CN107605491B - 一种隧道挖掘方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施例公开一种隧道挖掘方法，涉及建筑工程领域，能够在不影响周边环境的条件下高效挖掘坚硬岩石。所述方法，使用挖掘设备和松动爆破联合挖掘，包括：在目标岩石上设置第一炮孔并利用所述第一炮孔进行单点爆破；确定所述单点爆破对所述目标岩石造成的损伤，并确定所述挖掘设备的挖掘能力所对应的损伤阈值；在所述目标岩石上设置多个第二炮孔以对所述目标岩石进行爆破，各所述第二炮孔之间的距离与所述损伤阈值相关；使用所述挖掘设备对爆破后的所述目标岩石进行挖掘。本发明可用于隧道挖掘中。
Description
技术领域
本发明涉及建筑工程技术领域，尤其涉及一种隧道挖掘方法。
背景技术
在城市地铁、管廊或者其他地下空间工程建设过程中，为使施工连续且减少对周围环境的干扰，通常使用机械开挖，尤其是悬臂式岩石掘进机。但遇到坚硬岩石时，如单轴抗压强度大于80MPa，且岩石相对完整时，岩石掘进机效率低下，甚至无法施工。若采用传统的爆破开挖方式，一是对周边环境影响较大，二是需要更改施工工艺，效率无法得到保障。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种隧道挖掘方法，能够在不影响周边环境的条件下高效挖掘坚硬岩石。
第一方面，本发明实施例提供一种隧道挖掘方法，使用挖掘设备和松动爆破联合挖掘，所述方法包括：在目标岩石上设置第一炮孔并利用所述第一炮孔进行单点爆破；确定所述单点爆破对所述目标岩石造成的损伤，并确定所述挖掘设备的挖掘能力所对应的损伤阈值；在所述目标岩石上设置多个第二炮孔以对所述目标岩石进行爆破，各所述第二炮孔之间的距离与所述损伤阈值相关；使用所述挖掘设备对爆破后的所述目标岩石进行挖掘。
结合第一方面，在第一方面的第一种实施方式中，所述确定所述单点爆破对所述目标岩石造成的损伤，并确定所述挖掘设备的挖掘能力所对应的损伤阈值包括：在以所述第一炮孔为原点的任一射线上设置至少两个探测孔；确定相邻两个所述探测孔之间所述目标岩石的损伤程度；使用所述挖掘设备以预设功率尝试挖掘所述目标岩石，所述损伤阈值为所述目标岩石中被成功挖掘的部分的最小损伤程度。
结合第一方面的第一种实施方式，在第一方面的第二种实施方式中，所述探测孔在所述射线上等间距分布。
结合第一方面的第一种实施方式，在第一方面的第三种实施方式中，所述确定相邻两个所述探测孔之间所述目标岩石的损伤程度包括：测量声波在所述目标岩石中相邻两个探测孔之间的第一传播速度；根据所述第一传播速度以及预先测得的所述声波在未受损的所述目标岩石中的第二传播速度，确定相邻两个探测孔之间所述目标岩石的损伤程度。
结合第一方面，在第一方面的第四种实施方式中，各所述第二炮孔之间的距离由以下方式确定：根据所述挖掘设备的挖掘能力所对应的损伤阈值确定所述单点爆破为所述挖掘设备制造的挖掘半径；根据所述挖掘半径确定各所述第二炮孔之间的距离。
结合第一方面的第四种实施方式，在第一方面的第五种实施方式中，所述在所述目标岩石上设置多个第二炮孔以对所述目标岩石进行爆破包括：以所述目标岩石的中心点为中心，向周围对称布置多个所述第二炮孔，相邻两个第二炮孔之间的距离等于所述挖掘半径的2倍。
结合第一方面的第四种实施方式，在第一方面的第六种实施方式中，所述在所述目标岩石上设置多个第二炮孔以对所述目标岩石进行爆破包括：确定隧道的挖掘边界；从所述挖掘边界向中心依次布置多个所述第二炮孔，相邻两个所述第二炮孔之间的距离等于所述挖掘半径的2倍，任一所述第二炮孔与所述挖掘边界的距离大于预设安全距离。
结合第一方面或第一方面的第一至第六中任一种实施方式，在第一方面的第七种实施方式中，所述在目标岩石上设置第一炮孔并利用所述第一炮孔进行单点爆破包括：在所述目标岩石的掌子面上钻凿所述第一炮孔，所述第一炮孔的直径为42毫米或45毫米，所述第一炮孔的深度大于预设挖掘深度0.2米；在所述第一炮孔中进行水耦合装药，并在所述第一炮孔的孔口进行填充堵塞，堵塞长度大于所述第一炮孔的直径的20倍；引爆炸药以对所述目标岩石进行单点爆破。
结合第一方面或第一方面的第一至第六中任一种实施方式，在第一方面的第八种实施方式中，所述在所述目标岩石上设置多个第二炮孔以对所述目标岩石进行爆破包括：在所述目标岩石的掌子面上设置多个所述第二炮孔；在所述第二炮孔中进行水耦合装药；将挖掘设备后撤距离所述目标岩石20米以外；同时引爆或者由中间向外周依次引爆炸药以对所述目标岩石进行爆破。
本发明的实施例提供的隧道挖掘方法，能够利用单点爆破确定出受损的目标岩石中与挖掘设备的挖掘能力相对应的损伤阈值，即确定出能够被挖掘设备挖掘的损伤与无法被挖掘设备挖掘的损伤的临界值，然后根据该损伤阈值在目标岩石上布置多个第二炮孔，以便使爆破对目标岩石形成的损伤都大于该损伤阈值，这样挖掘设备就可以对爆破后的目标岩石顺利进行挖掘，在不影响周边环境的条件下高效挖掘了坚硬岩石，大大提高了隧道挖掘效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明的实施例提供的隧道挖掘方法的一种流程图；
图2为本发明的实施例中第一炮孔和探测孔的一种结构示意图；
图3为本发明的实施例提供的隧道挖掘方法的一种详细流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，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。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的实施例中，使用挖掘设备与松动爆破配合进行隧道挖掘，在挖掘设备能够成功挖掘之处使用挖掘设备挖掘，在挖掘目标过于坚硬，挖掘设备的挖掘能力不足以成功挖掘之处，先对挖掘目标进行松动爆破，爆破损伤程度以能够被挖掘设备挖掘为准。其中，松动爆破是指爆后岩石大部分裂而不落，可用岩石掘进机等挖掘设备高效的进行开挖。
图1为本发明的实施例提供的隧道挖掘方法的一种流程图，如图1所示，本实施例的方法，使用挖掘设备和松动爆破联合挖掘，该方法可以包括：
S11，在目标岩石上设置第一炮孔并利用所述第一炮孔进行单点爆破；
其中，目标岩石是指硬度较高，单独利用挖掘设备难以掘进、需要进行松动爆破的岩石。第一炮孔可以是在目标岩石上使用电钻等设备钻凿的一个深孔，可以在第一炮孔中装载爆破炸药对目标岩石进行爆破。由于第一炮孔的数量只有一个，因此利用第一炮孔对目标岩石进行的爆破又称单点爆破。由于单点爆破中爆破点单一、炸药威力较弱，通常只能对目标岩石造成一定的损伤而不能将目标岩石碎裂。单孔爆破对目标岩石的损伤程度与岩石本身的性质有关，并且随着与第一炮孔的距离的增大而逐渐减小。
为了保证当天的挖掘工作可以顺利进行，第一炮孔需要足够的深度。可选的，第一炮孔的深度可以比当天计划挖掘的深度略大，例如比当天计划挖掘深度大0.2米。第一炮孔的直径一般与钻凿使用的钻头的直径相等，在本发明的一个实施例中，第一炮孔的直径为45毫米或42毫米，当然在本发明的其它实施例中，第一炮孔的直径还可以是其它值，本发明的实施例对此不做限定。
S12，确定所述单点爆破对所述目标岩石造成的损伤，并确定所述挖掘设备的挖掘能力所对应的损伤阈值；
可以理解的，单点爆破对目标岩石形成的损伤与目标岩石本身的性质有关。如果岩石本身较致密、硬度较高，那么单点爆破对其造成的损伤可能会较小，如果岩石本身结构松散，硬度较低，那么同等条件下的单点爆破对其造成的损伤可能就较大。
另外，同一块目标岩石中的不同部位，由于与第一炮孔距离的不同，单点爆破引起的损伤也不同。距离炮孔越近损伤越大，距离炮孔越远损伤越小。
目标岩石损伤的大小可以通过损伤程度定量计算。具体而言，损伤程度可以通过目标岩石对声波的传播速度确定，损伤程度D满足如下关系：
其中，VP1为纵波在受损的目标岩石中的传播速度，VP0为相同的纵波在未受损的目标岩石中的传播速度。由于岩石受损后产生裂隙，裂隙中会有空气进入，而声波在空气中的传播速度较慢，因此VP1通常小于VP0，D通常为0至1之间的实数。
损伤程度D表示目标岩石的受损程度，D越大，受损越严重，越容易被挖掘设备挖掘，D越小，受损越轻微，越不容易被挖掘设备挖掘。可以理解的，由于同一种挖掘设备以预设功率挖掘时其挖掘能力是确定的，因此存在一个与挖掘设备的挖掘能力相匹配的受损程度，即挖掘设备能够成功挖掘的损伤与无法成功挖掘的损伤的临界值，目标岩石中大于该临界值的损伤都能够被挖掘设备成功挖掘，而小于该临界值的损伤都无法被挖掘设备成功挖掘，该临界值即为挖掘设备进行挖掘的损伤阈值。
为了确定挖掘设备的挖掘能力所对应的损伤阈值，在本发明的一个实施例中，单点爆破之后可以进行如下操作：
在以所述第一炮孔为原点的任一射线上设置至少两个探测孔；
确定相邻两个所述探测孔之间所述目标岩石的损伤程度；
使用所述挖掘设备以预设功率尝试挖掘所述目标岩石，所述损伤阈值为所述目标岩石中被成功挖掘的部分的最小损伤程度。
可选的，以第一炮孔为原点的射线可以为目标岩石的掌子面上以第一炮孔为原点沿水平方向或竖直方向或30°仰角方向的射线。在该射线上可以根据需要设置二个或二个以上探测孔。每个探测孔的具体结构可以与第一炮孔相同，区别只是探测孔不是用来爆破的，而是用来测量目标岩石中波速的，探测孔中不装填炸药。
具体而言，在本发明的一个实施例中，确定相邻两个探测孔之间目标岩石的损伤程度可包括：
测量声波在目标岩石中相邻两个探测孔之间的第一传播速度；
根据第一传播速度以及预先测得的声波在未受损的目标岩石中的第二传播速度，确定相邻两个探测孔之间目标岩石的损伤程度。
为了更好地测量纵波在受损的目标岩石中的第一传播速度，可以在探测孔中注水，用水耦合声波测试仪的探头，从一个探测孔中输入声波，再从相邻的探测孔中探测声波信号，从而测量到纵波在相邻的两个探测孔之间的传播速度，即第一传播速度。
可选的，探测孔的数量和间距可以根据对损伤的探测精度要求和探测范围要求而调整，探测孔数量越多探测范围越大，间距越小探测精度越高，探测孔之间的间距可以相等或不等。为了便于标定损伤程度与分布位置的关系，在本发明的一个实施例中，探测孔可以在上述射线上等间距分布。
为了获得该声波在未受损的目标岩石中的传播速度，即第二传播速度，在本发明的一个实施例中，可以在单点爆破之前现场寻找与目标岩石质地相同的岩块，要求该岩块无裂隙及结构面，通过RSM-SY5N声波测速仪测得此类岩石的纵波波速，即岩石在无损伤时对纵波的第二传播速度。根据第一传播速度和第二传播速度即可确定相邻两个探测孔之间目标岩石的损伤程度D，参见式(1)。
S13，在所述目标岩石上设置多个第二炮孔以对所述目标岩石进行爆破，各所述第二炮孔之间的距离与所述损伤阈值相关；
具体而言，各第二炮孔之间的距离可以由以下方式确定：
根据挖掘设备的挖掘能力所对应的损伤阈值确定单点爆破为挖掘设备制造的挖掘半径；
根据所述挖掘半径确定各第二炮孔之间的距离。
可以理解的，单点爆破对目标岩石的损伤程度随距离第一炮孔的远近不同而不同，因此，损伤阈值也大致分布在以第一炮孔为圆心，以某一长度为半径的圆上。根据步骤S12中确定的损伤程度与分布位置之间的对应关系，即可确定出该挖掘半径。
举例说明，如图2所示，在本发明的一个实施例中，在第一炮孔O1处进行单孔爆破后，O1周围出现了不同程度的损伤。在以第一炮孔O1为原点的一条水平射线上依次分布有探测孔A1、A2、A3、A4、A5，相邻两个探测孔之间的距离为25厘米，O1与A1的距离为30厘米。如果探测到探测孔A1与A2之间的损伤程度为0.7，探测孔A2与A3之间的损伤程度为0.6，探测孔A3与A4之间的损伤程度为0.5，探测孔A4与A5之间的损伤程度为0.4，挖掘设备在尝试挖掘时，能够成功挖掘探测孔A3与A4之间的岩石，但无法成功挖掘探测孔A4与A5之间的岩石，则可以确定与挖掘设备的挖掘能力相对应的损伤程度为0.5，O1与A4之间的距离即该挖掘设备对该目标岩石的挖掘半径。在以O1为圆心，以该挖掘半径为半径的圆内，目标岩石的所有部分都可以被单孔爆破造成0.5及以上的损伤程度，也就是说在这个圆内的目标岩石都可以在单孔爆破后被挖掘设备挖掘。
可选的，在目标岩石上布置的多个第二炮孔既可以从中心向外周逐层布置，也可以先确定出外周边界，由外周和中心一起布置，本发明的实施例对此不做限定。例如，在本发明的一个实施例中，在所述目标岩石上设置多个第二炮孔以对所述目标岩石进行爆破可包括：以所述目标岩石的中心点为中心，向周围对称布置多个所述第二炮孔，相邻两个第二炮孔之间的距离等于所述挖掘半径的2倍。在本发明的另一个实施例中，在所述目标岩石上设置多个第二炮孔以对所述目标岩石进行爆破可包括：确定隧道的挖掘边界；从所述挖掘边界向中心依次布置多个所述第二炮孔，相邻两个所述第二炮孔之间的距离等于所述挖掘半径的2倍，任一所述第二炮孔与所述挖掘边界的距离大于预设安全距离。其中，预设安全距离是为了保护隧道的外围轮廓，减小对周围设施的影响而设置的距离，也就是说炮孔应尽量布置得远离轮廓，以减少对外围的损伤。
S14，使用所述挖掘设备对爆破后的所述目标岩石进行挖掘。
通过在第二炮孔中装填炸药进行爆破后，对目标岩石形成的爆破损伤都能够被挖掘设备进行高效挖掘，因此大大提高了隧道挖掘效率。
本发明的实施例提供的隧道挖掘方法，能够利用单点爆破确定出受损的目标岩石中与挖掘设备的挖掘能力相对应的损伤阈值，即确定出能够被挖掘设备挖掘的损伤与无法被挖掘设备挖掘的损伤的临界值，然后根据该损伤阈值在目标岩石上布置多个第二炮孔，以便使爆破对目标岩石形成的损伤都大于该损伤阈值，这样挖掘设备就可以对爆破后的目标岩石顺利进行挖掘，在不影响周边环境的条件下高效挖掘了坚硬岩石，大大提高了隧道挖掘效率。
下面通过具体实施例对本发明提供的隧道挖掘方法进行详细说明。
如图3所示，本实施例中的隧道挖掘方法包括如下步骤：
S201、现场寻找待开挖的坚硬岩块，要求无裂隙及结构面。通过RSM-SY5N声波测速仪测得此类岩石的纵波波速，即岩石在无损伤时理想纵波波速(第二传播速度)；
S202、在一完整的岩石面的中心钻凿直径42或45mm第一炮孔一个，孔深宜大于施工日安排开挖深度0.2m。
S203、选用低爆速炸药，水耦合装药；
具体的，装药直径32mm，炮眼底放置水袋以及利用水袋炮泥混合回填堵塞，平均线装药密度可以比预裂爆破线装药密度稍低；孔口堵塞长度不低于20倍的炮孔直径，避免产生20米左右的飞石。
S204、引爆炸药进行单点爆破；
S205、在以所述第一炮孔为原点的任一射线上设置多个探测孔；
S206、测量声波在所述目标岩石中相邻两个探测孔之间的第一传播速度；
S207、根据所述第一传播速度以及预先测得的所述声波在未受损的所述目标岩石中的第二传播速度，确定相邻两个探测孔之间目标岩石的损伤程度；
S208、确定所述损伤阈值为，所述挖掘设备以预设功率挖掘目标岩石时，成功挖掘的损伤部分所对应的最小损伤程度；
在使用岩石掘进机开挖此类且裂隙较为发育坚硬岩石前，先选择不同发育状态的此类岩石，应用声波探测此类岩石内的纵波速度，计算岩石损伤程度。使用岩石掘进机对不同发育状态的此类岩石进行开挖，选取掘进机恰好不能够在正常工作状态下进行高效开挖的发育状态的岩石，将此发育状态下的岩石损伤程度确定为岩石掘进机开挖此类岩石的损伤阈值。
S209、根据挖掘设备的挖掘能力所对应的损伤阈值确定单点爆破为所述挖掘设备制造的挖掘半径；
S210、确定各第二炮孔之间的距离等于所述挖掘半径的2倍；
S211、在所述目标岩石上设置多个第二炮孔，第二炮孔之间的距离由步骤S210确定；
S212、在所述第二炮孔中进行水耦合装药；
S213、将挖掘设备后撤距离所述目标岩石20米以外；
S214、同时引爆或者由中间向外周依次引爆炸药以对所述目标岩石进行爆破；
爆破后的岩石损伤程度均大于步骤S208中的损伤阈值。
S215、使用挖掘设备对爆破后的目标岩石继续进行挖掘。
本发明的实施例提供的隧道挖掘方法，利用单点爆破确定出受损的目标岩石中与挖掘设备的挖掘能力相对应的损伤阈值，然后根据该损伤阈值在目标岩石上布置多个第二炮孔，以便使爆破对目标岩石形成的损伤都大于该损伤阈值，这样挖掘设备就可以对爆破后的目标岩石顺利进行挖掘，在不影响周边环境的条件下高效挖掘了坚硬岩石，大大提高了隧道挖掘效率。
需要说明的是，在本文中，诸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这种实际的关系或者顺序。而且，术语“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，或者是还包括为这种过程、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......”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。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或确定，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种隧道挖掘方法，其特征在于，使用挖掘设备和松动爆破联合挖掘，所述方法包括：
在目标岩石上设置第一炮孔并利用所述第一炮孔进行单点爆破；
确定所述单点爆破对所述目标岩石造成的损伤，并确定所述挖掘设备的挖掘能力所对应的损伤阈值；
在所述目标岩石上设置多个第二炮孔以对所述目标岩石进行爆破，各所述第二炮孔之间的距离与所述损伤阈值相关；
使用所述挖掘设备对爆破后的所述目标岩石进行挖掘；
所述确定所述单点爆破对所述目标岩石造成的损伤，并确定所述挖掘设备的挖掘能力所对应的损伤阈值包括：
在以所述第一炮孔为原点的任一射线上设置至少两个探测孔；
确定相邻两个所述探测孔之间所述目标岩石的损伤程度；
使用所述挖掘设备以预设功率尝试挖掘所述目标岩石，所述损伤阈值为所述目标岩石中被成功挖掘的部分的最小损伤程度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述探测孔在所述射线上等间距分布。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定相邻两个所述探测孔之间所述目标岩石的损伤程度包括：
测量声波在所述目标岩石中相邻两个探测孔之间的第一传播速度；
根据所述第一传播速度以及预先测得的所述声波在未受损的所述目标岩石中的第二传播速度，确定相邻两个探测孔之间所述目标岩石的损伤程度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，各所述第二炮孔之间的距离由以下方式确定：
根据所述挖掘设备的挖掘能力所对应的损伤阈值确定所述单点爆破为所述挖掘设备制造的挖掘半径；
根据所述挖掘半径确定各所述第二炮孔之间的距离。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述在所述目标岩石上设置多个第二炮孔以对所述目标岩石进行爆破包括：
以所述目标岩石的中心点为中心，向周围对称布置多个所述第二炮孔，相邻两个第二炮孔之间的距离等于所述挖掘半径的2倍。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述在所述目标岩石上设置多个第二炮孔以对所述目标岩石进行爆破包括：
确定隧道的挖掘边界；
从所述挖掘边界向中心依次布置多个所述第二炮孔，相邻两个所述第二炮孔之间的距离等于所述挖掘半径的2倍，任一所述第二炮孔与所述挖掘边界的距离大于预设安全距离。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述在目标岩石上设置第一炮孔并利用所述第一炮孔进行单点爆破包括：
在所述目标岩石的掌子面上钻凿所述第一炮孔，所述第一炮孔的直径为42毫米或45毫米，所述第一炮孔的深度大于预设挖掘深度0.2米；
在所述第一炮孔中进行水耦合装药，并在所述第一炮孔的孔口进行填充堵塞，堵塞长度大于所述第一炮孔的直径的20倍；
引爆炸药以对所述目标岩石进行单点爆破。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述在所述目标岩石上设置多个第二炮孔以对所述目标岩石进行爆破包括：
在所述目标岩石的掌子面上设置多个所述第二炮孔；
在所述第二炮孔中进行水耦合装药；
将挖掘设备后撤距离所述目标岩石20米以外；
同时引爆或者由中间向外周依次引爆炸药以对所述目标岩石进行爆破。
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