一种针对中短长度硬岩隧道的机械开挖方法技术

本发明专利技术公开了一种针对中短长度硬岩隧道的机械开挖方法，属于施工方法领域。该方法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。本发明专利技术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。

Mechanical excavation method for medium short length hard rock tunnel

The invention discloses a mechanical excavation method for a medium short length hard rock tunnel, belonging to the field of construction method. Firstly, in the face of the tunnel contour in every certain distance of cutting a plurality of parallel vertical grooves, the free surface of each vertical groove on both sides of the rock forming depth; and then use the broken airport equipment on the vertical slots on both sides of the surface applied extrusion pressure, the two side vertical groove rock fragmentation, realize the tunnel excavation in the. Compared with the prior art, the present invention can meet the requirements of economic, efficiency and safety risk in the construction of a new medium short length rock tunnel construction with limited blasting vibration. Moreover, its construction efficiency is better than the existing technology.

【技术实现步骤摘要】
一种针对中短长度硬岩隧道的机械开挖方法
本专利技术属于施工方法领域，具体涉及一种针对中短长度硬岩隧道的机械开挖方法。
技术介绍
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的专利技术专利，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的专利技术专利，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的专利技术专利，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的专利技术专利，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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。本专利技术的原理如下：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。本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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。因此本专利技术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
技术介绍
中提到的各种现有开挖方式，本专利技术的经济性和开挖效率都有了长足的提高。上述方式为本专利技术的基本实现方式，在实际使用过程中可对其进行以下优化。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种针对中短长度硬岩隧道的机械开挖方法，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种针对中短长度硬岩隧道的机械开挖方法，其特征在于，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。2.如权利要求1所述的机械开挖方法，其特征在于，所述的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。3.如权利要求1所述的机械开挖方法，其特征在于，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。4.如权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：张华，朱汉华，
申请(专利权)人：张华，朱汉华，
类型：发明
国别省市：浙江,33