一種硬巖隧道非爆破開挖分塊方法及施工方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種硬巖隧道非爆破開挖分塊方法及施工方法，其運用鉆孔取芯技術(shù)，沿隧道開挖輪廓線打設(shè)互相咬合切割的周邊孔，以便在隧道掌子面周邊形成孔壁狀開挖臨空面；其運用液壓劈裂機劈裂技術(shù)，并利用巖石的抗拉強度和抗剪強度遠(yuǎn)比抗壓強度小的特性，先進行隧道掌子面開挖分塊，在每一個開挖分塊中，同步劈裂開挖的劈裂面不超過兩個，且兩個劈裂面呈大角度的鈍角相交，并包含至少一個垂直于掌子面的開挖臨空面，再采用先下面后上面、先周邊后中間的開挖施工順序，利用較小的劈裂力沿劈裂面進行掌子面的巖石拉裂和剪切分割的劈裂開挖；本發(fā)明能消除硬巖開挖施工中的振動、噪音和粉塵的不利影響，可提高隧道洞碴作為建筑石材的利用率。
【專利說明】一種硬巖隧道非爆破開挖分塊方法及施工方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及隧道工程領(lǐng)域，具體涉及一種硬巖隧道非爆破開挖分塊方法及施工方法。

【背景技術(shù)】
[0002]硬巖隧道一般采用鉆爆法施工。鉆爆法施工會引起隧道圍巖和鄰近建筑物結(jié)構(gòu)發(fā)生爆破振動，會對隧道圍巖和鄰近建筑物結(jié)構(gòu)力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。同時，爆破施工也會發(fā)出爆破噪音，會破壞隧道周邊的人居環(huán)境。即使在爆破施工中采用了控制爆破技術(shù)，仍然難以消除爆破振動和噪音的不利影響。因此，對于爆破振動和爆破噪音要求嚴(yán)格的隧道工程，鉆爆法施工難以滿足工程要求，需要采用非爆破開挖施工技術(shù)。
[0003]在現(xiàn)有的非爆破開挖施工技術(shù)中，銑挖法和隧道掘進機法可以克服鉆爆法的缺點，但銑挖法一般適用在軟巖中施工，在硬巖中其洗頭磨損大、工作效率低；隧道掘進機法一般適用在硬質(zhì)圍巖、隧道長度較長、隧道斷面保持不變的隧道工程中，不適合長度較短、斷面變化的隧道工程。人工風(fēng)鎬開挖法和液壓沖擊錘開挖法，常常適用于軟質(zhì)圍巖的隧道施工中,對于硬質(zhì)圍巖，其施工效率較低，且液壓沖擊錘施工也會產(chǎn)生一定的沖擊振動。膨脹劑法存在環(huán)境污染問題，且對施工人員會造成人身傷害，施工中須戴防護套。因此，現(xiàn)有硬巖隧道的施工技術(shù)可進一步改進。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)作出改進，即本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種硬巖隧道非爆破開挖分塊方法及施工方法，其運用液壓劈裂機劈裂技術(shù)和鉆孔取芯技術(shù)，并結(jié)合人工風(fēng)鎬或液壓沖擊錘開挖法，進行硬巖隧道的非爆破開挖，以避免隧道施工對隧道圍巖和鄰近建筑物的有害振動影響，消除隧道施工噪音，提高開挖效率，滿足隧道周邊環(huán)境對隧道施工的要求。
[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的第一技術(shù)方案是:一種硬巖隧道非爆破開挖分塊方法，其特征在于，包括以下步驟:
1)沿隧道開挖輪廓線并采用相應(yīng)的鉆孔外插角打設(shè)鉆孔，相鄰鉆孔互相咬合重疊，最后形成相鄰鉆孔互相切割的周邊孔，從而將隧道掌子面與隧道周邊圍巖截然分來，以便在隧道掌子面周邊形成鉆孔孔壁狀的開挖臨空面；
2)在所述掌子面中，打設(shè)若干排互相呈平行或相交布置的劈裂孔排孔，每一排劈裂孔排孔組成一個劈裂面，由若干個劈裂面將掌子面分割為若干個菱形、梯形或三角形的開挖分塊；
進一步的，在所述開挖分塊中，利用巖石的抗拉強度和抗剪強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比巖石的抗壓強度小的特性，每一個開挖分塊中的同步劈裂開挖施工的劈裂面不超過兩個，且兩個劈裂面呈大角度的鈍角相交，以便有效地利用較小的劈裂力來抵抗巖石的拉力或剪力，以實現(xiàn)掌子面的巖石拉裂和剪切分割的劈裂開挖。
[0006]進一步的，在所述開挖分塊中，利用掌子面周邊的開挖臨空面，并利用巖石的重力在巖石劈裂開挖中的有利作用，每一個開挖分塊中至少包含一個垂直于掌子面的開挖臨空面，并且滿足先下面后上面、先周邊后中間的劈裂開挖施工順序的要求。
[0007]進一步的，在所述開挖分塊中，利用小尺寸分塊比大尺寸分塊容易被劈裂開挖的特點，掌子面中的最后幾塊開挖分塊均采用小幾何尺寸的三角形分塊，以確保最后一塊開挖分塊的幾何尺寸比較小，便于采用人工風(fēng)鎬或液壓沖擊錘進行最后一塊開挖分塊的開挖。
[0008]進一步的，所述劈裂孔的孔軸線均垂直于掌子面，同一排劈裂孔排孔的孔軸線互相平行，且位于同一劈裂面平面內(nèi)。
[0009]進一步的，所述劈裂孔與所述周邊孔的鉆孔深度互相匹配，劈裂孔的每一個作業(yè)循環(huán)進尺與周邊孔的若干個作業(yè)循環(huán)總進尺相等。
[0010]進一步的，所述同一排劈裂孔的孔間距小于開挖臨空面的最小抵抗線，以確保掌子面的劈裂開挖能夠沿著預(yù)定的劈裂面劈裂分塊；劈裂孔孔徑滿足劈裂機的孔徑要求。
[0011]本發(fā)明的第二技術(shù)方案是:一種硬巖隧道非爆破開挖施工方法，其特征在于，包括采用所述一種硬巖隧道非爆破開挖分塊方法，其施工步驟如下:
1)在隧道掌子面上，進行開挖輪廓線、周邊孔、劈裂面和劈裂孔的施工放樣，周邊孔的放樣采用鉆孔孔心沿開挖輪廓線布置；
2)采用鉆孔取芯鉆機，并采用相應(yīng)的鉆孔外插角，沿隧道開挖輪廓線進行周邊孔的鉆孔施工，相鄰鉆孔互相咬合切割，最后，在掌子面周邊形成鉆孔孔壁狀的開挖臨空面；采用鉆機進行劈裂孔的鉆孔施工，劈裂孔的孔軸線垂直于掌子面，同一排劈裂孔的孔軸線互相平行且位于同一劈裂面平面內(nèi)；劈裂孔與周邊孔的鉆孔深度互相匹配，劈裂孔的每一個作業(yè)循環(huán)進尺與周邊孔的若干個作業(yè)循環(huán)總進尺相等；
3)按照先下面后上面、先周邊后中間的開挖施工順序，首先，劈裂開挖位于隧道掌子面下面和兩側(cè)的開挖分塊，然后，依次劈裂開挖相應(yīng)的開挖分塊，最后，采用人工風(fēng)鎬或液壓沖擊錘開挖最后一塊開挖分塊；在劈裂開挖每一塊開挖分塊時，先將液壓劈裂機的劈裂工作件插入劈裂孔中，并保持劈裂工作件的劈裂張開方向與劈裂面相垂直，然后再啟動劈裂機，對劈裂孔逐步施加劈裂力，隨著劈裂力的逐漸升高，劈裂孔沿劈裂面方向會發(fā)生開裂，且開裂裂縫長度會不斷增長，裂縫寬度也會不斷加寬，在相鄰劈裂孔裂縫貫通后便形成了劈裂面，之后，劈裂面的裂縫寬度會繼續(xù)加寬，其長度也會因裂縫向兩端延伸而加長，直至整塊開挖分塊被劈裂分割開來；
4)采用人工風(fēng)鎬或液壓沖擊錘進行欠挖部分的修整，直至滿足開挖輪廓線的開挖要求之后，再進行下一個劈裂開挖循環(huán)的施工。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:為硬巖隧道的非爆破開挖施工提供了一種施工方法，其利用巖石的抗拉強度和抗剪強度遠(yuǎn)比抗壓強度小的特性，有效地采用較小的劈裂力來抵抗巖石的拉力或剪力，可實現(xiàn)掌子面的巖石拉裂和剪切分割的劈裂開挖，本發(fā)明能夠消除硬巖隧道的非爆破開挖過程中的施工振動、施工噪音和施工粉塵，避免了隧道開挖施工對隧道圍巖和鄰近建筑物結(jié)構(gòu)以及周邊人居環(huán)境的不利影響，劈裂開挖所產(chǎn)生的塊石的損傷率比較低，可作為工程建設(shè)中的建筑石材，提高了隧道洞碴的利用率。
[0013]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明實施例的施工方法示意圖。
[0015]圖中:1-開挖輪廓線，2-周邊孔，3-劈裂面，4-劈裂孔，5、6、7、……、43_開挖分塊編號及施工順序編號。

【具體實施方式】
[0016]如圖1所示，一種硬巖隧道非爆破開挖分塊方法，其特征在于，包括以下步驟:
O沿隧道開挖輪廓線I并采用相應(yīng)的鉆孔外插角打設(shè)鉆孔，相鄰鉆孔互相咬合重疊，最后形成相鄰鉆孔互相切割的周邊孔2，從而將隧道掌子面與隧道周邊圍巖截然分來，以便在隧道掌子面周邊形成鉆孔孔壁狀的開挖臨空面，本發(fā)明實施例中，周邊孔2孔徑20cm，鉆孔間距18cm,相鄰鉆孔的咬合重疊厚度2cm ；
2)在所述掌子面中，打設(shè)若干排互相呈平行或相交布置的劈裂孔4排孔，每一排劈裂孔4排孔組成一個劈裂面3，由若干個劈裂面3將掌子面分割為若干個菱形、梯形或三角形的開挖分塊(5或6或7或......或43)，本發(fā)明實施例中，開挖分塊呈隧道左右側(cè)對稱布置；
在所述開挖分塊(5或6或7或……或43)中，利用巖石的抗拉強度和抗剪強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比巖石的抗壓強度小的特性，每一個開挖分塊(5或6或7或……或43)中同步進行劈裂開挖的劈裂面3不超過兩個，且兩個劈裂面3呈大角度的鈍角相交，以便采用較小的劈裂力來進行隧道掌子面巖石的拉裂和剪切分割開挖；
在所述開挖分塊中，利用隧道掌子面周邊的開挖臨空面，并利用巖石的重力在巖石劈裂開挖中的有利作用，每一個開挖分塊(5或6或7或……或43)中包含至少一個垂直于掌子面的開挖臨空面，并滿足先下面后上面、先周邊后中間的開挖施工順序(5、6、7、……、43)的要求；
在所述開挖分塊中，利用小尺寸分塊比大尺寸分塊容易被劈裂開挖的特點，掌子面中的最后三塊開挖分塊(41、42、43)均采用小幾何尺寸的三角形分塊，以確保最后一塊開挖分塊43的幾何尺寸比較小，便于采用人工風(fēng)鎬或液壓沖擊錘進行最后一塊開挖分塊43的開挖；
所述劈裂孔4的孔軸線均垂直于掌子面，同一排劈裂孔4的孔軸線互相平行且位于同一劈裂面3平面內(nèi)；
所述同一排劈裂孔4孔間距小于開挖臨空面的最小抵抗線，以確保掌子面的分塊開挖能夠沿著預(yù)定的劈裂面3劈裂分塊；劈裂孔4孔徑滿足劈裂機的孔徑要求，其孔間距與掌子面的巖石完整性及其力學(xué)性能、劈裂開挖臨空面及其最小抵抗線、劈裂開挖分塊(5或6或7或……或43)的幾何尺寸以及劈裂機的劈裂力等相關(guān)因素有關(guān)，可根據(jù)現(xiàn)場劈裂開挖試驗的結(jié)果選擇劈裂孔4孔間距；
所述劈裂孔4與周邊孔2的鉆孔深度互相匹配，劈裂孔4的每一個作業(yè)循環(huán)進尺與周邊孔2的若干個作業(yè)循環(huán)總進尺相等；本發(fā)明實施例中，周邊孔2鉆孔深度0.5m，劈裂孔4孔深2m，劈裂孔4的一個作業(yè)循環(huán)進尺與周邊孔2的四個作業(yè)循環(huán)總進尺相匹配。
[0017]一種硬巖隧道非爆破開挖施工方法，包括采用所述一種硬巖隧道非爆破開挖分塊方法，其施工步驟如下: 1)在隧道開挖掌子面中，進行開挖輪廓線1、周邊孔2、劈裂面3和劈裂孔4的施工放樣；為滿足較小的隧道超挖量要求，綜合考慮周邊孔2孔徑、鉆孔深度和間距、相鄰鉆孔的咬合重疊厚度、鉆孔外插角和鉆孔施工進度等因素，并結(jié)合下一個作業(yè)循環(huán)對劈裂開挖空間的要求，周邊孔2的放樣采用鉆孔孔心沿開挖輪廓線I布置；
2)采用鉆孔取芯鉆機，并采用相應(yīng)的鉆孔外插角，沿隧道開挖輪廓線I進行周邊孔2的鉆孔施工，相鄰鉆孔互相咬合切割，最后，在掌子面周邊形成鉆孔孔壁狀的開挖臨空面；采用鉆機進行劈裂孔4的鉆孔施工，劈裂孔4的孔軸線垂直于掌子面，同一排劈裂孔4的孔軸線互相平行且位于同一劈裂面3平面內(nèi)；劈裂孔4與周邊孔2的鉆孔深度互相匹配，劈裂孔4的一個作業(yè)循環(huán)進尺與周邊孔2的四個作業(yè)循環(huán)總進尺相等；
3)按照先下面后上面、先周邊后中間的開挖施工順序(5、6、7、……、43)，首先，劈裂開挖位于隧道掌子面下面和兩側(cè)的開挖分塊5，然后，依次劈裂開挖相應(yīng)的開挖分塊(6、7、……、42)，最后，采用人工風(fēng)鎬或液壓沖擊錘開挖最后一塊開挖分塊43;在劈裂開挖每一塊開挖分塊(5或6或7或……或42)時，先將液壓劈裂機的劈裂工作件插入劈裂孔4中，并保持劈裂工作件的劈裂張開方向與劈裂面3相垂直，然后再啟動劈裂機，對劈裂孔4逐步施加劈裂力，隨著劈裂力的逐漸升高，劈裂孔4沿劈裂面3方向會發(fā)生開裂，且開裂裂縫長度會不斷增長，裂縫寬度也會不斷加寬，在相鄰劈裂孔4裂縫貫通后便形成了劈裂面3，之后，劈裂面3的裂縫寬度會繼續(xù)加寬，其長度也會因裂縫向兩端延伸而加長，直至整塊開挖分塊(5或6或7或……或42)被劈裂分割開來；
4)采用人工風(fēng)鎬或液壓沖擊錘進行欠挖部分的修整，直至滿足開挖輪廓線I的開挖要求之后，再進行下一個劈裂開挖循環(huán)的施工。
[0018]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例子而已，并非對本發(fā)明做任何形式上的限制，任何未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例子所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種硬巖隧道非爆破開挖分塊方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)沿隧道開挖輪廓線并采用相應(yīng)的鉆孔外插角打設(shè)鉆孔，相鄰鉆孔互相咬合重疊，最后形成相鄰鉆孔互相切割的周邊孔，從而將隧道掌子面與隧道周邊圍巖截然分來，以便在隧道掌子面周邊形成鉆孔孔壁狀的開挖臨空面； (2)在所述掌子面中，打設(shè)若干排互相呈平行或相交布置的劈裂孔排孔，每一排劈裂孔排孔組成一個劈裂面，由若干個劈裂面將掌子面分割為若干個菱形、梯形或三角形的開挖分塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硬巖隧道非爆破開挖分塊方法，其特征在于:在所述開挖分塊中，利用巖石的抗拉強度和抗剪強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比巖石的抗壓強度小的特性，每一個開挖分塊中的同步劈裂開挖施工的劈裂面不超過兩個，且兩個劈裂面呈大角度的鈍角相交，以便有效地利用較小的劈裂力來抵抗巖石的拉力或剪力，以實現(xiàn)掌子面的巖石拉裂和剪切分割的劈裂開挖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硬巖隧道非爆破開挖分塊方法，其特征在于:在所述開挖分塊中，利用掌子面周邊的開挖臨空面，并利用巖石的重力在巖石劈裂開挖中的有利作用，每一個開挖分塊中至少包含一個垂直于掌子面的開挖臨空面，并且滿足先下面后上面、先周邊后中間的劈裂開挖施工順序的要求。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種硬巖隧道非爆破開挖分塊方法，其特征在于:在所述開挖分塊中，利用小尺寸分塊比大尺寸分塊容易被劈裂開挖的特點，掌子面中的最后幾塊開挖分塊均采用小幾何尺寸的三角形分塊，以確保最后一塊開挖分塊的幾何尺寸比較小，便于采用人工風(fēng)鎬或液壓沖擊錘進行最后一塊開挖分塊的開挖。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硬巖隧道非爆破開挖分塊方法，其特征在于:所述劈裂孔的孔軸線均垂直于掌子面，同一排劈裂孔排孔的孔軸線互相平行，且位于同一劈裂面平面內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硬巖隧道非爆破開挖分塊方法，其特征在于:所述劈裂孔與所述周邊孔的鉆孔深度互相匹配，劈裂孔的每一個作業(yè)循環(huán)進尺與周邊孔的若干個作業(yè)循環(huán)總進尺相等。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硬巖隧道非爆破開挖分塊方法，其特征在于:所述同一排劈裂孔的孔間距小于開挖臨空面的最小抵抗線，以確保掌子面的劈裂開挖能夠沿著預(yù)定的劈裂面劈裂分塊；劈裂孔孔徑滿足劈裂機的孔徑要求。
8.—種硬巖隧道非爆破開挖施工方法,其特征在于,包括權(quán)利要求1所述的一種硬巖隧道非爆破開挖分塊方法，其施工步驟如下: (1)在隧道掌子面上，進行開挖輪廓線、周邊孔、劈裂面和劈裂孔的施工放樣，周邊孔的放樣采用鉆孔孔心沿開挖輪廓線布置； (2)采用鉆孔取芯鉆機，并采用相應(yīng)的鉆孔外插角，沿隧道開挖輪廓線進行周邊孔的鉆孔施工，相鄰鉆孔互相咬合切割，最后，在掌子面周邊形成鉆孔孔壁狀的開挖臨空面；采用鉆機進行劈裂孔的鉆孔施工，劈裂孔的孔軸線垂直于掌子面，同一排劈裂孔的孔軸線互相平行且位于同一劈裂面平面內(nèi)；劈裂孔與周邊孔的鉆孔深度互相匹配，劈裂孔的每一個作業(yè)循環(huán)進尺與周邊孔的若干個作業(yè)循環(huán)總進尺相等； (3)按照先下面后上面、先周邊后中間的開挖施工順序，首先，劈裂開挖位于隧道掌子面下面和兩側(cè)的開挖分塊，然后，依次劈裂開挖相應(yīng)的開挖分塊，最后，采用人工風(fēng)鎬或液壓沖擊錘開挖最后一塊開挖分塊；在劈裂開挖每一塊開挖分塊時，先將液壓劈裂機的劈裂工作件插入劈裂孔中，并保持劈裂工作件的劈裂張開方向與劈裂面相垂直，然后再啟動劈裂機，對劈裂孔逐步施加劈裂力，隨著劈裂力的逐漸升高，劈裂孔沿劈裂面方向會發(fā)生開裂，且開裂裂縫長度會不斷增長，裂縫寬度也會不斷加寬，在相鄰劈裂孔裂縫貫通后便形成了劈裂面，之后，劈裂面的裂縫寬度會繼續(xù)加寬，其長度也會因裂縫向兩端延伸而加長，直至整塊開挖分塊被劈裂分割開來； (4)采用人工風(fēng)鎬或液壓沖擊錘進行欠挖部分的修整，直至滿足開挖輪廓線的開挖要求之后，再進行下一個劈裂開挖循環(huán)的施工。
【文檔編號】E21D9/00GK104314574SQ201410537149
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月13日
【發(fā)明者】陳七林, 劉金福 申請人:福州市規(guī)劃設(shè)計研究院