1.本發(fā)明涉及一種硬巖隧道機械開挖方法，屬于隧道工程開挖技術領域。

背景技術：

2.一般采用鉆爆法開挖硬巖隧道，但鉆爆法振動大、噪聲大，對周邊環(huán)境影響大。對于對振動、噪聲要求高的區(qū)域，不能采用鉆爆法時，常采用非爆破方式的機械法開挖隧道。

3.目前，常用的機械法開挖技術有脹裂法、沖擊破碎法、切割法、截割法、掘進機法等。脹裂法需要開挖脹裂臨空面，臨空面開挖常采用鉆孔、取芯等方法，效率低、空間小，影響后續(xù)液壓脹裂效果；沖擊破碎法包括人工風鎬破碎和液壓沖擊錘破碎兩種方式，產生一定的沖擊振動，施工噪音大，效率低，開挖面平順性低；切割法多應用于石材開采，技術要求高，效率極低，不適于隧道施工；截割法是利用機械截割齒破巖，一般應用于巖石強度小于60mpa的情況，破巖效率高，當巖石強度過高時，截齒消耗大，經濟性差，甚至無法破巖；掘進機法能夠高效破除硬巖，但其斷面單一，施工成本高，一般應用于圓形斷面的長大隧道。

技術實現(xiàn)要素：

4.本發(fā)明的目的在于提供一種硬巖隧道機械開挖方法，用于解決開挖硬巖隧道成本高、效率低的問題。

5.為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種硬巖隧道機械開挖方法，包括如下步驟：

6.1)分區(qū)，將待開挖硬巖隧道的待開挖掌子面劃分為：

7.輪廓修飾區(qū)，所述輪廓修飾區(qū)沿待開挖掌子面輪廓邊緣設置，用于形成待開挖掌子面的結構輪廓；

8.截割區(qū)，所述截割區(qū)設置在待開挖掌子面的結構中心或臨近結構中心位置處，用于通過機械式截割裝置進行截割作業(yè)形成截割開挖空間，所述截割開挖空間為后續(xù)脹裂作業(yè)創(chuàng)造臨空面；

9.脹裂區(qū)，所述脹裂區(qū)位于所述輪廓修飾區(qū)和截割區(qū)之間的結構區(qū)域內，用于待開挖掌子面的脹裂作業(yè)；

10.2)鉆孔，通過硬巖鉆孔裝置在輪廓修飾區(qū)、截割區(qū)和脹裂區(qū)內均布設置修飾區(qū)鉆孔、截割區(qū)鉆孔和脹裂區(qū)鉆孔，所述脹裂區(qū)鉆孔的鉆孔間距小于最小脹裂抵抗線；

11.3)巖體截割，通過機械式截割裝置對截割區(qū)內的巖體進行截割作業(yè)，形成截割開挖空間；

12.4)巖體脹裂，通過脹裂裝置對脹裂區(qū)鉆孔由截割區(qū)朝向輪廓修飾區(qū)的方向分層進行脹裂，以對脹裂區(qū)內的巖體進行脹裂作業(yè)，直到完成脹裂區(qū)巖體的開挖；

13.5)輪廓修正，通過脹裂裝置對修飾區(qū)鉆孔進行脹裂，然后通過機械式截割裝置對脹裂作業(yè)后的輪廓修飾區(qū)進行截割作業(yè)，形成平滑的開挖輪廓面結構；

14.6)對開挖后的硬巖隧道進行支護作業(yè)；

15.7)重復上述步驟2)～步驟6)對待開挖硬巖隧道的待開挖掌子面進行循環(huán)作業(yè),直

到完成整個待開挖硬巖隧道的開挖。

16.本發(fā)明的有益效果是：一種硬巖隧道機械開挖方法，對硬巖隧道掌子面進行分區(qū)設計，在截割區(qū)上設置相應鉆孔來降低巖體硬度，便于對該區(qū)域截割為后續(xù)開挖行車開挖空間，圍繞截割區(qū)設置多層脹裂鉆孔，對其逐層脹裂剝離脹裂區(qū)巖體，不斷擴大開挖空間，在輪廓修飾區(qū)鉆設修飾鉆孔進行脹裂并對不平整的位置進行切削修飾，使臨空面光滑便于后續(xù)支護施工，對開挖后的硬巖隧道進行支護作業(yè)，滿足開挖設計強度要求。采用本發(fā)明的開挖方法能實現(xiàn)硬巖隧道的快速掘進，提高隧道開挖效率，同時降低施工成本和施工周邊環(huán)境影響。

17.進一步地，所述硬巖鉆孔裝置包括地質鉆機、鑿巖臺車；所述脹裂裝置包括楔形劈裂器、巖石脹裂器、液壓脹裂器。

18.進一步地，在上述方法中，所述機械式截割裝置包括：

19.設備本體，所述設備本體是機械式截割裝置的承載基礎；

20.截割部，所述截割部設置在設備本體的前端，采用硬質合金刀具或高壓水射流破巖，用于硬巖的截割作業(yè)。

21.進一步地，在上述方法中，所述設備本體包括：

22.行走部，所述行走部設置在設備本體的底部，為機械式截割裝置自由運動提供動力；

23.除塵部，所述除塵部設置在設備本體上，用于清理硬巖截割過程中產生的粉塵；

24.渣土運輸部，所述渣土運輸部設置在設備本體上，用于截割硬巖后渣土的清理運輸。

25.這樣做的有益效果是：通過地質鉆機、鑿巖臺車等硬巖鉆孔裝置進行鉆孔，通過楔形劈裂器、巖石脹裂器、液壓脹裂器等脹裂裝置脹裂鉆孔，通過機械式截割裝置進行截割作業(yè)時，通過設備本體上的行走部實現(xiàn)自由移動，通過截割部進行巖體截割，通過除塵部清理截割過程中的粉塵，通過渣土運輸部清理運輸截割產生的渣土，可以實現(xiàn)對待開挖硬巖隧道的高效、安全開挖。

26.進一步地，在上述方法中，截割區(qū)設置為單個且位于掌子面的空間中心位置處；或截割區(qū)在待開挖掌子面至少設置兩個且對稱設置或均布設置。

27.這樣做的有益效果是：小斷面掌子面上的截割區(qū)設計在中心線上，便于鉆孔設備和截割設備工作，大斷面掌子面上的截割區(qū)設計分布在中心線兩側，可同時由兩臺鉆孔設備或截割設備進行工作，提升了隧道掘進效率。

28.進一步地，在上述方法中，所述脹裂區(qū)還包括補充孔，所述補充孔通過硬巖鉆孔裝置設置。

29.進一步地，在上述方法中，所述脹裂區(qū)鉆孔與補充孔組成脹裂孔系組合，所述脹裂孔系組合呈矩陣結構排列設置或等間距排列設置。

30.這樣做的有益效果是：在脹裂區(qū)增加補充孔，補充孔與脹裂區(qū)鉆孔組成脹裂孔系組合，通過硬巖鉆孔裝置進行鉆設，可以提高脹裂區(qū)鉆孔的脹裂效率。

31.進一步地，在上述方法中，所述截割區(qū)鉆孔在截割區(qū)逐行或逐列設置，相鄰兩行或兩列的截割區(qū)鉆孔交錯布置。

32.這樣做的有益效果是：截割鉆孔是為了降低截割區(qū)巖體硬度，交錯布置有助于進

一步降低截割區(qū)巖體硬度，方便對硬度要求低的截割設備開挖，降低了施工成本。

33.進一步地，在上述方法中，所述修飾區(qū)鉆孔沿開挖輪廓線進行鉆設，與開挖輪廓線形成的外插角α為3

°?5°

。

34.進一步地，在上述方法中，截割區(qū)鉆孔和脹裂區(qū)鉆孔的深度l

′

為開挖進尺l的n倍，n＝1、2、3、4、

···

；修飾區(qū)鉆孔深度l"滿足如下條件：n*l/cosα≤l"≤n*l/cosα+0.5，其中n＝1、2、3、4、

···

，α為3

°?5°

。

35.這樣做的有益效果是：根據(jù)施工的開挖進尺鉆設具有一定深度的鉆孔，鉆孔與掌子面正交，可減少鉆孔在巖體內部交叉帶來的效率降低的問題，修飾鉆孔與開挖輪廓線成一定角度鉆設，可盡量減少欠挖帶來的施工損失，保證了施工效率。

36.一種待掘進體，其掘進面的邊界線為輪廓線，包括截割區(qū)、輪廓修飾區(qū)和脹裂區(qū)，所述截割區(qū)位于掘進面水平方向上的中間位置或靠近中間的位置，且與地面相接，所述輪廓修飾區(qū)位于掘進面上距輪廓線設定距離的區(qū)域內，所述脹裂區(qū)為掘進面上除截割區(qū)和輪廓修飾區(qū)以外的區(qū)域；

37.截割區(qū)內均勻設置有截割鉆孔，輪廓修飾區(qū)沿輪廓線設置有修飾鉆孔，脹裂區(qū)內圍繞截割區(qū)設置有一排或多排脹裂鉆孔，所述脹裂鉆孔及修飾鉆孔的孔間距小于最小脹裂抵抗線。

38.本發(fā)明的有益效果是：一種待掘進體，即硬巖隧道開挖施工時的施工對象，在掘進面上分區(qū)設置，并在截割區(qū)上設置相應鉆孔來降低硬巖的巖體硬度，便于對該區(qū)域截割為后續(xù)脹裂創(chuàng)造臨空面，進一步在截割區(qū)周圍設置多層脹裂鉆孔便于依次脹裂該脹裂鉆孔進而剝離實現(xiàn)開挖空間擴大，在輪廓修飾區(qū)設置防止欠挖的修飾鉆孔，對其脹裂后并修飾不平整位置使臨空面光滑，本發(fā)明的待掘進體便于開挖，可以提升掘進過程中的破巖效率、降低隧道施工成本。

39.進一步地，在上述待掘進體中，掘進面寬度小于等于8m，高度小于等于6.5m時，截割區(qū)位于掘進面的中心線上；掘進面寬度大于8m，高度大于6.5m時，掘進面中心線左右兩側各設置一個截割區(qū)。

40.進一步地，在上述待掘進體中，所述截割區(qū)的寬度為1m

?

2.5m，高度為2m

?

4.5m。

41.這樣做的有益效果是：根據(jù)待掘進體的寬度和高度，調整截割區(qū)的數(shù)量和位置，并調整其寬度和高度，可為硬巖隧道開挖提供一種節(jié)省成本、增加效率的被掘進對象。

42.進一步地，在上述待掘進體中，所述脹裂區(qū)還包括補充孔，所述補充孔位于截割區(qū)和與截割區(qū)相鄰的一排脹裂鉆孔間或任意兩排脹裂鉆孔間或輪廓修飾區(qū)和與輪廓修飾區(qū)相鄰的一排脹裂鉆孔間。

43.這樣做的有益效果是：在脹裂區(qū)上脹裂鉆孔排間距較大的中間區(qū)域設置補充孔，方便脹裂，防止脹裂排孔的排間距太大，難以一次就實現(xiàn)有效脹裂，可進一步降低脹裂區(qū)的脹裂難度，方便開挖。

44.進一步地，在上述待掘進體中，所述截割鉆孔在截割區(qū)逐行或逐列設置，相鄰兩行或兩列的截割鉆孔交錯布置。

45.這樣做的有益效果是：截割鉆孔時為了降低截割區(qū)巖體硬度進行設置的，交錯布置可進一步降低截割區(qū)巖體硬度，方便采用對硬度要求低的截割設備開挖掘進，降低了施工成本。

46.進一步地，在上述待掘進體中，在脹裂區(qū)設置多排脹裂鉆孔時，相鄰兩排脹裂鉆孔的排間距為50cm

?

100cm。

47.進一步地，在上述待掘進體中，所述截割鉆孔、修飾鉆孔、脹裂鉆孔和補充孔的孔徑為42mm

?

140mm。

48.進一步地，在上述待掘進體中，截割鉆孔的孔間距為50mm

?

100mm，修飾鉆孔的孔間距為100mm，脹裂鉆孔的孔間距為100mm

?

300mm，補充孔的孔間距為50mm

?

100mm。

49.進一步地，在上述待掘進體中，所述截割鉆孔、修飾鉆孔和脹裂鉆孔與待掘進體的掘進面正交，所述修飾鉆孔沿輪廓線布設，與輪廓線形成的外插角為3

°?5°

。

50.進一步地，在上述待掘進體中，截割鉆孔、脹裂鉆孔和補充孔的深度一致，修飾鉆孔的深度大于截割鉆孔深度。

51.這樣做的有益效果是：根據(jù)施工要求，自由設置鉆孔深度，但需要保證截割鉆孔、脹裂鉆孔和補充孔與掘進面正交，使其不會再掘進體內部形成交叉；修飾鉆孔沿輪廓線設置，形成一定的角度，保證待掘進體在掘進過程中的掘進效率。

附圖說明

52.圖1為本發(fā)明的硬巖隧道機械開挖方法的工序流程圖；

53.圖2為本發(fā)明的掌子面分區(qū)示意圖；

54.圖3為本發(fā)明中小斷面隧道掌子面分區(qū)及鉆孔示意圖；

55.圖4為本發(fā)明中大斷面隧道掌子面分區(qū)及鉆孔示意圖。

具體實施方式

56.為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。

57.方法實施例1：

58.以一種小斷面硬巖隧道的掌子面為例，小斷面硬巖隧道掌子面斷面寬度≤8.0m，高度≤6.5m，采用如圖1所示的本發(fā)明開挖方法的工序流程，對其進行開挖設計，包括如下步驟：

59.1)對隧道開挖掌子面進行分區(qū)設計，如圖2所示，包括鉆孔截割區(qū)1、輪廓修飾區(qū)2和鉆孔脹裂區(qū)3，采用本發(fā)明的開挖方法對隧道掌子面開挖完成后，各分區(qū)總和組成的開挖斷面包含原設計開挖輪廓線5。

60.具體的，根據(jù)隧道掌子面大小不同，鉆孔截割區(qū)可設計為單個或多個。小斷面隧道掌子面的單個鉆孔截割區(qū)位于掌子面的中心區(qū)域,即隧道與地面垂直的垂向中心線所在區(qū)域，大斷面隧道掌子面可布置多個鉆孔截割區(qū)。鉆孔截割區(qū)盡量遠離隧道掌子面左右邊緣。輪廓修飾區(qū)沿掌子面開挖輪廓線分布，其形成區(qū)域包含掌子面開挖輪廓線。去除鉆孔截割區(qū)和輪廓修飾區(qū)，掌子面的其他區(qū)域均為鉆孔脹裂區(qū)。

61.上述的鉆孔截割區(qū)1、輪廓修飾區(qū)2和鉆孔脹裂區(qū)3均設計有鉆孔。鉆孔截割區(qū)設計均勻分布的截割鉆孔，鉆孔后，巖體強度減弱，適用于截割設備切削巖體。輪廓修飾區(qū)的修飾鉆孔沿隧道開挖輪廓線布設。鉆孔脹裂區(qū)按一定排列規(guī)則，設計有多排脹裂排孔(即脹裂鉆孔)和補充孔。單排脹裂排孔的鉆孔等間距排列，孔間距小于最小脹裂抵抗線。補充孔主

要為提高脹裂排孔的脹裂效率，主要設置于鉆孔截割區(qū)與最內側脹裂排孔間、相近兩排脹裂排孔的排間和最外側脹裂排孔與開挖輪廓線間。

62.參考上述分區(qū)方法和鉆孔布設標準，對擬開挖掌子面進行分區(qū)設計和鉆孔設計，確定鉆孔位置和數(shù)量。

63.如圖3所示為本實施例的小斷面硬巖隧道的掌子面分區(qū)及鉆孔設計示意圖，包括位于掌子面中心區(qū)域(即中心線所在區(qū)域)或靠近中心區(qū)域的鉆孔截割區(qū)11、沿開挖輪廓線5設置的輪廓修飾區(qū)和鉆孔脹裂區(qū)3。掌子面的中心線指垂直于地面將掌子面左右平分的中線，截割區(qū)11用于在開挖掘進時以此為基礎，對脹裂鉆孔逐層脹裂來不斷擴大截割區(qū)形成的開挖空間?？紤]到施工效率和成本，鉆孔截割區(qū)11的寬設置為1.0

?

1.5m，高設置為2.0

?

3.5m。

64.按照鉆孔布設標準對上述3個分區(qū)進行鉆孔布設，鉆孔截割區(qū)11內設計有梅花形布置的截割鉆孔，即鉆孔截割區(qū)的鉆孔從沿地面向上按行設置，相鄰兩行之間的鉆孔交錯布置，也可在截割區(qū)沿左右方向設置多列，相鄰兩列鉆孔交錯布置，可有效降低截割區(qū)巖體硬度，方便采用對硬度要求低的截割設備進行作業(yè)。

65.截割區(qū)11上鉆設的多行或多列截割鉆孔的孔間距為50mm

?

100mm。為使截割鉆孔不在掘進體內部出現(xiàn)交叉的情況，影響后續(xù)施工時循環(huán)開挖的進度，截割鉆孔要與掌子面正交。

66.脹裂鉆孔設置在圍繞鉆孔截割區(qū)11的脹裂區(qū)3中，沿截割區(qū)11由內向外設置的4層脹裂鉆孔，分別為脹裂鉆孔31層、32層、33層和34層，任意兩層相鄰的兩排脹裂鉆孔的排間距為50cm

?

100cm，具體的，如圖3中31層和32層脹裂鉆孔沿豎直方向的各列之間的距離為50cm，沿水平方向的各行之間的距離為100cm，每行或每列中的相鄰兩個脹裂鉆孔的凈間距為100mm

?

300mm，每一個脹裂鉆孔均與掌子面正交，防止在待開挖巖體內部發(fā)生交叉。

67.此外，由于考慮到不同層脹裂鉆孔之間的排間距不均勻，如圖3所示，在脹裂區(qū)3上排間距較大的各行脹裂鉆孔之間還設置有若干補充孔41，用于實現(xiàn)脹裂區(qū)的可靠剝離，補充孔41設置在截割區(qū)11與脹裂鉆孔31層的排間，脹裂鉆孔31層和脹裂鉆孔32層、脹裂鉆孔32層和脹裂鉆孔33層、脹裂鉆孔33層和脹裂鉆孔34層、脹裂鉆孔34層和修飾鉆孔21之間較寬的區(qū)域，補充孔41根據(jù)需要靈活設置，既要盡可能的多設置補充孔，使得巖體硬度有效降低，保證對應層脹裂鉆孔能有效剝離，還要考慮施工成本和效率，本實施例中補充孔的凈間距設置為50mm

?

100mm，且與掌子面正交，不與任何其他鉆孔在待開挖巖體內部交叉。

68.為了防止欠挖，以及保證開挖后的隧道臨空面的平整程度，還設置輪廓修飾區(qū)，輪廓修飾區(qū)沿開挖輪廓線5設置，通常在實際掘進過程中表現(xiàn)為一段包括開挖輪廓線5在內的環(huán)形區(qū)域，輪廓修飾區(qū)要設置至少一層修飾鉆孔，故輪廓修飾區(qū)的寬度大于修飾鉆孔的孔徑。

69.輪廓修飾區(qū)上的修飾鉆孔21沿開挖輪廓線5設置，與開挖輪廓線5的外插角為3

°?5°

，即輪廓修飾區(qū)上的修飾鉆孔21沿開挖輪廓線5向遠離掌子面中心(即掌子面中心線與地面的交點)的方向傾斜設置，與隧道的軸線(即沿隧道開挖方向的矢量線)形成3

°?5°

的夾角。為盡可能多的設置修飾鉆孔，同時考慮到施工成本和效率，修飾鉆孔21的凈間距設置為100mm。對修飾鉆孔21進行脹裂后，對于脹裂后的臨空面進行平整修飾，具體可以采用截割設備將突出臨空面高度達到設定值的巖石凸起進行切削修正，保證平整度。

70.鉆孔的孔徑根據(jù)鉆孔設備的鉆頭直徑確定，截割鉆孔、修飾鉆孔、脹裂鉆孔和補充孔的鉆孔直徑一般為42mm

?

140mm，為提升工序銜接和施工效率，在本實施例所提到的掌子面上設置的所有鉆孔孔徑均為89mm。

71.截割鉆孔、脹裂鉆孔和補充孔的深度一致，一般根據(jù)施工進度自由設置，修飾鉆孔的深度大于截割鉆孔的深度。

72.2)鉆孔：按照設備作業(yè)便利性，依次完成所有設計鉆孔。鉆孔脹裂區(qū)和輪廓修飾區(qū)的鉆孔鉆至設計深度后，清洗巖渣，保證孔內清潔。鉆孔截割區(qū)的鉆孔可不清洗巖渣。鉆孔截割區(qū)和鉆孔脹裂區(qū)的鉆孔與開挖掌子面正交，輪廓修飾區(qū)鉆孔與開挖輪廓線外插夾角3

°?5°

。

73.鉆孔的孔徑可為一種，也可設計為多種，鉆孔直徑為42

?

140mm。為提升鉆孔效率，所有鉆孔孔徑均為89mm。鉆孔截割區(qū)與鉆孔脹裂區(qū)鉆孔深度保持一致，深度l

′

為循環(huán)開挖進尺l的n倍(n＝1、2、3、4、5、

…

)。輪廓修飾區(qū)鉆孔深度l"滿足條件：n*l/cosα≤l"≤n*l/cosα+0.5(α為外插角，一般為3

°?5°

)。本實施例中截割鉆孔的深度為5m，修飾鉆孔的深度為5.1m

?

5.3m。

74.本實施例中采用技術成熟的硬巖鉆孔設備，如地質鉆機、鑿巖臺車等對步驟1)中設計的鉆孔進行鉆孔作業(yè)。鉆孔設備進入施工區(qū)域，以方便設備鉆孔的工作原則，依次序完成所有設計鉆孔的鉆設工作。鉆孔脹裂區(qū)3和輪廓修飾區(qū)的鉆孔鉆至設計深度后，清洗巖渣，保證孔內清潔。鉆孔截割區(qū)11的鉆孔不清洗巖渣。鉆孔截割區(qū)11和鉆孔脹裂區(qū)3的鉆孔與開挖掌子面正交，修飾鉆孔21與開挖輪廓線外插夾角3

°?5°

。鉆孔完成后，鉆孔設備退出施工場地。

75.3)巖體截割：截割設備按照循環(huán)開挖進尺l對截割區(qū)巖體切削鉆孔，形成一定縱深的開挖空間，截割面不可小于設計鉆孔截割區(qū)面積，為后續(xù)脹裂作業(yè)創(chuàng)造臨空面，提升脹裂效率。鉆孔截割區(qū)上設計的鉆孔深度l

′

為循環(huán)開挖進尺l的n倍，鉆孔截割區(qū)每次截割深度與循環(huán)開挖進尺l一致，可在n次截割作業(yè)后重新對掌子面分區(qū)和鉆孔，截割作業(yè)期間或作業(yè)完成后，根據(jù)現(xiàn)場情況清理運輸巖渣，保持掌子面作業(yè)區(qū)域的平整、空曠。

76.本實施例中采用一種硬巖隧道非爆破開挖施工設備，對鉆孔截割區(qū)進行截割施工。設備就位啟動后，利用設備截割頭高速旋轉切削鉆孔截割區(qū)11巖體，形成縱深1.0m、寬1.0

?

1.5m、高2.0

?

3.5m的開挖空間。截割作業(yè)完成后，后退截割設備至無影響區(qū)域。截割作業(yè)期間或作業(yè)完成后，根據(jù)現(xiàn)場情況清理運輸巖渣，保持掌子面作業(yè)區(qū)域的平整、空曠。

77.4)巖體脹裂：液壓脹裂設備脹裂開挖鉆孔脹裂區(qū)巖體。脹裂順序由內向外逐步分層開挖，單層脹裂順序為左右對稱、由下向上逐孔順次開挖。前排排孔脹裂后，脹裂與緊后一排排孔間的補充孔，補充孔脹裂順序由內向外。脹裂作業(yè)采用技術成熟的液壓脹裂工裝，如楔形劈裂器、巖石脹裂器、液壓脹裂管等。

78.鉆孔脹裂區(qū)鉆孔循環(huán)脹裂深度與循環(huán)開挖進尺一致，按照脹裂原則，可逐孔脹裂作業(yè)，也可批次多孔同步脹裂作業(yè)。

79.本實施例在采用液壓脹裂設備對鉆孔脹裂區(qū)3進行脹裂作業(yè)，脹裂順序由內向外逐步分層開挖，即按照31層

→

32層

→

33層

→

34層的順序脹裂開挖，單層脹裂順序為左右對稱、由下向上逐孔順次開挖。前排排孔脹裂后，脹裂與緊后一排排孔間的補充孔41，補充孔41脹裂順序由內向外。每次脹裂鉆孔5

?

10個，脹裂作業(yè)期間，根據(jù)現(xiàn)場情況清理運輸巖渣，

便于現(xiàn)場脹裂作業(yè)。

80.5)開挖輪廓修正：液壓脹裂設備脹裂開挖輪廓修飾區(qū)巖體，脹裂順序為左右對稱逐孔順次開挖，輪廓修飾區(qū)鉆孔循環(huán)脹裂深度與循環(huán)進尺一致，按照脹裂原則，可逐孔脹裂作業(yè)，也可批次多孔同時脹裂作業(yè)。脹裂完成后，截割設備截割侵入隧道設計開挖輪廓線的巖體，形成順滑的開挖輪廓面。

81.本實施例中采用液壓脹裂設備脹裂開挖輪廓修飾區(qū)巖體，脹裂順序為左右對稱逐孔順次開挖。脹裂作業(yè)完成后，退出脹裂設備，截割設備進場。利用截割設備高速旋轉的截割頭切削輪廓修飾區(qū)內侵入設計開挖輪廓線5的巖體，形成順滑的開挖輪廓面。然后退出截割設備，清理運輸巖渣，為支護作業(yè)創(chuàng)造施工條件

82.6)支護：對形成的包含設計開挖輪廓線的開挖空間進行支護作業(yè)，包括架設鋼架、敷設鋼架網片、噴射混凝土、打設錨桿等工作。

83.在小斷面硬巖隧道的掘進施工時，可按照步驟3

?

6對掌子面4

?

5次循環(huán)作業(yè)，之后可根據(jù)步驟1)所述的分區(qū)及鉆孔設計，進行步驟2)再次鉆孔，并按照步驟3

?

6進行掘進，直至隧道掘進至設計里程。在步驟2

?

6施工作業(yè)時，根據(jù)現(xiàn)場情況，清理巖渣。

84.采用本方法的小斷面隧道掌子面機械開挖方法，在掌子面上設置截割區(qū)和輪廓修飾區(qū)，并將掌子面其他區(qū)域作為脹裂區(qū)，在對應區(qū)域設置鉆孔來減小巖體硬度，首先將截割區(qū)進行截割破碎，并不斷通過破碎脹裂區(qū)來擴大臨空面，在輪廓修飾區(qū)先脹裂修飾鉆孔，再沿開挖輪廓線進行截割修飾，形成較光滑的開挖輪廓面，保證了施工效率，減少了施工成本，方便后續(xù)隧道支護和其他工程有序進行。

85.方法實施例2：

86.以一種大斷面硬巖隧道的掌子面為例，大斷面硬巖隧道掌子面斷面寬度＞8.0m，高度＞6.5m，采用如圖1所示的本發(fā)明開挖方法的工序流程，對其進行開挖設計，包括如下步驟：

87.1)對隧道開挖掌子面進行分區(qū)設計，包括鉆孔截割區(qū)、輪廓修飾區(qū)和鉆孔脹裂區(qū)，采用本發(fā)明的開挖方法對隧道掌子面開挖完成后，各分區(qū)總和組成的開挖斷面包含原設計開挖輪廓線。

88.具體的，根據(jù)隧道掌子面大小不同，鉆孔截割區(qū)可設計為單個或多個。小斷面隧道掌子面的單個鉆孔截割區(qū)位于掌子面的中心區(qū)域，大斷面隧道掌子面可布置多個鉆孔截割區(qū)。鉆孔截割區(qū)盡量遠離隧道掌子面左右邊緣。輪廓修飾區(qū)沿掌子面開挖輪廓線分布，其形成區(qū)域包含掌子面開挖輪廓線。去除鉆孔截割區(qū)和輪廓修飾區(qū)，掌子面的其他區(qū)域均為鉆孔脹裂區(qū)。

89.上述的鉆孔截割區(qū)、輪廓修飾區(qū)和鉆孔脹裂區(qū)均設計有鉆孔。鉆孔截割區(qū)設計均勻分布的鉆孔，鉆孔后，巖體強度減弱，適用于截割設備切削巖體。輪廓修飾區(qū)的鉆孔沿隧道開挖輪廓線布設。鉆孔脹裂區(qū)按一定排列規(guī)則，設計有多排脹裂排孔和補充孔。單排脹裂排孔的鉆孔等間距排列，孔間距小于最小脹裂抵抗線。補充孔主要為提高脹裂排孔的脹裂效率，主要設置于鉆孔截割區(qū)與最內側脹裂排孔間、相近兩排脹裂排孔的排間和最外側脹裂排孔與開挖輪廓線間。

90.參考上述分區(qū)方法和鉆孔布設標準，對擬開挖掌子面進行分區(qū)設計和鉆孔設計，確定鉆孔位置和數(shù)量。

91.如圖4所示為本實施例的大斷面硬巖隧道的掌子面分區(qū)及鉆孔設計示意圖，包括在掌子面的中心線兩側各設置有一個截割區(qū)，掌子面的中心線指垂直于地面將掌子面左右平分的中線，在掌子面的中心線右側設置有一個截割區(qū)121，在掌子面的中心線左側設置有一個截割區(qū)122，在開挖掘進時以截割區(qū)121和截割區(qū)122為基礎，對脹裂鉆孔逐層脹裂來不斷擴大截割區(qū)形成的開挖空間。考慮到施工效率和成本，截割區(qū)121和截割區(qū)122的寬度設置為1m

?

2.5m，高度設置為2m

?

4.5m最佳。

92.按照鉆孔布設標準對上述3種分區(qū)進行鉆孔布設，在截割區(qū)121和截割區(qū)122上設置有多行或多列截割鉆孔，為降低硬巖的硬度，將相鄰兩行或兩列的截割鉆孔交錯布置，相鄰截割鉆孔的凈間距為50mm

?

100mm。為使截割鉆孔不在掘進體內部出現(xiàn)交叉的情況，影響后續(xù)施工時循環(huán)開挖的進度，截割鉆孔要與掌子面正交。

93.脹裂鉆孔設置在環(huán)繞截割區(qū)121、截割區(qū)122的脹裂區(qū)3中，在脹裂區(qū)上沿截割區(qū)121和截割區(qū)122由中心向外均設置有4層脹裂鉆孔，沿截割區(qū)121向外設置的脹裂鉆孔分別為脹裂鉆孔351層、361層、371層和381層，沿截割區(qū)122向外設置的脹裂鉆孔分別為脹裂鉆孔352層、362層、372層和382層，381層脹裂鉆孔和382層脹裂鉆孔在掌子面中心線處的鉆孔重合，任意兩層相鄰的兩排脹裂鉆孔的排間距為50cm

?

100cm，每排脹裂鉆孔的凈間距為100mm

?

300mm，每一個脹裂鉆孔均與掌子面正交，防止在掘進體內部發(fā)生交叉，影響后續(xù)開挖掘進。

94.此外，由于考慮到不同層脹裂鉆孔之間的間距不均勻，如圖4中，脹裂區(qū)3上還設置有若干補充孔42，補充孔42設置在截割區(qū)121和脹裂鉆孔351層、截割區(qū)122和脹裂鉆孔352層，351層和361層、361層和371層、371層和381層、352層和362層、362層和372層、372層和382層、381層和修飾鉆孔22、382層和修飾鉆孔22之間的區(qū)域，補充孔42靈活設置，既要盡可能的多設置補充孔，使得巖體硬度有效降低，還要考慮施工成本和效率，則補充孔的凈間距設置為50mm

?

100mm，且與掌子面正交，不與任何其他鉆孔在掘進體內部交叉。

95.為了防止欠挖，以及保證開挖后的隧道臨空面的平整程度，還設置輪廓修飾區(qū)，輪廓修飾區(qū)沿輪廓線5設置，通常在實際施工過程中表現(xiàn)為一段包括輪廓線5在內的環(huán)形區(qū)域，輪廓修飾區(qū)要設置至少一層修飾鉆孔，故輪廓修飾區(qū)的寬度大于修飾鉆孔的孔徑。對修飾鉆孔42進行脹裂后，對于脹裂后的臨空面進行平整修飾，具體可以采用截割設備將突出臨空面高度達到設定值的巖石凸起進行磨削修正，保證平整度。

96.輪廓修飾區(qū)上的修飾鉆孔22沿開挖輪廓線5設置，與開挖輪廓線5的外插角為3

°?5°

，即輪廓修飾區(qū)上的修飾鉆孔22沿開挖輪廓線5向遠離掌子面中心(即掌子面中心線與地面的交點)的方向傾斜設置，與隧道的軸線(即沿隧道開挖方向的矢量線)形成3

°?5°

的夾角。為盡可能多的設置修飾鉆孔，同時考慮到施工成本和效率，修飾鉆孔22的凈間距設置為100mm。

97.鉆孔的孔徑根據(jù)鉆孔設備的鉆頭直徑確定，截割鉆孔、修飾鉆孔、脹裂鉆孔和補充孔的鉆孔直徑一般為42mm

?

140mm，為提升工序銜接和施工效率，在本實施例所提到的掌子面上設置的所有鉆孔孔徑均為102mm。

98.截割鉆孔、脹裂鉆孔和補充孔的深度一致，一般根據(jù)施工進度自由設置，修飾鉆孔的深度大于截割鉆孔的深度。

99.2)鉆孔：按照設備作業(yè)便利性，依次完成所有設計鉆孔。鉆孔脹裂區(qū)和輪廓修飾區(qū)

的鉆孔鉆至設計深度后，清洗巖渣，保證孔內清潔。鉆孔截割區(qū)的鉆孔可不清洗巖渣。鉆孔截割區(qū)和鉆孔脹裂區(qū)的鉆孔與開挖掌子面正交，輪廓修飾區(qū)鉆孔與開挖輪廓線外插夾角3

°?5°

。

100.鉆孔的孔徑可為一種，也可設計為多種，鉆孔直徑為42

?

140mm。為提升鉆孔效率，所有鉆孔孔徑均為102mm。鉆孔截割區(qū)與鉆孔脹裂區(qū)鉆孔深度保持一致，深度l

′

為循環(huán)開挖進尺l的n倍(n＝1、2、3、4、5、

…

)。輪廓修飾區(qū)鉆孔深度l"滿足條件：n*l/cosα≤l"≤n*l/cosα+0.5(α為外插角，一般為3

°?5°

)。本實施例的截割鉆孔的深度為3m，修飾鉆孔的深度為3.1m

?

3.2m。

101.本實施例中采用技術成熟的硬巖鉆孔設備，如地質鉆機、鑿巖臺車等對步驟1)中設計的鉆孔進行鉆孔作業(yè)。為提升作業(yè)效率，采用2臺鉆孔設備同時作業(yè)。鉆孔設備進入施工區(qū)域，以方便設備鉆孔的工作原則，依次序完成所有設計鉆孔的鉆設工作。鉆孔脹裂區(qū)3和輪廓修飾區(qū)22的鉆孔鉆至設計深度后，清洗巖渣，保證孔內清潔。鉆孔截割區(qū)1的鉆孔不清洗巖渣。鉆孔截割區(qū)121、鉆孔截割區(qū)122和鉆孔脹裂區(qū)3的鉆孔與開挖掌子面正交，輪廓修飾區(qū)22鉆孔與開挖輪廓線5外插夾角3

°?5°

。鉆孔完成后，鉆孔設備退出施工場地。

102.3)巖體截割：截割設備按照循環(huán)開挖進尺l對截割區(qū)巖體切削鉆孔，形成一定縱深的開挖空間，截割面不可小于設計鉆孔截割區(qū)面積，為后續(xù)脹裂作業(yè)創(chuàng)造臨空面，提升脹裂效率。鉆孔截割區(qū)上設計的鉆孔深度l

′

為循環(huán)開挖進尺l的n倍，鉆孔截割區(qū)每次截割深度與循環(huán)開挖進尺l一致，可在n次截割作業(yè)后重新對掌子面分區(qū)和鉆孔，截割作業(yè)期間或作業(yè)完成后，根據(jù)現(xiàn)場情況清理運輸巖渣，保持掌子面作業(yè)區(qū)域的平整、空曠。

103.本實施例中采用一種以截割頭裝置削巖的專用或改裝的銑挖設備，如懸臂掘進機，對鉆孔截割區(qū)進行截割施工。銑挖設備就位啟動后，利用設備截割頭高速旋轉切削鉆孔截割區(qū)121和鉆孔截割區(qū)122巖體，形成2個縱深1.0m、寬1.0

?

2.5m、高2.0

?

4.5m的開挖空間。截割作業(yè)完成后，后退截割設備至無影響區(qū)域。截割作業(yè)期間或作業(yè)完成后，根據(jù)現(xiàn)場情況清理運輸巖渣，保持掌子面作業(yè)區(qū)域的平整、空曠。

104.4)巖體脹裂：液壓脹裂設備脹裂開挖鉆孔脹裂區(qū)巖體。脹裂順序由內向外逐步分層開挖，單層脹裂順序為左右對稱、由下向上逐孔順次開挖。前排排孔脹裂后，脹裂與緊后一排排孔間的補充孔，補充孔脹裂順序由內向外。脹裂作業(yè)采用技術成熟的液壓脹裂工裝，如楔形劈裂器、巖石脹裂器、液壓脹裂管等。

105.鉆孔脹裂區(qū)鉆孔循環(huán)脹裂深度與循環(huán)開挖進尺一致，按照脹裂原則，可逐孔脹裂作業(yè)，也可批次多孔同步脹裂作業(yè)。

106.本實施例在采用2

?

4套液壓脹裂設備以兩側的鉆孔截割區(qū)為中心進行脹裂作業(yè)，脹裂順序由內向外逐步分層開挖，即351層

→

361層

→

371層

→

381層和352層

→

362層

→

372層

→

382層，單層脹裂順序為左右對稱、由下向上逐孔順次開挖。前排排孔脹裂后，脹裂與緊后一排排孔間的補充孔42，補充孔42脹裂順序由內向外。通過脹裂與鉆孔截割區(qū)相鄰的一層脹裂鉆孔實現(xiàn)鉆孔脹裂區(qū)巖層的剝離，不斷擴大開挖空間，直至鉆孔脹裂區(qū)完全被開挖。每套脹裂設備每次脹裂鉆孔5

?

10個，脹裂作業(yè)期間，根據(jù)現(xiàn)場情況清理運輸巖渣，便于現(xiàn)場脹裂作業(yè)。

107.5)開挖輪廓修正：液壓脹裂設備脹裂開挖輪廓修飾區(qū)巖體，脹裂順序為左右對稱逐孔順次開挖，輪廓修飾區(qū)鉆孔循環(huán)脹裂深度與循環(huán)進尺一致，按照脹裂原則，可逐孔脹裂

作業(yè)，也可批次多孔同時脹裂作業(yè)。脹裂完成后，截割設備截割侵入隧道設計開挖輪廓線的巖體，形成順滑的開挖輪廓面。

108.本實施例中采用液壓脹裂設備脹裂開挖輪廓修飾區(qū)22巖體，脹裂順序為左右對稱逐孔順次開挖。脹裂作業(yè)完成后，退出脹裂設備，截割設備進場。利用截割設備高速旋轉的截割頭切削輪廓修飾區(qū)22內侵入設計開挖輪廓線5的巖體，形成順滑的開挖輪廓面。然后退出截割設備，清理運輸巖渣，為支護作業(yè)創(chuàng)造施工條件

109.6)支護：對形成的包含設計開挖輪廓線的開挖空間進行支護作業(yè)，包括架設鋼架、敷設鋼架網片、噴射混凝土、打設錨桿等工作。

110.在大斷面硬巖隧道的掘進施工時，可按照步驟3

?

6對掌子面2

?

3次循環(huán)作業(yè)，之后可根據(jù)步驟1)所述的分區(qū)及鉆孔設計，進行步驟2)再次鉆孔，并按照步驟3

?

6進行掘進，直至隧道掘進至設計里程。在步驟2

?

6施工作業(yè)時，根據(jù)現(xiàn)場情況，清理巖渣。

111.采用本方法的大斷面隧道掌子面機械開挖方法，在掌子面上中心線兩側設置兩個截割區(qū)，還設置輪廓修飾區(qū)，并將掌子面其他區(qū)域作為脹裂區(qū)，在對應區(qū)域設置鉆孔來減小巖體硬度，首先將截割區(qū)進行截割破碎，并不斷通過破碎脹裂區(qū)來擴大臨空面，在輪廓修飾區(qū)先脹裂修飾鉆孔，再沿開挖輪廓線進行截割修飾，形成較光滑的開挖輪廓面，保證了施工效率，減少了施工成本，方便后續(xù)隧道支護和其他工程有序進行。

112.待掘進體實施例1：

113.根據(jù)如圖2所示的掌子面分區(qū)示意圖，對本實施例的待掘進體進行說明，即待掘進體掘進面按照圖2中的掌子面分區(qū)進行設計，包括截割區(qū)1、輪廓修飾區(qū)2、脹裂區(qū)3和輪廓線5。待掘進體被開挖掘進的一面為掘進面，掘進面的邊界線為輪廓線，即隧道開挖掘進時的最小設計開挖輪廓線，截割區(qū)1位于掘進面上的中心位置或靠近中心的位置，應遠離掘進面的左右邊緣，且與地面和掘進面的交線相接，使得對待掘進體開挖時，能夠以截割區(qū)1開挖后的開挖空間為中心，向掘進面上的其他區(qū)域脹裂開挖時能同時對待掘進體左右兩側及上方區(qū)域進行作業(yè)，能提高施工效率；輪廓修飾區(qū)2沿輪廓線5分布，其形成區(qū)域包括輪廓線5，對輪廓修飾區(qū)2進行開挖截割時，可減少欠挖出現(xiàn)的概率，節(jié)省施工時間和人力；掘進面上除截割區(qū)1和輪廓修飾區(qū)2以外的其他區(qū)域為脹裂區(qū)3。

114.具體的，根據(jù)圖3所示的小斷面隧道掌子面分區(qū)及鉆孔示意圖，對本實施例的待掘進體進行如下說明，本實施例中提到的的掘進面即為圖3中的掌子面：當待掘進體的掘進面寬度不大于8m，高度不大于6m時，在掘進面的中心線所在位置設置一個截割區(qū)11，掘進面的中心線指垂直于地面將掘進面左右平分的中線，截割區(qū)11用于在開挖掘進時以此為基礎，對脹裂鉆孔逐層脹裂來不斷擴大截割區(qū)形成的開挖空間?？紤]到施工效率和成本，截割區(qū)11的寬度設置為1m

?

1.5m，高度設置為2m

?

3.5m最佳。

115.截割區(qū)11上鉆設有多行或多列截割鉆孔，為降低硬巖(待掘進體)的硬度，將相鄰兩行或兩列的截割鉆孔交錯布置，截割鉆孔的鉆孔凈間距為50mm

?

100mm。為使截割鉆孔不在掘進體內部出現(xiàn)交叉的情況，影響后續(xù)施工時循環(huán)開挖的進度，截割鉆孔要與掘進面正交。

116.設置有截割鉆孔的截割區(qū)可以采用銑挖設備對其進行截割作業(yè)，銑挖設備的截割頭破碎設置有截割鉆孔的截割區(qū)，來形成具有一定深度的開挖空間。截割后形成的開挖空間具有一定的臨空面，在后續(xù)巖體開挖時對此開挖空間相鄰的鉆孔進行脹裂使其不斷擴

大，可有效提高掘進效率。

117.脹裂鉆孔設置在圍繞截割區(qū)11的脹裂區(qū)3中，在脹裂區(qū)3上沿截割區(qū)11由內向外設置的4層脹裂鉆孔，分別為脹裂鉆孔31層、32層、33層和34層，任意兩層相鄰的兩排脹裂鉆孔的排間距為50cm

?

100cm。具體的，如圖3中31層和32層脹裂鉆孔沿豎直方向的各列之間的距離為50cm，沿水平方向的各行之間的距離為100cm，每行或每列中的相鄰兩個脹裂鉆孔的凈間距為100mm

?

300mm，每一個脹裂鉆孔均與掘進面正交，防止在掘進體內部發(fā)生交叉。

118.在脹裂區(qū)3中，對截割區(qū)11挖空形成開挖空間后，通過對脹裂區(qū)3中距離截割區(qū)最近的一層的脹裂鉆孔(31)進行脹裂，由于脹裂鉆孔的孔間距小于最小脹裂抵抗線，因此脹裂后待掘進體硬巖延脹裂鉆孔開裂形成脹裂裂縫，將31層脹裂鉆孔的脹裂裂縫到截割區(qū)11臨空面之間的硬巖剝離，然后依次剝離各層脹裂鉆孔與開挖空間之間的硬巖。

119.此外，由于考慮到不同層脹裂鉆孔之間的排間距不均勻，如圖3所示，在脹裂區(qū)3上排間距較大的各行脹裂鉆孔之間還設置有若干補充孔41，用于實現(xiàn)脹裂區(qū)的可靠剝離，補充孔41設置在截割區(qū)11與脹裂鉆孔31層的排間，脹裂鉆孔31層和脹裂鉆孔32層、脹裂鉆孔32層和脹裂鉆孔33層、脹裂鉆孔33層和脹裂鉆孔34層、脹裂鉆孔34層和修飾鉆孔21之間較寬的區(qū)域，補充孔41根據(jù)需要靈活設置，既要盡可能的多設置補充孔，使得巖體硬度有效降低，保證對應層脹裂鉆孔能有效剝離，還要考慮施工成本和效率，本實施例中補充孔的凈間距設置為50mm

?

100mm，且與掘進面正交，不與任何其他鉆孔在掘進體內部交叉。

120.為了防止欠挖，以及保證開挖后的隧道臨空面的平整程度，還設置輪廓修飾區(qū)，輪廓修飾區(qū)沿輪廓線5設置，通常在實際掘進過程中表現(xiàn)為一段包括輪廓線5在內的環(huán)形區(qū)域，輪廓修飾區(qū)要設置至少一層修飾鉆孔，故輪廓修飾區(qū)的寬度大于修飾鉆孔的孔徑。

121.輪廓修飾區(qū)上的修飾鉆孔21沿輪廓線5設置，與輪廓線5的外插角為3

°?5°

，即輪廓修飾區(qū)上的修飾鉆孔21沿輪廓線5向遠離掘進面中心(即掘進面中心線與地面的交點)的方向傾斜設置，與待掘進體的軸線(即沿隧道開挖方向的矢量線)形成3

°?5°

的夾角。為盡可能多的設置修飾鉆孔，同時考慮到施工成本和效率，修飾鉆孔21的凈間距設置為100mm。對修飾鉆孔21進行脹裂后，對于脹裂后的臨空面進行平整修飾，具體可以采用截割設備將突出臨空面高度達到設定值的巖石凸起進行切削修正，保證平整度。

122.鉆孔的孔徑根據(jù)鉆孔設備的鉆頭直徑確定，截割鉆孔、修飾鉆孔、脹裂鉆孔和補充孔的鉆孔直徑一般為42mm

?

140mm，為提升工序銜接和施工效率，在本實施例所提到的待掘進體上設置的所有鉆孔孔徑均為89mm。

123.截割鉆孔、脹裂鉆孔和補充孔的深度一致，一般與待掘進體的厚度相等，修飾鉆孔的深度大于截割鉆孔的深度，如截割鉆孔的深度為5m，修飾鉆孔的深度為5.1m

?

5.3m。

124.待掘進體實施例2：

125.根據(jù)如圖2所示的掌子面分區(qū)示意圖，對本實施例的待掘進體進行說明，即待掘進體掘進面按照圖2中的掌子面分區(qū)進行設計，當待掘進體的掘進面寬度大于8m，高度大于6.5m時，對其進行如下設置。

126.具體的，根據(jù)圖4所示的大斷面隧道掌子面分區(qū)及鉆孔示意圖，對本實施例的待掘進體進行如下說明，本實施例中提到的的掘進面即為圖4中的掌子面：在掘進面的中心線兩側各設置有一個截割區(qū)，掘進面的中心線指垂直于地面將掘進面左右平分的中線，在掘進面的中心線右側設置有一個截割區(qū)121，在掘進面的中心線左側設置有一個截割區(qū)122，在

開挖掘進時以截割區(qū)121和截割區(qū)122為基礎，對脹裂鉆孔逐層脹裂來不斷擴大截割區(qū)形成的開挖空間?？紤]到施工效率和成本，截割區(qū)121和截割區(qū)122的寬度設置為1m

?

2.5m，高度設置為2m

?

4.5m最佳。

127.在截割區(qū)121和截割區(qū)122上設置有多行或多列截割鉆孔，為降低硬巖(待掘進體)的硬度，將相鄰兩行或兩列的截割鉆孔交錯布置，相鄰截割鉆孔的凈間距為50mm

?

100mm。為使截割鉆孔不在掘進體內部出現(xiàn)交叉的情況，影響后續(xù)施工時循環(huán)開挖的進度，截割鉆孔要與掘進面正交。

128.設置有截割鉆孔的截割區(qū)121和122可以采用銑挖設備對其進行截割作業(yè)，銑挖設備的截割頭破碎設置有截割鉆孔的截割區(qū)，來形成具有一定深度的開挖空間。截割后形成的開挖空間具有一定的臨空面，在后續(xù)巖體開挖時對此開挖空間相鄰的鉆孔進行脹裂使其不斷擴大，可有效提高掘進效率。

129.脹裂鉆孔設置在環(huán)繞截割區(qū)121、截割區(qū)122的脹裂區(qū)3中，在脹裂區(qū)上沿截割區(qū)121和截割區(qū)122由中心向外均設置有4層脹裂鉆孔，沿截割區(qū)121向外設置的脹裂鉆孔分別為脹裂鉆孔351層、361層、371層和381層，沿截割區(qū)122向外設置的脹裂鉆孔分別為脹裂鉆孔352層、362層、372層和382層，381層脹裂鉆孔和382層脹裂鉆孔在掘進面中心線處的鉆孔重合，任意兩層相鄰的兩排脹裂鉆孔的排間距為50cm

?

100cm，每排脹裂鉆孔的凈間距為100mm

?

300mm，每一個脹裂鉆孔均與掘進面正交，防止在掘進體內部發(fā)生交叉，影響后續(xù)開挖掘進。

130.在脹裂區(qū)3中，對截割區(qū)121和122挖空形成脹裂臨空面后，通過對脹裂區(qū)3中距離截割區(qū)最近的一排的脹裂鉆孔(351、352)進行脹裂，由于脹裂鉆孔的孔間距小于最小脹裂抵抗線，因此脹裂后待掘進體硬巖延脹裂鉆孔開裂形成脹裂裂縫，將351脹裂鉆孔的脹裂裂縫到截割區(qū)121臨空面之間的硬巖剝離，將352脹裂鉆孔的脹裂裂縫到截割區(qū)122臨空面之間的硬巖剝離，然后依次剝離各層脹裂鉆孔到臨空面之間的硬巖。

131.此外，由于考慮到不同層脹裂鉆孔之間的間距不均勻，如圖4中，在兩排脹裂鉆孔之間的排間距較大的區(qū)域，為了可靠脹裂實現(xiàn)脹裂區(qū)硬巖的剝離，脹裂區(qū)3上還設置有若干補充孔42，補充孔42設置在截割區(qū)121和脹裂鉆孔351層、截割區(qū)122和脹裂鉆孔352層，351層和361層、361層和371層、371層和381層、352層和362層、362層和372層、372層和382層、381層和修飾鉆孔22、382層和修飾鉆孔22之間較寬區(qū)域，補充孔42根據(jù)需要靈活設置，既要盡可能的多設置補充孔，保證對應層脹裂鉆孔能夠有效脹裂剝離，還要考慮施工成本和效率，本實施中補充孔42的凈間距設置為50mm

?

100mm，且與掘進面正交，不與任何其他鉆孔在掘進體內部交叉。

132.為了防止欠挖，以及保證開挖后的隧道臨空面的平整程度，還設置輪廓修飾區(qū)，輪廓修飾區(qū)沿輪廓線5設置，通常在實際施工過程中表現(xiàn)為一段包括輪廓線5在內的環(huán)形區(qū)域，輪廓修飾區(qū)要設置至少一層修飾鉆孔，故輪廓修飾區(qū)的寬度大于修飾鉆孔的孔徑。對修飾鉆孔42進行脹裂后，對于脹裂后的臨空面進行平整修飾，具體可以采用截割設備將突出臨空面高度達到設定值的巖石凸起進行磨削修正，保證平整度。

133.輪廓修飾區(qū)上的修飾鉆孔22沿輪廓線5設置，與輪廓線5的外插角為3

°?5°

，即輪廓修飾區(qū)上的修飾鉆孔22沿輪廓線5向遠離掘進面中心(即掘進面中心線與地面的交點)的方向傾斜設置，與待掘進體的軸線(即沿隧道開挖方向的矢量線)形成3

°?5°

的夾角。為盡可能

多的設置修飾鉆孔，同時考慮到施工成本和效率，修飾鉆孔22的凈間距設置為100mm。

134.鉆孔的孔徑根據(jù)鉆孔設備的鉆頭直徑確定，截割鉆孔、修飾鉆孔、脹裂鉆孔和補充孔的鉆孔直徑一般為42mm

?

140mm，為提升工序銜接和施工效率，在本實施例所提到的待掘進體上設置的所有鉆孔孔徑均為102mm。

135.截割鉆孔、脹裂鉆孔和補充孔的深度一致，一般與待掘進體的厚度相等，修飾鉆孔的深度大于截割鉆孔的深度，如截割鉆孔的深度為5m，修飾鉆孔的深度為5.1m

?

5.3m。

136.本發(fā)明用于在硬巖隧道開挖掘進時，采用上述實施例中的待掘進體可有效降低開挖巖體的硬度，可采用能在較低硬度巖體上截割或鉆孔的設備進行開挖掘進，降低了施工成本，同時待掘進體上的各鉆孔孔徑均可根據(jù)鉆孔設備進行調整，進一步確定鉆孔的最佳數(shù)量，提高施工效率。技術特征：

1.一種硬巖隧道機械開挖方法，其特征在于，包括如下步驟：1)分區(qū)，將待開挖硬巖隧道的待開挖掌子面劃分為：輪廓修飾區(qū)，所述輪廓修飾區(qū)沿待開挖掌子面輪廓邊緣設置，用于形成待開挖掌子面的結構輪廓；截割區(qū)，所述截割區(qū)設置在待開挖掌子面的結構中心或臨近結構中心位置處，用于通過機械式截割裝置進行截割作業(yè)形成截割開挖空間，所述截割開挖空間為后續(xù)脹裂作業(yè)創(chuàng)造臨空面；脹裂區(qū)，所述脹裂區(qū)位于所述輪廓修飾區(qū)和截割區(qū)之間的結構區(qū)域內，用于待開挖掌子面的脹裂作業(yè)；2)鉆孔，通過硬巖鉆孔裝置在輪廓修飾區(qū)、截割區(qū)和脹裂區(qū)內均布設置修飾區(qū)鉆孔、截割區(qū)鉆孔和脹裂區(qū)鉆孔，所述脹裂區(qū)鉆孔的鉆孔間距小于最小脹裂抵抗線；3)巖體截割，通過機械式截割裝置對截割區(qū)內的巖體進行截割作業(yè)，形成截割開挖空間；4)巖體脹裂，通過脹裂裝置對脹裂區(qū)鉆孔由截割區(qū)朝向輪廓修飾區(qū)的方向分層進行脹裂，以對脹裂區(qū)內的巖體進行脹裂作業(yè)，直到完成脹裂區(qū)巖體的開挖；5)輪廓修正，通過脹裂裝置對修飾區(qū)鉆孔進行脹裂，然后通過機械式截割裝置對脹裂作業(yè)后的輪廓修飾區(qū)進行截割作業(yè)，形成平滑的開挖輪廓面結構；6)對開挖后的硬巖隧道進行支護作業(yè)；7)重復上述步驟2)～步驟6)對待開挖硬巖隧道的待開挖掌子面進行循環(huán)作業(yè),直到完成整個待開挖硬巖隧道的開挖。2.根據(jù)權利要求1所述的硬巖隧道機械開挖方法，其特征在于，所述硬巖鉆孔裝置包括地質鉆機、鑿巖臺車；所述脹裂裝置包括楔形劈裂器、巖石脹裂器、液壓脹裂器。3.根據(jù)權利要求1所述的硬巖隧道機械開挖方法，其特征在于，所述機械式截割裝置包括：設備本體，所述設備本體是機械式截割裝置的承載基礎；截割部，所述截割部設置在設備本體的前端，采用硬質合金刀具或高壓水射流破巖，用于硬巖的截割作業(yè)。4.根據(jù)權利要求3所述的硬巖隧道機械開挖方法，其特征在于，所述設備本體包括：行走部，所述行走部設置在設備本體的底部，為機械式截割裝置自由運動提供動力；除塵部，所述除塵部設置在設備本體上，用于清理硬巖截割過程中產生的粉塵；渣土運輸部，所述渣土運輸部設置在設備本體上，用于截割硬巖后渣土的清理運輸。5.根據(jù)權利要求1所述的硬巖隧道機械開挖方法，其特征在于，截割區(qū)設置為單個且位于掌子面的空間中心位置處；或截割區(qū)在待開挖掌子面至少設置兩個且對稱設置或均布設置。6.根據(jù)權利要求1

?

5任一項所述的硬巖隧道機械開挖方法，其特征在于，所述脹裂區(qū)還包括補充孔，所述補充孔通過硬巖鉆孔裝置設置。7.根據(jù)權利要求6所述的硬巖隧道機械開挖方法，其特征在于，所述脹裂區(qū)鉆孔與補充孔組成脹裂孔系組合，所述脹裂孔系組合呈矩陣結構排列設置或等間距排列設置。8.根據(jù)權利要求1所述的硬巖隧道機械開挖方法，其特征在于，所述截割區(qū)鉆孔在截割

區(qū)逐行或逐列設置，相鄰兩行或兩列的截割區(qū)鉆孔交錯布置。9.根據(jù)權利要求1所述的硬巖隧道機械開挖方法，其特征在于，所述修飾區(qū)鉆孔沿開挖輪廓線進行鉆設，與開挖輪廓線形成的外插角α為3

°?5°

。10.根據(jù)權利要求9所述的硬巖隧道機械開挖方法，其特征在于，截割區(qū)鉆孔和脹裂區(qū)鉆孔的深度l

′

為開挖進尺l的n倍，n＝1、2、3、4、

···

；修飾區(qū)鉆孔深度l"滿足如下條件：n*l/cosα≤l"≤n*l/cosα+0.5，其中n＝1、2、3、4、

···

，α為3

°?5°

。

技術總結

本發(fā)明提供了一種硬巖隧道機械開挖方法，屬于隧道工程開挖技術領域。現(xiàn)有的硬巖隧道掘進方法對周圍環(huán)境影響大，而且效率低，成本高。本發(fā)明采用對掌子面分區(qū)設計，并在對應分區(qū)鉆設鉆孔來降低巖體硬度，同時采用機械設備進行開挖掘進，減少了對周邊環(huán)境的影響，降低了施工成本，還提高了施工效率。還提高了施工效率。還提高了施工效率。

技術研發(fā)人員：于少輝 白中坤 任韶鵬 畢程程 趙修旺 薛永濤 李應飛 甘雨 李明芳

受保護的技術使用者：中鐵工程裝備集團有限公司

技術研發(fā)日：2021.08.05

技術公布日：2021/11/21