一种针对中短长度硬岩隧道的机械开挖方法与流程

本发明属于施工方法领域，具体涉及一种针对中短长度硬岩隧道的机械开挖方法。

背景技术：

目前，国内隧道施工方式主要有两大类，一类是爆破施工，应用在各类隧道工程，存在尺寸超差不受控、施工危险以及爆破震动过大的问题。高速铁路、公路附近或交叉或接近，以及穿越水域底部浅埋的新建中短长度岩石隧道施工过程中爆破震动受限，不宜采用爆破施工。另一类是机械化施工，分为盾构法施工和悬臂式掘进机施工。前者采用盾构机施工成本高，运输不便，适用于长距离隧道等大型工程；后者采用悬臂式掘进机施工，当遇到硬岩隧道时，截齿磨损加快，施工效率降低。对于硬岩隧道非爆施工，目前主要有全断面掘进机(TBM)法、悬臂掘进机法、铣挖机法、劈裂法、液压冲击锤法、静态破碎法等。TBM法施工成本较高，不适用于中短长度的隧道。而其余方法的开采效率要视隧道岩石硬度而定，当硬度过大时，会产生效率太低或挖不动硬岩的问题，很难满足高速铁路、公路附近或交叉或接近，以及穿越水域底部浅埋的新建中短长度岩石隧道施工的经济效率和安全风险等问题。

针对该问题，有较多的研究提出了新的解决方案：

如申请号为201610783313.8的发明专利，公开了一种硬岩隧道高效施工工法，其在将要施工的隧道的中央、底部或边缘任意位置开凿临空槽，形成临空面；接着，在隧道除临空槽以外的断面部分，采用液压凿岩钻机钻多个分裂孔，使用液压劈裂机进行隧道断面岩石分裂；最后用掘进机进行隧道断面切割。该方法能够提高对硬岩隧道进行掘进，但其临空槽、临空面的开凿需要耗费大量的时间，效率仍然较低。

申请号为201610348519.8的发明专利，公开了一种城市硬岩隧道非爆施工方法，沿着设计的隧道开挖轮廓线在水平方向用链锯切刀切割出外轮廓线切槽，形成连续封闭的临空面；用链锯切刀自开挖轮廓线向内在掌子面上按设定的轨迹在水平方向进行切槽分割，将掌子面分割成多个小块；步骤三、用破碎头对掌子面已分裂的岩石进行进一步破碎和清除。该方法所采用的链锯在面对硬度较高的岩石，其切割效率不高。

申请号为201410522789.7的发明专利，公开了一种基于水力切割的硬岩隧道施工方法，利用超高压水刀将隧道轮廓线切割一定深度，同时按对应的横向间距和竖向间距将岩石切成网格状，然后利用液压劈裂机劈裂折断切块，完成硬岩隧道的切割开挖。但利用水刀对掌子面进行网格状的切割所耗费的时间也较高，因此其整体开挖效率也不高。

申请号为201610310529.2的发明专利，公开了一种爆破震动受限的岩石隧道开挖方法，采用潜孔钻在隧道周边内圈钻类似蜂窝煤的梅花形孔,然后采用撞击锤撞击梅花形孔，击碎梅花形孔壁岩石，完成循环开挖隧道内圈岩石。该方法尽管能够有效地对隧道中硬质岩石进行爆破，但是其需要在掌子面上钻大量的孔，且其对其岩石的剥离需要通过撞击锤进行，最终岩石是被击碎成较小的碎片。这将耗费大量的能量，而且其撞击锤也需要架设在大型挖掘机上以承担冲击反力。同时，其撞击锤的撞击过程对岩石的剥离速度存在一定制约。

上述几种解决方案，其理念均是将原本成块的岩体分割为相对独立的小块，然后利用破碎装置(如撞击锤、劈裂机等)将其进一步击碎，然后以碎石的形式运出，由此导致了其掘进效率受到制约。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种针对中短长度硬岩隧道的新型开挖方法，使其能够同时兼顾经济性和效率。由此，本发明提供的针对中短长度硬岩隧道的机械开挖方法所采用的具体技术方案如下：

针对中短长度硬岩隧道的机械开挖方法，具体步骤为：首先在隧道轮廓内的掌子面上每隔一定距离切割若干条平行的竖向槽，每条竖向槽均使两侧岩石形成一定深度的临空面；然后利用破碎设备对竖向槽两侧的临空面施加挤压力，使竖向槽两侧岩体碎裂，实现对隧道的开挖。

本发明的原理如下：完整硬岩隧道内部存在许多微观裂隙，在完整硬岩封闭情况下，能量聚集很大，微观裂隙没有条件释放，液压破碎非常困难，隧道开挖支护经济效率很低，不能满足生产需要。而在完整硬岩基础上每隔50～60cm采用机械切割许多平行竖向槽，竖向槽两端的临空面为硬岩内部微观裂隙释放创造了位移边界条件，能量聚集整体性也降低成局部性，进一步为液压破碎创造了良好条件，加快生产进度，也控制了安全风险。破碎设备以竖向槽上的某一为止作为压裂点施加压力。此时临空面后部的岩体受到的挤压力转化为对岩体的剪切力，而岩石的抗剪强度远比抗压强度小。当挤压力达到一定程度时，硬岩内部微观裂隙扩大，而临空面的存在又使其能够发生位移，由此岩体碎裂。不断地对掌子面上不同点位进行破碎，完成整个掌子面的开挖，然后循环掘进。

本发明的提高隧道掘进效率的理念是使岩石以块状形式从岩体上剥离，减少开挖所需的时间。在“竖向槽+压裂点挤压破碎”的技术方案下，一方面，本发明不需要将掌子面截成众多的小块，仅需要切割多条竖向槽即可，利用切割机械可以快速完成该工序；另一方面，本发明不需要利用破碎设备对掌子面进行正面的撞击，而是另辟蹊径地利用破碎设备以位于竖向槽上的压裂点为基础，对两侧的临空面施加剪切力。因此本发明的一个重要改进点是破碎过程中岩体是大块大块地被挤裂的，而不是被撞击成小块。而且，由于槽体沿竖向开设，岩块一旦产生裂痕会快速落下并从母体岩石中剥离。相对于背景技术中提到的各种现有开挖方式，本发明的经济性和开挖效率都有了长足的提高。

上述方式为本发明的基本实现方式，在实际使用过程中可对其进行以下优化。本发明中各种优化方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

作为优选，破碎设备采用钎杆直径大于竖向槽宽度的液压破碎锤，钎杆顶于竖向槽中形成压裂点，冲击竖向槽两侧岩体并使岩体碎裂。液压破碎锤是隧道施工过程中常见的设备，利用钎杆的挤压作用能够很好地实现岩体的破裂。当然，液压破碎锤仅仅是破碎设备的一种较佳选择，也可以选择其他能够对竖向槽施加压力的设备，如劈裂枪、劈裂棒或其他液压装置等。

作为优选，破碎设备首先从掌子面中部开始对岩体进行破碎，然后逐层向两侧推进，直至开挖完隧道轮廓线。掌子面中部的竖向槽被挤压破裂后，可以形成一个工作面同时向两侧进行开挖。而且随着临空面的可位移空间变大，挤压破碎的效率能够得到进一步提高。

作为优选，竖向槽的纵向两端均延伸至隧道的设计轮廓边缘。由此，能够快速将设计轮廓内的岩石进行清除，减少二次施工。但若受到作业场地或者机械设备限制时，可考虑对掌子面分段进行开挖。

作为优选，相邻竖向槽之间的水平距离为50～60cm，每条竖向槽形成的临空面深度为50～60cm，竖向槽两侧临空面间的距离不小于1cm。。经过试验，该参数下，岩石的压裂速度较快，能够能够保持较快的隧道掘进速度。

作为优选，隧道两侧轮廓与最近的一条竖向槽的距离不大于60cm。即隧道两侧轮廓与竖向槽之间夹持的岩体厚度不超过60cm，由此，能够快速将设计轮廓左右两侧的岩石进行清除，减少二次施工。

作为优选，沿竖向槽方向的相邻两个用于对临空面施加挤压力的压裂点间的距离为100～120cm。该间距是根据对单次压裂过程中所能够破碎的岩体高度确定的，在该间距下，能够连续地对岩体进行破碎。

作为优选，掌子面上竖向槽的切割通过岩石锯进行。岩石锯可搭载与挖掘机上使用，其对岩石开槽的效率较高，便于施工现场的调用。岩石锯的常规用途是作为土石方开挖过程中的机械设备，用于将成块的土石方切割为相应的形状。申请人创新性地将其应用于隧道开挖过程中，用来形成供临空面位移的竖向槽，大大提高了隧道掘进的效率。

本发明相对于现有技术而言，能够满足爆破震动受限的新建中短长度岩石隧道施工对经济、效率和安全风险等方面的要求。而且其施工效率较现有的技术而言，具有较大的提高。具体的技术效果将在后续实施例中进行详细说明。

附图说明

图1为实施例1中竖向槽和压裂点的布置示意图；

图2为实施例1中开挖方向示意图，图中箭头表示对竖向槽破碎的施工顺序。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。

下述实施例和对比例均针对同一隧道进行施工，拟建隧道下伏基岩为花岗岩。呈块状构造，节理裂隙较发育，岩质新鲜，坚硬，锤击声脆，天然抗压强度＝＝50～62MPa，Rc＝40～50MPa，Kv＝0.25～0.68。

实施例1

本实施例中，采用本发明提出的针对中短长度硬岩隧道的机械开挖方法。具体施工方法如下：

(1)机械开挖洞口路堑并做好初步防护和排水措施。

(2)做好洞口支护或预支护结构。

(3)采用搭载于岩石锯(岩石锯锯片规格φ2200mm)在隧道轮廓一侧开始，在掌子面上每隔60cm切割一条50cm深的竖向槽，如图1所示。每条竖向槽的宽度为1cm。

(4)在隧道内竖向槽2每隔120cm标记一个压裂点1。破碎设备首先从掌子面中部开始对岩体进行破碎。液压破碎锤的钎杆顶于压裂点1上，钎杆的直径应大于竖向槽的宽度。钎杆的端部卡入竖向槽的缝隙中，液压破碎锤冲击竖向槽两侧岩体，迫使硬岩内部微观裂隙释放直至硬岩分离原岩。然后依次对该条竖向槽的其他压裂点1进行破碎，完成后逐层向两侧推进，直至开挖完隧道轮廓线(如图2所示)。完成一个掌子面的施工后，循环掘进，每循环进尺控制在50cm左右。采用上述岩石锯+破碎锤施工工艺，平均每天进度0.5m左右。

对比例1

本例中采用潜孔钻钻孔拉槽+劈裂(劈裂枪、劈裂棒、劈裂机)+液压破碎锤的组合方式。首先利用潜孔钻在掌子面纵向钻100mm孔一排，其次用液压破碎锤对钻孔位置进行破碎，破出临空面后，在其周边打孔，孔位呈梅花形线型布置，逐排进行劈裂。出于岩体较硬，劈裂效果不佳，破碎锤不易破碎，经过多次反复尝试，综合试验放果不佳，效率低，平均每天进度小于0.10m。

对比例2

本例中采用绳锯法+液压破碎锤施工的组合方式。在掌子面进行钻孔、开锯，经过多次尝试，但效率低下，难以满足施工需要。最后改用人工钻孔，配合常规采石绳锯(三角法)进行切割，但开采方量低下，成本高、工期长，平均每天进度小于0.10m。

对比例3

本例中采用风钻钻孔+膨胀剂+液压破碎锤的组合方式。在掌子面进行膨胀剂试验。钻孔结束后，注入膨胀剂，速凝砼封孔，堵塞，待8-10小时之后，岩体未开裂，膨胀剂冲孔，未达到破体效果。

对比例4

本例中采用潜孔钻钻孔+二氧化碳气体爆破+液压破碎锤的组合方式。在掌子面，采用潜孔钻孔，完成后，装入二氧化碳碳棒，速凝砼封孔，起爆，反复试验多次，气体膨胀，碳棒孔内冲出，岩体未开裂，未达到破体效果。

对比例5

本例中采用EBZ260悬臂式掘进机+液压破碎锤的组合方式。

首先采用液压破碎锤对隧道掌子面岩体进行破碎剥离，由于破碎锤本身设备局限性，岩体特性，破碎锤开挖难以到位，其次拱顶、拱腰、拱脚主要弧形轮廓线位置需要采用掘进机进行铣挖。掘进机前期截齿消耗量过大，部分区段消耗量高达50个以上，开挖直接成本高达2500元/m³，平均每天进度大约0.10m。

对比例6

本例中采用潜孔钻打梅花形孔+撞击锤撞击的方式，平均每天进度大约0.40m。由此可见，本发明比该方式的效率提高了25％，而且考虑到撞击锤将岩体进行粉碎所消耗的能量，整体能耗水平也得到了大大地降低。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。例如，相邻竖向槽之间的水平距离并不一定要60cm，岩石硬度较高可以缩小间距，但50～60cm为较佳的范围。每条竖向槽形成的临空面深度也可根据切割机械的刀片直径进行调整，但50～60cm为较佳间距，能够保持较快的掘进速度。竖向槽两侧临空面间的距离会影响破碎设备对临空面施加的压力，过小的间距会导致钻头进入困难，因此需要根据情况进行调整。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。