铁路、公路隧道矩形沟的切割劈裂法施工工艺

摘要

本发明属于铁路、公路隧道施工技术，提出的铁路、公路隧道矩形沟的切割劈裂法施工工艺，其施工步骤为：施工测量放样，确定开挖面的两侧切缝13；切割设计的两侧切缝13；以合金刀头7与岩面的摩擦作用力，并同时以3cm/min的降刀速度或切割机工作电流控制在50～65A范围内对岩体3进行切割；分裂两道切缝中间的岩体3；垂直于己切割需取出的围岩面打设分裂孔14；利用分裂器把岩体3分裂，完成岩体分裂后采用挖掘机或液压锤将破碎岩块取出。本发明施工工艺在根本上解决了钻爆法的施工难点，更好的控制了超挖，使成本得到了有效的控制，并且保证了施工安全，切割后数秒钟内可完成分裂，工作效率高，分裂尺寸精确，操作简单、维护保养方便。

说明书

技术领域

本发明属于铁路、公路隧道施工技术，具体涉及一种铁路、公路隧道矩形沟的切割劈裂法施工工艺，主要应用于岩石结构的路面施工。

背景技术

目前国内施工(例如：隧道地面附属结构开挖)采用非爆破开挖的实例很少，大部分是使用钻爆法开挖，但是由于钻爆法开挖围岩扰动大，超欠挖较难控制，特别是开挖矩形断面时，爆破漏斗造成的影响非常大，使得超挖严重，让回填砼量加大，造成成本严重浪费；因放炮震动，岩石结构发生变化，产生破裂，对结构强度也有很大影响；由于几道工序同步进行，开挖地面附属结构难免对其他工作面造成影响，放炮后的岩石肯定会对前后的施工设施造成损坏，使得施工环境恶劣，严重违背了当前提倡的快速文明施工的施工理念。

发明内容

本发明提出一种铁路、公路隧道矩形沟的切割劈裂法施工工艺，其目的就在于施工降低成本，并避免爆破漏斗所造成的超挖，同时也降低对后续施工工序的影响。

本发明所提出的铁路、公路隧道矩形沟的切割劈裂法施工工艺，其施工步骤为：

(1)施工测量放样，确定开挖面的两侧切缝，并在隧道开挖时预留隧道中部切缝以下的岩体；

(2)切割设计的两侧开挖轮廓线：在隧道路面上铺放可调节高度的枕木，铺设轨道，两轨面调整水平，切割机主体吊装，切割机型号：1950/2450双刀矿山采石机；安装锯片保证与水平面垂直；调试机械性能，根据设计轮廓线，以合金刀头与岩面的摩擦作用力，并同时以3cm/min的降刀速度或切割机工作电流控制在50～65A范围内对岩体进行切割，切割出一条宽为1cm左右的切缝；同上再切割出另一条切缝；

(3)劈裂施工，即分裂两道切缝之间的面也就是两道切缝中间的岩体；采用直径为46～50mm的钻头，垂直于已切割需取出的围岩面打设分裂孔；孔深大于50cm，相邻孔之间的间距为30～40cm，孔与孔之间平行布设，即横向排列的孔和纵向排列的孔均平行布设；由于劈裂施工所基于的原理是利用工具产生剪切力，当剪切力大于岩体分裂时的应力从而达到岩体分裂的效果，为了提高工作效率，要使剪切力效果最佳就将多个同时需要分裂的孔平行布设；然后插入分裂器，通过劈裂机的液压油缸推动分裂器中间的契块移动，形成剪切力，直到把岩体分裂；

(4)完成岩体分裂后采用挖掘机或液压锤将破碎岩块取出；

(5)浇筑已开挖部分混凝土。

岩石破裂特征：

了解岩石的破裂特性是掌握液压劈裂机的劈裂原理和进行正确设计和使用设备的基础。大多数岩石的应力——应变曲线，近似直线，见图6-a，并可用F表示。式中：ε-为岩石的应力；δ-为岩石的应变。该直线因岩石突然断裂破坏，而在F点终止，表现为典型的脆性破坏特征。

岩石的应力曲线与全应力一应变曲线，见图6-b，虽有所不同，大致可分成OA，AB，BC和CD四段。在OA和AB段，应力、应变近于弹性，并伴有轻微滞变，当加载或卸载时，岩石的结构和性质无不可逆变化；在BC段，应力一应变曲线的斜率，随应力增大而逐渐减小到零，当加载或卸载时，岩石虽将产生不可逆变化，即出现永久变形，但亦不失去抵抗外加载荷的能力，故岩石在该段处于延性状态：在CD段，岩石抵抗载荷的能力随变形的增加而减小，应力由C点的最大值逐渐下降，表现出负的应力一应变曲线斜率，但最终在D点因突然断裂破坏而终止，仍表现为脆性破坏的特性。

岩石单轴受压条件下，产生不规则的纵向裂缝。其破裂处，一部分为剪切破裂状态，而另一部分则是拉伸破裂。即当压头侵入岩石时，在接触处产生剪切破裂，而在其边缘处则引起径向拉应力，结果使脆性岩石发生纵向劈裂。

液压劈裂机的结构及工作原理、液压劈裂机的劈裂原理：

液压劈裂机由动力供给系统(泵站)、控制元件、液压管路、液压缸、楔块组件等构成。工作时，泵向系统提供高压油，经控制元件、液压管路而进入液压缸的无杆腔，推动活塞向下运动，通过楔块组件的放大将纵向的推力转化为横向的劈裂力，使矿岩分开。

图7为尖劈分裂器和尖劈及楔片受力图。如图7-a所示，与液压劈裂机活塞相联的尖劈并不直接劈裂岩石，而是在尖劈两侧还有一对楔形片，即两楔片夹着尖劈组成一个圆柱体一分裂器。在预定的岩石分裂线上事先钻若干直径为46～50mm的孔，然后将分裂器分别插入这些孔内，当液压劈裂机通人高压油后即可在上述孔内同时产生劈裂力，致使岩石按预定的位置和方向裂开。

当楔形压头受压而侵入岩石时，岩石局部发生粉碎或呈塑性变形而形成袋状或球状核，通常称之为密实核。压头在压入岩石过程中，侵入深度不会随载荷增加而均衡增加，只是当其达到某一临界值时，便发生跃进式破碎现象。这时，密实核旁侧的岩石出现崩碎，载荷暂时下跌，压头继续侵入到一个新的深度，载荷再度上升，侵入和载荷又恢复到某种比例关系。如此循环，直至岩石破裂，整个过程的载荷——侵深曲线呈波浪形。越是脆性岩石，跃进式侵入特点越明显，塑性材料则较缓和。载荷一侵深曲线各上升段的斜率大致相同，即增加单位载荷所增加的侵深近于常数。曲线下降部分的情况与岩石及加载机构的刚性有关。

尖劈斜面处摩擦系数及劈裂力的理论计算，分析可依照图7：

∵楔片双侧受压力和摩擦力，

∴Pn＝2Nsin(a/2)，P’f＝2Nfcos(a/2)        (kN)

Pn-斜面处正压力，N在竖直轴向的分力，

P’f——斜面处摩擦力在竖直轴向的分力，

一般a＝3°～5°，a/2角很小，可取cos(a/2)≈1。

又tan(a/2)＝h/2H，而tan(a/2)＝sin(a/2)/cos(a/2)≈sin(a/2)，即sin(a/2)≈h/2H。

如图7-d所示，各力在竖直轴向的投影∑Y＝0，即

P＝Pn+P’f

式中，P——液压缸总液压力，kN；

∴液压油缸截面面积受力

P＝πd²p/4＝2Nsin(a/2)+2Nfcos(a/2)≈2N(h/2H+f)

∴f≈πd²p/8N-h/2H    (1)

式中f——斜面处摩擦系数；

p——工作油压力，MPa；

d——液压缸直径，cm。

式(1)给出了几何参数d、h、H与f的关系，也给出了变量P、N值与f的关系。当选定油压P并测出实际劈裂力N之后，即可求得f值。严格地讲，实际劈裂力应是楔片对岩石产生的垂直于岩石孔壁的合力。

如图7-d所示，由∑Y＝0、∑X＝0，可得：

Nsin(a/2)+Nfcos(a/2)＝P₁/2      (2)

P₁f/2+No+Nfsin(a/2)＝Ncos(a/2)  (3)

式中：P₁——楔片耳与缸体接触处产生的压力，kN；

P₁f/2——一侧楔片在尖劈作用下侧向运动时的摩擦阻力，kN；

No——岩石的反作用力，即实际劈裂力，KN。

因为a/2角很小，取sin(a/2)≈0，cos(a/2)≈1

解联立方程(2)、(3)，即得：

No≈N(1-f²)

一般f＝0.03，f²≈0，故可取No≈N，即实际劈裂力近似等于尖劈斜面处的正压力。

与现有的传统隧道技术相比，本发明施工工艺有以下优点：

1)使用切割劈裂法施工工艺能准确、有效的切割出隧道地面附属结构的设计轮廓线，降低超挖量；劈裂技术比隧道传统的处理欠挖方法更安全有效，同时降低第二次扰动围岩而造成的超挖，技术成熟，施工质量有保证。

2)使用切割劈裂法施工工艺，不与其他工序冲突和干扰，使得循环时间更快。

本发明施工工艺在根本上解决了钻爆法的施工难点，更好的控制了超挖，使成本得到了有效的控制，并且保证了施工安全，切割后数秒钟内可完成分裂，工作效率高，分裂尺寸精确，操作简单、维护保养方便。

附图说明：

图1为本切割劈裂机施工平面图。

图2为本切割劈裂机施工立面图。

图3为本发明施工工艺布设分裂孔大样图。

图4为劈裂机的结构示意图(型号：G-20分裂机)。

图5为分裂器插入分裂孔纵断面图大样图。

图6为岩石应力应变曲线图。(a)岩石的应力一应变曲线(b)岩体的全应力一应变曲线；ε-为岩石的应力；δ-为岩石的应变。

图7为尖劈分裂器及尖劈及楔片受力图。(c)尖劈分裂器示意图；(d)尖劈及楔片受力图。

图中：1、尖劈，2、楔型片，3、岩体，4、轨道，5、枕木，6、路面，7、合金刀头，8、锯片，9、操作室，10、主体结构外壳，11、吊臂，12、备用锯片，13、切缝，14、分裂孔，15、电机，16、液压油加注口，17、液压泵，18、低压溢流阀，19、外伸高压溢流阀，20、回收溢流阀，21、内伸油嘴，22、外伸油嘴，23、液压胶管，24、分裂机，25、回收油嘴。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明施工工艺做进一步的说明。但本发明施工工艺的保护范围并不局限于以下实施例。

1、工程概况

某隧道全长12697米，II、III级围岩11370米，占全隧的89.5％；IV、V级围岩1327米，占全隧的10.5％。全隧共需通过断层15条，其中大型区域断裂带3条。分进口、1号斜井、2号斜井和出口四个作业工点组织施工。

II级围岩占隧道施工的绝大部分，由于设计为矩形中心水沟，由于技术原因不能一次开挖成型，需要第二次进行爆破，同时第二次扰动围岩，并且爆破漏斗造成的效果相当明显，原本开挖1.1m宽的中心水沟往往爆破出来有1.1～1.5m宽，深度由设计的90cm，超挖到90～130cm，超挖之严重，造成循环时间长、施工环境恶劣严重影响施工进度和成本的浪费。为此在施工工艺上进行了改进，引进了切割机(型号：1950/2450双刀矿山采石机)和劈裂机(型号：G-20分裂机)，结合切割机和劈裂机共同的优点提出了切割劈裂法施工工艺，使得结构更易控制，避免了无谓的浪费。

2、切割劈裂工法在工程的实施情况

本工程在II级围岩中心水沟的开挖结构尺寸为：宽1.1m、深0.65m，隧道内89.5％以上为II级围岩。

施工过程：(1)先进行测量放样中线和标高；(2)根据设计轮廓线铺设轨道，并且使两轨面在同一水平面上；(3)吊装切割机主体结构、安装锯片，完成后调试性能；(4)根据设计轮廓线开始切割岩面，降刀速度约为3cm/min；(5)完成切割后，采用直径为46～50mm的钻头，垂直于分裂面打设分裂孔，孔深大于50cm，孔与孔之间间距为30cm～40cm；(6)把分裂器插入孔中，开始分裂；(7)完成分裂后采用挖掘机或液压锤把不需要部分取出；(8)浇筑中心水沟部分混凝土。

3、切割劈裂法在本工程的实用效果

本工程在使用切割劈裂法之前，II级围岩中心水沟和底板开挖采用钻爆法施工造成超挖严重，平均混凝土使用量为设计量的270％左右，并且炸药使用量也超耗，开始使用切割劈裂法以后大大降低了超挖，并且在处理欠挖时避免了使用炸药对围岩造成再次扰动，平均混凝土使用量也基本符合设计量，折合成本下来，在短短的3个月中也为项目节约了很大一部分成本。

工程采用该工艺方法取得了良好的经济效益和社会效益，具体如下：

1)经济效益：这种新工艺的应用，工作效率高，分裂尺寸精确，操作简单、造价最低。

2)社会效益：打破了隧道中心水沟施工的先例。