CN110924972A - 一种硬岩隧道施工工法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硬岩隧道施工工法，包括：根据所需钻进的掌子面的形状，设计电脉冲凿岩机的钻头的排布方式，其中，钻头的高压电极和低压电极具有预设分布，以通过高压电极和低压电极的脉冲放电效应对所述掌子面进行破岩，高压电极和低压电极的整体分布面积大于或等于电脉冲凿岩机的机壳的横截面面积；采用电脉冲凿岩机对掌子面进行破岩施工。在对掌子面破岩时，钻头开挖的轮廓可以完全包容电脉冲凿岩机的机壳，因此可避免超挖和欠挖，确保隧道支护结构体系的稳定性。同时，由于电脉冲凿岩机利用脉冲放电效应进行破岩，在对掌子面进行破岩的过程中，钻头无需旋转，因此，钻头磨损量小，破岩效率高。
Description
技术领域
本发明涉及破碎岩石技术领域，更具体地说，涉及一种硬岩隧道施工工法。
背景技术
在采矿、水电、地质勘探、土建、交通和石油等工程施工中，通常涉及到破碎岩石的施工，施工成本的高低受到破岩效率的直接影响，现有技术中常用的破岩方式包括机械式破岩和炸药爆破破岩。
一方面，随着人类对资源开采的深度和广度的不断加深，未来原油、天然气及地热能的获取，需要打深井和超深井等非常规井，而采用传统的机械钻进方式进行钻硬岩或超深井时，钻头容易磨损，钻进效率低，破岩钻进的难度较大。
另一方面，在采用传统的钻爆法进行破岩施工时，由于凿岩机钻孔中心与凿岩机外壳边缘距离较大，如果要保证凿岩机钻孔方向与开挖隧道轴向平行，则第二次开挖轮廓会小于第一次开挖轮廓，从而造成开挖半径逐渐减小，影响隧道质量，同时也造成较大的欠挖量。而如果要保证隧道轮廓不变，则钻周边孔时钻孔方向沿洞轴线方向会存在一定夹角，导致开挖轮廓会沿径向向外扩散，造成较大的超挖量。这不仅对隧道支护结构体系的稳定性产生严重影响，而且由于增加了出渣量和回填工量，使隧道的建设费用大幅上升。
因此，如何提供一种施工效率高且可有效避免超挖现象的硬岩隧道施工工法，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种硬岩隧道施工工法，施工效率高，可有效避免超挖现象，降低施工成本。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种硬岩隧道施工工法，包括：
根据所需钻进的掌子面的形状，设计电脉冲凿岩机的钻头的排布方式，其中，所述钻头的高压电极和低压电极具有预设分布，以通过所述高压电极和所述低压电极的脉冲放电效应对所述掌子面进行破岩，所述高压电极和所述低压电极的整体分布面积大于或等于所述电脉冲凿岩机的机壳的横截面面积；
采用所述电脉冲凿岩机对所述掌子面进行破岩施工。
优选地，所述的根据所需钻进的掌子面的形状，设计电脉冲凿岩机的钻头的排布方式，包括：
根据所述掌子面的横截面的形状，将第一预设数量的第一钻头模组绑定至所述机壳上，以形成整体的所述钻头，使所述钻头适应所述掌子面的横截面的形状，以便对所述掌子面进行整体推进破岩。
优选地，所述的根据所需钻进的掌子面的形状，设计电脉冲凿岩机的钻头的排布方式，包括：
根据所述掌子面的形状，确定所述掌子面的外轮廓的形状；
根据所述外轮廓的形状，设计所述钻头的排布方式；
所述的采用所述电脉冲凿岩机对所述掌子面进行破岩施工，包括：
采用所述电脉冲凿岩机对所述外轮廓进行破岩钻进，使所述外轮廓之内的中心开挖区域与所述外轮廓之外的外围岩石分隔开；
对所述中心开挖区域进行破岩施工。
优选地，所述的根据所述外轮廓的形状，设计所述钻头的排布方式，包括：
根据所述外轮廓的形状，将第二预设数量的第二钻头模组绑定至所述机壳，以形成整体的所述钻头，使所述钻头适应所述外轮廓的形状，以便对整个所述外轮廓进行同时破岩钻进。
优选地，所述的根据所述外轮廓的形状，设计所述钻头的排布方式，包括：
将至少一个第三钻头模组绑定至所述机壳，以形成整体的所述钻头，使所述钻头与所述外轮廓的局部弧线相匹配；
驱动所述电脉冲凿岩机按所述外轮廓的轨迹进行移动，以通过调整所述电脉冲凿岩机的位置进行多次破岩钻进，相邻两次钻进的钻进槽孔首尾相连，以完成整个所述外轮廓的钻进。
优选地，在所述的驱动所述电脉冲凿岩机按所述外轮廓的轨迹进行移动之前，还包括：
根据所述外轮廓的形状，设置与所述外轮廓的形状相匹配的轨道；
所述的驱动所述电脉冲凿岩机按所述外轮廓的轨迹进行移动，包括：
驱动所述电脉冲凿岩机沿所述轨道移动。
优选地，所述的对所述中心开挖区域进行破岩施工，包括：
采用炸药爆破破岩方式对所述中心开挖区域进行爆破破岩。
优选地，所述的对所述中心开挖区域进行破岩施工，包括：
采用机械钻进方式或电脉冲钻进方式对所述中心开挖区域进行破碎岩石。
优选地，在所述的采用所述电脉冲凿岩机对所述掌子面进行破岩施工的过程中，还包括：
利用所述电脉冲凿岩机的钻井液通道进行排渣。
本发明提供的硬岩隧道施工工法，采用非机械式的电脉冲凿岩机对所需钻进的掌子面进行破岩施工，以利用脉冲放电产生的冲击波、射流或等离子体通道的力学效应对岩石产生破坏，达到开挖掌子面的目的。由于电脉冲凿岩机的钻头的高压电极和低压电极的整体分布面积大于或等于电脉冲凿岩机的机壳的横截面面积，这样，在对掌子面进行开挖时，钻头开挖的轮廓可以完全包容电脉冲凿岩机的机壳，从而可避免超挖和欠挖的现象，确保隧道支护结构体系的稳定性，降低因增加出渣量和回填工量所造成的施工成本。
同时，由于电脉冲凿岩机利用脉冲放电效应进行破岩，在对掌子面进行破岩的过程中，钻头无需旋转，因此，钻头磨损量小，破岩效率高。
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，还可以根据提供的附图获得其它的附图。
图1为本发明具体实施例一所提供硬岩隧道施工工法的流程图；
图2为本发明具体实施例二所提供硬岩隧道施工工法的流程图；
图3为本发明具体实施例三所提供硬岩隧道施工工法的流程图；
图4为本发明具体实施例四所提供硬岩隧道施工工法的流程图；
图5为本发明所提供的硬岩隧道施工工法采用整体钻进的方式对掌子面进行破岩的施工示意图；
图6为本发明所提供的硬岩隧道施工工法采用分步钻进的方式对掌子面进行破岩的施工示意图。
图5和图6中的附图标记如下：
1为外轮廓、2为中心开挖区域、3为外围岩石、4为第三钻头模组、5为轨道。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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做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。
本发明的核心是提供一种硬岩隧道施工工法，施工效率高，可有效避免超挖现象，降低施工成本。
请参考图1，为本发明具体实施例一所提供硬岩隧道施工工法的流程图。
本发明提供一种硬岩隧道施工工法，包括以下步骤：
S101：根据所需钻进的掌子面的形状，设计电脉冲凿岩机的钻头的排布方式，其中，钻头的高压电极和低压电极具有预设分布，以通过高压电极和低压电极的脉冲放电效应对掌子面进行破岩，高压电极和低压电极的整体分布面积大于或等于电脉冲凿岩机的机壳的横截面面积。
S102：采用电脉冲凿岩机对掌子面进行破岩施工。
也就是说，本发明采用非机械式的电脉冲凿岩机对所需钻进的掌子面进行破岩施工，以利用脉冲放电产生的冲击波、射流或等离子体通道的力学效应对岩石产生破坏，达到开挖掌子面的目的。
可以理解的是，在施工之前，需要首先根据施工要求设计好所需钻进的掌子面的形状。
所需钻进的掌子面的形状不同，则电脉冲凿岩机的钻头的排布方式不同，因此，在采用电脉冲凿岩机对掌子面进行破岩施工时，需首先根据所需钻进的掌子面的形状，设计电脉冲凿岩机的钻头的排布方式，以使钻头的排布方式与所需钻进的掌子面的形状相适应。
可以理解的是，为了使掌子面的岩石能够完全破碎，需要保证钻头的高压电极和低压电极具有预设分布，以通过高压电极和低压电极的脉冲放电效应对掌子面进行破岩。
本发明对高压电极和低压电极的具体分布方式不做限定，只要在高压电极和低压电极放电时，能够使所需钻进的掌子面的岩石完全破碎即可。
进一步地，为了避免超挖或欠挖现象，本发明中，钻头的高压电极和低压电极的整体分布面积大于或等于电脉冲凿岩机的机壳的横截面面积，这样，在对掌子面进行开挖时，钻头开挖的轮廓可以完全包容电脉冲凿岩机的机壳，从而可避免超挖和欠挖的现象，确保隧道支护结构体系的稳定性，降低因增加出渣量和回填工量所造成的施工成本。
同时，由于电脉冲凿岩机利用脉冲放电效应进行破岩，在对掌子面进行破岩的过程中，钻头无需旋转，因此，钻头磨损量小，破岩效率高。
请参考图2，为本发明具体实施例二所提供硬岩隧道施工工法的流程图；同时，为了便于直观理解，请参考图5，为本发明所提供的硬岩隧道施工工法采用整体钻进的方式对掌子面进行破岩的施工示意图。
在上述实施例的基础之上，根据所需钻进的掌子面的形状，设计电脉冲凿岩机的钻头的排布方式，包括：
S201：根据掌子面的横截面的形状，将第一预设数量的第一钻头模组绑定至机壳上，以形成整体的钻头，使钻头适应掌子面的横截面的形状。
此时，采用电脉冲凿岩机对掌子面进行破岩施工，包括：
S202：采用电脉冲凿岩机对掌子面进行整体推进破岩。
也就是说，本实施例中的钻头包括第一预设数量的第一钻头模组，第一预设数量的第一钻头模组按照一定的排布方式分布，以组合形成所需钻进的掌子面的形状，从而可采用整体钻进的方式对掌子面进行破岩，该施工方式破岩效率高，施工方便。
本实施例对第一钻头模组的第一预设数量的具体值不做限定，本领域技术人员可以根据实际需要来设定。
需要说明的是，本实施例中单个第一钻头模组的结构可以相同，也可以不同，只要能够确保所有第一钻头模组的高压电极和低压电极的整体分布面积大于或等于电脉冲凿岩机的机壳的横截面面积，且可保证能够对掌子面进行完全破岩即可。
请参考图3，为本发明具体实施例三所提供硬岩隧道施工工法的流程图。
为了降低破岩时对围岩的扰动，在上述实施例的基础之上，根据所需钻进的掌子面的形状，设计电脉冲凿岩机的钻头的排布方式，包括：
S301：根据掌子面的形状，确定掌子面的外轮廓1的形状。
S302：根据外轮廓1的形状，设计钻头的排布方式。
此时，采用电脉冲凿岩机对掌子面进行破岩施工，包括：
S303：采用电脉冲凿岩机对外轮廓1进行破岩钻进，使外轮廓1之内的中心开挖区域2与外轮廓1之外的外围岩石3分隔开。
S304：对中心开挖区域2进行破岩施工。
也就是说，本实施例采用分步钻进的方式对掌子面进行破岩，首先采用电脉冲凿岩机对掌子面的外轮廓1进行钻进施工，然后再对中心开挖区域2进行破岩施工。
可以理解的是，在对掌子面的外轮廓1进行破岩钻进后，则掌子面上位于外轮廓1之内的中心开挖区域2将与外轮廓1之外的外围岩石3分隔开，这样，在对中心开挖区域2进行破岩施工时，可大幅度降低对外围岩石3的扰动，有利于保证围岩的稳定性，从而可减少高压注浆固结围岩等工作量和成本；同时，还可避免因连锁反应对相邻隧道产生危害。
请参考图4，为本发明具体实施例四所提供硬岩隧道施工工法的流程图。
考虑到对掌子面的外轮廓1进行钻进施工的具体方式，作为一种优选方案，在上述实施例的基础之上，根据外轮廓1的形状，设计钻头的排布方式，包括：
S402：根据外轮廓1的形状，将第二预设数量的第二钻头模组绑定至机壳上，以形成整体的钻头，使钻头适应外轮廓1的形状。
此时，采用电脉冲凿岩机对外轮廓1进行破岩钻进，包括：
S403：采用电脉冲凿岩机对整个外轮廓1进行同时破岩钻进。
也就是说，本实施例中的钻头包括第二预设数量的第二钻头模组，第二预设数量的第二钻头模组按照一定的排布方式分布，以组合形成掌子面的外轮廓1的形状，从而可采用整体钻进的方式对外轮廓1进行破岩。
本实施例对第二钻头模组的第二预设数量的具体值不做限定，本领域技术人员可以根据实际需要来设定。
需要说明的是，在本实施例中，单个第二钻头模组的结构可以相同，也可以不同，只要能够确保所有第二钻头模组的高压电极和低压电极的整体分布面积大于或等于电脉冲凿岩机的机壳的横截面面积，且可保证能够对掌子面的外轮廓1进行完全破岩即可。
为了便于直观理解，请参考图6，为本发明所提供的硬岩隧道施工工法采用分步钻进的方式对掌子面进行破岩的施工示意图。
作为另一种优选方案，在上述实施例的基础之上，根据外轮廓1的形状，设计钻头的排布方式，包括：
S502：将至少一个第三钻头模组4绑定至机壳上，以形成整体的钻头，使钻头与外轮廓1的局部弧线相匹配。
此时，采用电脉冲凿岩机对外轮廓1进行破岩钻进，包括：
S503：驱动电脉冲凿岩机按外轮廓1的轨迹进行移动，以通过调整电脉冲凿岩机的位置进行多次破岩钻进，相邻两次钻进的钻进槽孔首尾相连，以完成整个外轮廓1的钻进。
也就是说，本实施例采用分段施工的方式，每次对外轮廓1的局部进行破岩钻进，通过不断驱动电脉冲凿岩机沿着外轮廓1的轨迹移动，最终完成整个外轮廓1的钻进。
需要说明的是，本实施例对第三钻头模组4的具体数量不做限定，本领域技术人员可以根据实际需要来选择。可以理解的是，本实施例中第三钻头模组4的数量越多，则单次钻进的外轮廓1的局部长度就越大，电脉冲凿岩机沿外轮廓1的轨迹调整位置的次数就越少。
考虑到电脉冲凿岩机沿外轮廓1的轨迹进行位置调整的方便性，在上述实施例的基础之上，在驱动电脉冲凿岩机按外轮廓1的轨迹进行移动之前，还包括：
根据外轮廓1的形状，设置与外轮廓1的形状相匹配的轨道5。
此时，驱动电脉冲凿岩机按外轮廓1的轨迹进行移动，包括：
驱动电脉冲凿岩机沿轨道5移动。
也就是说，本实施例中，轨道5的轨迹与外轮廓1的形状相匹配，轨道5可以对电脉冲凿岩机的移动进行导向，使电脉冲凿岩机沿着轨道5所限定的轨迹进行移动，可以确保电脉冲凿岩机移动的稳定性。
在上述各个实施例中，对中心开挖区域2进行破岩施工的具体施工方式不做限定。
例如，对于可用钻爆法施工的场所，可以采用炸药爆破破岩方式对中心开挖区域2进行爆破破岩。
具体地，根据地质条件和需求来布置掏槽眼和辅助眼，以创造有利的爆破条件，辅助眼用来进一步扩大掏槽眼爆破形成的自由面，按要求装填炸药爆破。
而对于不能使用钻爆法施工的场所，可以采用机械钻进方式或电脉冲钻进方式对中心开挖区域2进行破岩钻进。
在上述各个实施例中，在采用电脉冲凿岩机对掌子面进行破岩施工的过程中，还包括：
利用电脉冲凿岩机的钻井液通道进行排渣。
也就是说，不管是采用整体钻进的方式对掌子面进行破岩，还是分步钻进的方式对掌子面进行破岩，在电脉冲凿岩机工作的过程中，电脉冲凿岩机通过自身的钻井液通道，使破碎的渣石在钻井液的冲刷下排出。
需要说明的是，在采用分步钻进的方式对掌子面进行破岩时，对中心开挖区域2进行破岩过程中的渣石，根据其具体采用的破岩方法，采用现有技术中与破岩方法对应的排渣方式进行排渣。
还需要说明的是，在本说明书中，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。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上对本发明所提供的硬岩隧道施工工法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种硬岩隧道施工工法，其特征在于，包括：
根据所需钻进的掌子面的形状，设计电脉冲凿岩机的钻头的排布方式，其中，所述钻头的高压电极和低压电极具有预设分布，以通过所述高压电极和所述低压电极的脉冲放电效应对所述掌子面进行破岩，所述高压电极和所述低压电极的整体分布面积大于或等于所述电脉冲凿岩机的机壳的横截面面积；
采用所述电脉冲凿岩机对所述掌子面进行破岩施工。
2.根据权利要求1所述的硬岩隧道施工工法，其特征在于，所述的根据所需钻进的掌子面的形状，设计电脉冲凿岩机的钻头的排布方式，包括：
根据所述掌子面的横截面的形状，将第一预设数量的第一钻头模组绑定至所述机壳上，以形成整体的所述钻头，使所述钻头适应所述掌子面的横截面的形状，以便对所述掌子面进行整体推进破岩。
3.根据权利要求1所述的硬岩隧道施工工法，其特征在于，所述的根据所需钻进的掌子面的形状，设计电脉冲凿岩机的钻头的排布方式，包括：
根据所述掌子面的形状，确定所述掌子面的外轮廓(1)的形状；
根据所述外轮廓(1)的形状，设计所述钻头的排布方式；
所述的采用所述电脉冲凿岩机对所述掌子面进行破岩施工，包括：
采用所述电脉冲凿岩机对所述外轮廓(1)进行破岩钻进，使所述外轮廓(1)之内的中心开挖区域(2)与所述外轮廓(1)之外的外围岩石(3)分隔开；
对所述中心开挖区域(2)进行破岩施工。
4.根据权利要求3所述的硬岩隧道施工工法，其特征在于，所述的根据所述外轮廓(1)的形状，设计所述钻头的排布方式，包括：
根据所述外轮廓(1)的形状，将第二预设数量的第二钻头模组绑定至所述机壳，以形成整体的所述钻头，使所述钻头适应所述外轮廓(1)的形状，以便对整个所述外轮廓(1)进行同时破岩钻进。
5.根据权利要求3所述的硬岩隧道施工工法，其特征在于，所述的根据所述外轮廓(1)的形状，设计所述钻头的排布方式，包括：
将至少一个第三钻头模组(4)绑定至所述机壳，以形成整体的所述钻头，使所述钻头与所述外轮廓(1)的局部弧线相匹配；
驱动所述电脉冲凿岩机按所述外轮廓(1)的轨迹进行移动，以通过调整所述电脉冲凿岩机的位置进行多次破岩钻进，相邻两次钻进的钻进槽孔首尾相连，以完成整个所述外轮廓(1)的钻进。
6.根据权利要求5所述的硬岩隧道施工工法，其特征在于，在所述的驱动所述电脉冲凿岩机按所述外轮廓(1)的轨迹进行移动之前，还包括：
根据所述外轮廓(1)的形状，设置与所述外轮廓(1)的形状相匹配的轨道(5)；
所述的驱动所述电脉冲凿岩机按所述外轮廓(1)的轨迹进行移动，包括：
驱动所述电脉冲凿岩机沿所述轨道(5)移动。
7.根据权利要求3-6任一项所述的硬岩隧道施工工法，其特征在于，所述的对所述中心开挖区域(2)进行破岩施工，包括：
采用炸药爆破破岩方式对所述中心开挖区域(2)进行爆破破岩。
8.根据权利要求3-6任一项所述的硬岩隧道施工工法，其特征在于，所述的对所述中心开挖区域(2)进行破岩施工，包括：
采用机械钻进方式或电脉冲钻进方式对所述中心开挖区域(2)进行破碎岩石。
9.根据权利要求1-6任一项所述的硬岩隧道施工工法，其特征在于，在所述的采用所述电脉冲凿岩机对所述掌子面进行破岩施工的过程中，还包括：
利用所述电脉冲凿岩机的钻井液通道进行排渣。
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