CN104314573B - 一种基于水力切割的硬岩隧道施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于水力切割的硬岩隧道施工方法，沿隧道纵向延伸方向由后至前分多个隧道节段进行施工，对任一个隧道节段进行施工时，过程如下：一、围岩级别超前探测；二、施工参数确定：所确定的施工参数包括水力切割机的切割参数和液压劈裂机的劈裂力；三、当前所施工隧道节段施工：沿隧道纵向延伸方向由后至前分多个切割节段对当前所施工隧道节段进行施工，对任一个切割节段进行施工时，过程如下：施工准备；水力切割；液压劈裂；矩形切割块外运；四、多次重复步骤一至三，直至完成所施工硬岩隧道的施工过程。本发明方法步骤简单、实现方便且投入成本较低、施工效率高，施工效果好，能简便、快速完成硬岩隧道的施工过程。
Description
技术领域
本发明属于隧道施工技术领域，尤其是涉及一种基于水力切割的硬岩隧道施工方法。
背景技术
硬岩隧道是指隧道开挖断面的围岩为坚硬岩石的施工隧道，如沉积岩、火成岩、变质岩等。传统硬岩隧道的施工方法主要有以下两种，即钻爆法和TBM掘进机法。其中，钻爆法是指在隧道掌子面钻设炮孔并装填炸药，依靠炸药爆破能破碎岩石，从而形成隧道断面的方法，钻爆法是当前国内隧道施工的主要方法，但该施工方法存在以下缺点：1)爆破震动中会形成松动圈，影响围岩整体稳定；2)容易造成断面超挖；3)爆破产生大量有害气体和粉尘，污染空气；4)震动和噪声可能引起扰民；5)弃渣造成资源浪费，并占用耕地。
TBM掘进机法主要是使用TBM隧道掘进机，通过回转刀具开挖，利用机械的强大推力和剪切力破碎岩石，其设备体积和重量较大、价格昂贵、能耗大、对操作人员的技术素质要求高，整体成本高。与钻爆法相比，TBM掘进机法虽具有工作相对安全、掘进速度较快等优点，但由于TBM隧道掘进机的后配套系统是满足连续快速掘进的关键因素，其运输布置、运输能力、供水、排水流量、通风方式及风压、风量、喷锚、混凝土管片安装、豆砾石喷射、灌浆的速度，必须与掘进速度相匹配。然而，迄今为止，各种形式岩石掘进机的基本掘进原理没有改变，都是利用很高的压力来破碎岩石，从而实现掘进，其明显的缺陷在于：第一、由于高压来自于撑靴，而撑靴以及掌子面上对岩石的巨大压力极可能诱发岩爆和塌方；第二、掘进摩擦力很大，对刀具及掘进机的磨损很高；第三、由于掘进原理限制，掘进速度较慢，导致工期很长；第四、若整体刀盘破损，需整个掘进机退出隧道，更换刀盘后再前进到加工位置，操作复杂，耗时长。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于水力切割的硬岩隧道施工方法，其方法步骤简单、实现方便且投入成本较低、施工效率高，施工效果好，能简便、快速完成硬岩隧道的施工过程。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于水力切割的硬岩隧道施工方法，其特征在于：沿隧道纵向延伸方向由后至前分多个隧道节段对所施工硬岩隧道进行施工，多个所述隧道节段的施工方法均相同；对所施工硬岩隧道中任一个隧道节段进行施工时，均采用水力切割机与液压劈裂机相结合进行施工，过程如下：
步骤一、围岩强度超前探测：对当前所施工隧道节段的围岩强度进行超前探测；
步骤二、施工参数确定：根据步骤一中所确定的围岩级别，对当前所施工隧道节段的施工参数进行确定；所确定的施工参数包括水力切割机的切割参数和所述液压劈裂机的劈裂力；所述切割参数包括高压水射流压力、切割深度和切割速度，其中围岩强度越高，高压水射流压力越大，切割深度和切割速度均越小；所述液压劈裂机的劈裂力由水力切割机的切割深度决定，并且水力切割机的切割深度越大，所述液压劈裂机的劈裂力越小；
步骤三、当前所施工隧道节段施工：沿隧道纵向延伸方向由后至前分多个切割节段对当前所施工隧道节段进行施工，多个所述切割节段的施工方法均相同，所述切割节段沿隧道纵向延伸方向的纵向长度与步骤二中所确定的水力切割机的切割深度一致；对当前所施工隧道节段中任一个切割节段进行施工时，过程如下：
步骤301、施工准备：通过施工测量，测设出当前所施工切割节段的隧道洞开挖轮廓线，并在当前所施工切割节段的开挖断面上标示出所述隧道洞开挖轮廓线；
步骤302、水力切割：按照步骤二中所确定的切割参数，采用水力切割机对当前所施工切割节段的围岩进行切割施工，包括以下步骤：
步骤3021、开挖轮廓线切割：采用水力切割机，沿步骤301中测设出的隧道洞开挖轮廓线进行切割，并形成切割轮廓线；
步骤3022、直线切割：采用水力切割机在水平和竖直方向上进行直线切割，并将位于步骤3021中所述切割轮廓线内的围岩切割成多个矩形切割块；
多个所述矩形切割块分M排N列布设，其中M和N均为正整数且二者均大于3；M排所述矩形切割块由上至下布设，上下相邻两排所述矩形切割块之间均通过一道横向切割缝进行分隔；N列所述矩形切割块由左至右布设，左右相邻两列所述矩形切割块之间均通过一道竖向切割缝进行分隔；
步骤303、液压劈裂：按照步骤二中所确定的劈裂力，采用所述液压劈裂机沿横向切割缝和/或竖向切割缝进行劈裂，将步骤3022中多个所述矩形切割块均从当前所施工切割节段的开挖断面劈裂下来；待多个所述矩形切割块均劈裂下来后，形成下一个切割节段的开挖断面；
步骤304、矩形切割块外运：采用运输设备，将步骤304中劈裂下来的多个所述矩形切割块运输至当前已施工完成的隧道洞外侧；
步骤305、下一个切割节段施工：按照步骤301至步骤304中所述的方向，对下一个切割节段进行施工；
步骤306、多次重复步骤305，直至完成当前所施工隧道节段中所有切割节段的施工过程；
步骤四、多次重复步骤一至步骤三，直至完成所施工硬岩隧道中所有隧道节段的施工过程。
上述一种基于水力切割的硬岩隧道施工方法，其特征是：所述水力切割机为超高压水刀。
上述一种基于水力切割的硬岩隧道施工方法，其特征是：步骤一中所述超前地质预报系统为超前水平钻孔；通过超前水平钻孔进行超前探测时，采用水平钻孔设备在当前所施工隧道节段的掌子面上钻取水平钻探孔，利用所钻取的水平钻探孔且按照超前水平钻孔的预测预报方法进行直接探测，所钻取的水平钻探孔沿当前所施工隧道节段的纵向延伸方向布设。
上述一种基于水力切割的硬岩隧道施工方法，其特征是：所述水平钻探孔的数量为三个，三个所述水平钻探孔布设在一个等边三角形的三个顶点上；三个所述水平钻探孔分别为左钻孔、右钻孔和中钻孔，所述左钻孔和右钻孔分别位于当前所施工隧道节段的左右两侧且二者布设在同一水平面上，所述中钻孔位于所述左钻孔的上方或下方；
所述水平钻探孔的深度为20m～40m；当所施工硬岩隧道为单线隧道时，所述等边三角形的边长为3.5m～4.5m；当所施工硬岩隧道为双线隧道时，所述等边三角形的边长为6m～8m。
上述一种基于水力切割的硬岩隧道施工方法，其特征是：所述水平钻探孔位于步骤3022中所述横向切割缝和竖向切割缝之间的相交处；步骤3022中进行直线切割时，以所述水平钻探孔作为水力切割机的切入点；步骤303中进行液压劈裂时，将所述液压劈裂机的劈裂枪插入至横向切割缝、竖向切割缝或所述水平钻探孔内进行劈裂。
上述一种基于水力切割的硬岩隧道施工方法，其特征是：步骤303中进行液压劈裂时，将所述液压劈裂机的劈裂枪插入竖向切割缝，并且沿竖向切割缝由上至下进行横向劈裂。
上述一种基于水力切割的硬岩隧道施工方法，其特征是：所述水力切割机包括水力切割头装置、通过液压管路与所述水力切割头装置相接的供水系统和安装在所述液压管路上且对所述供水系统所提供水进行增压的增压泵，所述水力切割头装置安装在移动轨道上，所述移动轨道上安装有带动所述水力切割头装置移动的电动驱动机构，所述电动驱动机构和所述增加泵均由控制系统进行控制。
上述一种基于水力切割的硬岩隧道施工方法，其特征是：步骤二中进行施工参数确定时，所述切割参数还包括水力切割机的靶距；水力切割机的靶距由水力切割机的高压水射流压力、切割深度和切割速度共同决定；步骤302中进行水力切割时，需采用水力切割机对当前所施工切割节段的围岩进行试切割，并根据试切割结果，对水力切割机的切割参数进行确定；
对水力切割机的切割参数进行确定时，还需对切割高度和切割厚度进行确定，并且切割深度、切割高度和切割厚度组成水力切割机的切割尺寸，其中切割高度为上下相邻两道所述横向切割缝之间的间距，切割厚度为左右相邻两道所述竖向切割缝之间的间距；所述液压劈裂机的劈裂力由水力切割机的切割尺寸决定，所述液压劈裂机的劈裂力与切割厚度和切割高度均呈正比，且所述液压劈裂机的劈裂力与切割深度成反比。
上述一种基于水力切割的硬岩隧道施工方法，其特征是：步骤3022中进行直线切割时，先采用水力切割机在竖直方向上进行直线切割，并形成多道所述竖向切割缝；之后，再采用水力切割机在水平方向上进行直线切割，并形成多道所述横向切割缝；
步骤3021中进行开挖轮廓线切割时，采用水力切割机，由下至上沿所述隧道洞开挖轮廓线进行切割；步骤3022中在竖直方向上进行直线切割时，采用水力切割机由下至上进行切割；步骤3022中在水平方向上进行直线切割时，采用水力切割机由左至右或由右至左进行切割；并且，对多道所述横向切割缝进行切割时，由下至上进行切割。
上述一种基于水力切割的硬岩隧道施工方法，其特征是：步骤一中判定出当前所施工隧道节段的围岩级别为Ⅰ级围岩或Ⅱ级围岩；
步骤二中进行施工参数确定时，当当前所施工隧道节段的围岩级别为Ⅰ级围岩时，水力切割机的高压水射流压力为420MPa～480MPa，切割深度D＝25cm～35cm，切割速度为4m/min～6m/min；所述液压劈裂机的劈裂力为85t～95t；
当当前所施工隧道节段的围岩级别为Ⅱ级围岩时，水力切割机的高压水射流压力为350MPa～410Mpa，切割深度D＝45cm～55cm，切割速度为6m/min～8m/min；所述液压劈裂机的劈裂力为45t～55t；
步骤3022中上下相邻两道所述横向切割缝之间的间距为45cm～55cm，左右相邻两道所述竖向切割缝之间的间距为25cm～35cm。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、方法步骤简单、实现方便且投入施工成本较低。
2、所采用的设备简单且占用空间小，主要包括水力切割机(8)、液压劈裂机和自卸汽车，因而设备成本较低，并且对操作人员的技术素质要求非常低，操作简易。
3、施工过程简便且易于控制，施工效率高，主要包括施工准备、放线、水平切割、竖向切割、液压劈裂折断和矩形切割块外运等工序，利用超高压水刀将隧道轮廓线切割一定深度，同时按对应的横向间距和竖向间距将岩石切成网格状，然后利用液压劈裂机劈裂折断切块，完成硬岩隧道的切割开挖。
4、节约能源，与TBM掘进机法相比，设备费用、电耗大幅降低，即使没有电源，也能施工，工程进度能够保证。
5、切割下来的矩形切割块体可当作良好的建筑材料，可变废为宝、节约资源，符合绿色施工、节能环保要求。
6、隧道开挖成型效果好且开挖质量易于控制，同时能减少支护费用，节约成本。与钻爆法相比，施工过程中所产生的震动较小，不会影响围岩整体稳定，并且开挖断面结构控制简易且不易造成断面超挖，同时施工过程中不会产生有害气体和粉尘，不会产生扰民的震动和噪声，也不会产生大量破坏外界环境及占用耕地的废渣。另外，与TBM掘进机法，具有施工过程安全、掘进速度较快等优点，并且由于依靠高压水射流进行切割，因而切割过程中对周侧岩石压力较小，不易诱发岩爆和塌方；同时，不会出现刀具及掘进机磨损的现象，设备使用年限较长，相应地不会出现因更换刀盘影响施工工期的问题，再加之施工过程简单且操作简易，水力切割机(8)能实现控制系统自动控制切割，不仅切割质量易于保证，而且切割速度快，施工工期短。
7、施工效果好且实用价值高，本发明是利用超高压水力切割方法对硬岩隧道进行开挖，水力切割过程中无震动、无超挖、无污染且无噪声，切割下来的岩块可当作优质铺砌石材，具有良好的经济和社会效益。并且，采用本发明有效避免了爆破引起的超挖、围岩扰动、空气污染，切割块体大，降低了能耗，同时切割后的岩块能用作建筑材料，减少了资源浪费。
综上所述，本发明方法步骤简单、实现方便且投入成本较低、施工效率高。施工效果好，能简便、快速完成硬岩隧道的施工过程，本发明技术先进、方法简单、节能环保且资源可重复利用，减小了隧道围岩扰动，可大幅降低支护工作量，降低成本；并且施工过程基本无废渣，切割块体可用作建材，在花岗岩、砂岩等硬质岩地层的应用前景广阔。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的方法流程框图。
图2为本发明水力切割的切割结构示意图。
图3为采用本发明进行水力切割时的切割状态示意图。
图4为本发明所采用水力切割头装置的使用状态参考图。
附图标记说明:
1—切割轮廓线； 2—矩形切割块； 3—横向切割缝；
4—竖向切割缝； 5—水平钻探孔； 6—移动轨道；
7—喷嘴； 8—水力切割机；
9—当前已施工完成的隧道洞。
具体实施方式
如图1所示的一种基于水力切割的硬岩隧道施工方法，沿隧道纵向延伸方向由后至前分多个隧道节段对所施工硬岩隧道进行施工，多个所述隧道节段的施工方法均相同；对所施工硬岩隧道中任一个隧道节段进行施工时，均采用水力切割机8与液压劈裂机相结合进行施工，过程如下：
步骤一、围岩强度超前探测：对当前所施工隧道节段的围岩强度进行超前探测。
步骤二、施工参数确定：根据步骤一中所确定的围岩级别，对当前所施工隧道节段的施工参数进行确定；所确定的施工参数包括水力切割机8的切割参数和所述液压劈裂机的劈裂力；所述切割参数包括高压水射流压力、切割深度和切割速度，其中围岩强度越高，高压水射流压力越大，切割深度和切割速度均越小；所述液压劈裂机的劈裂力由水力切割机8的切割深度决定，并且水力切割机8的切割深度越大，所述液压劈裂机的劈裂力越小。
步骤三、当前所施工隧道节段施工：沿隧道纵向延伸方向由后至前分多个切割节段对当前所施工隧道节段进行施工，多个所述切割节段的施工方法均相同，所述切割节段沿隧道纵向延伸方向的纵向长度与步骤二中所确定的水力切割机8的切割深度一致；对当前所施工隧道节段中任一个切割节段进行施工时，过程如下：
步骤301、施工准备：通过施工测量，测设出当前所施工切割节段的隧道洞开挖轮廓线，并在当前所施工切割节段的开挖断面上标示出所述隧道洞开挖轮廓线。
步骤302、水力切割：结合图3，按照步骤二中所确定的切割参数，采用水力切割机8对当前所施工切割节段的围岩进行切割施工，包括以下步骤：
步骤3021、开挖轮廓线切割：采用水力切割机8，沿步骤301中测设出的隧道洞开挖轮廓线进行切割，并形成切割轮廓线1。
步骤3022、直线切割：采用水力切割机8在水平和竖直方向上进行直线切割，并将位于步骤3021中所述切割轮廓线1内的围岩切割成多个矩形切割块2。本实施例中，步骤3021中进行开挖轮廓线切割和步骤3022中进行直线切割的切割深度均相同。
如图2所示，多个所述矩形切割块2分M排N列布设，其中M和N均为正整数且二者均大于3。M排所述矩形切割块2由上至下布设，上下相邻两排所述矩形切割块2之间均通过一道横向切割缝3进行分隔；N列所述矩形切割块2由左至右布设，左右相邻两列所述矩形切割块2之间均通过一道竖向切割缝4进行分隔。
步骤303、液压劈裂：按照步骤二中所确定的劈裂力，采用所述液压劈裂机沿横向切割缝3和/或竖向切割缝4进行劈裂，将步骤3022中多个所述矩形切割块2均从当前所施工切割节段的开挖断面劈裂下来；待多个所述矩形切割块2均劈裂下来后，形成下一个切割节段的开挖断面。
步骤304、矩形切割块外运：采用运输设备，将步骤304中劈裂下来的多个所述矩形切割块2运输至当前已施工完成的隧道洞9外侧；
步骤305、下一个切割节段施工：按照步骤301至步骤304中所述的方向，对下一个切割节段进行施工；
步骤306、多次重复步骤305，直至完成当前所施工隧道节段中所有切割节段的施工过程。
步骤四、多次重复步骤一至步骤三，直至完成所施工硬岩隧道中所有隧道节段的施工过程。
本实施例中，步骤304中所述运输设备为自卸汽车。
本实施例中，步骤一中进行围岩强度超前探测时，通过超前地质预报系统进行超前探测，并判定出当前所施工隧道节段的围岩级别。
本实施例中，步骤二中对水力切割机8的切割参数进行确定时，还需对切割高度和切割厚度进行确定，其中切割高度为上下相邻两道所述横向切割缝3之间的间距，切割厚度为左右相邻两道所述竖向切割缝4之间的间距。并且切割深度、切割高度和切割厚度组成水力切割机8的切割尺寸，其中切割高度为上下相邻两道所述横向切割缝3之间的间距，切割厚度为左右相邻两道所述竖向切割缝4之间的间距；所述液压劈裂机的劈裂力由水力切割机8的切割尺寸决定，所述液压劈裂机的劈裂力与切割厚度和切割高度均呈正比，且所述液压劈裂机的劈裂力与切割深度成反比
本实施例中，步骤一中判定出的围岩级别越高，高压水射流压力越大，切割深度和切割速度均越小。
本实施例中，步骤一中判定出当前所施工隧道节段的围岩级别为Ⅰ级围岩或Ⅱ级围岩。
根据现行《铁路隧道设计规范》(TB10003-2005)第3.2.7条的规定，隧道围岩级别分成六级，分别是Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级和Ⅵ级，其中围岩级别越高(即数字越小)，围岩性质越好。
其中，Ⅰ级围岩的主要工程地质特征为极硬岩(单轴饱和抗压强度Rc＞60MPa)：受地质构造影响轻微，节理不发育，无软弱面(或夹层)；层状岩层为巨厚层或厚层，层间结合良好，岩体完整。Ⅰ级围岩的结构形态和完整状态为呈巨块状整体结构。Ⅰ级围岩开挖后的稳定状态(单线)为围岩稳定，无坍塌，可能产生岩爆。Ⅰ级围岩弹性纵波速度vP＞4.5km/s。
Ⅱ级围岩的主要工程地质特征为硬质岩(单轴饱和抗压强度Rc＞30MPa)：受地质构造影响较轻微，节理较发育，有少量软弱面(或夹层)和贯通微张节理，但其产状及组合关系不致产生滑动；层状岩层为中厚层或厚层，层间结合一般，很少有分离现象，或为硬质岩偶夹软质岩石。Ⅱ级围岩的结构形态和完整状态为呈巨块或大块状结构。Ⅱ级围岩开挖后的稳定状态(单线)为暴露时间长，可能会出现局部小坍塌；侧壁稳定；层间结合差的平缓岩层顶板易塌落。Ⅱ级围岩弹性纵波速度vP为3.5km/s～4.5km/s。
本实施例中，步骤一中所述超前地质预报系统为超前水平钻孔；通过超前水平钻孔进行超前探测时，采用水平钻孔设备在当前所施工隧道节段的掌子面上钻取水平钻探孔5，利用所钻取的水平钻探孔5且按照超前水平钻孔的预测预报方法进行直接探测，所钻取的水平钻探孔5沿当前所施工隧道节段的纵向延伸方向布设。
也就是说，采用钻探法，即利用钻孔取芯进行取样分析的方法进行围岩级别判定。
本实施例中，所述水平钻探孔5位于步骤3022中所述横向切割缝3和竖向切割缝4之间的相交处；步骤3022中进行直线切割时，以所述水平钻探孔作为水力切割机8的切入点；步骤303中进行液压劈裂时，将所述液压劈裂机的劈裂枪插入至横向切割缝3、竖向切割缝4或所述水平钻探孔内进行劈裂。
实际施工时，当水平钻探孔5作为水力切割时的切入点时，更有利于切割和提高切割效率。而当水平钻探孔5作为所述液压劈裂机劈裂时劈裂枪的插入点时，以便劈裂机能简便、快速劈裂岩石块。
本实施例中，所述水平钻探孔5的数量为三个，三个所述水平钻探孔5布设在一个等边三角形的三个顶点上。
三个所述水平钻探孔5分别为左钻孔、右钻孔和中钻孔，所述左钻孔和右钻孔分别位于当前所施工隧道节段的左右两侧且二者布设在同一水平面上，所述中钻孔位于所述左钻孔的上方或下方。本实施例中，如图2所示，所述中钻孔位于所述左钻孔的上方。并且，所述左钻孔和右钻孔均位于当前所施工隧道节段的中部。
实际施工时，当所施工硬岩隧道为单线隧道时，所述等边三角形的边长为3.5m～4.5m；当所施工硬岩隧道为双线隧道时，所述等边三角形的边长为6m～8m。本实施例中，当所施工硬岩隧道为单线隧道时，所述等边三角形的边长为4m左右。其中，所述单线隧道是指隧道洞内布设有一条铁路线，所述双线隧道是指隧道洞内布设有往返两条铁路线。
实际进行钻孔时，所述水平钻探孔5的深度为20m～40m。本实施例中，所述水平钻探孔5的深度为30m。实际施工时，可根据具体需要，对水平钻探孔5的深度进行相应调整。
本实施例中，所述水力切割机8为超高压水刀。
结合图4，所述水力切割机8包括水力切割头装置、通过液压管路与所述水力切割头装置相接的供水系统和安装在所述液压管路上且对所述供水系统所提供水进行增压的增压泵，所述水力切割头装置安装在移动轨道6上，所述移动轨道6上安装有带动所述水力切割头装置移动的电动驱动机构，所述电动驱动机构和所述增加泵均由控制系统进行控制。
本实施例中，所述水力切割头装置为喷嘴7。
实际施工时，所述液压管路采用高压管，并且，管路接头均选用优质活动接头，管路连接必须符合规范、标准要求，确保连接可靠。
步骤二中进行施工参数确定时，当当前所施工隧道节段的围岩级别为Ⅰ级围岩时，水力切割机8的高压水射流压力为420MPa～480MPa，切割深度D＝25cm～35cm，切割速度为4m/min～6m/min；所述液压劈裂机的劈裂力为85t～95t。
当当前所施工隧道节段的围岩级别为Ⅱ级围岩时，水力切割机8的高压水射流压力为350MPa～410Mpa，切割深度D＝45cm～55cm，切割速度为6m/min～8m/min；所述液压劈裂机的劈裂力为45t～55t。
本实施例中，当当前所施工隧道节段的围岩级别为Ⅰ级围岩时，水力切割机8的高压水射流压力为450MPa，切割深度D＝30cm，切割速度为5m/min；所述液压劈裂机的劈裂力为90t。当当前所施工隧道节段的围岩级别为Ⅱ级围岩时，步骤二中进行施工参数确定时，水力切割机8的高压水射流压力为380Mpa，切割深度D＝50cm，切割速度为7m/min；所述液压劈裂机的劈裂力为50t。实际施工时，可以根据具体需要，对水力切割机8的高压水射流压力、切割深度和切割速度以及所述液压劈裂机的劈裂力进行相应调整。
本实施例中，步骤二中进行施工参数确定时，所述切割参数还包括水力切割机8的靶距；水力切割机8的靶距由水力切割机8的高压水射流压力、切割深度和切割速度共同决定；步骤302中进行水力切割时，需采用水力切割机8对当前所施工切割节段的围岩进行试切割，并根据试切割结果，对水力切割机8的切割参数进行确定。
实际进行水力切割之前，需在当前所施工切割节段的开挖断面上布设供所述水力切割头装置移动的移动轨道6，所述移动轨道6包括用于切割横向切割缝3和竖向切割缝4的直线形轨道以及用于切割所述切割轮廓线1的曲线形轨道。实际进行水力切割时，通过所述移动轨道6与当前所施工切割节段的开挖断面之间的间距对水力切割机8的靶距进行调整，也就是说，通过前后调整所述移动轨道6即可对水力切割机8的靶距进行简便调整。其中，水力切割机8的靶距为水刀刀头(即喷嘴7的喷口)至切割面(即当前所施工切割节段的开挖断面)的垂直距离。
因而，步骤302中进行水力切割之前，先根据预先确定的切割参数进行试切割，再根据试切割结果，对水力切割机8的切割参数进行及时调整，最终确定水力切割机8的切割参数。
实际使用过程中，可将移动轨道6安装在轨道支架上，并且所述轨道支架由支架驱动机构带动进行前后移动，所述支架驱动机构由所述控制系统进行控制。这样，水力切割机8的切割参数均可通过所述控制系统进行控制，如通过所述控制系统控制所述增压泵能简便对水力切割机8的高压水射流压力进行调整，通过所述控制系统控制所述支架驱动机构能对靶距进行控制，通过通过所述控制系统控制所述电动驱动机构能对切割速度进行控制，而对高压水射流压力、靶距和切割速度进行控制后，便能对水力切割机8的切割深度进行准确控制。
因而，步骤302中进行水力切割时，所述控制系统能对水力切割机8的切割轨迹进行控制，即对所述水刀切割头装置的运行轨迹进行简便、准确控制。步骤302中水力切割之前，先对所述水刀切割头装置切割时的运行轨迹进行设定，具体是在当前所施工切割节段的开挖断面上建立二维直角坐标系，并利用所建立的二维直角坐标系对所述水刀切割头装置的运行轨迹进行设定，保证所述水刀切割头装置的切割轨迹符合设计要求，实现切割轨迹自动化控制的目的。同时，由于水力切割机8的切割参数也能通过所述控制系统进行自动控制，因而能有效保证切割效率和切割质量，实现理想的切割效果。
本实施例中，步骤3022中进行直线切割时，先采用水力切割机8在竖直方向上进行直线切割，并形成多道所述竖向切割缝4；之后，再采用水力切割机8在水平方向上进行直线切割，并形成多道所述横向切割缝3。
步骤3021中进行开挖轮廓线切割时，采用水力切割机8，由下至上沿所述隧道洞开挖轮廓线进行切割；步骤3022中在竖直方向上进行直线切割时，采用水力切割机8由下至上进行切割；步骤3022中在水平方向上进行直线切割时，采用水力切割机8由左至右或由右至左进行切割；并且，对多道所述横向切割缝3进行切割时，由下至上进行切割。
综上，实际进行水力切割时，遵循“先轮廓，再竖向，后横向”的原则进行切割，轮廓线切割和竖向切割时，按照由最低处开始从下至上进行切割；横向切割时，为减少所述水刀切割头装置的空载运行时间，采用从左至右或从右至左切割均可。也就是说，对多道所述横向切割缝3进行切割时，由下至上按照S形曲线对多道所述横向切割缝3进行切割。
实际施工时，步骤3022中上下相邻两道所述横向切割缝3之间的间距为45cm～55cm，左右相邻两道所述竖向切割缝4之间的间距为25cm～35cm。
本实施例中，上下相邻两道所述横向切割缝3之间的间距为50cm，左右相邻两道所述竖向切割缝4之间的间距为30cm。实际进行水力切割时，可以根据具体需要，对上下相邻两道所述横向切割缝3之间的间距以及左右相邻两道所述竖向切割缝4之间的间距进行相应调整。
由于岩石具有极高的抗压强度，但抗拉强度很小，且属脆性材料，所述液压劈裂机就是充分利用岩石脆性的特点，采用液压劈裂机的劈裂枪在最狭窄的孔(即所述竖向切割缝4或横向切割缝3)中能向外够释放出的极大分裂力，从而劈裂折断岩石。
本实施例中，步骤303中进行液压劈裂时，将所述液压劈裂机的劈裂枪插入竖向切割缝4，并且沿竖向切割缝4由上至下进行横向劈裂。
实际施工过程中，步骤302中水力切割完成后，收回所述水刀切割机，在预劈裂断面(即当前所施工切割节段的开挖断面)前架设所述液压劈裂机。根据事先计算确定的劈裂参数(一般采用横向劈裂，分裂力较小)，启动所述液压劈裂机，并将所述液压劈裂机的劈裂枪插入竖向切割缝4或所述水平钻探孔5，按照从上至下的顺序横向劈裂所述矩形切割块2，然后将劈裂下来的矩形切割块2及时装车运至指定地点。所述液压劈裂机分裂力可根据劈裂情况，及时调整液压油压力，满足分裂力要求，达到劈裂效果。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于水力切割的硬岩隧道施工方法，其特征在于：沿隧道纵向延伸方向由后至前分多个隧道节段对所施工硬岩隧道进行施工，多个所述隧道节段的施工方法均相同；对所施工硬岩隧道中任一个隧道节段进行施工时，均采用水力切割机(8)与液压劈裂机相结合进行施工，过程如下：
步骤一、围岩强度超前探测：对当前所施工隧道节段的围岩强度进行超前探测；
步骤二、施工参数确定：根据步骤一中所确定的围岩强度，对当前所施工隧道节段的施工参数进行确定；所确定的施工参数包括水力切割机(8)的切割参数和所述液压劈裂机的劈裂力；所述切割参数包括高压水射流压力、切割深度和切割速度，其中围岩强度越高，高压水射流压力越大，切割深度和切割速度均越小；所述液压劈裂机的劈裂力由水力切割机(8)的切割深度决定，并且水力切割机(8)的切割深度越大，所述液压劈裂机的劈裂力越小；
步骤三、当前所施工隧道节段施工：沿隧道纵向延伸方向由后至前分多个切割节段对当前所施工隧道节段进行施工，多个所述切割节段的施工方法均相同，所述切割节段沿隧道纵向延伸方向的纵向长度与步骤二中所确定的水力切割机(8)的切割深度一致；对当前所施工隧道节段中任一个切割节段进行施工时，过程如下：
步骤301、施工准备：通过施工测量，测设出当前所施工切割节段的隧道洞开挖轮廓线，并在当前所施工切割节段的开挖断面上标示出所述隧道洞开挖轮廓线；
步骤302、水力切割：按照步骤二中所确定的切割参数，采用水力切割机(8)对当前所施工切割节段的围岩进行切割施工，包括以下步骤：
步骤3021、开挖轮廓线切割：采用水力切割机(8)，沿步骤301中测设出的隧道洞开挖轮廓线进行切割，并形成切割轮廓线(1)；
步骤3022、直线切割：采用水力切割机(8)在水平和竖直方向上进 行直线切割，并将位于步骤3021中所述切割轮廓线(1)内的围岩切割成多个矩形切割块(2)；
多个所述矩形切割块(2)分M排N列布设，其中M和N均为正整数且二者均大于3；M排所述矩形切割块(2)由上至下布设，上下相邻两排所述矩形切割块(2)之间均通过一道横向切割缝(3)进行分隔；N列所述矩形切割块(2)由左至右布设，左右相邻两列所述矩形切割块(2)之间均通过一道竖向切割缝(4)进行分隔；
步骤303、液压劈裂：按照步骤二中所确定的劈裂力，采用所述液压劈裂机沿横向切割缝(3)和/或竖向切割缝(4)进行劈裂，将步骤3022中多个所述矩形切割块(2)均从当前所施工切割节段的开挖断面劈裂下来；待多个所述矩形切割块(2)均劈裂下来后，形成下一个切割节段的开挖断面；
步骤304、矩形切割块外运：采用运输设备，将步骤303中劈裂下来的多个所述矩形切割块(2)运输至当前已施工完成的隧道洞(9)外侧；
步骤305、下一个切割节段施工：按照步骤301至步骤304中所述的方向，对下一个切割节段进行施工；
步骤306、多次重复步骤305，直至完成当前所施工隧道节段中所有切割节段的施工过程；
步骤四、多次重复步骤一至步骤三，直至完成所施工硬岩隧道中所有隧道节段的施工过程。
2.按照权利要求1所述的一种基于水力切割的硬岩隧道施工方法，其特征在于：所述水力切割机(8)为超高压水刀。
3.按照权利要求1或2所述的一种基于水力切割的硬岩隧道施工方法，其特征在于：步骤一中进行围岩强度超前探测时，通过超前地质预报系统进行超前探测，并判定出当前所施工隧道节段的围岩级别；步骤一中所述超前地质预报系统为超前水平钻孔；通过超前水平钻孔进行超前探测时，采用水平钻孔设备在当前所施工隧道节段的掌子面上钻取水平钻探孔 (5)，利用所钻取的水平钻探孔(5)且按照超前水平钻孔的预测预报方法进行直接探测，所钻取的水平钻探孔(5)沿当前所施工隧道节段的纵向延伸方向布设。
4.按照权利要求3所述的一种基于水力切割的硬岩隧道施工方法，其特征在于：所述水平钻探孔(5)的数量为三个，三个所述水平钻探孔(5)布设在一个等边三角形的三个顶点上；三个所述水平钻探孔(5)分别为左钻孔、右钻孔和中钻孔，所述左钻孔和右钻孔分别位于当前所施工隧道节段的左右两侧且二者布设在同一水平面上，所述中钻孔位于所述左钻孔的上方或下方；
所述水平钻探孔(5)的深度为20m～40m；当所施工硬岩隧道为单线隧道时，所述等边三角形的边长为3.5m～4.5m；当所施工硬岩隧道为双线隧道时，所述等边三角形的边长为6m～8m。
5.按照权利要求3所述的一种基于水力切割的硬岩隧道施工方法，其特征在于：所述水平钻探孔(5)位于步骤3022中所述横向切割缝(3)和竖向切割缝(4)之间的相交处；步骤3022中进行直线切割时，以所述水平钻探孔作为水力切割机(8)的切入点；步骤303中进行液压劈裂时，将所述液压劈裂机的劈裂枪插入至横向切割缝(3)、竖向切割缝(4)或所述水平钻探孔内进行劈裂。
6.按照权利要求1或2所述的一种基于水力切割的硬岩隧道施工方法，其特征在于：步骤303中进行液压劈裂时，将所述液压劈裂机的劈裂枪插入竖向切割缝(4)，并且沿竖向切割缝(4)由上至下进行横向劈裂。
7.按照权利要求1或2所述的一种基于水力切割的硬岩隧道施工方法，其特征在于：所述水力切割机(8)包括水力切割头装置、通过液压管路与所述水力切割头装置相接的供水系统和安装在所述液压管路上且对所述供水系统所提供水进行增压的增压泵，所述水力切割头装置安装在移动轨道(6)上，所述移动轨道(6)上安装有带动所述水力切割头装置移动的电动驱动机构，所述电动驱动机构和所述增加泵均由控制系统进行 控制。
8.按照权利要求1或2所述的一种基于水力切割的硬岩隧道施工方法，其特征在于：步骤二中进行施工参数确定时，所述切割参数还包括水力切割机(8)的靶距；水力切割机(8)的靶距由水力切割机(8)的高压水射流压力、切割深度和切割速度共同决定；步骤302中进行水力切割时，需采用水力切割机(8)对当前所施工切割节段的围岩进行试切割，并根据试切割结果，对水力切割机(8)的切割参数进行确定；
对水力切割机(8)的切割参数进行确定时，还需对切割高度和切割厚度进行确定，并且切割深度、切割高度和切割厚度组成水力切割机(8)的切割尺寸，其中切割高度为上下相邻两道所述横向切割缝(3)之间的间距，切割厚度为左右相邻两道所述竖向切割缝(4)之间的间距；所述液压劈裂机的劈裂力由水力切割机(8)的切割尺寸决定，所述液压劈裂机的劈裂力与切割厚度和切割高度均呈正比，且所述液压劈裂机的劈裂力与切割深度成反比。
9.按照权利要求1或2所述的一种基于水力切割的硬岩隧道施工方法，其特征在于：步骤3022中进行直线切割时，先采用水力切割机(8)在竖直方向上进行直线切割，并形成多道所述竖向切割缝(4)；之后，再采用水力切割机(8)在水平方向上进行直线切割，并形成多道所述横向切割缝(3)；
步骤3021中进行开挖轮廓线切割时，采用水力切割机(8)，由下至上沿所述隧道洞开挖轮廓线进行切割；步骤3022中在竖直方向上进行直线切割时，采用水力切割机(8)由下至上进行切割；步骤3022中在水平方向上进行直线切割时，采用水力切割机(8)由左至右或由右至左进行切割；并且，对多道所述横向切割缝(3)进行切割时，由下至上进行切割。
10.按照权利要求1或2所述的一种基于水力切割的硬岩隧道施工方法，其特征在于：步骤一中判定出当前所施工隧道节段的围岩级别为Ⅰ级 围岩或Ⅱ级围岩；
步骤二中进行施工参数确定时，当当前所施工隧道节段的围岩级别为Ⅰ级围岩时，水力切割机(8)的高压水射流压力为420MPa～480MPa，切割深度D＝25cm～35cm，切割速度为4m/min～6m/min；所述液压劈裂机的劈裂力为85t～95t；
当当前所施工隧道节段的围岩级别为Ⅱ级围岩时，水力切割机(8)的高压水射流压力为350MPa～410Mpa，切割深度D＝45cm～55cm，切割速度为6m/min～8m/min；所述液压劈裂机的劈裂力为45t～55t；
步骤3022中上下相邻两道所述横向切割缝(3)之间的间距为45cm～55cm，左右相邻两道所述竖向切割缝(4)之间的间距为25cm～35cm。
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