一种高铁隧道工程液压凿岩台车机械化光面爆破掘进法

摘要

本发明公开了一种高铁隧道工程液压凿岩台车机械化光面爆破掘进法，属于钻爆法凿岩掘进领域，依次包括钻孔和爆破，步骤依次为：将凿岩工作面分为掏槽区、上下扩槽区、辅助崩落区、辅助崩抬区和光爆区，并在各区域钻眼成孔，钻孔采用凿岩台车，其中周边眼的钻孔采用微调钻杆精确周边成孔的方法；在炮眼装填炸药；启爆凿岩断面爆破：掏槽区和上下扩槽区的爆破；之后辅助崩抬区爆破；在之后辅助崩落区爆破；最后光爆区爆破。本发明是一种用于地下大断面凿岩工程，具有控制爆破震动和改善爆破效果的一种工程爆破掘进方法，且对于凿岩断面周边眼的钻眼成孔的施工，相对现有技术大幅缩小超欠挖的范围，且节约资源，缩短时间，降低费用。

说明书

技术领域

本发明属于钻爆法凿岩掘进领域。

背景技术

如图1所示，传统的钻爆方法，爆破时的崩落与崩抬区基本相同，各占凿岩截面的 1/2。同时，传统的凿岩断面钻爆控制较弱，启动爆破时，炮孔间的爆破应力会产生相互抵消 和干扰，因而造成爆破炸药的威力不能发挥和爆破效率低，而对隧道周边围岩的应力破坏 和扰动等爆破负面效应还比较大，特别是凿岩断面的地质比较复杂的情况时，就有可能造 成较严重的后果。

此外，传统的楔形掏槽方式的钻爆方法，是较易掌握的并具有普遍性的一种施工 方式，其适用性较强，但在实际运用过程中，这种方式对地质条件不加区分，存在以下现象： 大角度大抵抗线、加大掏槽高度、加大掏槽深度、加大孔装药量、加大掏槽炮孔同段装药量、 最大段装药量难控制等；在爆破时对隧道周围岩石的应力破坏和扰动比较大，特别是凿岩 断面的地质比较复杂的情况时，就有可能造成较严重的后果。

此外，现有钻爆法掘进工程，涉及凿岩断面的钻眼成孔施工过程中，对于凿岩断面 周边眼钻眼成孔的施工(如图1所示)，主要有两种施工方式，一种是传统的风钻手手工钻， 另一种是相对更现代的凿岩台车机械钻。

传统风钻手手工钻主要存在的问题：

超欠挖范围大，如图2-5所示。

铁道部发布的《铁路隧道钻爆法施工工序及作业指南》对超欠挖的规定见下表：

超欠挖应符合表4.3.13的规定；

表4.3.13隧道允许超挖值

注：表所列参数适用于炮眼深度1.0～3.5m，炮眼直径40～50mm，药卷直径20～ 25mm。

由于传统风钻手操作风钻时，与凿岩边缘必须存在一般在15cm左右操作距离，即 须有3°～5°的外插角。因此造成了风钻手在钻眼成孔时，由于空间小加上角度难把握，不可 能将钻杆贴凿岩断面边缘平行进行钻眼，钻眼成孔爆破后，常会有+15～20cm的超挖，如图 4、5所示；如果风钻手在钻眼操作时，其钻头在凿岩断面距凿岩边缘0～10cm的位置切入，则 钻眼成孔爆炸后会出现+15～20cm的欠挖，如图2、3所示。

凿岩断面爆破后的光面效果差，如图6所示：

由于风钻手存在的操作死角，以及在凿岩断面两边垂直面操作时，除了无法克服 的操作死角外，还可能出现上下摆动的问题；在凿岩断面的顶部与底操部作时，也可能出现 左右摆动的问题。这样当钻眼成孔爆炸后形成的表面是不可能保持平整和相对的光面。

而相对更先进的现有凿岩台车机械钻也依然存在着类似的问题：

隧道常用凿岩台车的液压推进梁，钻杆长度达5530mm，有效孔深达5268mm，由于在 推进梁完全靠帮的情况下，钻杆离帮有0.25米左右的距离，不可能将钻杆贴隧道轮廓线延 伸方向平行切入钻眼，即钻进方向不能平行于隧道前进方向，常规技术凿岩台车采用钻爆 法施工周边成孔时，是以3°～5°的外插角钻进至指定位置，成孔爆破后，离轮廓线也有+20 ～+30cm左右的超挖距离，所以国外对超欠挖的控制水平也也只能控制在+30cm范围内，难 以达到国内对隧道超欠挖控制的严格要求。

钻进角度难控制：

由于大型凿岩台车液压大臂有效举升后，操作人员距离掌子面距离12m以上，钻进 方向需要的3°～5°的外插角由于距离远，难以掌握和控制。

采用现有的两种施工方法，在钻爆法掘进隧道时，严重的超欠挖将影响隧道的长 期的安全稳定和施工成本。超欠挖控制达不到要求，主要影响为：

a)影响隧道安全稳定；

b)增加了工程量；

c)需要更多砼；

d)拖延了工程时间；

e)增加综合成本费用。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种高铁隧道工程液压凿岩台车机械化光面爆破掘进 法，是一种用于地下大断面凿岩工程，具有控制爆破震动和改善爆破效果的一种工程爆破 掘进方法。同时，在凿岩断面的钻眼成孔施工过程中，对于凿岩断面周边眼的钻眼成孔的施 工，相对现有技术大幅缩小超欠挖的范围，同时确保隧道周边光面效果，且节约资源，缩短 时间，降低成本费用。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种高铁隧道工程液压凿岩台车机械化光面爆破掘进法，依次包括钻孔和爆破， 钻孔和爆破步骤依次为：

1)分区钻孔：将凿岩工作面分为掏槽区、上下扩槽区、辅助崩落区、辅助崩抬区和 光爆区，并在各区域钻眼成孔，钻孔采用凿岩台车，其中周边眼的钻孔步骤依次为：

1.1)依据钻爆方案，确定需要进行周边眼钻眼成孔的数量与位置；

1.2)选择确定钻头在凿岩工作面周边预定的钻眼位置与切入点：切入点选择在测 量人员标记的隧道开挖轮廓线上；

1.3)调整机械钻臂位置，使其钻进方向与隧道前进方向10°～20°斜交，在周边眼 位置挂孔钻进5cm后调整机械钻臂；

1.4)操作机械钻臂对钻杆逐步施加压力使其弯曲，保证靠近凿岩工作面前端1m～ 1.5m的钻杆基本与隧道前进方向平行，调整和保持此状态钻进至指定位置；

1.5)周边眼钻眼成孔后，钻杆取出：在取出钻杆的过程中，其操作方法与钻眼掘进 时的操作方法基本相同，逐步地退出钻杆；

凿岩工作面的中部靠下区域为掏槽区，是由3-4排、10列以上左右对称的水平倾斜 炮孔组合而成，且倾斜方向为左右炮孔的孔底相距30cm，掏槽孔间抵抗线取值为75cm，掏槽 高度1.5m，掏槽区炮孔间排距为400～750mm；该方案中，与传统方法对比，传统方法通常要 6-8排、6-8列，掏槽孔间抵抗线通常要100cm，掏槽高度3m左右，本专利掏槽区炮孔减排增 列，有效减小掏槽孔间抵抗线20-30cm，减小掏槽高度及掏槽孔同段装药量，最大限度的控 制爆破飞石距离及减小掏槽孔药量集中引起的爆破振动。

凿岩工作面的掏槽区的上下区域为上下扩槽区，上下扩槽区是掏槽区炮孔与辅助 崩落区炮孔及辅助崩抬区炮孔的连接区域，扩槽区炮孔间排距为500～800mm，炮孔倾斜方 向指向所连接的区域炮孔；

凿岩工作面的上扩槽区的上方连接区域为辅助崩落区，炮孔间排距为800mm以上， 炮孔倾斜方向与上扩槽区炮孔倾斜方向一致；

凿岩工作面的下扩槽区的下方区域为辅助崩抬区，炮孔间排距为800～1000mm，辅 助崩抬区炮孔倾斜方向与下扩槽区炮孔倾斜方向一致；该方案中，能有效形成贯穿裂缝，得 到更好的光面爆破效果。

凿岩工作面的周边环绕区域为光爆区，其炮孔倾斜方向对应上下扩槽区和辅助崩 落区的炮孔倾斜方向一致，对应掏槽区的炮孔不倾斜，且留有向外插角；

2)炮眼装填：装药采用反向装药，不打底药，装药按段位布置装药分片分组，所有 炮眼均以炮泥堵塞，堵塞长度不小于20cm，除光爆区炮孔为竹片加导爆索间隔绑扎炸药形 式外，其它均采用连续装药结构；

3)启爆凿岩断面爆破，起爆网络采用复式连接网络，孔内采用毫秒长延时1-14段 的非电导爆管雷管，外部起爆网络采用同段低段位雷管簇并联结：

掏槽区和上下扩槽区爆破，上下扩槽区辅助掏槽区炮孔形成槽腔和扩大槽腔体 积，之后辅助崩抬区爆破，再之后辅助崩落区爆破，辅助崩落区利用掏槽区和上扩槽区炮孔 爆破后形成的有效槽腔，从最下排至最上排依次爆破，最后光爆区爆破。该方案中，由于掏 槽区和扩槽区药量较集中，掏槽区炮孔在上下扩槽区炮孔的协助下，能形成完整的槽腔，并 为后续辅助崩落区和辅助崩抬区提供充分的自由面；辅助崩落区炮孔借助自由面按分段依 次爆破，加之辅助崩落区岩石的自重作用，更易得到好的爆破效果。

作为选择，采用水袋与阻泥和炸药混装法完成钻眼成孔炸药的装填。

作为选择，凿岩断面周边眼钻眼成孔爆炸后的超挖控制在10cm的范围内。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本 发明可采用并要求保护的方案；各选择和其他选择也可任意组合，本领域技术人员在了解 本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方 案，在此不做穷举。

本专利方法把工作面划分为掏槽区、扩槽区、辅助崩落区、辅助崩抬区，光爆区共 五个工作面爆区，每个区都能相对独立完成划区爆破，分散爆破能量的集中分布，最大限度 地降低对隧道围岩的伤害。

由于隧道爆破的特殊性，本专利使掏槽区和扩槽区完成爆破后，形成一个导洞，为 后序爆破扩大和创造了更多临空面，降低后续爆破难度，稳定提高爆破效果。

与传统爆破相比，此次方案完成了崩落区与崩抬区的互换，大大提高了崩落区在 整个工作面的比重，崩落区介质在爆破中能利用自身重力对爆破效果产生影响，充分利用 了炸药能量，得到更加稳定的爆破效果。

本专利方法采用定量化爆破设计，控制炸药爆炸能量在爆区的释放时间和介质破 碎过程，充分利用炸药能量，减少爆破负面效应，提高爆破效果可靠性。有效地控制周边眼 炸药的爆破作用，减少对围岩的扰动，保持围岩的稳定，充分发挥围岩的自承作用，确保施 工安全，提高工程质量和效率。该专利方法在有效控制周边眼炸药用量的同时，改变了传统 辅助孔排间齐发爆破对光爆层的影响和破坏，得到更好的光爆效果。由于采用了精确控制 方法，凿岩断面爆破后，清运完爆破的岩石后，下一个掘进断面是比较平整的，为快速确定 接下来的钻爆方案提供了非常有利的条件。

此外，针对传统凿岩工程中，在凿岩断面周边钻眼成孔中存在的问题，本专利具有 显著效果进步：

直观掌握外插角，缩小超欠挖的范围：由于在隧道快速钻眼成孔的施工过程中，对 周边孔外插角的掌握一直是个难点，特别是在远距工作面12米的凿岩台车操作人员更难把 握，由于本发明把对钻进方向角度的控制转换成了隧道前进方向的控制，更加直观也易于 掌握。

保持钻眼成孔的掘进方向，确保凿岩断面周边孔质量：依托凿岩台车的5530mm钻 杆长度，全过程监控靠近凿岩工作面前端1m～1.5m的钻杆基本是否与隧道前进方向平行， 完成周边钻眼成孔，可以在凿岩断面周边钻眼成孔爆破后的超欠挖控制在0～10cm的范围 内。而且，依托本专利的凿岩台车光爆眼成孔方法，不仅可以通过机械钻臂施加力量使钻杆 达到一定弯曲，减小钻眼成孔时的死角，而且可以使钻杆基本保持正确的水平位方向钻眼， 克服了钻机可能出现的上下摆动的不稳定状态(如图6所示)。

节约资源，缩短时间，降低成本费用：采用微调钻杆精确周边成孔技术完成凿岩断 面周边钻眼成孔，确保了凿岩断面爆破后周边比较理想的光面，因而能大幅地提高功效降 低工程施工费用。

附图说明

图1是传统钻爆法凿岩掘进的凿岩断面的钻眼分布示意图；

图2是传统风钻手欠挖掘进的掘进方式示意图；

图3是传统风钻手欠挖掘进的欠挖状态示意图；

图4是传统风钻手超挖掘进的掘进方式示意图；

图5是传统风钻手超挖掘进的超挖状态示意图；

图6是传统风钻手掘进时的摆动状态示意图；

图7是本发明采用凿岩台车微调钻杆精确周边成孔的掘进方式示意图；

图8是本发明采用凿岩台车微调钻杆精确周边成孔的超挖状态示意图；

图9是本发明采用凿岩台车微调钻杆精确周边成孔的掘进流程示意图；

图10是现有技术的炮孔区域布置示意图；

图11是本发明的凿岩工作面分区示意图；

图12是本发明实施例1的高铁单线的凿岩工作面炮孔布置示意图；

图13是本发明实施例2的高铁双线的凿岩工作面炮孔布置示意图；

图14是本发明的分段爆破色谱图；

图15是现有技术的高铁单线断面炮孔布置示意图。

其中1为凿岩断面(凿岩工作面)、2为凿岩边缘、3为周边眼、4为机械钻臂、5为钻 杆。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

实施例1：

参考图11、12所示，一种高铁隧道工程液压凿岩台车机械化光面爆破掘进法，依次 包括钻孔和爆破，钻孔和爆破步骤依次为：

1)分区钻孔：将凿岩工作面分为掏槽区、上下扩槽区、辅助崩落区、辅助崩抬区和 光爆区，并在各区域钻眼成孔，钻孔采用凿岩台车，参考图7-9所示，其中周边眼的钻孔步骤 依次为：

1.1)依据钻爆方案，确定需要进行周边眼3钻眼成孔的数量与位置；

1.2)选择确定钻头在凿岩工作面1周边预定的钻眼位置与切入点：切入点选择在 测量人员标记的隧道开挖轮廓线上，参考图7所示；

1.3)调整机械钻臂4位置，使其钻进方向与隧道前进方向10°～20°斜交，在周边眼 3位置挂孔钻进5cm后调整机械钻臂4；

1.4)操作机械钻臂4对钻杆5逐步施加压力使其弯曲，保证靠近凿岩工作面1前端 1m～1.5m的钻杆5基本与隧道前进方向平行，调整和保持此状态钻进至指定位置，参考图7、 9所示；

1.5)周边眼3钻眼成孔后，钻杆5取出：在取出钻杆5的过程中，其操作方法与钻眼 掘进时的操作方法基本相同，逐步地退出钻杆5。

采用前述方法，凿岩断面周边眼3钻眼成孔爆炸后的超挖控制在10cm的范围内，参 考图8所示。

凿岩工作面的掏槽区的上下区域为上下扩槽区，上下扩槽区是掏槽区炮孔与辅助 崩落区炮孔及辅助崩抬区炮孔的连接区域，扩槽区炮孔间排距为500～800mm，炮孔倾斜方 向指向所连接的区域炮孔；

凿岩工作面的上扩槽区的上方连接区域为辅助崩落区，炮孔间排距为800mm以上， 炮孔倾斜方向与上扩槽区炮孔倾斜方向一致；

凿岩工作面的下扩槽区的下方区域为辅助崩抬区，炮孔间排距为800～1000mm，辅 助崩抬区炮孔倾斜方向与下扩槽区炮孔倾斜方向一致；

凿岩工作面的周边环绕区域为光爆区，其炮孔倾斜方向对应上下扩槽区和辅助崩 落区的炮孔倾斜方向一致，对应掏槽区的炮孔不倾斜，且留有向外插角；

2)炮眼装填：装药采用反向装药，不打底药，装药按段位布置装药分片分组，雷管 要“对号入座”，不要装错段位和药量，所有炮眼均以炮泥堵塞，堵塞长度不小于20cm，除光 爆区炮孔为竹片加导爆索间隔绑扎炸药形式外，其它均采用连续装药结构；

3)启爆凿岩断面爆破，起爆网络采用复式连接网络，孔内采用毫秒长延时1-14段 的非电导爆管雷管，外部起爆网络采用同段低段位雷管簇并联结：

掏槽区和上下扩槽区爆破，上下扩槽区辅助掏槽区炮孔形成槽腔和扩大槽腔体 积，之后辅助崩抬区爆破，再之后辅助崩落区爆破，辅助崩落区利用掏槽区和上扩槽区炮孔 爆破后形成的有效槽腔，从最下排至最上排依次爆破，最后光爆区爆破。爆破结果如图14所 示

作为选择，为了降尘，可采用水袋与阻泥和炸药混装法完成钻眼成孔炸药的装填， 所有炮眼均以炮泥堵塞，堵塞长度不小于20cm。

作为示例，采取前述爆破方法的某高铁隧道工程，如图3所示，高铁单线断面炮孔 布置示意图，图中炮孔的点端代表孔口，线条代表炮孔指向。掏槽区是由3排、10列左右对称 的水平倾斜炮孔组合而成，上扩槽区为掏槽区上方紧邻的一排上仰炮孔，下扩槽区为掏槽 区下方紧邻的一排下耷炮孔，辅助崩落区为上扩槽区上方的5排上仰炮孔，辅助崩抬区为下 扩槽区下方的1排下耷炮孔，光爆区为凿岩工作面的周边的1圈炮孔。凿岩台车优选瑞典阿 特拉斯科普柯公司凿岩台车作业平台。爆破用雷管优选LP非电高强度高精度导爆管雷管 (由澳瑞凯公司(orica)与南岭民爆合资生产，专门为隧道和高进尺地下矿研发的一款产 品，其高精度、多段位、差异化的特点，能有效实现对爆能释放时间的控制，实现爆破预期效 果)。

实施例2：

如图11、13所示，本实施例与实施例1基本相同，其区别在于，适用于高铁双线。如 图4所示，高铁双线断面炮孔布置示意图，掏槽区是由3排、14列左右对称的水平倾斜炮孔组 合而成。

对比例1：

如图15所示，现有技术的高铁单线断面炮孔布置示意图。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。