一种适用于大断面隧道的联合开挖方法与流程

1.本发明涉及较硬岩质隧道的施工领域，具体是一种适用于大断面隧道的爆破参数优化与悬臂掘进机联合开挖方法。


背景技术：

2.当前我国交通基础设施快速发展，在进行隧道工程建设时，隧道开挖的工期和效率通常取决于所采取的隧道开挖方式，如何在不同围岩条件隧道中选择最合理的开挖方式，是目前值得深思的问题。
3.采用爆破法可以通过控制装药量以及布孔控制开挖的范围，但往往会对围岩造成较大的扰动，不利于隧道后续的稳定；采取爆破法通常还会造成超、欠挖现象的出现，造成功效浪费且不安全。采取机械开挖方式可以减小对围岩的扰动，但成本通常较高，进度较慢，导致影响工期，不适用于硬质围岩。将爆破法和机械开挖法的优点结合起来并加以优化，一方面能够减少爆破法的超欠挖现象，降低能耗；另一方面爆破法能够降低围岩强度，有利于悬臂掘进机进行开挖。通过机械开挖法和爆破法的联合应用，达到提高功效，加快进度的目的。


技术实现要素：

4.本发明根据现有技术的不足公开了一种适用于大断面隧道的联合开挖方法。本发明旨在提供一种适用于大断面隧道的、将爆破法和机械开挖法的优点结合起来并加以优化开挖方法，本发明方法根据工区的岩体完整性系数、围岩强度等地质条件对爆破参数进行优化并选取合适的切割头截齿；本发明集中爆破法和机械开挖法的优势，减少对围岩的扰动破坏，减少隧道施工中的超挖现象，能够提高开挖功效，加快施工进度。
5.本发明的技术方案为：
6.一种适用于大断面隧道的联合开挖方法，开挖方法适用于强度较硬的围岩，饱和单轴抗压强度大于等于30mpa；其特征在于：采用爆破参数优化及悬臂掘进机联合开挖工艺，包括以下施工步骤：
7.(1)隧道开挖之前，做好围岩强度以及岩体完整性系数的判断和测试，施工人员以及机械设备就位；
8.(2)由围岩强度、岩体完整性系数条件优化炸药量、炮孔间距等爆破参数并选择合适的悬臂掘进机截齿类型；
9.(3)将隧道按横断面划分为上、下台阶进行开挖，上、下台阶均再划分为沿隧道中轴核心的爆破开挖区域和沿隧道周边的环状机械开挖区域；
10.(4)在上台阶爆破开挖区域进行布孔并装填炸药，经过爆破、出碴流程后，通过悬臂掘进机对于周边开挖机械开挖区域进行开挖，直至达到隧道上台阶的开挖断面尺寸；
11.(5)当隧道上台阶只有悬臂掘进机在进行开挖的时候，通过钢架和喷射混凝土，对上一循环下台阶的开挖区域进行初期支护；
12.(6)在下台阶爆破开挖区域进行布孔并装填炸药，经过爆破、出碴流程后，通过悬臂掘进机对于周边机械开挖区域进行开挖，直至达到隧道下台阶的开挖断面尺寸；
13.(7)当隧道下台阶只有悬臂掘进机在进行开挖的时候，通过钢架和喷射混凝土，对上一循环上台阶的开挖区域进行初期支护，结束一次循环；
14.(8)继续进行下一循环的施工过程。
15.各隧道隧道掌子面的掏槽孔和辅助孔区域采用爆破法开挖，而周边孔区域采用悬臂掘进机开挖。
16.本发明方法根据开挖段的岩体完整性系数、围岩强度和开挖断面面积得到隧道爆破炸药单耗，确定单循环进尺所需炸药量：
[0017][0018]
其中：q为隧道爆破炸药单耗；kv为岩体完整性系数；f为岩石坚固系数；s为隧道开挖断面面积；
[0019]
q＝q
·s·
l
[0020]
其中：q为单循环进尺所需炸药量；q为隧道爆破炸药单耗；s为隧道开挖断面面积；l为炮孔平均深度。
[0021]
本发明方法于爆破区域掏槽孔的炮孔间距按照以下公式确定；
[0022][0023]
其中：a1为掏槽孔炮孔间距；ρ0为所采用炸药密度；k0为装药不耦合系数；g0为炸药相对威力系数；d0为炮孔直径；ρk为岩石的抗爆系数。
[0024]
本发明方法爆破区域辅助孔的炮孔间距60～90cm，根据以下公式得到炮眼爆破方向的抵抗线，确定具体数值：
[0025][0026]
其中：ω为炮眼爆破方向的抵抗线；ρ0为炸药密度；g0为炸药相对威力系数；d0为炮孔直径；ρk为岩石的抗爆系数；
[0027]
a2＝(0.8-1.3)ω
[0028]
其中：a2为辅助孔炮孔间距；ω为炮眼爆破方向的抵抗线。
[0029]
本发明方法根据炮眼间距、炸药单耗等参数取得各部位炮眼的装药量；
[0030]
qa＝q
×a×
ω
×
l
×
λ
[0031]
其中：qa为各部位的炮眼的装药量；q为隧道爆破炸药单耗；a为炮眼间距；ω为炮眼爆破方向的抵抗线；l为炮眼深度；λ为炮眼所在部位系数，掏槽孔取2～3，辅助孔取1。
[0032]
本发明方法中悬臂掘进机截齿的选型可根据开挖段的岩体完整程度和围岩强度适配切割头，普通截齿适用于强度在30mpa以下的围岩，刚强合金硬岩截齿适用于强度在30～60mpa的围岩，特硬围岩则采用钨钴合金或特硬专用截齿。
[0033]
本发明方法在上台阶进行悬臂掘进开挖的同时对上一循环的下台阶开挖部位进行初期支护，在下台阶进行悬臂掘进开挖的同时对上一循环的上台阶开挖部位进行初期支
护，或在不开挖时进行支护。
[0034]
本发明施工方法建议以下优点：(1)本发明方法根据围岩强度、岩体完整性系数以及工区的具体工程地质条件等因素优化爆破参数和选取合适的悬臂掘进机截齿类型，从而更好地控制爆破范围、减小围岩扰动，合理降低悬臂掘进机截齿的消耗，提高施工效率；(2)本发明方法掏槽孔和辅助孔区域通过爆破法进行开挖，同时能够降低周边孔区域的围岩强度，能够进一步提高悬臂掘进机的开挖效率；(3)本发明方法进行开挖时，可以充分利用爆破法控制开挖范围、进尺和悬臂掘进机超挖量小的特点，减少施工中的材料浪费现象；(4)本发明方法在悬臂掘进机进行开挖时，能够同时对上一循环的开挖区域进行初期支护，提高施工效率。
[0035]
综上，本发明方法能够根据工区的岩体完整性系数、围岩强度等地质条件对爆破参数进行优化并选取合适的切割头截齿；集中爆破法和机械开挖法的优势，减少对围岩的扰动破坏，减少隧道施工中的超挖现象，同时在机械开挖时进行支护，提高开挖功效，加快施工进度；本发明还能够统筹协调劳务人员、机械设备等资源，减少隧道超欠挖现象，降低损耗，有利于安全施工。
附图说明
[0036]
图1为本发明的施工方法流程图；
[0037]
图2为隧道爆破、机械开挖分区示意图；
[0038]
图3为隧道上下台阶及开挖方案示意图；
[0039]
图4为隧道上台阶悬臂掘进开挖及出碴过程示意图；
[0040]
图5为隧道下台阶悬臂掘进开挖及出碴过程示意图。
[0041]
图中，条形区为隧道的爆破开挖区域，方块区为隧道的机械开挖区域，a1为隧道上台阶核心爆破开挖区，a2为下台阶核心爆破开挖区；b1为隧道上台阶机械开挖区，b2为下台阶机械开挖区；c1为隧道初期支护，c2为悬臂掘进机。
具体实施方式
[0042]
下面结合具体实施方式对本发明进一步说明，具体实施方式是对本发明原理的进一步说明，不以任何方式限制本发明，与本发明相同或类似技术均没有超出本发明保护的范围。
[0043]
结合附图。
[0044]
如图所示，本发明适用于大断面隧道的联合开挖方法，具体包括以下步骤：
[0045]
(1)隧道开挖之前，做好围岩强度及岩体完整性系数的判断和测试，施工人员以及机械设备就位；
[0046]
在正式施工之前，通过所测试的围岩强度确定掘进进尺等参数，组合工法适用于强度较硬的围岩，饱和单轴抗压强度在30mpa以上。施工人员包括钻孔人员、装药人员、悬臂掘进机操作人员、装载机操作人员、出碴人员以及初期支护人员等；机械设备包括悬臂掘进机、装载机、出碴设备、泵车以及钢拱架、支护台车等。
[0047]
(2)由围岩强度、岩体完整性系数等条件优化炸药量、炮孔间距等爆破参数并选择合适的悬臂掘进机截齿类型；
[0048]
根据测试得到的围岩强度和岩体完整性系数等，确定单循环进尺所需的炸药量，结合具体的地质条件进行掏槽孔和辅助孔的爆破参数优化。并根据当前位置的岩体完整程度选择合适的切割头截齿。
[0049]
(3)隧道通过台阶法进行开挖，上下台阶均划分为核心爆破开挖区域(a1和a2)和周边机械开挖区域(b1和b2)；
[0050]
隧道的掏槽孔和辅助孔区域通过爆破法进行开挖，周边孔区域通过悬臂掘进机进行开挖。爆破法能够降低周边围岩强度，有利于悬臂掘进机进行开挖；而通过悬臂掘进机对周边位置进行开挖，能够减小隧道开挖中的超挖现象。
[0051]
(4)在上台阶爆破区域进行布孔并装填炸药，经过爆破、出碴等流程后，通过悬臂掘进机对于周边机械开挖区域进行开挖，直至达到隧道上台阶的开挖断面尺寸；
[0052]
(5)当隧道上台阶只有悬臂掘进机在进行开挖的时候，通过钢架和喷射混凝土，对上一循环下台阶的开挖区域进行初期支护；
[0053]
组合工法能够在上下台阶通过悬臂掘进机进行开挖的同时对上一循环的开挖部位进行初期支护，也可以在不开挖时进行支护。
[0054]
(6)在下台阶爆破区域进行布孔并装填炸药，经过爆破、出碴等流程后，通过悬臂掘进机对于周边机械开挖区域进行开挖，直至达到隧道下台阶的开挖断面尺寸；
[0055]
(7)当隧道下台阶只有悬臂掘进机在进行开挖的时候，通过钢架和喷射混凝土，对上一循环上台阶的开挖区域进行初期支护，结束一次循环；也可以在不开挖时进行支护；
[0056]
(8)继续进行下一循环的施工过程。
[0057]
西南地区某硬岩隧道，应用了本发明方法的施工过程。通过测试岩体的强度、天然应力状态以及岩体完整性系数等参数，合理调整了爆破所需炸药量，优化了爆破参数。同时爆破降低了周边孔区域的岩体强度，周边孔区域通过悬臂掘进机进行开挖，有效减少了隧道的超欠挖现象，取得了较好的经济效益。

技术特征：
1.一种适用于大断面隧道的联合开挖方法，开挖方法适用于强度较硬的围岩，饱和单轴抗压强度大于等于30mpa；其特征在于：采用爆破参数优化及悬臂掘进机联合开挖工艺，包括以下施工步骤：(1)隧道开挖之前，做好围岩强度以及岩体完整性系数的判断和测试，施工人员以及机械设备就位；(2)由围岩强度、岩体完整性系数条件优化炸药量、炮孔间距等爆破参数并选择合适的悬臂掘进机截齿类型；(3)将隧道按横断面划分为上、下台阶进行开挖，上、下台阶均再划分为沿隧道中轴核心的爆破开挖区域和沿隧道周边的环状机械开挖区域；(4)在上台阶爆破开挖区域进行布孔并装填炸药，经过爆破、出碴流程后，通过悬臂掘进机对于周边开挖机械开挖区域进行开挖，直至达到隧道上台阶的开挖断面尺寸；(5)当隧道上台阶只有悬臂掘进机在进行开挖的时候，通过钢架和喷射混凝土，对上一循环下台阶的开挖区域进行初期支护；(6)在下台阶爆破开挖区域进行布孔并装填炸药，经过爆破、出碴流程后，通过悬臂掘进机对于周边机械开挖区域进行开挖，直至达到隧道下台阶的开挖断面尺寸；(7)当隧道下台阶只有悬臂掘进机在进行开挖的时候，通过钢架和喷射混凝土，对上一循环上台阶的开挖区域进行初期支护，结束一次循环；(8)继续进行下一循环的施工过程。2.根据权利要求1所述的一种适用于大断面隧道的联合开挖方法，其特征在于：在各台阶开挖中，各隧道掌子面的掏槽孔和辅助孔区域采用爆破法开挖，而周边孔区域采用悬臂掘进机开挖。3.根据权利要求2所述的一种适用于大断面隧道的联合开挖方法，其特征在于：根据开挖段的岩体完整性系数、围岩强度和开挖断面面积得到隧道爆破炸药单耗，确定单循环进尺所需炸药量：其中：q为隧道爆破炸药单耗；kv为岩体完整性系数；f为岩石坚固系数；s为隧道开挖断面面积；q＝q
·
s
·
l其中：q为单循环进尺所需炸药量；q为隧道爆破炸药单耗；s为隧道开挖断面面积；l为炮孔平均深度。4.根据权利要求3所述的一种适用于大断面隧道的联合开挖方法，其特征在于：爆破区域掏槽孔的炮孔间距按照以下公式确定；其中：a1为掏槽孔炮孔间距；ρ0为所采用炸药密度；k0为装药不耦合系数；g0为炸药相对威力系数；d0为炮孔直径；ρ
k
为岩石的抗爆系数。5.根据权利要求4所述的一种适用于大断面隧道的联合开挖方法，其特征在于：爆破区
域辅助孔的炮孔间距60～90cm，根据以下公式得到炮眼爆破方向的抵抗线，确定具体数值：其中：ω为炮眼爆破方向的抵抗线；ρ0为炸药密度；g0为炸药相对威力系数；d0为炮孔直径；ρ
k
为岩石的抗爆系数；a2＝(0.8-1.3)ω其中：a2为辅助孔炮孔间距；ω为炮眼爆破方向的抵抗线。6.根据权利要求5所述的一种适用于大断面隧道的联合开挖方法，其特征在于：根据炮眼间距、炸药单耗等参数取得各部位炮眼的装药量；q
a
＝q
×
a
×
ω
×
l
×
λ其中：q
a
为各部位的炮眼的装药量；q为隧道爆破炸药单耗；a为炮眼间距；ω为炮眼爆破方向的抵抗线；l为炮眼深度；λ为炮眼所在部位系数，掏槽孔取2～3，辅助孔取1。7.根据权利要求2所述的一种适用于大断面隧道的联合开挖方法，其特征在于：悬臂掘进机截齿的选型根据开挖段的岩体完整程度和围岩强度适配切割头，刚强合金硬岩截齿适用于强度在30～60mpa的围岩，特硬围岩则采用钨钴合金或特硬专用截齿。8.根据权利要求2所述的一种适用于大断面隧道的联合开挖方法，其特征在于：在上台阶进行悬臂掘进开挖的同时对上一循环的下台阶开挖部位进行初期支护，在下台阶进行悬臂掘进开挖的同时对上一循环的上台阶开挖部位进行初期支护，或在不开挖时进行支护。

技术总结
本发明公开了一种适用于大断面隧道的联合开挖方法。适用于强度较硬围岩，采用爆破参数优化和悬臂掘进机联合开挖工艺，包括施工准备，将隧道按横断面划分为上、下台阶进行开挖，上、下台阶均再划分为沿隧道中轴核心的爆破开挖区域和沿隧道周边的环状机械开挖区域；上台阶爆破开挖区爆破、出碴后，通过悬臂掘进机进行机械开挖，直至达开挖断面尺寸，只有机械开挖时，对上一循环下台阶初期支护；进行下台阶的联合开挖；结束一次循环。本发明方法根据岩体完整性系数、围岩强度等对爆破参数进行优化并选取合适的切割头截齿，集中爆破法和机械开挖法的优势，减少对围岩的扰动破坏，减少超挖现象，在机械开挖时进行支护，提高开挖功效，安全性更高。全性更高。全性更高。


技术研发人员：陈涛 谢旭智 王红力 贺国龙 周红组 罗世刚 孙慕楠 刘毅 赵铭 刘湘君 赵建波 文鑫林 李鹏俊 冯泽堃 四那白珍
受保护的技术使用者：中国水利水电第七工程局有限公司
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/7/7