一种III级以上围岩段隧道快速掘进的破岩方法

摘要

本发明提供了一种III级以上围岩段隧道快速掘进的破岩方法，属于隧道开挖破岩技术领域。本方法包括以下步骤：(1)采用钻爆法在隧道掌子面的中间区域依次进行第一开挖和第二开挖，将隧道掌子面开挖形成两部分，分别为中间超前导洞和环绕在所述中间超前导洞周边的预留光爆层；(2)对步骤(1)中的预留光爆层和中间超前导洞同步进行第三开挖，之后对所得中间超前导洞进行第四开挖；其中，对预留光爆层进行开挖的方式为高压气体膨胀破岩法，对中间超前导洞进行开挖的方式为钻爆法；(3)重复步骤(2)，实现III级以上围岩段隧道掘进。本方法具有光面效果好、围岩损伤小、爆破振动小的优点，能够有效避免隧道掌子面超欠挖现象。

说明书

技术领域

本发明涉及隧道开挖破岩技术领域，尤其涉及一种III级以上围岩段隧道快速掘进的破岩方法。

背景技术

目前，山岭隧道掘进的方法主要有钻爆法和掘进机法，其中钻爆法在隧道掘进中占有很大的比重，约占隧道工程总量的95％以上。采用钻爆法进行隧道掘进时，爆破破岩是隧道开挖的先行工序，爆破效果直接影响施工的进度、安全以及成本。当爆破施工效果不佳时，存在超欠挖、振动大、爆后围岩损伤严重等现象，其中超欠挖造成的停工时间约占总工期的30％。

为了防止隧道施工中的超欠挖现象，使爆出的新壁面保持平整而不受明显破坏，目前主要采用光面爆破技术。现有的光面爆破技术主要采用全断面开挖，通过使用微差爆破技术控制起爆顺序，以期达到爆破后轮廓线符合设计轮廓要求的目的。但在实际应用中，炸药爆炸产生的强烈冲击波仍然不可避免，会对隧道围岩产生强烈地扰动。由于微差爆破控制参数难以精准控制，特别是在全断面开挖时，光爆采用的炮眼数量较多，难以满足各光爆眼同时起爆，导致光面爆破效果不足，造成超欠挖、隧道进尺不足等现象。

发明内容

本发明的目的在于提供一种III级以上围岩段隧道快速掘进的破岩方法，本发明在III级以上围岩段隧道施工过程采用炸药爆破和高压气体膨胀破岩技术组合，采用中间超前导洞和预留光爆层开挖方式，可以提升III级以上围岩段开挖效率，避免超欠挖、隧道进尺不足等现象，并且可以降低破岩过程对隧道周边围岩的损伤、减小爆破振动，保证隧道轮廓线的精准控制。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种III级以上围岩段隧道快速掘进的破岩方法，包括以下步骤：

(1)采用钻爆法在隧道掌子面的中间区域依次进行第一开挖和第二开挖，将所述隧道掌子面开挖形成两部分，分别为中间超前导洞和环绕在所述中间超前导洞周边的预留光爆层；

(2)对所述步骤(1)中的预留光爆层和中间超前导洞同步进行第三开挖，之后对所得中间超前导洞进行第四开挖；其中，对所述预留光爆层进行开挖的方式为高压气体膨胀破岩法，对所述中间超前导洞进行开挖的方式为钻爆法；

(3)重复所述步骤(2)，实现III级以上围岩段隧道掘进；

其中，所述第一开挖和第二开挖的深度分别记为A1和A2；所述第三开挖过程中，对预留光爆层进行开挖的深度记为B，对中间超前导洞进行开挖的深度记为A3；所述第四开挖的深度记为A4，所述A1＝A2＝A3＝A4＝0.5B。

优选地，所述预留光爆层的厚度为70～100cm。

优选地，所述A1＝3～5m。

优选地，采用所述钻爆法进行开挖时，单孔装药量为2～4kg。

优选地，采用所述钻爆法进行开挖后还包括通风排尘和机械装载出渣。

优选地，所述高压气体膨胀破岩法包括如下操作步骤：

沿隧道开挖轮廓线布置致裂孔，在所述致裂孔中布置高压气体破岩装置，之后采用压浆料将所述高压气体破岩装置固结在所述致裂孔中，并封堵所述致裂孔；其中，所述高压气体破岩装置包括连接设置的气能管和充气铁管，且所述气能管设置于致裂孔的底部，所述气能管的管壁设置有两个向外突出的凸角，所述凸角沿气能管的周向对称设置；

通过所述充气铁管向气能管中注入高压气体，然后激发所述气能管，实现破岩。

优选地，所述致裂孔的孔间距为45～50cm，孔径为70～90mm，孔深为B。

优选地，所述致裂孔中包括多个串联布置的高压气体破岩装置。

优选地，所述压浆料的初凝时间为1～3min，终凝时间为8～30min，且3d净浆抗压强度≥15MPa；所述高压气体为压力2～3MPa的空气。

优选地，采用高压气体膨胀破岩法进行开挖后还包括通风排尘、机械装载出渣和初期支护。

本发明提供了一种III级以上围岩段隧道快速掘进的破岩方法，包括以下步骤：(1)采用钻爆法在隧道掌子面的中间区域依次进行第一开挖和第二开挖，将所述隧道掌子面开挖形成两部分，分别为中间超前导洞和环绕在所述中间超前导洞周边的预留光爆层；(2)对所述步骤(1)中的预留光爆层和中间超前导洞进行第三开挖，之后对所得中间超前导洞进行第四开挖；其中，对所述预留光爆层进行开挖的方式为高压气体膨胀破岩法，对所述中间超前导洞进行开挖的方式为钻爆法；(3)重复步骤(2)，实现III级以上围岩段隧道掘进；其中，所述第一开挖和第二开挖的深度分别记为A1和A2，所述第三开挖过程中，对预留光爆层进行开挖的深度记为B，对中间超前导洞进行开挖的深度记为A3，所述第四开挖的深度记为A4，所述A1＝A2＝A3＝A4＝0.5B。本发明在III级以上围岩段隧道施工过程采用了炸药爆破和高压气体膨胀破岩技术组合，采用中间超前导洞和预留光爆层开挖方式，可实现III级以上围岩段隧道的快速掘进，并且降低破岩过程对隧道周边围岩的损伤、减小爆破振动，保证隧道轮廓线的精准控制。具体的，一方面，本发明将隧道掌子面分为两部分进行开挖，中间超前导洞开挖后，预留光爆层的自由面上无岩渣阻挡，夹制作用小，高压气体破岩致裂孔的利用率高，超欠挖现象得到有效控制，隧道轮廓成型规整，岩面平整，极大提高了光面爆破质量；另一方面，本发明采用炸药爆破和高压气体膨胀破岩技术组合，相较于仅采用炸药爆破法，振动小、破岩过程相对缓和，对隧道周边围岩扰动小，岩体保持稳定，爆破后几乎不产生振动裂隙，可有效保障施工安全，为快速施工创造了有利条件。

附图说明

图1为气能管的截面示意图，图中A代表凸角，B代表管壁；

图2为本发明中预留光爆层和中间超前导洞的正视图，图中a代表中间超前导洞，b代表预留光爆层；

图3为本发明中预留光爆层和中间超前导洞开挖俯视图，图中1代表第一开挖的位置，2代表第二开挖的位置，3代表第三开挖的位置，4代表第四开挖的位置；

图4为本发明提供的III级以上围岩段隧道快速掘进的破岩方法的工艺流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种III级以上围岩段隧道快速掘进的破岩方法，包括以下步骤：

(1)采用钻爆法在隧道掌子面的中间区域依次进行第一开挖和第二开挖，将所述隧道掌子面开挖形成两部分，分别为中间超前导洞和环绕在所述中间超前导洞周边的预留光爆层；

(2)对所述步骤(1)中的预留光爆层和中间超前导洞同步进行第三开挖，之后对所得中间超前导洞进行第四开挖；其中，对所述预留光爆层进行开挖的方式为高压气体膨胀破岩法，对所述中间超前导洞进行开挖的方式为钻爆法；

(3)重复所述步骤(2)，实现III级以上围岩段隧道掘进；

其中，所述第一开挖和第二开挖的深度分别记为A1和A2；所述第三开挖过程中，对预留光爆层进行开挖的深度记为B，对中间超前导洞进行开挖的深度记为A3；所述第四开挖的深度记为A4，所述A1＝A2＝A3＝A4＝0.5B。

本发明提供的方法适用于III级以上围岩段隧道快速掘进施工，如具体可以为III级围岩段、II级围岩段或I级围岩段。

本发明首先采用钻爆法在隧道掌子面的中间区域依次进行第一开挖和第二开挖，将所述隧道掌子面开挖形成两部分，分别为中间超前导洞和环绕在所述中间超前导洞周边的预留光爆层。在本发明中，所述预留光爆层的厚度优选为70～100cm，具体的，所述预留光爆层的厚度为中间超前导洞边缘到隧道掌子面边缘的距离。

本发明对所述钻爆法的具体操作方式没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的操作方式即可。在本发明中，具体是在隧道掌子面的中间区域布置炮眼，在各炮眼内装填炸药，之后连线起爆，隧道掌子面中间区域的岩体被崩落，实现破岩。在本发明中，采用所述钻爆法进行开挖时，单孔装药量优选为2～4kg。

在本发明中，采用所述钻爆法进行开挖后优选还包括通风排尘和机械装载出渣；本发明对所述通风排尘和机械装载出渣的具体操作方式没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。

本发明采用钻爆法在隧道掌子面的中间区域进行开挖，将所述隧道掌子面开挖形成两部分，分别为中间超前导洞和预留光爆层，中间超前导洞开挖后，预留光爆层的自由面上无岩渣阻挡，夹制作用小，为后续采用高压气体膨胀破岩开挖预留光爆层创造了理想的自由面条件和充分的补偿空间，高压气体破岩致裂孔的利用率高，超欠挖现象得到有效控制，隧道轮廓成型规整，岩面平整，极大提高了光面爆破质量。

完成第二开挖后，本发明对所得预留光爆层和中间超前导洞同步进行第三开挖，之后对所得中间超前导洞进行第四开挖；其中，对所述预留光爆层进行开挖的方式为高压气体膨胀破岩法，对所述中间超前导洞进行开挖的方式为钻爆法。本发明具体是对第二开挖后所得预留光爆层和中间超前导洞同时进行第三开挖。在本发明中，对所述中间超前导洞进行开挖时采用的钻爆法优选参照上述第一开挖和第二开挖采用的钻爆法，在此不再赘述。

在本发明中，所述高压气体膨胀破岩法优选包括如下操作步骤：

沿隧道开挖轮廓线布置致裂孔，在所述致裂孔中布置高压气体破岩装置，之后采用压浆料将所述高压气体破岩装置固结在所述致裂孔中，并封堵所述致裂孔；其中，所述高压气体破岩装置包括连接设置的气能管和充气铁管，且所述气能管设置于致裂孔的底部，所述气能管的管壁设置有两个向外突出的凸角，所述凸角沿气能管的周向对称设置；

通过所述充气铁管向气能管中注入高压气体，然后激发所述气能管，实现破岩。

本发明沿隧道开挖轮廓线布置致裂孔，在所述致裂孔中布置高压气体破岩装置，之后采用压浆料将所述高压气体破岩装置固结在所述致裂孔中，并封堵所述致裂孔。在本发明中，所述致裂孔的孔间距优选为45～50cm，孔径优选为70～90mm，孔深优选为对预留光爆层进行开挖的深度(在本发明的实施例中，所述孔深优选为7m)。在本发明中，所述高压气体破岩装置优选包括连接设置的气能管和充气铁管，所述高压气体破岩装置具体可以采用专利CN211178157U(一种气能管及致裂装置)中公开的致裂装置；具体的，所述气能管的管壁设置有两个向外突出的凸角，所述凸角沿气能管的周向对称设置(如图1所示)，所述气能管设置于致裂孔的底部。在本发明中，每个所述致裂孔中优选包括多个串联布置的高压气体破岩装置，高压气体破岩装置的个数具体可以根据其尺寸以及致裂孔深度确定；在本发明的实施例中，所述致裂孔深为7m，所述气能管主体结构长0.4m，充气铁管长度为1.6m，即一个高压气体破岩装置的有效破岩部位长度为2m，因此采用4个高压气体破岩装置串联放入致裂孔中，其中，若设置于致裂孔底部的高压气体破岩装置记为第1个高压气体破岩装置，则第1个高压气体破岩装置的气能管位于致裂孔的底部，第4个高压气体破岩装置的充气铁管位于致裂孔的开口处，且该充气铁管的一部分露在致裂孔外。

在本发明中，所述压浆料的初凝时间优选为1～3min，终凝时间优选为8～30min，且3d净浆抗压强度优选≥15MPa，更优选为15～25MPa；本发明对所述压浆料的种类及牌号没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知来源的、满足上述性能指标的压浆料市售商品即可。

本发明对采用压浆料将所述高压气体破岩装置固结在所述致裂孔中以及封堵所述致裂孔的方法没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的方法即可；在本发明的实施例中，具体是参照专利CN110779407A(一种隧道高压气体破岩的孔眼填塞装置及其方法)中的方法进行固结以及封堵。

封堵致裂孔后，本发明通过所述充气铁管向气能管中注入高压气体，然后激发所述气能管，实现破岩。在本发明中，所述高压气体优选为压力2～3MPa的空气，更优选为压力2.5MPa的空气。本发明对通过所述充气铁管向气能管中注入高压气体以及激发所述气能管进而实现破岩的方法没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的方法即可；在本发明的实施例中，具体是参照专利CN211178157U(一种气能管及致裂装置)中公开的致裂方法实现破岩。

在本发明中，采用高压气体膨胀破岩法进行开挖后优选还包括通风排尘、机械装载出渣和初期支护，根据围岩分级不同，所述初期支护优选包括喷射混凝土、打设锚杆和挂钢筋网中的一种或几种组合；本发明对所述通风排尘、机械装载出渣、喷射混凝土、打设锚杆和挂钢筋网的具体操作方式没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。

完成所述第四开挖后，本发明依次重复所述第三开挖以及第四开挖的步骤，实现III级以上围岩段隧道掘进。

在本发明中，所述第一开挖和第二开挖的深度分别记为A1和A2；所述第三开挖过程中，对预留光爆层进行开挖的深度记为B，对中间超前导洞进行开挖的深度记为A3；所述第四开挖的深度记为A4，所述A1＝A2＝A3＝A4＝0.5B。在本发明中，所述A1优选为3～5m，更优选为3.5m，即所述B优选为6～10m，更优选为7m。

图2为本发明中预留光爆层和中间超前导洞的正视图，图中a代表中间超前导洞，b代表预留光爆层；图3为本发明中预留光爆层和中间超前导洞开挖俯视图，图中1代表第一开挖的位置，2代表第二开挖的位置，3代表第三开挖的位置，4代表第四开挖的位置。图4为本发明提供的III级以上围岩段隧道快速掘进的破岩方法的工艺流程图，具体是先采用钻爆法在隧道掌子面的中间区域进行两次开挖(即第一开挖和第二开挖)，形成中间超前导洞和预留光爆层；之后同时对所述预留光爆层和中间超前导洞进行开挖(即第三开挖)，接下来单独对中间超前导洞进行开挖(即第四开挖)，其中，对预留光爆层进行开挖的方式为高压气体膨胀破岩法，对中间超前导洞进行开挖的方式为钻爆法，且每次开挖时，对预留光爆层进行开挖的深度为对中间超前导洞进行开挖的深度的2倍；最后重复上述第三开挖和第四开挖步骤，实现III级以上围岩段隧道掘进。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明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他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例针对III级围岩段隧道进行破岩，包含以下步骤：

(1)采用钻爆法在隧道掌子面的中间区域依次进行第一开挖和第二开挖，将所述隧道掌子面开挖形成两部分，分别为中间超前导洞和环绕在所述中间超前导洞周边的预留光爆层；其中，具体是在隧道掌子面的中间区域布置炮眼，在各炮眼内装填炸药(单孔装药量为2kg)，之后连线起爆，隧道掌子面中间区域的岩体被崩落，之后进行通风排尘和机械装载出渣；所述预留光爆层的厚度控制在70～100cm，所述第一开挖和第二开挖的深度均为3.5m，即第二开挖后，以预留光爆层为基准，中间超前导洞的开挖深度共7m。

(2)对所述步骤(1)中的预留光爆层和中间超前导洞进行第三开挖，之后对所得中间超前导洞进行第四开挖；其中，对所述中间超前导洞进行开挖的方式为钻爆法(参照步骤(1))，对所述预留光爆层进行开挖的方式为高压气体膨胀破岩法，具体是沿隧道开挖轮廓线布置致裂孔(孔间距为45～50cm，孔径

(3)重复步骤(2)，实现III级以上围岩段隧道掘进。

由以上实施例可知，本发明为III级以上围岩段隧道安全、高效施工提供了一种破岩方法，本发明提供的方法具有隧道轮廓成型规整、光面效果好、围岩损伤小、降低爆破振动的优点，能够有效避免隧道掌子面超欠挖现象，降低隧道坍塌事故风险。

此外，采用传统炸药爆破法施工，每进行一次开挖，均需要进行初期支护，然后再进行下一个循环作业；若采用传统炸药爆破法开挖两次，每次开挖3.5m(即共开挖7m)，则需要进行两次初期支护。而采用本发明提供的方法开挖7m，仅需要在高压气体膨胀破岩后进行一次初期支护，降低了初期支护需要的时间。因此，本方法避免了传统炸药爆破多次初期支护占用时间长的不足，实现了隧道的快速掘进，操作简单、工作效率高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。