CN115898481B - 一种高施工精度的不共轴阶梯岩洞过渡段爆破开挖方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及土层或岩石的钻进技术领域，公开了一种高施工精度的不共轴阶梯岩洞过渡段爆破开挖方法，用于修建两个对接但中心线不共线的岩洞的过渡段。本发明采用二台阶法开挖并调整了开挖方向，通过先从小洞斜向上开挖延伸导洞到达大洞的中心线，然后以大洞中心线起正向扩挖直到洞室横截面触及大洞边沿，再反向开挖上台阶后退段，最后向下再向前开挖下台阶，克服了大洞在与小洞对接的面上大部分区域没有爆破临空面的问题；且扩挖过程不再是从大洞的一个角开始，而是从大洞的中心线开始，确保大洞的扩挖施工不会因为偏心扩挖而超挖或欠挖。并通过设置上台阶避爆段，克服了因为反向开挖而导致的上台阶后退段缺乏设备避爆区的问题。

Description

一种高施工精度的不共轴阶梯岩洞过渡段爆破开挖方法

技术领域

本发明涉及土层或岩石的钻进技术领域，特别是涉及一种高施工精度的不共轴阶梯岩洞过渡段爆破开挖方法。

背景技术

出于屏蔽外界粒子干扰的物理实验研究的目的或者出于防备敌国核打击的目的，有时候需要在山体深处修建岩洞。这些岩洞由于入口通道小而内部空间大，普遍存在阶梯岩洞，也即一个小洞与一个大洞对接的岩洞。

在开挖的时候，由于小洞靠外而大洞靠内，因此小洞先于大洞修建。且为了确保人员及车辆能够顺利通行，在小洞与大洞的对接位置，小洞与大洞的底部是平齐的。这导致小洞与大洞的中心线（通过岩洞拱顶圆弧圆心的直线）不共线。

小洞先于大洞修建给开挖工作带来以下问题：

大洞在爆破开挖的时候缺乏爆破临空面（也即被爆破的岩石或介质与空气接触的表面，有临空面时，爆破的岩石才能沿此面移动破坏，而大洞由于横截面比小洞大，因此在小洞范围外的部分都没有临空面），导致在爆破开挖起始阶段需要增加炸药用量并进行扩挖，直到洞室横截面扩大到大洞的水平，然后正常开挖。

小洞与大洞的中心线不共线带来以下问题：

由于小洞与大洞的中心线不共线，导致从小洞一端开始扩挖出大洞的过程中，不是从中心开始逐渐扩大的，而是从一个角开始逐渐扩大的，这严重影响了爆破开挖的精度。因为爆炸这一物理现象存在一个典型的特征：从一个中心起向四周均匀扩散。这也就意味着如果采用爆破开挖的方式进行扩挖的话，爆破的区域必须位于中心，否则的话距离炸药较远的位置会严重欠挖，而距离炸药较近的位置会严重超挖，施工精度很差，即使后期进行高强度的修补也很难符合设计要求。

发明内容

本发明提供一种高施工精度的不共轴阶梯岩洞过渡段爆破开挖方法。

解决的技术问题是：在阶梯岩洞的过渡段，由于大洞比小洞的横截面大，导致缺乏爆破临空面，且由于小洞与大洞的中心线不共线，导致扩挖施工的精度很差。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种高施工精度的不共轴阶梯岩洞过渡段爆破开挖方法，用于修建两个对接但中心线不共线的岩洞的过渡段，两个岩洞中，横截面较小的岩洞记作小洞，横截面较大的岩洞记作大洞，小洞在大洞的横截面底部与大洞对接，施工时以已开挖到两个岩洞的对接面的小洞为起点开挖大洞；

所述扩挖方法为二台阶法，大洞的两个台阶中，上台阶先开挖且上台阶的中心线与大洞的中心线为同一条线；平行于大洞中心线且背离小洞的方向记作向前，平行于大洞中心线且朝向小洞的方向记作向后；

所述扩挖方法包括以下步骤：

步骤一：以小洞为起点斜向上开挖延伸导洞，所述延伸导洞为起始端面完全落在小洞内的等截面岩洞，延伸导洞的中心线分别与小洞及大洞的中心线相交；

步骤二：以延伸导洞的末端面为起点向前水平扩挖上台阶扩大段，直到上台阶扩大段的横截面与上台阶的横截面相同；所述上台阶扩大段的中心线与大洞的中心线为同一条线；

步骤三：以上台阶扩大段的末端面为起点向前水平开挖出用于作为步骤四的设备避爆区的上台阶避爆段；

步骤四：以上台阶扩大段的末端面为起点向后开挖上台阶的剩余部分，直到到达大洞与小洞的交界面；

步骤五：向前开挖下台阶直到与上台阶两端对齐。

进一步，所述延伸导洞的开挖为全断面开挖，延伸导洞起始端面的拱顶低于小洞的拱顶3-5厘米。

进一步，步骤五中，先从上台阶开始向下开挖出下台阶的临空面，然后向前开挖下台阶；开挖过程中，预留下台阶起点底部的阴角作为欠挖区域，预留的欠挖区域在下台阶开始向前开挖后凿除。

进一步，步骤一以小洞为设备避爆区，步骤二以延伸导洞为设备避爆区，步骤三以上台阶扩大段为设备避爆区，步骤四以上台阶避爆段为设备避爆区。

进一步，小洞在大洞横截面底部一个角的位置与大洞对接，步骤五中，采用二台阶法进行开挖，并分为左右两个分台阶，左右两个分台阶开挖进尺长度错开2榀钢拱架，最初开挖的分台阶以小洞为设备避爆区，其后开挖的分台阶以之前开挖的分台阶为设备避爆区。

进一步，步骤二、三、四中，采用二台阶法进行开挖，并分为上下两个分台阶。

进一步，开挖过程中的初期支护为锚喷支护，每次爆破进深1-3米，并按爆破开挖→初喷混凝土→砂浆锚杆施工→挂设网片→复喷射混凝土至设计厚度→检测验收后进行下一循环施工的顺序，循环进行爆破。

进一步，步骤二、三、四中，初期支护底部还设置有锁脚锚杆。

进一步，步骤五完成后，立即进行大洞的仰拱施工，使初期支护与仰拱成环，确保施工安全。

进一步，每次爆破开挖的具体操作如下，在钻孔前先根据设计布炮眼位置，然后在钻杆上做出相应炮眼深度标记，钻杆入岩深度到相应标记时停止钻孔，紧接着清孔，装药，爆破；爆破后排烟，清除危岩，出碴，检查是否有欠挖，如有欠挖进行欠挖处理，欠挖处理后再次排烟，清除危岩。

本发明一种高施工精度的不共轴阶梯岩洞过渡段爆破开挖方法与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明中，通过先从小洞开始挖一段延伸导洞到达大洞的中心线，然后从大洞的中心线开始逐步扩挖出上台阶扩大段，使得扩挖过程不再是从大洞的一个角开始，而是从大洞的中心线开始，确保大洞的扩挖施工不会因为偏心扩挖而超挖或欠挖；

本发明中，上台阶扩大段的横截面不是大洞的整个断面而是其中的一半，因此在扩挖的时候，所需扩大的幅度明显减少且允许大洞底部无仰拱（在扩挖的时候，如果岩洞底部是平的话，其与中心线的距离便忽远忽近，从而导致扩挖精度受影响，但由于这里下台阶此时还没有挖，因此没有任何影响）；

本发明中，通过斜向上开挖一段后反向开挖出上台阶后退段，然后向下再向前开挖下台阶，克服了大洞在与小洞对接的面上大部分区域没有爆破临空面的问题；通过设置上台阶避爆段，克服了因为反向开挖而导致的上台阶后退段缺乏设备避爆区（爆破开挖时，各种施工设备需要离爆破区域一定距离，先斜向上后反向的话，设备就挤在折返点了）的问题。

附图说明

图1为本发明中的岩洞的开挖方向示意图一，本图为以过大洞的中心线的竖直断面的图；为方便读图，各分段之间用虚线段隔开，上台阶后退段的范围以图中右上角的虚线框标出；

图2为本发明中的岩洞的开挖方向示意图二，本图为俯视图；为方便读图，各分段之间用虚线段隔开；

其中，1-小洞，2-大洞，21-延伸导洞，22-上台阶扩大段，23-上台阶避爆段，24-上台阶后退段，25-下台阶。

具体实施方式

如图1-2所示，一种高施工精度的不共轴阶梯岩洞过渡段爆破开挖方法，用于修建两个对接但中心线不共线的岩洞的过渡段，两个岩洞中，横截面较小的岩洞记作小洞1，横截面较大的岩洞记作大洞2，小洞1在大洞2的横截面底部与大洞2对接，施工时以已开挖到两个岩洞的对接面的小洞1为起点开挖大洞2；

本实施例中，岩洞全长864.025m，呈“U”型分布，大洞2横截面积约156平方米。

扩挖方法为二台阶法，大洞2的两个台阶中，上台阶先开挖且上台阶的中心线与大洞2的中心线为同一条线；平行于大洞2中心线且背离小洞1的方向记作向前，平行于大洞2中心线且朝向小洞1的方向记作向后。

扩挖方法包括以下步骤：

步骤一：以小洞1为起点斜向上开挖延伸导洞21，延伸导洞21为起始端面完全落在小洞1内的等截面岩洞，延伸导洞21的中心线分别与小洞1及大洞2的中心线相交；

这里延伸导洞21的作用就是为了确保在后续的扩挖阶段，能够从大洞2的中心线开始扩挖。本实施例中，延伸导洞21进深25米。

步骤二：以延伸导洞21的末端面为起点向前水平扩挖上台阶扩大段22，直到上台阶扩大段22的横截面与上台阶的横截面相同；上台阶扩大段22的中心线与大洞2的中心线为同一条线；

这里上台阶扩大段22的中心线即为大洞2的中心线，也就是扩挖的时候是以大洞2的中心线开始扩挖的，而由于扩挖的时候下台阶25还没有挖，因此扩挖容易挖歪的底部顶部是以大洞2中心线为中轴线的圆弧，扩挖时不易歪尽可随意开挖而不会有影响。本实施例中，上台阶扩大段22进深10米。

步骤三：以上台阶扩大段22的末端面为起点向前水平开挖出用于作为步骤四的设备避爆区的上台阶避爆段23；开挖台架、喷浆设备、开挖设备等需要与炸药有一定的距离，以免被炸坏。但这里由于先斜向上开挖然后反方向开挖，设备就挤在了折返点位置(设备得在爆破面背后)，就会被炸坏，因此这里在开挖到折返点位置的时候，不立即反向开挖，而是向前开挖出上台阶避爆段23后再折返，从而给设备留下足够避开爆炸的空间。本实施例中，上台阶避爆段23进深20米，上台阶避爆段23挖到位后立即喷混凝土封闭掌子面。

相应地，步骤一以小洞1为设备避爆区，步骤二以延伸导洞21为设备避爆区，步骤三以上台阶扩大段22为设备避爆区，步骤四以上台阶避爆段23为设备避爆区。

步骤四：以上台阶扩大段22的末端面为起点向后开挖上台阶的剩余部分，直到到达大洞2与小洞1的交界。

步骤五：向前开挖下台阶25直到与上台阶两端对齐。这里之所以向前而不是向后开挖下台阶25，是因为向前开挖的话可以利用小洞1作为设备避爆区，同时设备不需要再转运很长距离。下台阶25挖到位后同样立即喷混凝土封闭掌子面。

步骤五中，先从上台阶开始向下开挖出下台阶25的临空面，然后向前开挖下台阶25；开挖过程中，预留下台阶25起点底部的阴角作为欠挖区域，预留的欠挖区域在下台阶25开始向前开挖后凿除。

阴角位置通过爆破开挖的话，很难确保开挖出足够精细的阴角(爆破开挖，阴角通常会变成圆角)，因此在阴角位置预留一部分区域，这部分区域不再爆破开挖，而是通过风镐等设备凿除。

延伸导洞21的开挖为全断面开挖，延伸导洞21起始端面的拱顶低于小洞1的拱顶3-5厘米。也就是这里延伸导洞21顶部可以预留一些缓冲区域，从而避免超挖造成影响。而又因为延伸导洞21本身是一个临时的导洞，其整个位于大洞2范围内，留这部分缓冲区域在施工后不会对大洞2的洞壁的精度造成影响。

小洞1在大洞2横截面底部一个角的位置与大洞2对接，步骤五中，采用二台阶法进行开挖，并分为左右两个分台阶，左右两个分台阶开挖进尺长度错开2榀钢拱架，最初开挖的分台阶以小洞1为设备避爆区，其后开挖的分台阶以之前开挖的分台阶为设备避爆区。

小洞1在大洞2横截面底部一个角的话，在开挖下台阶25的时候，小洞1作为设备避爆区使用时会有问题，因为下台阶25在向前开挖前，需要先向下挖出临空面，如果小洞1在大洞2横截面底部一个角位置的话，这个临空面上就有一些区域离小洞1很远，很难借助小洞1作为设备避爆区。因此这里下台阶25再次分成左右两个分台阶，在开挖的时候，先以小洞1作为设备避爆区开挖两个分台阶中靠近小洞1那个，然后再开挖另一个。

而步骤二、三、四中，采用二台阶法进行开挖，并分为上下两个分台阶。这里主要是因为本实施例中的大洞2的横截面很大，即使是上台阶其横截面也依然有几十平方米这么大，因此需要用台阶法开挖以确保安全。

开挖过程中的初期支护为锚喷支护，每次爆破进深1-3米，并按爆破开挖→初喷混凝土→砂浆锚杆施工→挂设网片→复喷射混凝土至设计厚度→检测验收后进行下一循环施工的顺序，循环进行爆破。

步骤二、三、四中，初期支护底部还设置有锁脚锚杆。由于上台阶自身也分成了上下两个分台阶，这里锁脚锚杆在整个上台阶的底部。

步骤五完成后，立即进行大洞2的仰拱施工，使初期支护与仰拱成环，确保施工安全。

每次爆破开挖的具体操作如下，在钻孔前先根据设计布炮眼位置，然后在钻杆上做出相应炮眼深度标记，钻杆入岩深度到相应标记时停止钻孔，紧接着清孔，装药，爆破；爆破后排烟，清除危岩，出碴，检查是否有欠挖，如有欠挖进行欠挖处理，欠挖处理后再次排烟，清除危岩。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种高施工精度的不共轴阶梯岩洞过渡段爆破开挖方法，用于修建两个对接但中心线不共线的岩洞的过渡段，两个岩洞中，横截面较小的岩洞记作小洞（1），横截面较大的岩洞记作大洞（2），小洞（1）在大洞（2）的横截面底部与大洞（2）对接，施工时以已开挖到两个岩洞的对接面的小洞（1）为起点开挖大洞（2）；其特征在于：

所述开挖方法为二台阶法，大洞（2）的两个台阶中，上台阶先开挖且上台阶的中心线与大洞（2）的中心线为同一条线；平行于大洞（2）中心线且背离小洞（1）的方向记作向前，平行于大洞（2）中心线且朝向小洞（1）的方向记作向后；

所述开挖方法包括以下步骤：

步骤一：以小洞（1）为起点斜向上开挖延伸导洞（21），所述延伸导洞（21）为起始端面完全落在小洞（1）内的等截面岩洞，延伸导洞（21）的中心线分别与小洞（1）及大洞（2）的中心线相交；

步骤二：以延伸导洞（21）的末端面为起点向前水平扩挖上台阶扩大段（22），直到上台阶扩大段（22）的横截面与上台阶的横截面相同；所述上台阶扩大段（22）的中心线与大洞（2）的中心线为同一条线；

步骤三：以上台阶扩大段（22）的末端面为起点向前水平开挖出用于作为步骤四的设备避爆区的上台阶避爆段（23）；

步骤四：以上台阶扩大段（22）的末端面为起点向后开挖上台阶的剩余部分，直到到达大洞（2）与小洞（1）的交界面；

步骤五：向前开挖下台阶（25）直到与上台阶两端对齐；

步骤五中，先从上台阶开始向下开挖出下台阶（25）的临空面，然后向前开挖下台阶（25）；开挖过程中，预留下台阶（25）起点底部的阴角作为欠挖区域，预留的欠挖区域在下台阶（25）开始向前开挖后凿除；

小洞（1）在大洞（2）横截面底部一个角的位置与大洞（2）对接，步骤五中，采用二台阶法进行开挖，并分为左右两个分台阶，左右两个分台阶开挖进尺长度错开2榀钢拱架，最初开挖的分台阶以小洞（1）为设备避爆区，其后开挖的分台阶以之前开挖的分台阶为设备避爆区。

2.根据权利要求1所述的一种高施工精度的不共轴阶梯岩洞过渡段爆破开挖方法，其特征在于：所述延伸导洞（21）的开挖为全断面开挖，延伸导洞（21）起始端面的拱顶低于小洞（1）的拱顶3-5厘米。

3.根据权利要求1所述的一种高施工精度的不共轴阶梯岩洞过渡段爆破开挖方法，其特征在于：步骤一以小洞（1）为设备避爆区，步骤二以延伸导洞（21）为设备避爆区，步骤三以上台阶扩大段（22）为设备避爆区，步骤四以上台阶避爆段（23）为设备避爆区。

4.根据权利要求1所述的一种高施工精度的不共轴阶梯岩洞过渡段爆破开挖方法，其特征在于：步骤二、三、四中，采用二台阶法进行开挖，并分为上下两个分台阶。

5.根据权利要求1所述的一种高施工精度的不共轴阶梯岩洞过渡段爆破开挖方法，其特征在于：开挖过程中的初期支护为锚喷支护，每次爆破进深1-3米，并按爆破开挖→初喷混凝土→砂浆锚杆施工→挂设网片→复喷射混凝土至设计厚度→检测验收后进行下一循环施工的顺序，循环进行爆破。

6.根据权利要求5所述的一种高施工精度的不共轴阶梯岩洞过渡段爆破开挖方法，其特征在于：步骤二、三、四中，初期支护底部还设置有锁脚锚杆。

7.根据权利要求5所述的一种高施工精度的不共轴阶梯岩洞过渡段爆破开挖方法，其特征在于：步骤五完成后，立即进行大洞（2）的仰拱施工，使初期支护与仰拱成环，确保施工安全。

8.根据权利要求5所述的一种高施工精度的不共轴阶梯岩洞过渡段爆破开挖方法，其特征在于：每次爆破开挖的具体操作如下，在钻孔前先根据设计布炮眼位置，然后在钻杆上做出相应炮眼深度标记，钻杆入岩深度到相应标记时停止钻孔，紧接着清孔，装药，爆破；爆破后排烟，清除危岩，出碴，检查是否有欠挖，如有欠挖进行欠挖处理，欠挖处理后再次排烟，清除危岩。

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