实现隧道的贯通。但这种方法存在爆破程度无法掌握易形成断面的超挖欠挖，爆破带来极大震动不利于发挥隧道围岩自稳能力，周围建筑物受震动扰动，施工环境恶劣等问题，部分碎石飞溅带来安全隐患和隧道内爆破会产生空气污染等问题，而且无法实现隧道安全、高效、环保的掘进。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于水力冲击破碎与静力破碎的隧道开挖方法，根据水力冲击切割使岩体破裂实现隧道需要开挖的岩体与围岩分离，静力破碎剂固化使岩石破碎。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
一种基于水力冲击破碎与静力破碎的隧道开挖方法，包括如下内容：
在隧道掌子面进行定位放线确定隧道开挖位置和方向；
待定位放线后，对隧道掌子面进行水力冲击，切割出隧道开挖轮廓线，使得开挖岩体与围岩分离；
在隧道掌子面进行钻孔，并在钻孔内放置静力破碎剂，待静力破碎剂膨胀后使得开挖岩体破碎。
上述的隧道开挖方法，在定位放线后，通过水力冲击切割出隧道开挖轮廓线，能够使得围岩与开挖岩体分离，避免对围岩的扰动；再通过钻孔注入静力破碎剂，待静力破碎剂膨胀后使得开挖岩体破碎，有利于减少隧道洞内粉尘，有利于改善隧道开挖的施工环境。
如上所述的一种基于水力冲击破碎与静力破碎的隧道开挖方法，在隧道掌子面进行定位放线，确定水力冲击的隧道轮廓线和所述钻孔的位置；
隧道轮廓线包括隧道内轮廓线、隧道外轮廓线，隧道外轮廓线即为速到所述的隧道开挖轮廓线。
如上所述的一种基于水力冲击破碎与静力破碎的隧道开挖方法，针对确定的所述隧道内轮廓线，为了便于水力冲击对隧道掌子面进行切割，所述水力冲击的方向与隧道掌子面呈设定角度，并与隧道外轮廓线形成切割锐角；
在水力冲击完成后，隧道内轮廓线、隧道外轮廓线与隧道掌子面成楔形体，并清除楔形体。
如上所述的一种基于水力冲击破碎与静力破碎的隧道开挖方法，针对确定的所述隧道外轮廓线，所述水力冲击的方向垂直于隧道掌子面方向，以保证隧道外轮廓线，不会过多的切割到围岩。
如上所述的一种基于水力冲击破碎与静力破碎的隧道开挖方法，通过水枪进行所述的水力冲击，水枪为高压水枪，即其喷射出高压水射流，能够使得岩体沿射流方向发生破裂。
如上所述的一种基于水力冲击破碎与静力破碎的隧道开挖方法，所述水枪包括用于形成水射流的切割头，切割头通过管路与水泵连接，水泵设于供水部件内，水泵为切割头提供所需的水量并产生必要的工作压力。
如上所述的一种基于水力冲击破碎与静力破碎的隧道开挖方法，对所述隧道掌子面钻孔后，为保证静力破碎剂能够充分发挥作用，对钻孔内部进行清理残渣。
如上所述的一种基于水力冲击破碎与静力破碎的隧道开挖方法，所述静力破碎剂的安置方法，包括如下内容：
将粉状静力破碎剂加入适量水调成流动状浆体，注入钻孔中；
设定时间后，静力破碎剂固化膨胀对周围岩体施加膨胀力使开挖岩体胀裂；
注入静力破碎剂后，作业人员保持安全距离。
如上所述的一种基于水力冲击破碎与静力破碎的隧道开挖方法，所述待静力破碎剂固化膨胀后，清理胀裂的岩石碎渣，并对隧道进行支护。
如上所述的一种基于水力冲击破碎与静力破碎的隧道开挖方法，所述切割头通过多自由度机器人来支撑；
机器人或机械台安装于能够移动的固定架，随着隧道的开挖，固定架能够沿着隧道的纵向方向实现移动。
上述本发明的有益效果如下：
1)本发明通过水力冲击的方式，可切割出隧道轮廓线，使围岩与开挖岩体分离，可以避免对围岩的扰动，有利于充分发挥围岩的自承能力；进一步通过静力破碎剂固化，可使得岩石挤压胀裂破碎，有利于减少隧道洞内粉尘，不产生爆破带来的空气污染，有利于改善施工环境。
2)本发明通过水力冲击的方式与静力破碎二者结合，不产生爆破振动，不会影响隧道内其他监测元件的监测数据，有利于隧道内其他工序的顺利进行；而且整体可简化钻爆法中爆破施工环节和排险环节，减少施工工序，接续施工，有利于提高施工效率。
3)本发明通过水力冲击的方式切割隧道开挖轮廓线，原材料来源广泛，水枪操作难度相对于传统爆破的方式是较低的；而且静力破碎剂成本较低，两者结合进行隧道开挖，有利于降低施工成本。
4)本发明通过水力冲击与静力破碎结合来代替钻爆法中的爆破环节，整个过程不产生爆破不会产生石头飞溅的问题，可避免造成地层扰动过大引发地面塌陷和近接敏感建(构)筑物破损等事故，施工方法更加安全。
5)本发明通过水枪来切割出隧道轮廓线，水枪可通过机器人或机械台支撑，使得水枪切割控制操作精准；再同与静力破碎剂一起施工，不会出现隧道超挖欠挖的问题，该施工方法更加安全。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书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。
图1是本发明根据一个或多个实施方式的一种基于水力冲击破碎与静力破碎的隧道开挖方法的流程图。
图2是隧道剖面图位置示意图；
图3是图2中A-A剖面示意图；
图4是图2中B-B剖面示意图；
图5是图3中C-C剖面示意图；
图中：1.隧道围岩；2.隧道外轮廓线；3.隧道内轮廓线；4.钻孔；5.内外轮廓线与掌子面形成的楔形空间；6.隧道已开挖段。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在现有的隧道爆破开挖方式，容易出现超挖欠挖、施工安全性较低的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种基于水力冲击破碎与静力破碎的隧道开挖方法。
本发明的一种典型的实施方式中，参考图1所示，一种基于水力冲击破碎与静力破碎的隧道开挖方法，包括如下内容：
在隧道掌子面进行定位放线确定隧道开挖位置和方向；
待定位放线后，为了充分发挥围岩的自承能力，对隧道掌子面进行水力冲击，切割出隧道开挖轮廓线，使得开挖岩体与隧道围岩1分离；
在隧道掌子面进行钻孔4，并在钻孔4内放置静力破碎剂，待静力破碎剂膨胀后使得开挖岩体破碎。
进一步地，在隧道掌子面进行定位放线，确定水力冲击的隧道轮廓线和钻孔的位置，通过钻孔的位置确定，即可确认静力破碎剂的位置；
可以理解的是，隧道轮廓线包括隧道内轮廓线3、隧道外轮廓线2，隧道外轮廓线即为所述的隧道开挖轮廓线。
针对确定的隧道内轮廓线3，为了便于水力冲击对隧道掌子面进行切割，水力冲击的方向与隧道掌子面呈设定角度，并与隧道外轮廓线2形成切割锐角；
这样在水力冲击完成后，隧道内轮廓线、隧道外轮廓线与隧道掌子面成楔形体，并清除楔形体，清除完成后，参考图4和图5所示，隧道内外轮廓线与掌子面形成楔形空间5，有利于隧道外轮廓的稳定性。
针对确定的隧道外轮廓线，水力冲击的方向垂直于隧道掌子面方向，以保证隧道外轮廓线，使得在隧道外轮廓线内对隧道进行后续的破碎工作，不会过多的切割到围岩。
在本实施例中，通过水枪进行水力冲击，水枪为高压水枪，即其喷射出高压水射流，能够使得岩体沿射流方向发生破裂。
具体地，水枪包括用于形成水射流的切割头，切割头通过管路与水泵连接，水泵设于供水部件内，水泵为切割头提供所需的水量并产生必要的工作压力。
为了方便对水枪的控制，切割头通过多自由度机器人来支撑；
机器人或机械台安装于能够移动的固定架，随着隧道的开挖，固定架能够沿着隧道的纵向方向实现移动。
需要说明的是，机器人为多自由度机器人，可直接采用现有的机器人，机器人的一端可转动安装于固定架表面，另一端夹持切割头，具体在机器人远离固定架的端部设置夹持件，通过夹持件来夹持切割头，机器人可带动切割头实现转动，从而控制水射流方向。
切割头为开关阀或者切割喷嘴，为了对切割头进行夹持，夹持件包括两个半圆环，两个半圆环可合并成一个圆环，半圆环可夹持于切割头的环向，并通过螺栓螺母来对夹持件进行固定锁紧，从而对切割头进行稳定夹持。
此外，泵与控制器连接，控制器与机器人连接，由控制器控制机器人的伸长或摆动等动作，并通过泵控制水枪的开启或闭合。
固定架设置行走部件，行走部件可为车轮或轮对，当行走部件为轮对时，需要在隧道已开挖段6的地面铺设钢轨，优选地，固定架可设置为车轮，车轮可设置至少两个，当然可以设置四个，且至少一个车轮由驱动电机来驱动，可带动固定架移动，从而根据开挖的逐步推进，水枪位置也可移动。
而且，为了方便水枪供水，供水部件可直接安装于固定架，供水部件为供水箱，供水箱具有设定的体积。
可以理解的是，控制器为PLC控制器或其他类型的控制器，控制器同样安装于固定架。
当然，在另一些示例中，固定架底端同样设置多个车轮，但车轮没有动力源，由此可由外力实现固定架的推动；而且为保证水枪稳定喷射水流，多个车轮均为可锁止的车轮。
另外，容易理解的是，对隧道掌子面钻孔后，为保证静力破碎剂能够充分发挥作用，对钻孔内部进行清理残渣。
需要说明的是，参考图2和图3所示，沿着隧道掌子面，钻孔设有多个，为提高破碎效率，多个钻孔的深度是一致的，均沿着隧道的纵向方向，每一钻孔内均注入粉状静力破碎剂，多个钻孔布满隧道整个掌子面，且相邻两钻孔之间有设定的距离；具体地，沿着隧道环向方向，设置有多圈钻孔，例如可设置三圈钻孔，最内侧钻孔圈中相邻两钻孔的距离小于中间层钻孔圈中相邻两钻孔的距离，中间层钻孔圈中相邻两钻孔的距离小于最外层钻孔圈中相邻两钻孔的距离。
相邻两圈钻孔之间的距离可相同，或者，从隧道内到外，相邻两圈钻孔之间的距离逐步增大。
静力破碎剂为现有的静态破碎剂，其实质为一种不使用炸药就能使岩体破裂的粉状工程施工材料，主要成分为氧化钙和一些化学催化剂，在向钻孔内注入静力破碎剂时，工作人员必须佩戴防护手套和防护眼镜。
而且，需要注意的是，静力破碎剂应该放于钻孔长度的中部，或者直接覆盖钻孔的整个长度。
进一步地，静力破碎剂的安置方法，包括如下内容：
将粉状静力破碎剂加入适量水调成流动状浆体，注入钻孔中；
设定时间后，静力破碎剂固化膨胀对周围岩体施加膨胀力使开挖岩体胀裂；
注入静力破碎剂后，作业人员保持安全距离。
待静力破碎剂固化膨胀后，清理胀裂的岩石碎渣，并对隧道及时进行支护。
上述的隧道开挖方法，在定位放线后，通过水力冲击切割出隧道开挖轮廓线，能够使得围岩与开挖岩体分离，避免对围岩的扰动；再通过钻孔注入静力破碎剂，待静力破碎剂膨胀后使得开挖岩体破碎，有利于减少隧道洞内粉尘，有利于改善隧道开挖的施工环境。
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 (10)
1.一种基于水力冲击破碎与静力破碎的隧道开挖方法，其特征在于，包括如下内容：
在隧道掌子面进行定位放线确定隧道开挖位置和方向；
待定位放线后，对隧道掌子面进行水力冲击，切割出隧道开挖轮廓线，使得开挖岩体与围岩分离；
在隧道掌子面进行钻孔，并在钻孔内放置静力破碎剂，待静力破碎剂膨胀后使得开挖岩体破碎。
2.根据权利要求1所述的一种基于水力冲击破碎与静力破碎的隧道开挖方法，其特征在于，在隧道掌子面进行定位放线，确定水力冲击的隧道轮廓线和所述钻孔的位置；
隧道轮廓线包括隧道内轮廓线、隧道外轮廓线，隧道外轮廓线即为速到所述的隧道开挖轮廓线。
3.根据权利要求2所述的一种基于水力冲击破碎与静力破碎的隧道开挖方法，其特征在于，针对确定的所述隧道内轮廓线，所述水力冲击的方向与隧道掌子面呈设定角度，并与隧道外轮廓线形成切割锐角；
在水力冲击完成后，隧道内轮廓线、隧道外轮廓线与隧道掌子面成楔形体，并清除楔形体。
4.根据权利要求2所述的一种基于水力冲击破碎与静力破碎的隧道开挖方法，其特征在于，针对确定的所述隧道外轮廓线，所述水力冲击的方向垂直于隧道掌子面方向。
5.根据权利要求1所述的一种基于水力冲击破碎与静力破碎的隧道开挖方法，其特征在于，通过水枪进行所述的水力冲击。
6.根据权利要求5所述的一种基于水力冲击破碎与静力破碎的隧道开挖方法，其特征在于，所述水枪包括用于形成水射流的切割头，切割头通过管路与水泵连接，水泵设于供水部件内。
7.根据权利要求1所述的一种基于水力冲击破碎与静力破碎的隧道开挖方法，其特征在于，对所述隧道掌子面钻孔后，对钻孔内部进行清理残渣。
8.根据权利要求1所述的一种基于水力冲击破碎与静力破碎的隧道开挖方法，其特征在于，所述静力破碎剂的安置方法，包括如下内容：
将粉状静力破碎剂加入适量水调成流动状浆体，注入钻孔中；
设定时间后，静力破碎剂固化膨胀对周围岩体施加膨胀力使开挖岩体胀裂；
注入静力破碎剂后，作业人员保持安全距离。
9.根据权利要求1所述的一种基于水力冲击破碎与静力破碎的隧道开挖方法，其特征在于，所述待静力破碎剂固化膨胀后，清理胀裂的岩石碎渣，并对隧道进行支护。
10.根据权利要求6所述的一种基于水力冲击破碎与静力破碎的隧道开挖方法，其特征在于，所述切割头通过多自由度机器人来支撑；
机器人或机械台安装于能够移动的固定架，随着隧道的开挖，固定架能够沿着隧道的纵向方向实现移动。
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