一种高地应力隧道施工工法的制作方法

1.本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种高地应力隧道施工工法。


背景技术：

2.在隧道施工中开挖高地应力岩体时可能发生岩爆及软岩大变形等问题，这会造成岩体大规模坍塌，使tbm掘进困难，甚至将机体掩埋，导致卡机事故，严重拖延工期。
3.为解决上述问题，申请公布号为cn102155239a的中国发明专利申请公开了一种用于高地应力软岩隧道正台阶法开挖的地应力释放方法，该方法是在岩体上钻设若干个钻孔，以使地应力作用在钻孔上，进而使钻孔在变形的过程中消耗地应力的能量，实现地应力的释放，以有效控制高地应力隧道围岩变形的目的。
4.上述技术在释放地应力前需要钻设较多的钻孔，而且需要钻孔变形来消耗地应力的能量，这个过程花费的时间较长，影响施工效率。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种高地应力隧道施工工法，以解决现有技术中地应力释放需要花费较长的时间而影响施工效率的技术问题。
6.为实现上述目的，本发明高地应力隧道施工工法的技术方案是：
7.高地应力隧道施工工法，包括以下步骤：先利用应力波发生装置向隧道内待开挖区域施加应力波，以释放待开挖区域的地应力，再通过掘进机对待开挖区域进行开挖，之后对已开挖部分进行支护处理。
8.有益效果是：本发明的高地应力隧道施工工法利用应力波发生装置能够快速有效地释放待开挖区域的地应力，可显著降低硬岩岩爆发生频率，减弱软岩大变形程度，提高施工安全性，缩短施工周期；而且弱化了岩石性能，可显著提高隧道施工设备的掘进效率，减少刀具磨损。
9.作为进一步地改进，将掌子面分成开挖上层和开挖下层，开挖上层上设有上层掘进机，开挖下层上设有下层掘进机，应力波发生装置先在开挖上层上对开挖上层施加应力波，之后应力波发生装置向后退，为上层掘进机留出掘进空间；在上层掘进机掘进的同时，应力波发生装置对开挖下层施加应力波。
10.有益效果是：这样设计，以适用掌子面的面积较大的情形。
11.作为进一步地改进，应力波发生装置在开挖上层上对开挖下层施加应力波。
12.有益效果是：这样设计，使得应力波发生装置始终处于开挖上层，避免应力波发生装置在开挖上层和开挖下层来回移动，提高了施工效率。
13.作为进一步地改进，在应力波发生装置施加应力波之前，先对岩体进行取样检测，以确定岩体的力学参数，再结合岩体的力学参数，确定应力波的频率、振幅。
14.有益效果是：这样设计，能够根据岩体的特性向岩体施加特定频率、振幅的应力波，以有效释放地应力。
15.作为进一步地改进，利用数值模拟方法确定应力波的频率、振幅。
16.有益效果是：利用数值模拟方法能够得到较为精准的应力波频率、振幅。
17.作为进一步地改进，在应力波发生装置施加应力波之前，利用无损检测装置检测岩体的相关参数；在应力波发生装置施加应力波之后，再利用无损检测装置检测岩体的上述参数，以确定岩体内部结构的变化程度。
18.有益效果是：这样设计，可以根据岩体内部结构的变化，来确定岩体内地应力的释放程度。
19.作为进一步地改进，所述无损检测装置为声波测速仪。
20.有益效果是：利用声波测速仪能够有效地检测岩体内部的结构变化。
21.作为进一步地改进，所述应力波发生装置为激振器或超声波发生器。
22.有益效果是：激振器或超声波发生器能够有效地向岩体施加应力波，进而使岩体有效地释放地应力。
23.作为进一步地改进，应力波发生装置放置在升降架上，升降架上设有行走轮，以使应力波发生装置在上下、前后、左右的位置可以自由调节。
24.有益效果是：这样设计，可以根据需要调节应力波发生装置的位置，以对岩体任何位置施加应力波，进而使岩体有效地释放地应力。
25.作为进一步地改进，所述应力波发生装置可相对升降架翻转。
26.有益效果是：这样设计，使得应力波发生装置可以在开挖上层上对开挖下层施加应力波。
附图说明
27.图1为本发明高地应力隧道施工工法中岩体断面的示意图；
28.图2为本发明高地应力隧道施工工法中对开挖上层施加应力波的示意图；
29.图3为本发明高地应力隧道施工工法中对开挖下层施加应力波的示意图。
30.图中：11、开挖上层；12、开挖下层；13、升降架；14、无损检测装置；15、应力波发生装置；16、电缆；17、控制柜；18、上层掘进机；19、下层掘进机。
具体实施方式
31.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
32.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
33.需要说明的是，可能出现的术语如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的关系或者顺序。而且，术语如“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些
要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
等限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。此外，术语“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”是基于附图所示的方位和位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示所指的装置或部件必须具有特定的方位，因此不能理解为对本发明的限制。
34.以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步地详细描述。
35.本发明高地应力隧道施工工法的实施例1：
36.如图1至图3所示，高地应力隧道施工工法所需装置如下：应力波发生装置15，其为激振器，且通过电缆16与控制柜17连接；升降架13，其上设有行走轮，以使应力波发生装置15在上下、前后、左右的位置可以自由调节，同时应力波发生装置15可相对升降架13翻转；无损检测装置14，其为声波测速仪，以实时检测岩体内部的参数变化；上层掘进机18和下层掘进机19，两个掘进机均为悬臂掘进机，上层掘进机18用于对处理后的开挖上层11进行开挖，下层掘进机19用于对处理后的开挖下层12进行开挖。
37.在本发明的施工工法中，首先对岩体进行勘探，检测岩体的力学参数，通过数值模拟确定应力波的频率、振幅和施加时间等参数，随后利用应力波发生装置将应力波施加到掌子面及周边岩体，以释放待开挖区域的地应力；若断面尺寸过大，可使用升降平台进行自由施加，同时采用无损检测装置对岩体进行检测，评估岩体内部结构变化。特定参数的应力波施加到岩体后，岩体产生局部共振，内部出现裂纹，围岩应力得以提前释放，同时岩石性能弱化，便于掘进机对待开挖区域进行开挖，减少刀具磨损。
38.本发明高地应力隧道施工工法的具体步骤如下：
39.s1：对施工岩体进行取样测试，确定岩体基本力学参数，结合岩体参数，利用数值模拟方法确定应力波的频率、振幅和施加时间等参数。
40.s2：确定掌子面范围，将掌子面自上向下划分为两大区域，如图1所示，分别为开挖上层11和开挖下层12。
41.s3：隧道施工前，利用无损检测装置14对开挖上层11进行检测，确定完整岩体所对应的相关参数数据。
42.s4：如图2所示，利用应力波发生装置15对开挖上层11的掌子面进行处理，处理后再次利用无损检测装置14对开挖上层11进行检测，确定岩体内部结构变化程度。
43.s5：如图3所示，应力波发生装置15撤出，上层掘进机18上前并对开挖上层11的掌子面开挖；掘进3m后，将上层掘进机18后撤一段距离，对已开挖部分进行支护处理，如安装钢拱架和初次喷浆处理。
44.s6：重复步骤s3至s5,直至开挖上层11完成施工，停止掘进。
45.s7：在上层掘进机18对开挖上层11的掌子面开挖时，应力波发生装置15对开挖下层12的上表面从后向前施加应力波，施加方向垂直向下。应力波纵向施加距离3m左右。随后停止处理，利用下层掘进机19对开挖下层12进行开挖，开挖3m后，将下层掘进机19后撤一段距离，对已开挖部分进行支护处理。
46.s8：重复步骤s7，直至开挖下层12完成施工，停止掘进。
47.本发明的高地应力隧道施工工法能够快速有效地进行高地应力隧道施工，可显著降低硬岩岩爆发生频率，减弱软岩大变形程度，提高施工安全性，缩短施工周期；而且弱化
了岩石性能，可显著提高隧道施工设备的掘进效率，减少刀具磨损。
48.本发明高地应力隧道施工工法的实施例2：
49.本实施例与实施例1的区别在于，实施例1中，掌子面分为开挖上层和开挖下层，开挖上层和开挖下层上均设有悬臂掘进机，且应力波发生装置独立设置。本实施例中，掌子面不分层，即为全断面施工，此时应力波发生装置安装在刀盘的后侧，刀盘上设有供应力波发生装置通过的过孔，而且可以旋转刀盘以使整个断面均施加应力波。
50.本发明高地应力隧道施工工法的实施例3：
51.本实施例与实施例1的区别在于，实施例1中，应力波发生装置在开挖上层上对开挖下层施加应力波。本实施例中，应力波发生装置在开挖下层对开挖下层施加应力波，此时应力波发生装置固定在升降架上。
52.本发明高地应力隧道施工工法的实施例4：
53.本实施例与实施例1的区别在于，实施例1中，应力波发生装置为激振器。本实施例中，应力波发生装置为超声波发生器。在其他实施例中，应力波发生装置可以为其他能够产生相应频率、幅值的发生装置。
54.本发明高地应力隧道施工工法的实施例5：
55.本实施例与实施例1的区别在于，实施例1中，应力波发生装置放置在升降架上，升降架上设有行走轮，以使应力波发生装置在上下、前后、左右的位置可以自由调节。本实施例中，应力波发生装置放置在悬臂掘进机的截割臂上，应力波发生装置随截割臂移动，此时需要在截割臂上设置防护结构，以对应力波发生装置进行防护。
56.本发明高地应力隧道施工工法的实施例6：
57.本实施例与实施例1的区别在于，实施例1中，结合岩体的力学参数，利用数值模拟方法确定应力波的频率、振幅和施加时间。本实施例中，结合岩体的力学参数，利用积累的经验确定应力波的频率、振幅和施加时间。
58.以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。