CN117145491A - 一种适用于隧道的联合开挖方法 - Google Patents

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魏炜
郭宇明
周长林
贺大朋
俞靖洋
李白玉
尉言
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Abstract

本发明公开了一种适用于隧道的联合开挖方法，包括，将所述隧道按横断面划分为上台阶段、中台阶段和下台阶段，其中，所述上台阶段、所述中台阶段和所述下台阶段分别包括，紧邻隧道轮廓线的机械开挖区和通过所述机械开挖区与所述隧道轮廓线隔开的静态预裂开挖区；开挖所述上台阶段的机械开挖区，直至达到所述上台阶段的开挖断面尺寸；开挖所述上台阶段的静态预裂开挖区，直至达到所述上台阶段的开挖断面尺寸；按照相同步骤依次开挖所述中台阶段和所述下台阶段的机械开挖区和静态预裂开挖区。

Description

一种适用于隧道的联合开挖方法
技术领域
本发明涉及隧道开挖技术领域，具体涉及一种适用于隧道的联合开挖方法。
背景技术
随着铁路隧道、公路隧道等工程建设的快速发展，地下隧道临近或穿越既有文物施工的案例也不断涌现。隧道在穿越文物时，隧道施工期间的振动易造成文物损坏，如壁画脱落等。因此，为确保隧道在穿越古石窟、古壁画等重点文物时不受损坏，需制定一个安全有效的隧道减振开挖方法。
国内外文物防护标准
工程地震学家C.B.麦德维捷夫对爆破振动与建筑物破坏和人体感觉的关系进行了研究总结，认为可感振动与非可感振动的振速临界值为2.0mm/s。国外对于古建筑、古迹等敏感历史纪念物的爆破振动最小控制标准普遍保持在2.5～8mm/s。
国内针对振动防护安全制定了相关的控制标准
《爆破安全规程》GB 6722-2014第13.2.2条规定：一般古建筑与古迹的爆破振动安全允许标准为1～5mm/s；《古建筑木结构维护与加固技术标准》GB/T 50165-2020第G.0.3条对施工以及交通振动对木结构古建筑的容许振动速度峰值进行了规定：其中施工容许振动速度最小峰值为1mm/s。上述规定表明，国内施工容许振动速度的最小控制标准为1mm/s。
类似工程实践
对于施工期间，故根据工程实践调研，爆破施工振动控制标准以1～2mm/s为主，与《爆破安全规程》中的最小容许振速峰值基本一致。
常用的隧道开挖方法
目前，隧道在穿越既有建(构)筑物时，常用的开挖方法主要有机械开挖法、静力爆破法、控制爆破法，不同方法具有不同的特点和适用性。
机械开挖法是采用单悬掘进机等机械对隧道进行开挖的方法。其特点是适用范围广、可适用于较长距离隧道掘进，安全性好。但缺点是设备贵，硬岩钻头磨损大，施工成本较高，开挖过程中仍会产生一定的振动。
静力爆破法是在岩体上钻孔后，在静力爆破剂的作用下使岩石胀裂、产生裂缝，再用风镐解小、破除达到开挖目的的方法。其特点是适用范围广，对软、中硬岩都适用，且施工时地表基本无震感，不会影响附近既有建(构)筑物的安全，该法环保、安全，使用方便；但缺点是爆破需要有临空面。
控制爆破法是通过一定的技术措施严格控制爆炸能量和爆炸规模的开挖方法，通常采用电子雷管等精准起爆材料进行微差爆破(又称毫秒爆破)。其特点是破岩效率高，施工进度快，成本较低；但缺点是施工时产生的振动速度较大，通常难以达到文物的施工振动控制标准，故隧道在穿越重点文物时，不推荐采用此种开挖方法。
综上所述，针对隧道穿越重点文物(尤其是壁画或石窟等国家级遗迹文物)的情况，若采用单一机械开挖或静力爆破的开挖方法，则无法同时满足施工进度、成本及文物振动控制等要求。
发明内容
本发明旨在提供一种适用于隧道的联合开挖方法，以同时满足施工进度、成本及文物振动控制等要求。
根据本发明的一个方面，提供了一种适用于隧道的联合开挖方法，包括：将所述隧道按横断面划分为上台阶段、中台阶段和下台阶段，其中，所述上台阶段、所述中台阶段和所述下台阶段分别包括，紧邻隧道轮廓线的机械开挖区和通过所述机械开挖区与所述隧道轮廓线隔开的静态预裂开挖区；开挖所述上台阶段的机械开挖区，直至达到所述上台阶段的开挖断面尺寸；开挖所述上台阶段的静态预裂开挖区，直至达到所述上台阶段的开挖断面尺寸；按照相同步骤依次开挖所述中台阶段和所述下台阶段的机械开挖区和静态预裂开挖区。
优选地，开挖所述上台阶段的静态预裂开挖区，包括如下步骤：设计布孔；向所述布孔中装载药剂；所述药剂发生反应。
优选地，所述布孔采用38-50mm的钻头进行钻孔。
优选地，所述布孔包括爆破孔和缓冲孔。
优选地，向所述爆破孔中装载药剂，所述药剂的含量通过以下步骤确定：
Q＝q1/3(Lρ/m)
式中：Q为单个所述爆破孔中药剂的含量，单位为kg；q为单位药剂消耗量，取2.6～3.2kg/m3；L为所述爆破孔长度，单位m；ρ为药剂密度，单位为g/cm3；m为所述爆破孔个数。
优选地，向所述爆破孔中装载药剂，包括以下步骤：在所述药剂中加入重量百分比为22-32％的水拌成流质状态后，迅速倒入所述爆破孔内并确保所述药剂在所述爆破孔内处于密实状态。
优选地，所述药剂发生反应，包括以下步骤：所述药剂反应中拌合水温度控制在15℃以下；在拌合水中加入抑制剂以控制反应时间。
优选地，所述抑制剂的加入量为拌合水的0.5％-6％(质量计)。
优选地，所述静态预裂开挖区开裂后，向裂缝中加水。
优选地，所述爆破孔和所述缓冲孔的中心距离，通过以下步骤确定：
其中，r为爆破孔半径，单位为米；R为缓冲孔半径，单位为米；h为装载药剂系数，即药剂长度与爆破孔长度之比；K为岩石膨胀系数。
采用该发明所述的单悬臂掘进机辅助静态预裂的隧道减振开挖方法，即可满足规范和文物保护单位关于古文物振动的控制标准要求，又可弥补采用传统的单一开挖工法施工时无法同时满足振动速度、施工进度及成本的缺点，为隧道在穿越重点文物时提供了一种新的设计理念及方法。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，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。在附图中:
图1是根据本发明实施例的一种隧道开挖断面示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明的一个实施例，提供了一种适用于隧道的联合开挖方法，包括：将所述隧道按横断面划分为上台阶段、中台阶段和下台阶段，其中，所述上台阶段、所述中台阶段和所述下台阶段分别包括，紧邻隧道轮廓线的机械开挖区和通过所述机械开挖区与所述隧道轮廓线隔开的静态预裂开挖区；开挖所述上台阶段的机械开挖区，直至达到所述上台阶段的开挖断面尺寸；开挖所述上台阶段的静态预裂开挖区，直至达到所述上台阶段的开挖断面尺寸；按照相同步骤依次开挖所述中台阶段和所述下台阶段的机械开挖区和静态预裂开挖区。
其中，开挖所述上台阶段的静态预裂开挖区，包括如下步骤：设计布孔；向所述布孔中装载药剂；所述药剂发生反应。所述布孔采用38-50mm的钻头进行钻孔。所述布孔包括爆破孔和缓冲孔。向所述爆破孔中装载药剂，所述药剂的含量通过以下步骤确定：
Q＝q1/3(Lρ/m)
式中：Q为单个所述爆破孔中药剂的含量，单位为kg；q为单位药剂消耗量，取2.6～3.2kg/m3；L为所述爆破孔长度，单位m；ρ为药剂密度，单位为g/cm3；m为所述爆破孔个数。
向所述爆破孔中装载药剂，包括以下步骤：在所述药剂中加入重量百分比为22-32％的水拌成流质状态后，迅速倒入所述爆破孔内并确保所述药剂在所述爆破孔内处于密实状态。
所述药剂发生反应，包括以下步骤：所述药剂反应中拌合水温度控制在15℃以下；在拌合水中加入抑制剂以控制反应时间。
所述抑制剂的加入量为拌合水的0.5％-6％(质量计)。所述静态预裂开挖区开裂后，向裂缝中加水。所述爆破孔和所述缓冲孔的中心距离，通过以下步骤确定：
其中，r为爆破孔半径，单位为米；R为缓冲孔半径，单位为米；h为装载药剂系数，即药剂长度与爆破孔长度之比；K为岩石膨胀系数。
影响爆炸孔与缓冲孔之间距离的因素是很多的，但主要有药剂的爆炸能量、爆炸孔的体积和爆破作用指数。药剂爆炸时产生的爆炸能量应尽可能满足破碎爆炸孔与缓冲孔之间岩体所需要能量的要求，否则将产生冲炮；缓冲孔的体积应满足爆炸孔与缓冲孔之间被破坏的岩石因岩渣碎胀所增加的体积，否则将产生岩渣挤死现象；爆破作用指数应满足既使爆炸孔与缓冲孔之间岩石能够挤入缓冲孔，而又不能出现再生岩。可见，合理的间距应同时满足以上3个条件，并取其中的最大值为优先使用值。爆炸孔与缓冲孔的距离可由膨胀余量确定，也就是考虑膨胀余量问题。综合考虑上述因素，遂限定上述合理距离。
采用该发明所述的单悬臂掘进机辅助静态预裂的隧道减振开挖方法，即可满足规范和文物保护单位关于古文物振动的控制标准要求，又可弥补采用传统的单一开挖工法施工时无法同时满足振动速度、施工进度及成本的缺点，为隧道在穿越重点文物时提供了一种新的设计理念及方法。
以下实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对本发明的实施方式进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在下述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，而这些属于本发明原理和精神所引出的多种变化、修改、替换和变形，仍落入本发明的保护范围内。
为满足现有规范、标准及文物保护单位等对隧道施工振动控制要求，弥补现行隧道开挖采用单一机械开挖法振动控制效果差或采用单一静力爆破法需要有临空面的问题，本发明提供了一种单悬臂掘进机辅助静态预裂的隧道减振开挖方法，在隧道穿越重点文物时采用此开挖方法能够有效控制施工振动，且可大大提高施工进度及降低施工成本，有较大推广应用价值。
本发明提供了一种单悬臂掘进机辅助静态预裂的隧道减振开挖方法，主要技术方法如下(可对应图1进行理解)，1-1单悬掘进机开挖上台阶段，1-2单悬掘进机开挖中台阶段，1-3单悬掘进机开挖下台阶段，2-1静态预裂开挖上台阶段，2-2静态预裂开挖中台阶段，2-3静态预裂开挖下台阶段。
整体思路为：先在隧道外围采用单悬臂掘进机开挖形成弧形导坑，该导坑不仅提供了静态预裂所需的临空面，还成为了隧道洞内施工振动波传播的有效屏障，从而大大降低了施工开挖对附近重点文物的影响；再在隧道内部采用静态预裂开挖，形成一个完成的隧洞。
具体开挖步骤为(以三台阶法为例)：
采用单悬臂掘进机开挖上台阶段1-1；
采用静态预裂开挖上台阶段2-1；
采用单悬臂掘进机开挖中台阶段1-2；
采用静态预裂开挖中台阶段2-2；
采用单悬臂掘进机开挖下台阶段1-3；
采用静态预裂开挖下台阶段2-3。
采用该发明所述的单悬臂掘进机辅助静态预裂的隧道减振开挖方法，即可满足规范和文物保护单位关于古文物振动的控制标准要求，又可弥补采用传统的单一开挖工法施工时无法同时满足振动速度、施工进度及成本的缺点，为隧道在穿越重点文物时提供了一种新的设计理念及方法。
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)

1.一种适用于隧道的联合开挖方法，其特征在于，包括：
将所述隧道按横断面划分为上台阶段、中台阶段和下台阶段，其中，所述上台阶段、所述中台阶段和所述下台阶段分别包括，紧邻隧道轮廓线的机械开挖区和通过所述机械开挖区与所述隧道轮廓线隔开的静态预裂开挖区；
开挖所述上台阶段的机械开挖区，直至达到所述上台阶段的开挖断面尺寸；
开挖所述上台阶段的静态预裂开挖区，直至达到所述上台阶段的开挖断面尺寸；
按照相同步骤依次开挖所述中台阶段和所述下台阶段的机械开挖区和静态预裂开挖区。
2.根据权利要求1所述的联合开挖方法，其特征在于，开挖所述上台阶段的静态预裂开挖区，包括如下步骤：
设计布孔；
向所述布孔中装载药剂；
所述药剂发生反应。
3.根据权利要求2所述的联合开挖方法，其特征在于，所述布孔采用38-50mm的钻头进行钻孔。
4.根据权利要求2所述的联合开挖方法，其特征在于，所述布孔包括爆破孔和缓冲孔。
5.根据权利要求2所述的联合开挖方法，其特征在于，向所述爆破孔中装载药剂，所述药剂的含量通过以下步骤确定：
Q＝q1/3(Lρ/m)
式中：Q为单个所述爆破孔中药剂的含量，单位为kg；q为单位药剂消耗量，取2.6～3.2kg/m3；L为所述爆破孔长度，单位m；ρ为药剂密度，单位为g/cm3；m为所述爆破孔个数。
6.根据权利要求4所述的联合开挖方法，其特征在于，向所述爆破孔中装载药剂，包括以下步骤：
在所述药剂中加入重量百分比为22-32％的水拌成流质状态后，迅速倒入所述爆破孔内并确保所述药剂在所述爆破孔内处于密实状态。
7.根据权利要求6所述的联合开挖方法，其特征在于，所述药剂发生反应，包括以下步骤：
所述药剂反应中拌合水温度控制在15℃以下；
在拌合水中加入抑制剂以控制反应时间。
8.根据权利要求7所述的联合开挖方法，其特征在于：所述抑制剂的加入量为拌合水的0.5％-6％(质量计)。
9.根据权利要求8所述的联合开挖方法，其特征在于：所述静态预裂开挖区开裂后，向裂缝中加水。
10.根据权利要求4至9任一项所述的联合开挖方法，其特征在于，所述爆破孔和所述缓冲孔的中心距离，通过以下步骤确定：
其中，r为爆破孔半径，单位为米；R为缓冲孔半径，单位为米；h为装载药剂系数，即药剂长度与爆破孔长度之比；K为岩石膨胀系数。
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