硬岩隧道开挖施工方法与流程

本发明涉及隧道施工工法技术领域，特别涉及一种硬岩隧道开挖施工方法。

背景技术：

岩石工况下，隧道开挖常用的方法有两大类，第一类为钻爆法，即钻孔安放炸药，利用炸药引爆后形成的冲击波能量将岩体破碎，该方法因施工效率高而被广泛使用；第二类方法为非爆破机械法，及采用大型tbm掘进机、悬臂掘进机、破碎锤等设备进行开挖，机械开挖的显著优点为振动、噪声小，对周边扰动小，沿隧道轮廓开挖超欠挖控制好，安全环保。但是，大型掘进机存在成本高、运输不便利、仅适用于长距离隧道等大型工程，对于大量的中小隧道不适用。悬臂式隧道掘进机、破碎锤等小型开挖设备作业能力有限，对于普氏硬度系数超过f6的硬岩工况，施工效率低、机具磨损快，施工经济性差，造成该方法在硬岩工况的使用受到限制。

然而，随着基础设施建设的密度越来越大，穿越或紧邻既有建筑物进行施工的隧道工程越来越多，采用炸药的钻爆法因超欠挖控制差、振动噪声大、粉尘浓度高、释放有害气体而被限制使用。采用悬臂式隧道掘进机等非爆破机械法能够有效解决以上问题，但是针对硬岩，掘进机施工效率低是其显著的缺点。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种硬岩隧道开挖施工方法，能够解决硬岩隧道开挖施工效率低，超欠挖控制性差的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种硬岩隧道开挖施工方法，其包括以下步骤：

s1：沿隧道掌子面的底部开凿临空面；

s2：在临空面以上的掌子面中部区域钻多个爆破孔；

s3：在各爆破孔均设置爆破器，进行爆破；

s4：对爆破区域以外至掌子面开挖轮廓线之间的区域的岩体进行机械截割，完成隧道的开挖。

在一优选或可选实施例中，步骤s1中的临空面的深度根据单循环开挖进尺以及爆破器的长度设定，具体为大于二者中的数值小者5cm～10cm。

在一优选或可选实施例中，步骤s2中的爆破孔倾斜向下。

在一优选或可选实施例中，爆破孔与临空面的锐角夹角的角度小于30度。

在一优选或可选实施例中，步骤s2中的爆破孔的深度与临空面的深度相等。

在一优选或可选实施例中，步骤s3中的爆破器为高压气体爆破器。

在一优选或可选实施例中，高压气体爆破器中的气体为无毒惰性气体。

在一优选或可选实施例中，步骤s3中的各爆破器同时爆破。

在一优选或可选实施例中，步骤s4中采用掘进机自底向上截割。

在一优选或可选实施例中，掘进机为悬臂式隧道掘进机。

在一优选或可选实施例中，步骤s2中设置爆破孔的区域占整个掌子面的比例大于步骤s4中进行截割的区域占整个掌子面的比例。

基于上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：

本发明实施例提供的硬岩隧道开挖施工方法将钻爆法与非爆破机械法相结合对硬岩隧道进行开挖施工，其中，采用钻爆法开挖掌子面的中部区域，能够提高开挖效率，且能够降低采用机械设备开挖带来的设备消耗成本；通过机械设备对爆破区以外至整个隧道开挖轮廓线之间的区域的岩体进行截割，能够比较好的控制超欠挖，使开挖作业面形状规则，减少因超挖而造成的喷射混凝土的浪费。

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为本发明实施例提供的硬岩隧道开挖施工方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的硬岩隧道开挖施工方法对应的硬岩隧道掌子面各分区的示意图。

附图中标号：

1-临空面；2-爆破开挖区；21-爆破孔；3-切割开挖区；4-开挖轮廓线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如1、图2所示，一种硬岩隧道开挖施工方法，其包括以下步骤：

s1：沿隧道掌子面的底部开凿临空面1；

s2：在临空面1以上的隧道掌子面中部区域，即爆破开挖区2，钻多个爆破孔21；

s3：在各爆破孔21均设置爆破器，对爆破开挖区2进行爆破；

s4：对爆破开挖区2以外至隧道掌子面的开挖轮廓线4之间的区域进行机械截割，完成隧道的开挖。其中，爆破开挖区2以外至隧道掌子面的开挖轮廓线4之间的区域即截割开挖区3。

本发明实施例提供的硬岩隧道开挖施工方法将钻爆法与非爆破机械法相结合对硬岩隧道进行开挖施工，其中，采用钻爆法开挖掌子面的中部区域(爆破开挖区2)，能够提高开挖效率，且能够降低采用机械设备开挖带来的设备消耗成本；通过机械设备对爆破开挖区2以外至隧道掌子面的开挖轮廓线4之间的区域(截割开挖区3)的岩体进行机械截割，能够比较好的控制超欠挖，使开挖作业面形状规则，减少因超挖而造成的喷射混凝土的浪费。

本发明实施例提供的硬岩隧道开挖施工方法，步骤s2中设置爆破孔21的区域占整个掌子面的比例可以大于步骤s4中进行截割的区域占整个掌子面的比例，即爆破开挖区2占整个掌子面的比例相对于截割开挖区3占整个掌子面的比例大，爆破开挖区2占整个掌子面的比例大，能够利于提高开挖效率，截割开挖区3占整个掌子面的比例小，只要能够用来形成规则的轨道形状，防止超欠挖即可，可以采用小型开挖设备实现，适用于中小隧道的开挖；当然对于大型隧道，也可以采用大型开挖设备开挖，以提高开挖效率。

本发明实施例提供的硬岩隧道开挖施工方法，步骤s1中的临空面1的深度可以根据单循环开挖进尺以及爆破器的长度设定，具体为大于二者中的数值小者5cm～10cm，以利于产生裂隙的岩块从岩体上脱落。

本发明实施例提供的硬岩隧道开挖施工方法，步骤s2中的爆破孔21可以倾斜向下。本发明实施例在掌子面底部设置临空面1，爆破孔21斜向下打设，能够利于岩体内部裂纹的产生与扩散，同时能够充分利用岩石的自重力向下脱落，提高硬岩隧道开挖的效率。

在一优选或可选实施例中，爆破孔21与临空面1的锐角夹角的角度可以小于30度，便于凿岩设备打设。

在一优选或可选实施例中，步骤s2中采用凿岩钻机在爆破开挖区2可以钻多个斜向下的爆破孔21。

本发明实施例提供的硬岩隧道开挖施工方法，临近隧道掌子面开挖轮廓线4设定距离的区域(截割开挖区3)可以不设爆破孔21，在隧道掌子面中部区域(爆破开挖区2)可以设置多个爆破孔21，各爆破孔21的间距与密度可以根据前期试验段确定。

本发明实施例提供的硬岩隧道开挖施工方法，步骤s2中的爆破孔21的深度可以与临空面1的深度相等。

本发明实施例提供的硬岩隧道开挖施工方法，步骤s3中的爆破器可以为高压气体爆破器。采用高压气体爆破器，利用气体的液-气相变，瞬间体积膨胀数百倍，产生数百兆帕的膨胀力，将岩体胀裂与脱落，能够显著提高硬岩隧道的开挖效率。

上述实施例中，高压气体爆破器中的气体为无毒惰性气体。即高压气体爆破器可以为无毒惰性气体胀裂器。本发明只是利用气体的物理变化产生的能量，不产生有毒气体，同时振动噪声小。

本发明实施例提供的硬岩隧道开挖施工方法，步骤s3中的各爆破器可以同时爆破。掌子面爆破开挖区2的岩体爆破采用整体同时爆破的方式，能够提高施工效率。

本发明实施例提供的硬岩隧道开挖施工方法，步骤s4中可以采用掘进机自底向上对爆破开挖区2以外到掌子面的开挖轮廓线4的区域(截割开挖区3)的岩体进行截割，有利于控制超欠挖。

在一优选或可选实施例中，掘进机可以为悬臂式隧道掘进机，悬臂式隧道掘进机采用电力驱动，无尾气排放，比较环保。

下面列举本发明提供的硬岩隧道开挖施工方法的一具体实施例，在该具体实施例中，硬岩隧道开挖施工方法的具体流程如下：

1)掌子面底部开凿临空面1：沿掌子面底部开凿临空面1，临空面1的深度根据设计单循环开挖进尺以及高压气体爆破器的长度而定，具体为略大于二者中数值小者的长度，比如，对于普氏硬度系数为f9的花岗岩隧道，单次循环进尺为4m，采用长度为2m的高压氮气爆破器，那么临空面1深度可设置为2.1m，临空面1深度略大于爆破器长度，利于产生裂隙的岩块从岩体上脱落；

2)钻爆破孔21：在临空面1以上隧道的掌子面的中部采用凿岩钻机钻多个斜向下的爆破孔21，爆破孔21与临空面1的锐角夹角的角度小于30度，便于凿岩设备打设，爆破孔21斜向下带来的好处是，利于岩体深部裂纹的生成。爆破孔21的孔径依据高压气爆破器的管径而定。比如：选用管径为90mm的高压氮气爆破器，采用凿岩机钻直径为100mm的爆破孔21，爆破孔21的深度与临空面1的深度相等。临近隧道掌子面的开挖轮廓线4周向的区域不设爆破孔21，采用悬臂式隧道掘进机进行截割，截割开挖区3的厚度(即爆破开挖区2以外至开挖轮廓线4之间的距离)为20cm～50cm，爆破孔21的间距与密度根据前期试验段确定，对于普氏硬度系数为f9的花岗岩隧道，孔距设置为50cm～100cm；

3)爆破开挖区2爆破：使用高压气体爆破器进行隧道掌子面中部岩体爆破，对于普氏硬度系数为f9的花岗岩隧道，选用管径为90mm，长度为2m的高压氮气爆破器，每次爆破进尺可达2m，施工效率大大提高；

4)截割开挖区3截割：使用掘进机完成隧道掌子面一周未爆破部分岩体的截割，截割顺序为自底向上，以提高掘进机的截割效率。充分利用悬臂掘进机开挖超欠挖控制好的优点，形成规则的隧道开挖轮廓，能够保证施工质量，同时减少因超挖造成的喷射混凝土浪费，从而降低施工成本。

通过上述各个实施例的描述，可以推导出本发明至少具有以下优点：

1)硬岩隧道开挖效率高：采用高压气体爆破器，利用气体的液-气相变，瞬间体积膨胀数百倍，产生数百兆帕的膨胀力，将岩体胀裂与脱落；掌子面下部设置临空面1，爆破孔21斜向下打设，利于岩体内部裂纹的产生与扩散，同时充分利用岩石的自重力向下脱落。

2)施工质量高，经济性好：采用悬臂式隧道掘进机沿隧道掌子面轮廓线4进行岩体截割，超欠挖控制好，开挖作业面形状规则，减少因超挖而造成的喷射混凝土的浪费；采用高压气体爆破器开挖隧道掌子面中部岩体，降低了用悬臂式隧道掘进机开挖带来的截齿消耗成本。

3)施工过程绿色环保：采用高压气体爆破器，只是利用气体的物理变化产生的能量，不产生有毒气体，同时振动噪声小；悬臂式隧道掘进机采用电力驱动，无尾气排放。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。