一种硬岩地层的任意断面隧道施工方法
阅读说明：本技术 一种硬岩地层的任意断面隧道施工方法 (Construction method of tunnel with any section in hard rock stratum ) 是由 李建斌 朱英 曹宸旭 于少辉 张建楠 年俊杰 尤卫星 于 2021-07-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种硬岩地层的任意断面隧道施工方法,包括以下步骤：步骤1、在隧道的掌子面(3)上标定出竖向槽(1)的位置及多个涨裂孔(2)的位置；步骤2、在掌子面(3)上根据竖向槽(1)的标定位置挖出竖向槽(1),在掌子面(3)上根据涨裂孔(2)的标定位置钻出涨裂孔(2)；步骤3、对涨裂孔(2)进行涨裂作业,使竖向槽(1)与涨裂孔(2)之间的岩石脱离掌子面(3)。该硬岩地层的任意断面隧道施工方法将挖竖向槽与液压涨孔相结合,同时利用挖机及运渣车出渣作业,使得竖向槽形成的临空面越来越大,最终连通成为隧道断面,完成本层隧道的开挖,重复操作可以达到整条隧道开挖的目的,极大地提高了隧道施工效率。(The invention provides a construction method of a tunnel with any section in a hard rock stratum, which comprises the following steps: step 1, calibrating the position of a vertical groove (1) and the positions of a plurality of cracking holes (2) on a tunnel face (3) of a tunnel; step 2, digging a vertical groove (1) on the tunnel face (3) according to the calibration position of the vertical groove (1), and drilling a cracking hole (2) on the tunnel face (3) according to the calibration position of the cracking hole (2); and 3, performing expansion cracking operation on the expansion cracking holes (2) to enable the rocks between the vertical grooves (1) and the expansion cracking holes (2) to be separated from the tunnel face (3). According to the construction method of the tunnel with the arbitrary section in the hard rock stratum, the vertical groove is dug and the hydraulic expansion hole is combined, meanwhile, the digging machine and the slag car are used for slag discharging operation, the face surface formed by the vertical groove is larger and larger, the vertical groove is finally communicated to form the tunnel section, the excavation of the tunnel with the horizontal layer is completed, the aim of excavating the whole tunnel can be achieved through repeated operation, and the tunnel construction efficiency is greatly improved.)
技术领域
本发明涉及隧道掘进施工领域，具体的是一种硬岩地层的任意断面隧道施工方法。
背景技术
近年来，道路交通，水利水电等基础工程的建设规模逐年增加，隧道的开挖方法及设备受到了越来越广泛的关注，传统施工方法已经无法满足现代隧道建设需求，尤其是针对岩石强度极高的硬岩地层，单单依靠金属刀具开挖不仅施工效率慢，刀具的异常磨损也会带来施工成本的不断增加。
传统钻爆法适用于的地质广泛，但施工效率缓慢，施工人员工作强度大、工作环境恶劣，造成环境污染等问题严重，施工过程噪声大更不适用于城市隧道的建设。
悬臂掘进机由于其截割头搭载了金属截齿，其破岩能力针对软土、软岩较好，对于硬岩地层，金属截齿破岩效率大大降低，且发生异常磨损的概率增大，降低了隧道的施工效率，增加了施工成本。
传统硬岩TBM施工方法一般采用圆形刀盘布置硬岩滚刀的全断面掘进机进行施工作业，虽然该种施工方法施工效率高，对环境影响小，但由于整机结构复杂、体型庞大、造价高昂、转场困难等缺陷，也使其不便于推广。
传统油压(水压)涨裂方法一般应用于具有临空面石材的开采，隧道施工中一般直接在掌子面打孔涨裂，此种施工方法由于没有涨裂临空面的产生，掌子面岩体节理依然连接在一起，释放的地应力较少，整体强度无明显降低，故使用油压(水压)涨裂施工困难且效果不明显，岩石强度过高也会造成油压(水压)涨裂棒的异常损坏概率增加。
发明内容
为了提高硬岩地层的隧道施工效率，本发明提供了一种硬岩地层的任意断面隧道施工方法，该硬岩地层的任意断面隧道施工方法将挖竖向槽与液压涨孔相结合，同时利用挖机及运渣车出渣作业，使得竖向槽形成的临空面越来越大，最终连通成为隧道断面，完成本层隧道的开挖，重复操作可以达到整条隧道开挖的目的，极大地提高了隧道施工效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种硬岩地层的任意断面隧道施工方法，包括以下步骤：
步骤1、在隧道的掌子面上标定出竖向槽的位置及多个涨裂孔的位置，多个涨裂孔的标定位置位于竖向槽的标定位置的左侧外和右侧外，多个涨裂孔的标定位置在竖向槽的标定位置的左侧外和右侧外形成多个孔列；
步骤2、在掌子面上根据竖向槽的标定位置挖出竖向槽，在掌子面上根据涨裂孔的标定位置钻出涨裂孔；
步骤3、对涨裂孔进行涨裂作业，使竖向槽与涨裂孔之间的岩石脱离掌子面。
本发明的有益效果是：
1、弥补了悬臂掘进机只能针对软岩、软土等地质情况施工的不足，搭载硬岩刀盘及刀具，可以对硬岩地质进行开挖作业，施工效率更高。
2、采用悬臂掘进设备，搭载履带行走底盘，与传统硬岩TBM施工方法相比，具有设备体型较小，造价较TBM低廉，转场灵活等特点，不仅局限于传统TBM的圆形开挖形状，适用于所有断面的隧道施工过程(拱形、矩形、马蹄形，等)，开挖的隧道利用率更高，降低了隧道的施工成本。
3、利用悬臂掘进设备切槽形成竖向槽(形成临空面)，可根据隧道断面大小，权衡钻孔涨裂与切槽形成临空面的时间，合理布置先导槽个数(一个或多个)，降低施工时间，提高施工效率。
4、利用凿岩台车进行钻孔作业，施工效率较风钻打孔等传统钻孔方法，效率更高，且凿岩台车作业方位广，一般尺寸隧道只需定位一次，无需移机即可实现真个隧道断面的打孔作业，进一步提高了隧道的施工效率。
5、利用油压(水压)涨裂棒作用于涨裂孔中，以竖向槽为中心左右依次涨裂，使得每次涨裂作业都紧邻临空面，涨裂机施工难度降低，减少涨裂机异常损坏的可能性，同时提高施工效率。
6、根据隧道设计形状，合理设计涨裂孔的位置，使最终涨裂得到的断面轮廓与设计轮廓吻合，故此种施工方法适用于任意隧道断面，且精准涨裂亦可以避免超欠挖情况的发生。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是悬臂掘进设备的刀盘竖直移动挖出竖向槽的示意图。
图2是竖向槽为多条时的示意图。
图3是悬臂掘进设备的刀盘多次顶推挖出竖向槽的示意图。
1、竖向槽；2、涨裂孔；3、掌子面；
11、顶推槽。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种硬岩地层的任意断面隧道施工方法，包括以下步骤：
步骤1、在隧道的掌子面3(也可以成为掌子面)上标定出竖向槽1的位置及多个涨裂孔2的位置，多个涨裂孔2的标定位置位于竖向槽1的标定位置的左侧外和右侧外，多个涨裂孔2的标定位置在竖向槽1的标定位置的左侧外和右侧外形成多个孔列，每个所述孔列均含有沿竖直方向排列的多个涨裂孔2；
步骤2、在掌子面3上根据竖向槽1的标定位置挖出竖向槽1；在掌子面3上根据涨裂孔2的标定位置钻出每个涨裂孔2；
步骤3、对涨裂孔2进行涨裂作业，使竖向槽1与涨裂孔2之间的岩石脱离掌子面3，如图1所示。
该硬岩地层的任意断面隧道施工方法将挖竖向槽1与液压涨孔(涨裂孔2)相结合，同时利用挖机及运渣车出渣作业，使得竖向槽形成的临空面越来越大，最终连通成为隧道断面，完成本层隧道的开挖，重复操作可以达到整条隧道开挖的目的，极大地提高了隧道施工效率。
在步骤1中，隧道开挖初始，测绘人员利用全站仪等工具，测量隧道轮廓，并标定竖向槽1的位置及各个涨裂孔2的位置，并做好标记。
在步骤1中，通常竖向槽1的数量为一条，即标定出一条竖向槽1的位置，之后可以挖出一条竖向槽1。竖向槽1位于掌子面3的中央，掌子面3的左右两侧关于竖向槽1互为镜像，竖向槽1的上端位于掌子面3的上部，竖向槽1的下端位于掌子面3的下部。
为了提高效率，在步骤1中，竖向槽1的数量也可以为多条(如2条-10条)，即标定出多条竖向槽1的位置，之后可以挖出多条竖向槽1。多条竖向槽1之间平行间隔排列，相邻两条竖向槽1之间的距离可以相同，如图2所示。
由于挖竖向槽1以及后续的涨孔作业顺序，靠近竖向槽1区域的地层中的裂隙要多于远离竖向槽1区域的地层中的裂隙，为了提高效率，在步骤1中，沿远离竖向槽1的水平方向，相邻的两个所述孔列之间的距离可以逐渐减小。
在步骤2中，优选竖向槽1由现有的悬臂掘进设备挖出，通常所述悬臂掘进设备的刀盘顶推入竖向槽1的标定位置的一端，沿竖直方向，所述悬臂掘进设备的刀盘移动至竖向槽1的标定位置的另一端，最终形成竖向槽1，如图1所示。竖向槽1的宽度可以为1000mm-2000mm，竖向槽1的深度可以为800mm-1500mm。
该悬臂掘进设备含有依次连接的机体、截割臂和刀盘，工作时，所述刀盘沿垂直于图1的纸面方向进入图1的内侧，所述刀盘可以从上向下移动或从下向上移动，所述刀盘在移动的过程中，截割臂上的减速机带动所述刀盘进行自转，从而带动该刀盘是滚刀完成切削挖槽作业。
在步骤2中，当隧道所在地层的岩石较硬时，所述悬臂掘进设备的刀盘被多次顶推入(沿垂直于图3的纸面方向进入图1的内侧)竖向槽1的标定位置，所述刀盘每次顶推入竖向槽1的标定位置后形成一个圆形的顶推槽11，多个顶推槽11沿竖直方向排列，相邻的两个顶推槽11之间部分重叠，多个顶推槽11依次连通，最终形成竖向槽1。
其中，所有顶推槽11的轴线均位于同一个竖直平面内，相邻的两个顶推槽11之间的重叠距离小于顶推槽11的半径，相邻的两个顶推槽11之间的重叠距离可以为200mm-800mm。
在步骤2中，涨裂孔2呈规则的行列排布，优选涨裂孔2由现有的多臂凿岩台车钻出，以提高钻孔效率，相邻的两个所述孔列之间的距离可以为200mm-1000mm，涨裂孔2的深度可以为800mm-1500mm。优选，涨裂孔2的深度与竖向槽1的深度相同。
涨裂孔2的直径与配合选用的涨裂棒直径相同，一般30mm-200mm，涨裂孔2的位置成排设定，可以保证每次涨裂作业点成线，达到层层剥落的效果，涨裂孔2的布置位置疏密由掌子面岩石强度决定，强度高则涨裂孔布置密集，强度较低则可以适当降低密度。合理设计涨裂孔2的位置可以实现任意断面隧道施工。
另外，可以选择先在掌子面3上根据竖向槽1的标定位置挖出竖向槽1；然后在掌子面3上根据涨裂孔2的标定位置钻出每个涨裂孔2；或者，可以选择先在掌子面3上根据涨裂孔2的标定位置钻出每个涨裂孔2；然后在掌子面3上根据竖向槽1的标定位置挖出竖向槽1。
在步骤3中，优选在对涨裂孔2进行涨裂作业的过程中，涨裂作业的顺序可以采用以竖向槽1为中心，按照左右交替的顺序，每次涨裂一个所述孔列，例如，步骤3包括以下步骤，如图1所示：
步骤3.1、涨裂左侧第一孔列LL1；
步骤3.2、涨裂右侧第一孔列RL1；
步骤3.3、涨裂左侧第二孔列LL2；
步骤3.4、涨裂右侧第二孔列RL2；
步骤3.5、涨裂左侧第三孔列LL3；
步骤3.6、涨裂右侧第三孔列RL3；
步骤3.7、涨裂左侧第四孔列LL4；
步骤3.8、涨裂右侧第四孔列RL4；
步骤3.9、涨裂左侧第五孔列LL5；
步骤3.10、涨裂右侧第五孔列RL5；
步骤3.11、涨裂左侧第六孔列LL6；
步骤3.12、涨裂右侧第六孔列RL6；
或者，也可以在对涨裂孔2进行涨裂作业的过程中，涨裂作业的顺序可以采用以竖向槽1为中心，按照左右同时的顺序，每次涨裂一个所述孔列，例如，步骤3包括以下步骤，如图1所示：
步骤3.1、涨裂左侧第一孔列LL1和右侧第一孔列RL1；
步骤3.2、涨裂左侧第二孔列LL2和右侧第二孔列RL2；
步骤3.3、涨裂左侧第三孔列LL3和右侧第三孔列RL3；
步骤3.4、涨裂左侧第四孔列LL4和右侧第四孔列RL4；
步骤3.5、涨裂左侧第五孔列LL5和右侧第五孔列RL5；
步骤3.6、涨裂左侧第六孔列LL6和右侧第六孔列RL6；
对涨裂孔2进行涨裂作业可以采用现有的液压涨裂设备，所述液压涨裂设备含有多个涨裂棒，涨裂棒与涨裂孔2可以对应插接，涨裂棒含有可以径向移动的活塞，当涨裂棒插入涨裂孔2后，活塞沿水平方向伸出，可以实现对涨裂孔2的涨裂。
所述硬岩地层的任意断面隧道施工方法还包括以下步骤：
步骤4、对于隧道边缘修整；
涨裂完成后，对于隧道边缘位置，有可能出现未涨裂掉的残留盲点，此时选用悬臂掘进机即可进行修边作业，完成隧道最后的整形工作，然后进行立拱、打锚杆、挂网、喷浆、二衬等工作。
步骤5、多次重复步骤1至步骤4，直至完成整条隧道的开挖。
注意事项：
1、切槽(挖竖向槽1)作业时，需要利用悬臂掘进设备的铲渣版、皮带机及运渣车使产生的岩渣运输至洞外；钻孔及涨裂作业时，采用挖机配合运渣车运输渣土。
2、隧道掌子面作业空间足够时，竖向槽1的数量可以是多个，搭配多套油压(水压)涨裂机，以竖向槽1为中心左右依次涨裂，可以提升作业效率。
3、涨裂后产生的岩渣若尺寸较大，出渣不便，则可以使用炮机进行二次破碎后出渣。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。
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