CN114000891B - 用于防止隧道超挖的设备及使用方法 - Google Patents
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Abstract
用于防止隧道超挖的设备及使用方法，包括冲击装置、转向装置、固定装置、钢钎四部分。冲击装置可提供冲击力，转向装置可以带动固定装置转动。固定装置由中轴、斜撑和安装部三部分组成；安装部的前表面有一排槽口用来安装多个钢钎，安装部的前表面设有喷水孔用来喷水。钢钎端部横断面为一个方向扁、另一个方向尖的菱形，安装时使一排钢钎菱形尖端的方向平行于安装部纵轴方向，通过一排钢钎冲击围岩形成裂缝。应用步骤为：（1）确定钢钎的间距及根数。（2）计算每次开凿时钢钎的点位坐标以及安装部倾斜角度。（3）将设备安装于第一个开凿点位置。（4）开凿裂缝。（5）进行下一段裂缝开凿，直至满足爆破施工要求。
Description
技术领域
本发明涉及隧道采用钻爆施工时超挖控制技术。
背景技术
近年来，随着我国经济的飞速发展，各种工程建设的规模也日益扩大。铁路、公路、以及城市轨道交通的建设，都涉及到许多隧道和地下工程。目前钻爆法仍是我国隧道施工开挖的主要方式，与机械开挖相比，该方法适用地质条件广、费用低、设备相对简单。隧道爆破开挖，不仅要做到开挖轮廓平整、光滑，更重要的是要尽可能保证开挖时不出现较大的超欠挖现象，特别是不出现较大的超挖现象。严重的超挖会造成以下问题：（1）开挖轮廓与设计相差很大时，围岩应力重分布也会相差很大，使支护受力状态与设计不符。特别是超挖形成的凹角处存在应力集中，岩块易损坏；（2）超挖部位要重新进行填充，不但要应用较多的填充材料，增加施工成本，而且填充的部位力学性能也难以得到保证，会对隧道的总体质量产生影响。因此，在隧道开挖过程中对于隧道轮廓的控制尤为重要。
目前对于隧道轮廓形状的控制主要采用光面爆破。按常规方法设计参数的光面爆破,由于器材单一化，型号、规格选用不当，起爆时差、钻孔精度等问题，一般很难获得理想的爆破效果，爆后隧道轮廓不规整，超欠挖量大, 隧道围岩破坏严重。特别是当隧道边缘开挖部位的岩石岩性比较复杂，不同强度等级的岩石相互交错时，容易出现比较严重的超挖现象。因此，一种可以有效控制隧道开挖轮廓线，防止隧道超挖的设备及实施方法是现阶段所迫切需要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于防止隧道超挖的设备及使用方法。
本发明是用于防止隧道超挖的设备及使用方法，用于防止隧道超挖的设备，包括冲击装置1、转向装置2、固定装置3、钢钎4四部分，冲击装置1的一端与凿岩机的动力臂5连在一起，冲击装置1另一端则与转向装置2连接在一起；转向装置2的一端与冲击装置1连接在一起，另一端与固定装置3连接在一起；固定装置3由中轴6、斜撑7、安装部8组成，安装部8的前表面9有一能安装钢钎4的排槽口10，在安装部8的侧面11开设有一排开孔12，将螺杆13插过开孔12将钢钎4固定住。
本发明的用于防止隧道超挖的设备的使用方法，其步骤为：
步骤（1）根据围岩级别及特性，确定合适的钢钎4的间距r ij及钢钎根数，将钢钎4安装到固定装置3的安装部8上，然后将整个装置安装到凿岩机的动力臂5上；
步骤（2）根据隧道开挖轮廓线，计算出每次开凿时中间钢钎4所处的点位坐标以及固定装置3的安装部8的纵轴方向与水平面的夹角β，夹角β的取值为0°~90°；
步骤（3）确定第一个开凿点的位置，通过调整凿岩机的动力臂5，以及控制装置上的转向装置，使开凿裂缝与水平面的夹角满足设计要求；
步骤（4）启动冲击装置1，使钢钎4在岩壁上开始开凿裂缝；同时使喷水孔17开始喷水；
步骤（5）待第一个开凿点的贯通裂缝形成后，将控制设备移动到下一个开凿点进行裂缝的开凿，直到在隧道轮廓线上的开凿裂缝满足爆破施工的要求为止。
本发明的有益效果是：能够预先在岩壁上开凿出隧道设计轮廓线，可有效控制隧道钻爆施工的超挖问题。由于该装置开凿出的裂缝沿固定装置纵向分布，因此可以使隧道壁面平整，轮廓外不产生裂隙，不破坏围岩强度，提高了隧道的轮廓质量和稳定性。该装置能够加快隧道的掘进速度，降低施工成本，保证施工安全和施工质量。该装置的结构形式比较简单，实用性强，而且不会产生环境污染，经济效益显著，具有很好的应用价值。
附图说明
图1是控制设备的立面图，图2是控制设备的侧面图，图3是冲击装置俯视立体图，图4是冲击装置仰视立体图，图5是钢钎立面图，图6是钢钎侧面图，图7是-/>横断面图，图8是/>-/>横断面图，图9是安装部前表面图，图10是槽口与钢钎布置示意图，图11是钢钎间距布置示意图，图12是隧道超挖控制开孔示意图。
具体实施方式
本发明是用于防止隧道超挖的设备及使用方法，用于防止隧道超挖的设备，包括冲击装置1、转向装置2、固定装置3、钢钎4四部分，冲击装置1的一端与凿岩机的动力臂5连在一起，冲击装置1另一端则与转向装置2连接在一起；转向装置2的一端与冲击装置1连接在一起，另一端与固定装置3连接在一起；固定装置3由中轴6、斜撑7、安装部8组成，安装部8的前表面9有一能安装钢钎4的排槽口10，在安装部8的侧面11开设有一排开孔12，将螺杆13插过开孔12将钢钎4固定住。
以上所述的设备，钢钎4的杆部14的横断面为圆形，端部15为尖端形，端部15的横断面为一个方向扁、另一个方向尖的菱形；钢钎4的杆部14有一固定孔16，固定孔16的轴向与端部15的菱形较尖的方向垂直，螺杆13穿过固定孔16将钢钎4与安装部8固定在一起。
以上所述的设备，固定装置3的安装部8的前表面9设有喷水孔17；前表面9上的槽口10的第一直径d 1比钢钎4的杆部14的第二直径d 2大1~2mm；槽口之间的距离r 1取槽口第一直径d 1的1.5~2.0倍。
以上所述的设备，钢钎4的端部15的菱形较尖的方向平行于固定装置3的安装部8的纵轴方向安置，在固定装置3的安装部8的纵向中部安置长度最长的钢钎4，然后两侧依次对称安置较短的钢钎4。
以上所述的设备，钢钎4之间的间距r ij按下式设定：
r ij=α 1 α 2(r i+r j)
式中：α 1-围岩等级影响系数，围岩等级为I级时取1.0，围岩等级为VI级时取0.6，其他等级按直线内插取值；
α 2-钢钎打入岩层深度影响系数，数值等于钢钎打入深度与一次爆破施工深度的比值，钢钎打入深度不能小于一次爆破施工深度的0.8倍；
r i-钢钎i冲击围岩在钢钎一侧所产生裂纹18的长度；
r j-钢钎i相邻钢钎j冲击围岩在钢钎一侧所产生裂纹18的长度。
本发明的用于防止隧道超挖的设备的使用方法，其步骤为：
步骤（1）根据围岩级别及特性，确定合适的钢钎4的间距r ij及钢钎根数，将钢钎4安装到固定装置3的安装部8上，然后将整个装置安装到凿岩机的动力臂5上；
步骤（2）根据隧道开挖轮廓线，计算出每次开凿时中间钢钎4所处的点位坐标以及固定装置3的安装部8的纵轴方向与水平面的夹角β，夹角β的取值为0°~90°；
步骤（3）确定第一个开凿点的位置，通过调整凿岩机的动力臂5，以及控制装置上的转向装置，使开凿裂缝与水平面的夹角满足设计要求；
步骤（4）启动冲击装置1，使钢钎4在岩壁上开始开凿裂缝；同时使喷水孔17开始喷水；
步骤（5）待第一个开凿点的贯通裂缝形成后，将控制设备移动到下一个开凿点进行裂缝的开凿，直到在隧道轮廓线上的开凿裂缝满足爆破施工的要求为止。
下面结合附图进一步展开本发明的内容。如图1、图2所示，本发明的用于防止隧道超挖的设备，主要包括冲击装置1、转向装置2、固定装置3、钢钎4四部分。冲击装置1的一端与凿岩机的动力臂5连在一起，冲击装置1另一端则与转向装置2连接在一起。冲击装置1可提供冲击力，使钢钎4打入岩层内，以使岩层产生开裂。
如图1、图2所示，转向装置2一端与冲击装置1连接在一起，另一端与固定装置3连接在一起。转向装置2可通过无线操作进行转动，以带动固定装置3一起转动。
如图2~图4所示，固定装置3由中轴6、斜撑7、和安装部8三部分组成，安装部8的前表面9有一排槽口10可安装钢钎4，而在安装部8的侧面11则有一排开孔12，将螺杆13穿过开孔12将钢钎4固定住，使钢钎4不会掉出槽口10。
如图5~图8所示，钢钎4杆部14横断面为圆形，端部15为尖端形，端部15横断面为一个方向扁、另一个方向尖的菱形，以使围岩在钢钎4的冲击下沿菱形较尖的方向产生裂缝。钢钎4的杆部14有一固定孔16，固定孔16的轴向与钢钎端部15菱形较尖的方向垂直，螺栓13穿过固定孔16将钢钎4与安装部8固定在一起。
如图4~图9所示，固定装置3的安装部8的前表面9设有喷水孔17，喷水孔17处可喷出高压水，可起到有效地防尘作用，同时可以给钢钎4降温，以保证开凿裂缝工作的顺利进行。
如图10所示，固定装置3的安装部8的前表面9上的槽口10直径d 1比钢钎4杆部14的直径d 2大1~2mm，以保证钢钎4可以顺利地插入槽口10中，并在钢钎4与槽口10之间不留过大的空隙。槽口之间的距离r 1取槽口直径d 1的1.5~2.0倍。
如图1所示，在槽口10上安置钢钎4时，钢钎4端部15菱形较尖的方向平行于固定装置3的安装部8的纵轴方向，在固定装置3的安装部8的纵向中部安置长度最长的钢钎4，然后两侧依次对称安置较短的钢钎4，以便钢钎4可以顺利地打入岩石。
钢钎4之间的间距r ij可按下式设定：
r ij=α 1 α 2(r i+r j)
式中：α 1-围岩等级影响系数，围岩等级为 级时取1.0，围岩等级为/>级时取0.6，其他等级按直线内插取值；
α 2-钢钎打入岩层深度影响系数，数值等于钢钎打入深度与一次爆破施工深度的比值，钢钎打入深度不能小于一次爆破施工深度的0.8倍；
r i-钢钎i冲击围岩在钢钎一侧所产生裂纹18的长度；
r j-钢钎i相邻钢钎j冲击围岩在钢钎一侧所产生裂纹18的长度。
如图11所示，若按槽口10的距离r 1无法准确地设置钢钎之间的间距r ij时，则可通过适当缩短钢钎4之间距离的方式，找到合适的槽口10安置钢钎4。
用于防止隧道超挖的设备的使用方法的步骤为：
步骤（1）根据围岩级别及特性，确定合适的钢钎4间距r ij及钢钎根数，将钢钎4安装到固定装置3的安装部8上，然后将整个装置安装到凿岩机的动力臂5上；
步骤（2）：如图12所示，根据隧道开挖轮廓线，以及该装置每次冲击可开凿的裂缝长度，采用以折线代替开挖轮廓线的方式。计算出每次开凿时中间钢钎4所处的点位坐标以及固定装置3的安装部8的纵轴方向与水平面的夹角β，夹角β的取值为0°~90°；
步骤（3）确定第一个开凿点的位置，通过调整凿岩机的动力臂5，以及控制装置上的转向装置2，使开凿裂缝与水平面的夹角满足设计要求；
步骤（4）启动冲击装置1，使钢钎4在岩壁上开始开凿裂缝；同时使喷水孔17开始喷水，喷出的水可直接射到裂缝内，给钢钎4起降温的作用，同时可以将裂缝内的碎渣冲出裂缝，以利于裂缝的进一步凿进；
步骤（5）待第一个开凿点的贯通裂缝形成后，将控制设备移动到下一个开凿点进行裂缝的开凿，直到在隧道轮廓线上的开凿裂缝满足爆破施工的要求为止。
Claims (3)
1.用于防止隧道超挖的设备，包括冲击装置(1)、转向装置(2)、固定装置(3)、钢钎(4)四部分，其特征在于冲击装置(1)的一端与凿岩机的动力臂(5)连在一起，冲击装置(1)另一端则与转向装置(2)连接在一起；转向装置(2)的一端与冲击装置(1)连接在一起，另一端与固定装置(3)连接在一起；固定装置(3)由中轴(6)、斜撑(7)、安装部(8)组成，安装部(8)的前表面(9)有一排能安装钢钎(4)的排槽口(10)，在安装部(8)的侧面(11)开设有一排开孔(12)，将螺杆(13)插过开孔(12)将钢钎(4)固定住；
钢钎(4)的杆部(14)的横断面为圆形，端部(15)为尖端形，端部(15)的横断面为一个方向扁、另一个方向尖的菱形；钢钎(4)的杆部(14)有一固定孔(16)，固定孔(16)的轴向与端部(15)的菱形较尖的方向垂直，螺杆(13)穿过固定孔(16)将钢钎(4)与安装部(8)固定在一起；
钢钎(4)的端部(15)的菱形较尖的方向平行于固定装置(3)的安装部(8)的纵轴方向安置，在固定装置(3)的安装部(8)的纵向中部安置长度最长的钢钎(4)，然后两侧依次对称安置较短的钢钎(4)；钢钎(4)之间的间距(rij)按下式设定：
rij＝α1α2(ri+rj)
式中：α1-围岩岩性调整系数；
α2-钢钎打入岩层深度调整系数；
ri-钢钎i冲击围岩在钢钎一侧所产生裂纹(18)的长度；
rj-钢钎i相邻钢钎j冲击围岩在钢钎一侧所产生裂纹(18)的长度。
2.根据权利要求1所述的用于防止隧道超挖的设备，其特征在于固定装置(3)的安装部(8)的前表面(9)设有喷水孔(17)；前表面(9)上的槽口(10)的第一直径(d1)比钢钎(4)的杆部(14)的第二直径(d2)大1～2mm；槽口之间的距离取槽口第一直径(d1)的1.5～2.0倍。
3.根据权利要求1所述的用于防止隧道超挖的设备的使用方法，其特征在于，其步骤为：
步骤(1)根据围岩级别及特性，确定合适的钢钎(4)的间距(rij)及钢钎根数，将钢钎(4)安装到固定装置(3)的安装部(8)上，然后将整个装置安装到凿岩机的动力臂(5)上；
步骤(2)根据隧道开挖轮廓线，计算出每次开凿时中间钢钎(4)所处的点位坐标以及固定装置(3)的安装部(8)的纵轴方向与水平面的夹角(β)；
步骤(3)确定第一个开凿点的位置，通过调整凿岩机的动力臂(5)，以及控制装置上的转向装置，使开凿裂缝与水平面的夹角满足设计要求；
步骤(4)启动冲击装置(1)，使钢钎(4)在岩壁上开始开凿裂缝；同时使喷水孔(17)开始喷水；
步骤(5)待第一个开凿点的贯通裂缝形成后，将控制设备移动到下一个开凿点进行裂缝的开凿，直到在隧道轮廓线上的开凿裂缝满足爆破施工的要求为止。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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