市政工程硬岩隧道二氧化碳致裂器开挖炮孔布置结构及爆破开挖工艺的制作方法

1.本发明涉及隧道施工技术领域。具体地说是市政工程硬岩隧道二氧化碳致裂器开挖炮孔布置结构及爆破开挖工艺。


背景技术：

2.破岩技术广泛应用于采矿工程、冶金工程等领域，长期以来，炸药爆破为破碎岩石的主要手段，但是在特殊情况下，炸药爆破的不利效应限制了其应用；如在市政工程硬岩隧道的施工中，由于市政工程的硬岩隧道位于城市的闹市下，其开挖不仅对环境保护的要求高，还需要严格控制地表建筑物的振动速度，当市政工程隧道施工开挖遇到坚硬的岩石时，炸药爆破无法满足上述需求，不能达到安全施工要求。


技术实现要素：

3.为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种炮孔布置合理，便于在市区地下隧道安全施工的硬岩隧道二氧化碳致裂器开挖炮孔布置结构及爆破开挖工艺。
4.市政工程硬岩隧道二氧化碳致裂器开挖炮孔布置结构，包括上台阶工作面和下台阶工作面，所述上台阶工作面上开设有掏槽致裂孔、空孔、第一辅助致裂孔、第二辅助致裂孔、第三辅助致裂孔、第四辅助致裂孔、上台阶底孔和周边孔，所述空孔位于所述上台阶工作面的中部，所述掏槽致裂孔布置在所述空孔的两侧，所述第一辅助致裂孔布置在所述掏槽致裂孔的两侧，所述第二辅助致裂孔布置在所述第一辅助致裂孔的两侧，所述第三辅助致裂孔布置在所述掏槽致裂孔、所述空孔、所述第一辅助致裂孔和所述第二辅助致裂孔的上方，所述第四辅助致裂孔布置在所述第三辅助致裂孔的外圈，所述周边孔布置在所述第四辅助致裂孔的外圈，所述上台阶底孔沿所述上工作面的底部布置；
5.所述下台阶工作面上开设有第一排孔、第二排孔、第三排孔和下台阶底孔，所述第一排孔、所述第二排孔、所述第三排孔和所述下台阶底孔从上至下依次布置在所述下台阶工作面上；所述隧道的垂直中心线为垂直中心线x，所述上台阶工作面和所述下台阶工作面的交界线为工作面分割线。
6.上述市政工程硬岩隧道二氧化碳致裂器开挖炮孔布置结构，所述空孔沿平行于所述垂直中心线x的方向布置；所述空孔两个为一对开设在所述上台阶工作面上；所述空孔为两个时：两个所述空孔的圆心位于隧道的垂直中心线x上；空孔的数量为大于两个的偶数个时：一对空孔中的两个空孔关于所述垂直中心线x水平镜像对称布置，每个所述空孔与所述垂直中心线x的距离相等。
7.上述市政工程硬岩隧道二氧化碳致裂器开挖炮孔布置结构，所述掏槽致裂孔、所述第一辅助致裂孔和所述第二辅助致裂孔均关于垂直中心线x对称布置。
8.上述市政工程硬岩隧道二氧化碳致裂器开挖炮孔布置结构，所述掏槽致裂孔开孔方向与水平面平行，所述掏槽致裂孔孔口与垂直中心线x的水平距离大于所述掏槽致裂孔
孔底与垂直中心线x的水平距离；所述第一辅助致裂孔开孔方向与水平面平行，所述第一辅助致裂孔孔口与隧道垂直中心线x的水平距离大于所述第一辅助致裂孔孔底与隧道垂直中心线x的水平距离；所述第二辅助致裂孔开孔方向与工作面垂直。
9.上述市政工程硬岩隧道二氧化碳致裂器开挖炮孔布置结构，在隧道的同一横截面上，所述第三辅助致裂孔、所述第四辅助致裂孔和所述周边孔分别布置在以隧道轴心为圆心的三条圆弧上；所述第三辅助致裂孔、所述第四辅助致裂孔和所述周边孔至所述隧道轴心的径向距离至依次增大；所述上台阶底孔的圆心位于所述工作面分割线上。
10.上述市政工程硬岩隧道二氧化碳致裂器开挖炮孔布置结构，所述第三辅助致裂孔和所述第四辅助致裂孔的开孔方向均垂直于工作面；所述周边孔孔口与隧道轴线的距离小于所述周边孔孔底与所述隧道轴线的距离。
11.上述市政工程硬岩隧道二氧化碳致裂器开挖炮孔布置结构，所述第一排孔、所述第二排孔和所述第三排孔均沿垂直中心线x对称布置；所述第一排孔、所述第二排孔和所述第三排孔均与工作面分割线平行；所述下台阶底孔布置在以隧道轴线为圆心的圆弧上。
12.上述市政工程硬岩隧道二氧化碳致裂器开挖炮孔布置结构，所述掏槽致裂孔、所述第一辅助致裂孔、所述第二辅助致裂孔、所述第三辅助致裂孔、所述第四辅助致裂孔、所述上台阶底孔、所述周边孔、所述第一排孔、所述第二排孔、所述第三排孔和所述下台阶底孔的孔径均为60mm、沿隧道轴线方向的开孔深度均为1500mm，所述空孔的孔径均为60mm，所述空孔沿隧道轴线方向的开孔深度大于或等于所述第二辅助致裂孔沿隧道轴线方向的开孔深度，所述掏槽致裂孔轴线与工作面夹角范围为74
°‑
86
°
，所述掏槽致裂孔的数量为六个或六个以上的偶数个，六个或六个以上所述掏槽致裂孔关于垂直中心线x对称分布在所述空孔的两侧，每个所述掏槽致裂孔与所述中心线x的距离均相等；所述第一辅助致裂孔与所述工作面的夹角范围为83
°‑
87
°
，所述第一辅助致裂孔的数量为六个或六个以上的偶数个，六个或六个以上所述第一辅助致裂孔关于垂直中心线x对称布置在掏槽致裂孔的外侧，每个所述第一辅助致裂孔与所述垂直中心线x的距离相等；所述第二辅助致裂孔的数量为四个或四个以上的偶数个，所述第二辅助致裂孔关于垂直中心线x对称布置在所述第一辅助致裂孔的外侧，每个所述第二辅助致裂孔与所述垂直中心线x的距离相等；所述周边孔分别在隧道的同一横截面上以隧道轴心为圆心的三条圆弧等间距分布，所述周边孔与上台阶工作面的夹角为99
°
，在两个或两个以上的所述周边孔中：位于两端的周边孔圆心位于工作面分割线上，两个或两个以上的上台阶底孔沿所述工作面分割线等间距分布；在上台阶工作面上，所述空孔之间的垂直中心距、所述掏槽致裂孔之间的垂直中心距、所述第一辅助致裂孔之间的垂直中心距、所述第二辅助致裂孔之间的垂直间距均为500mm，所述掏槽致裂孔与所述空孔的水平距离为500mm，所述第一辅助致裂孔与所述掏槽致裂孔的水平距离为500mm，所述第二辅助致裂孔与所述第一辅助致裂孔的水平距离为499mm，所述第三辅助致裂孔沿以隧道轴心为圆心的半径为2071mm的圆弧等间距布置，相邻两个所述第三辅助致裂孔的圆心距为600mm，所述第四辅助致裂孔沿以隧道轴心为圆心的半径为2571mm的圆弧等间距布置，相邻两个所述第四辅助致裂孔的圆心距为600mm，所述周边孔沿以隧道轴心为圆心的半径为3091mm的圆弧等间距布置，相邻两个所述周边孔的圆心距为500mm，相邻两个上台阶底孔的圆心距为520mm。
13.上述市政工程硬岩隧道二氧化碳致裂器开挖炮孔布置结构，所述第一排孔、所述
第二排孔和所述第三排孔均由七个致裂孔组成，所述第一排孔两端的致裂孔、所述二排孔两端的致裂孔、所述第三排孔两端的致裂孔和所述下台阶底孔：其孔口与隧道轴心的距离小于其孔底与隧道轴心的距离，所述第一排孔两端的致裂孔、所述第二排孔两端的致裂孔、所述第三排孔两端的致裂孔和所述下台阶底孔与下台阶工作面的夹角均为102
°
；所述第一排孔与所述工作面分割线的垂直距离为832mm，所述第一排孔与所述第二排孔的垂直距离为832mm，所述第二排孔与所述第三排孔的垂直距离为832mm，所述第一排孔中间的5个致裂孔中相邻两个致裂孔的水平间距为1000mm，所述第二排孔中间的5个致裂孔中相邻两个致裂孔的水平间距为1000mm，所述第三排孔中间的5个致裂孔中相邻两个致裂孔的水平间距均为1000mm，所述下台阶底孔、第一排孔两端的致裂孔、所述第二排孔两端的致裂孔、第三排孔两端的致裂孔均分布在以隧道轴线为圆心半径为3030mm的圆弧上，所述隧道的直径为6680mm。
14.市政工程硬岩隧道二氧化碳致裂器爆破开挖工艺，包括以下步骤：
15.步骤a：安装致裂器：在上台阶工作面的掏槽致裂孔、第一辅助致裂孔、第二辅助致裂孔、第三辅助致裂孔、第四辅助致裂孔、上台阶底孔和周边孔内装入二氧化碳致裂器，空孔为空置孔；
16.步骤b：起爆上台阶工作面：第一步起爆掏槽致裂孔内的二氧化碳致裂器，第二步起爆第一辅助致裂孔内的二氧化碳致裂器，第三步起爆第二辅助致裂孔内的二氧化碳致裂器，第四步起爆第三辅助致裂孔内的二氧化碳致裂器，第五步起爆第四辅助致裂孔内的二氧化碳致裂器，最后同时起爆上台阶底孔内的二氧化碳致裂器和周边孔内的二氧化碳致裂器；
17.步骤c：清理上台阶爆破后的岩碴；
18.步骤d：在下台阶工作面的第一排孔、第二排孔、第三排孔和下台阶底孔内装入二氧化碳致裂器；
19.步骤e：起爆下台阶工作面：第一步起爆第一排孔内的二氧化碳致裂器，第二步起爆第二排孔内的二氧化碳致裂器，第三步起爆第三排孔内的二氧化碳致裂器，第四步起爆下台阶底孔内的二氧化碳致裂器。
20.本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
21.1、本发明采用二氧化碳致裂器对市政工程隧道的坚硬岩石进行爆破，并通过合理的炮孔布置，二氧化碳致裂器爆破相对于炸药爆破震动小且不会产生破坏性的震波，不会影响隧道上的建筑物，从而满足施工要求。
22.2、本发明的炮孔布置方法，吸取了炸药爆破方式的直眼掏槽与斜眼掏槽的各自长处，空孔内不装二氧化碳致裂器，为掏槽致裂孔爆破提供了一定的自由面和补偿空间，能够充分利用空孔的空孔效应，提高了炮孔利用率；且掏槽致裂孔的轴线与工作面斜交，上台阶工作面一次起爆后，能够将靠近自由面的岩石抛出，增强了爆破效果，从而形成预设体积的槽腔，一次起爆能够利用较少的掏槽致裂孔在工作面上爆破出体积较大的槽腔，为后续爆破提供更大的自由面和补偿空间，同时掏槽致裂孔与工作面的夹角较大，爆破时的岩石抛掷距离小，不易崩坏隧道内的设备。
23.3、本发明将隧道分为上台阶工作面和下台阶工作面并分步爆破，上台阶工作面由于自由面较少，爆破难度较大，采用发明中的布孔结构，炮孔数量较多，且布置合理，采用分
步爆破，单次爆破量相对较小，既能够实现岩石充分破碎，又能够实现控制振动，上台阶工作面爆破后，下台阶工作面存在两个自由面，爆破阻力小，采用发明中的下台阶工作面的布孔方式，布孔数量较少、且布孔方式简单，能够以较少的炮孔实现下台阶工作面的爆破；周边孔和下台阶底孔均向隧道外倾斜开设，能够实现轮廓控制爆破，避免出现欠挖现象，减少后续人工修挖的工作量。
附图说明
24.图1本发明中上台阶工作面的炮孔布置示意图；
25.图2本发明中上台阶工作面的炮孔布置俯视示意图；
26.图3本发明中下台阶工作面的炮孔布置示意图；
27.图4本发明中下台阶工作面的炮孔布置俯视示意图。
28.图中附图标记表示为：1-掏槽致裂孔；2-空孔；3-第一辅助致裂孔；4-第二辅助致裂孔；5-第三辅助致裂孔；6-第四辅助致裂孔；7-上台阶底孔；8-周边孔；9-第一排孔；10-第二排孔；11-第三排孔；12-下台阶底孔；13-工作面分割线。
具体实施方式
29.请参阅图1-2，市政工程硬岩隧道二氧化碳致裂器开挖炮孔布置结构，包括上台阶工作面和下台阶工作面，采用二氧化碳致裂器对坚硬岩石进行爆破，并通过合理的炮孔布置，二氧化碳致裂器爆破相对于炸药爆破震动小且不会产生破坏性的震波，不会影响隧道上的建筑物，从而满足市政工程的施工要求，所述上台阶工作面上开设有掏槽致裂孔1、空孔2、第一辅助致裂孔3、第二辅助致裂孔4、第三辅助致裂孔5、第四辅助致裂孔6、上台阶底孔7和周边孔8，所述上台阶底孔7沿所述上工作面的底部布置，所述空孔2沿平行于所述垂直中心线x的方向布置；所述空孔2两个为一对开设在所述上台阶工作面上；所述空孔2为两个时：两个所述空孔2的圆心位于隧道的垂直中心线x上；空孔2的数量为大于两个的偶数个时：一对空孔2中的两个空孔2关于所述垂直中心线x水平镜像对称布置，每个所述空孔2与所述垂直中心线x的距离相等，本实施例中采用两个空孔2。
30.所述掏槽致裂孔1、所述第一辅助致裂孔3和所述第二辅助致裂孔4均关于垂直中心线x对称布置，所述掏槽致裂孔1开孔方向与水平面平行，所述掏槽致裂孔1的孔口与垂直中心线x的水平距离大于所述掏槽致裂孔1的孔底与垂直中心线x的水平距离，所述掏槽致裂孔1轴线与工作面夹角范围为79
°
；所述第一辅助致裂孔3开孔方向与水平面平行，所述第一辅助致裂孔3的孔口与隧道垂直中心线x的水平距离大于所述第一辅助致裂孔3的孔底与隧道垂直中心线x的水平距离，所述掏槽致裂孔1的数量为六个，六个所述掏槽致裂孔1关于垂直中心线x对称分布在所述空孔2的两侧，每个所述掏槽致裂孔1与所述中心线x的距离均相等；所述第一辅助致裂孔3与所述工作面的夹角范围为84
°
，所述第一辅助致裂孔3的数量为六个，六个所述第一辅助致裂孔3关于垂直中心线x对称布置在掏槽致裂孔1的外侧，每个所述第一辅助致裂孔3与所述垂直中心线x的距离相等。
31.所述第二辅助致裂孔4开孔方向与工作面垂直，所述第二辅助致裂孔4的数量为四个，四个所述第二辅助致裂孔4关于垂直中心线x对称布置在所述第一辅助致裂孔3的外侧，每个所述第二辅助致裂孔4与所述垂直中心线x的距离相等；在隧道的同一横截面上，所述
第三辅助致裂孔5、所述第四辅助致裂孔6和所述周边孔8分别布置在以隧道轴心为圆心的三条圆弧上；所述第三辅助致裂孔5、所述第四辅助致裂孔6和所述周边孔8至所述隧道轴心的径向距离至依次增大，所述第三辅助致裂孔5的数量为9个，所述第四辅助致裂孔6的数量为12个，所述周边孔8的数量为21个，所述第三辅助致裂孔5、所述第四辅助致裂孔6和所述周边孔8分别在隧道的同一横截面上以隧道轴心为圆心的三条圆弧等间距分布，在21个所述周边孔8中：位于两端的周边孔8圆心位于工作面分割线13上，上台阶底孔7沿所述工作面分割线13等间距分布；所述上台阶底孔7的圆心位于所述工作面分割线13上，所述第三辅助致裂孔5和所述第四辅助致裂孔6的开孔方向均垂直于工作面；所述周边孔8的孔口与隧道轴线的距离小于所述周边孔8的孔底与所述隧道轴线的距离，所述周边孔8与上台阶工作面的夹角为99
°
，所述第一排孔9、所述第二排孔10和所述第三排孔11均沿垂直中心线x对称布置；所述第一排孔9、所述第二排孔10和所述第三排孔11均与工作面分割线13平行；所述下台阶底孔12布置在以隧道轴线为圆心的圆弧上。
32.所述掏槽致裂孔1、所述第一辅助致裂孔3、所述第二辅助致裂孔4、所述第三辅助致裂孔5、所述第四辅助致裂孔6、所述上台阶底孔7、所述周边孔8、所述第一排孔9、所述第二排孔10、所述第三排孔11和所述下台阶底孔12的孔径均为60mm、沿隧道轴线方向的开孔深度均为1500mm，所述空孔2的孔径均为60mm，所述空孔2沿隧道轴线方向的开孔深度大于或等于所述第二辅助致裂孔4沿隧道轴线方向的开孔深度，本发明的炮孔布置方法，吸取了炸药爆破方式的直眼掏槽与斜眼掏槽的各自长处，空孔2内不装二氧化碳致裂器，为掏槽致裂孔1爆破提供了一定的自由面和补偿空间，能够充分利用空孔2的空孔效应，提高了炮孔利用率；且掏槽致裂孔1的轴线与工作面斜交，上台阶工作面一次起爆后，能够将靠近自由面的岩石抛出，增强了爆破效果，形成预设体积的槽腔，一次起爆能够利用较少的掏槽致裂孔1在工作面上爆破出体积较大的槽腔，为后续爆破提供更大的自由面和补偿空间，同时掏槽致裂孔1与工作面的夹角较大，爆破时的岩石抛掷距离小，不易崩坏隧道内设备；在上台阶工作面上，所述空孔2之间的垂直中心距、所述掏槽致裂孔1之间的垂直中心距、所述第一辅助致裂孔3之间的垂直中心距、所述第二辅助致裂孔4之间的垂直间距均为500mm，所述掏槽致裂孔1与所述空孔2的水平距离为500mm，所述第一辅助致裂孔3与所述掏槽致裂孔1的水平距离为500mm，所述第二辅助致裂孔4与所述第一辅助致裂孔3的水平距离为499mm，所述第三辅助致裂孔5沿以隧道轴心为圆心的半径为2071mm的圆弧等间距布置，相邻两个所述第三辅助致裂孔5的圆心距为600mm，所述第四辅助致裂孔6沿以隧道轴心为圆心的半径为2571mm的圆弧等间距布置，相邻两个所述第四辅助致裂孔6的圆心距为600mm，所述周边孔8沿以隧道轴心为圆心的半径为3091mm的圆弧等间距布置，相邻两个所述周边孔8的圆心距为500mm，相邻两个上台阶底孔7的圆心距为520mm。
33.如图3-4所示，所述隧道的垂直中心线为垂直中心线x，所述上台阶工作面和所述下台阶工作面的交界线为工作面分割线13；所述下台阶工作面上开设有第一排孔9、第二排孔10、第三排孔11和下台阶底孔12，所述第一排孔9、所述第二排孔10、所述第三排孔11和所述下台阶底孔12从上至下依次布置在所述下台阶工作面上，所述第一排孔9与所述工作面分割线13的垂直距离为832mm，所述第一排孔9与所述第二排孔10的垂直距离为832mm，所述第二排孔10与所述第三排孔11的垂直距离为832mm，所述第一排孔9中间的5个致裂孔中相邻两个致裂孔的水平间距为1000mm，所述第二排孔10中间的5个致裂孔中相邻两个致裂孔
的水平间距为1000mm，所述第三排孔11中间的5个致裂孔中相邻两个致裂孔的水平间距均为1000mm，所述下台阶底孔12、第一排孔9两端的致裂孔、所述第二排孔10两端的致裂孔、第三排孔11两端的致裂孔均分布在以隧道轴线为圆心半径为3030mm的圆弧上，所述隧道的直径为6680mm；所述第一排孔9、所述第二排孔10和所述第三排孔11均由七个致裂孔组成，所述第一排孔9两端的致裂孔、所述二排孔10两端的致裂孔、所述第三排孔11两端的致裂孔和所述下台阶底孔12：其孔口与隧道轴心的距离小于其孔底与隧道轴心的距离，所述第一排孔9两端的致裂孔、所述第二排孔10两端的致裂孔、所述第三排孔11两端的致裂孔和所述下台阶底孔12与下台阶工作面的夹角均为102
°
；将隧道分为上台阶工作面和下台阶工作面并分步爆破，上台阶工作面由于自由面较少，爆破难度较大，采用发明中的布孔结构，炮孔数量较多，且炮孔布置合理，采用分步爆破，单次爆破量相对较小，既能够实现岩石充分破碎，又能够实现控制振动，上台阶工作面爆破后，下台阶工作面存在两个自由面，爆破阻力小，采用发明中下台阶工作面的布孔方式，布孔数量较少、且布孔方式简单，能够以较少的炮孔实现下台阶工作面的爆破。
34.利用上述布孔方式，在实际中隧道爆破中进行爆破开挖，硬岩隧道二氧化碳致裂器爆破开挖工艺，包括以下步骤：
35.步骤a：装致裂器：向上台阶工作面的掏槽致裂孔1、第一辅助致裂孔3、第二辅助致裂孔4、第三辅助致裂孔5、第四辅助致裂孔6、上台阶底孔7和周边孔8内装入二氧化碳致裂器，空孔2内不装入二氧化碳致裂器；
36.步骤b：起爆上台阶工作面：第一步起爆掏槽致裂孔1内的二氧化碳致裂器，第二步起爆第一辅助致裂孔3内的二氧化碳致裂器，第三步起爆第二辅助致裂孔4内的二氧化碳致裂器，第四步起爆第三辅助致裂孔5内的二氧化碳致裂器，第五步起爆第四辅助致裂孔6内的二氧化碳致裂器，最后同时起爆上台阶底孔7内的二氧化碳致裂器和周边孔8内的二氧化碳致裂器；
37.步骤c:清理上台阶爆破后的岩碴；
38.步骤d:在下台阶工作面的第一排孔9、第二排孔10、第三排孔11和下台阶底孔12内装入二氧化碳致裂器；
39.步骤e：起爆下台阶工作面：第一步起爆第一排孔9内的二氧化碳致裂器，第二步起爆第二排孔10内的二氧化碳致裂器，第三步起爆第三排孔11内的二氧化碳致裂器，第四步起爆下台阶底孔12内的二氧化碳致裂器。
40.工作流程：按照设计要求布置上台阶工作面炮孔和下台阶工作面炮孔，首先对上台阶工作面进行爆破，上台阶工作面爆破时，依次起爆掏槽致裂孔1内的二氧化碳致裂器、第一辅助致裂孔3内的二氧化碳致裂器、第二辅助致裂孔4内的二氧化碳致裂器、第三辅助致裂孔5内的二氧化碳致裂器和第四辅助致裂孔6内的二氧化碳致裂器，最后同时起爆上台阶底孔7内的二氧化碳致裂器和周边孔8内的二氧化碳致裂器，完成上台阶工作面的爆破；然后进行下台阶工作面的爆破，依次起爆第一排孔9内的二氧化碳致裂器、第二排孔10内的二氧化碳致裂器和第三排孔11内的二氧化碳致裂器，最后起爆下台阶底孔12内的二氧化碳致裂器，完成下台阶工作面的爆破。
41.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或
变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。