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钻孔胀裂法在隧道掘进工程中的应用

作者:曹晓立,马瑞,高文学,叶春琳  发布:2017/6/27  浏览:
单位:北京工业大学建筑工程学院,北京市政路桥股份有限公司

摘 要:岩质隧道钻孔胀裂法是一种新型的破岩方法。该方法可以很好地避免传统钻爆法环境影响大、施工破坏严重的缺陷,充分利用岩石本身的力学特点,环保、无尘、可控地完成岩石破裂,同时具有成本低和灵活性好的优点,在复杂环境下的隧道破岩作业中得到充分应用。以111国道古石隧道为背景,通过对钻孔胀裂法的使用效果进行现场试验研究,验证该方法在岩质隧道开挖中的适用性,同时为复杂环境下隧道开挖施工提供新的设计思路和施工工法。

0 引言

钻爆法是目前山岭隧道修建时使用最多的方法,但其缺点也较为明显,安全环保、风险大、社会环境影响大等问题使得传统的爆破开挖在很多工程中不能顺利实施,严重影响施工进度。近年来,一种新型的破岩技术———钻孔胀裂法,以其良好的可控性和环保性,在复杂环境隧道掘进工程中应运而生。钻孔胀裂法利用岩石抗拉强度远小于抗压强度的特点,先在岩体中成孔,借助大功率胀裂设备,通过液压传动、多棒同步对孔壁施加压力,当压力大于岩石的抗拉强度时,岩体发生破裂,该方法可以很大程度避免爆破产生的振动、飞石和噪声等灾害,真正达到安全可靠、节能环保、提高效率、保证工期要求 [1-2] 。

本文以 111 国道的古石隧道作为背景工程,对钻孔胀裂法在岩质隧道开挖中的使用效果进行分析,探讨了该方法在隧道施工中的普适性,并为复杂环境下隧道开挖提供新的设计思路和施工工法。

1 工程背景

111 国道(汤河口—市界段)改建工程第一标段古石隧道工程,前期采用传统的钻爆法进行施工。由于该方法存在火工器材运输、储存、使用等环节的安全隐患,爆破审批手续长达数月之久,同时爆破产生的振动、粉尘、噪声等引起周边居民时常阻工,导致整个施工进度拖延 1 年有余。因此,该段隧道采用钻孔胀裂法施工,有效解决钻爆法带来的施工问题,取得较好的工程效益和经济效益。

2 施工工艺

隧道掘进施工,掌子面上只有一个自由面,采用机械胀裂法破碎岩石,至少需要创造一个新的自由面。此外,机械胀裂器破岩只是将掌子面上的岩体分裂开来,形成裂隙网,其底部往往还与母岩连在一起,不可能像钻爆法施工那样将岩块抛掷出去,因此需要进行二次破碎才能清运。由此,隧道钻孔胀裂法施工工艺流程主要包括形成新自由面、钻孔、机械胀裂、二次破碎等[3] 。具体施工工艺为:施工准备→形成新的自由面→连续钻孔切缝→钻孔施工→二次破碎→初期支护、进入下一循环。

钻孔胀裂法采用的柱塞式胀裂器是一种新型破岩装置,其结构如图 1 所示。胀裂棒体布置 10 ~14 个小活塞。胀裂棒工作时,棒体安置在钻孔内,油压泵提供超高油压时,小活塞伸出棒体直接对钻孔内壁产生作用力。胀裂棒相关设备参数如下:胀裂棒长 1m 或 1. 4m,活塞间距 70mm,活塞直径46mm,伸缩进程 45mm,胀裂力 130 ~180MPa。

1-手柄;2-快速接头;3-柱塞;4-防尘圈;5-缸套;6 ~10-密封圈和挡圈;11-缸体

图 1  孔内柱式胀裂器

柱式胀裂棒的特点是活塞产生的作用力不经过楔形装置转换,而是直接作用于钻孔内壁,提高了破岩能量利用率。此外,柱式胀裂棒的行程较大,所需钻孔超深较小,胀裂棒可安放于钻孔内的任意位置,并且实现多台胀裂棒同时作业,从而增加胀裂力和胀裂深度 [4-6] 。

3 现场试验研究

3. 1 钻孔设计

根据隧道围岩特性、临空面形态、胀裂棒性能等确定钻孔布置参数(包括孔间距、孔深和排距等),然后进行布孔和钻孔。对于本项隧道工程围岩等级条件下的施工技术参数,根据数值模拟取值如下:钻孔间距 0. 7 ~0. 75m,抵抗线 0. 5 ~0. 6m,孔径 90mm,钻孔应尽可能在同一平面或竖直面上,边界处应沿开挖轮廓线进行钻孔,以保证胀裂效果。由于 111 国道隧道开挖掌子面较大,钻孔胀裂棒若只使用人力进行胀裂作业,则需消耗大量的人力、物力和时间,因此,为了提高施工效率和效果,可以将胀裂棒安装在挖掘机的支臂前端,实现机械化钻孔和胀裂效果。同时,以此为理念基础的一体化胀裂设备正在研究和分析过程中,并可作为日后的发展方向。

3. 2 新自由面形成

隧道掘进施工,由于只有一个临空面,采用钻孔胀裂法破裂岩石时需要创造新的临空面。现场采用连续钻孔形成临空面。新的临空面布置在隧道工作面中部或断面曲率变化点处;也可根据工作面不同的岩层条件,选择软弱岩层布置。采用连续钻孔,一次可形成 3 ~ 5m 深的临空面,因而提高了胀裂器破岩效率。临空面一般布置成一字型(见图2)或 H 形。

图 2  形成新的自由面

3. 3 钻孔施工

根据隧道围岩特性、胀裂器的型号和规格等确定钻孔布置参数(包括孔间距、孔深等),然后进行布孔和钻孔。对于 111 国道的古石隧道钻孔胀裂棒,钻孔抵抗线取 0. 6m,孔间距为 0. 75m。

3. 4 岩体胀裂

利用径向胀裂器,岩体胀裂工作从形成新自由面附近开始,然后逐层将掌子面上的岩体分裂开来,形成裂隙网。对于节理裂隙较发育的岩体,胀裂后的部分岩块会自然脱落。

胀裂过程中横向布孔和纵向布孔时的现场图片以及胀裂力作用下产生的裂隙如图 3 所示。

图 3  横向与纵向裂隙

3. 5 二次破碎

利用液压破碎锤,对经过胀裂带有的裂隙网的岩体或破碎不完全的大块岩石进行二次破碎,将其破碎为合格的块度,以利于清运[7] 

3. 6 初期支护

掌子面破碎的渣土清运完成后,对隧道进行初期支护。根据支护设计进行初支施工。初支一般包括架设格栅、打设锚杆安装孔、中空注浆锚杆施工、喷射混凝土等。

4 结语

以 111 国道的古石隧道为背景工程,通过分析隧道钻爆法施工产生的问题,提出了岩质隧道钻孔胀裂法这一破岩施工新技术,并取得很好的效果。

岩质隧道钻孔胀裂法作为新的隧道开挖方式,达到了使隧道周边平整可控的效果,解决了钻爆法超挖、欠挖问题,避免了爆破产生的振动、飞石以及噪声等工程问题,很好地解决了 111 国道古石隧道开挖过程中出现的问题,使得隧道开挖得以顺利进行。同时,胀裂棒活塞采用高强钢材为制作材料,在胀裂过程中不会受损,可以重复循环多次使用,超高压液压设备的生产也属于非常成熟的手段,不但在使用过程中基本不会损伤,而且可以重复使用,远程控制等技术也使得钻孔胀裂施工更加人性化和机械化,大大节省了人力、物力和财力的投入。

不过,在 111 国道古石隧道开挖过程中,围岩条件复杂,以 IV 级围岩居多,部分隧道段会有 V 级围岩存在,在 V 级围岩的胀裂作业中会出现由于围岩等级较低,破岩胀裂力偏大,在胀裂时,胀裂棒活塞处的岩石产生局部压碎破坏,不能产生贯通的裂隙从而导致围岩破裂失败。因此,岩质隧道钻孔胀裂法并不适用于所有级别的围岩。通过多种围岩和多次胀裂作业可以得出,岩石等级越高,该方法的胀裂效果越好。在 V 级围岩及等级更低的围岩条件下,机械胀裂法不适用。

同时,岩质隧道钻孔胀裂法也存在很明显的缺陷,与传统的钻爆法相比,钻孔胀裂法施工存在工作量大以及施工进度慢等缺点。

摘自《施工技术》
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