一种隧道开挖装置及方法与流程

1.本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种隧道开挖装置及方法。


背景技术：

2.随着我国公路工程的快速发展，穿山隧道越来越多。目前隧道常用的开挖装置或方法有：挖掘机开挖、悬臂掘进机开挖和钻爆法开挖；由于隧道岩层强度较低，整体性较差，故以上开挖方法存在污染高、施工效率低、设备昂贵、操作复杂等问题；且施工人员在开放的断面下方进行施工，极易出现施工安全事故。


技术实现要素：

3.本技术的目的在于，提供一种隧道开挖装置及方法以解决现有技术中施工效率低的问题。
4.本发明公开了一种隧道开挖装置，包括信息获取模块、与所述信息获取模块连接的控制模块和开挖结构；
5.所述信息获取模块用于获取岩体的质量评分值；
6.所述控制模块设置于所述开挖结构上，用于根据所述岩体的质量评分值确定开挖速度，并将所述开挖速度发送至所述开挖结构；
7.所述开挖结构以所述开挖速度挖掘所述岩体。
8.所述信息获取模块包括声波发射器和声波接收器；
9.所述声波发射器，用于向待挖岩体发射信号；
10.所述声波接收器设置于所述开挖结构前端，用于接收穿过所述待挖岩体的信号。
11.所述开挖结构包括开挖箱体、刃角和顶进单元；
12.所述开挖箱体内部设置操作平台；
13.所述刃角设置于所述开挖箱体的前端；
14.所述顶进单元连接在所述开挖箱体的后端。
15.所述顶进单元包括千斤顶和承压结构；
16.所述千斤顶的一端设置在所述开挖箱体的后端，另一端设置在所述承压结构上，用于向所述开挖箱体提供前进动力；
17.所述承压结构为后背墙或者支护结构。
18.本发明所述顶进单元还包括顶铁；
19.所述顶铁分别设置在所述千斤顶两端，且所述顶铁分别与所述开挖箱体的后端和所述承压结构连接。
20.本发明还公开了一种隧道开挖方法，其包括以下步骤：
21.步骤一、获取待挖岩体的质量评分值；
22.步骤二、根据所述待挖岩体的质量评分值确定开挖速度；
23.步骤三、以所述开挖速度挖掘所述岩体。
24.优选地，获取待挖岩体的质量评分值，具体包括：
25.根据第一公式确定待挖岩体的质量评分值，所述第一公式为：
26.rmr＝b1 b2 b3 b4 b5 b627.式中：rmr为待挖岩体的质量评分值，b1为岩体强度评分值、b2为岩体的质量指标评分值、b3为结构面间距评分值、b4为不连续结构面特征评分值、b5为地下水特征评分值、b6为不连续结构面方向修正值。
28.优选地，根据所述待挖岩体的质量评分值，确定开挖速度，具体包括：
29.根据第二公式确定开挖速度，所述第二公式为：
30.s＝-0.001rmr2 0.07rmr-1.5
31.式中，s为开挖速度,rmr为所述待挖岩体的质量评分值。
32.以所述开挖速度挖掘所述岩体，具体包括：
33.将千斤顶安装在后背墙前，根据所述开挖速度调试所述千斤顶的顶进速度，启动所述千斤顶推动开挖箱体前进，直至完成对预设段岩体的开挖、支护；
34.将所述千斤顶和顶铁安装在支护结构上，启动千斤顶，完成下一段岩体的开挖、支护，重复该步骤直至隧道施工完成。
35.相较于现有技术，本发明具有如下有益效果：
36.(1)本发明通过信息获取模块和控制模块配合，根据不同岩体的质量评分值确定不同岩体的开挖速度，以最佳的施工速度开挖，可提高施工效率并降低成本；
37.(2)本发明通过施工人员在开挖箱体内施工，以开挖箱体作为保护装置，可保护施工人员的安全；
38.(3)本发明在开挖箱体前端设置刃角，可用于开挖岩体，节省人力；
39.(4)本发明的装置相比于传统挖掘机，造价低，可降低施工成本。
附图说明
40.图1为本发明隧道开挖装置的结构示意图；
41.图2为本发明的施工示意图。
42.其中：后背墙1；顶铁2；千斤顶3；刃角4；开挖箱体5；声波接收器6；声波发射器7；支护结构8；操作平台9。
具体实施方式
43.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
44.本发明公开了一种隧道开挖装置，包括信息获取模块、与所述信息获取模块连接的控制模块和开挖结构；
45.信息获取模块用于获取待挖岩体的质量评分值；
46.控制模块设置于开挖结构上，用于根据信息获取模块获取的岩体的质量评分值确定开挖速度，并将开挖速度发送至开挖结构；
47.开挖结构以开挖速度挖掘岩体。
48.本发明通过信息获取模块和控制模块配合，根据不同岩体的质量评分值确定不同岩体的开挖速度，以最佳的施工速度开挖，可提高施工效率并降低成本。
49.本发明的信息获取模块可为基于声波的信息获取模块或者基于图像的信息获取模块等，当为基于声波的信息获取模块时，信息获取模块包括声波发射器7和声波接收器6，如图1及图2所示；
50.在一个实施例中，声波发射器7设置于地面上，用于向待挖岩体发射信号；
51.声波接收器6设置于开挖结构前端，用于接收穿过待挖岩体的信号。
52.其中声波发射器7将其发射的声波信号同时传输至控制模块，声波接收器6将其接收到的对应信号也传输至控制模块，从而便于控制模块根据发射信号和接收信号确定待挖岩体的质量评分值。
53.当为基于图像的信息获取模块时，信息获取模块包括摄像机，摄像机拍摄待挖岩体的结构面照片，并将其传输至控制模块，从而便于控制模块根据待挖岩体的结构面照片确定岩体的质量评分值。
54.在一个实施例中，开挖结构包括开挖箱体5、刃角4和顶进单元；
55.开挖箱体5内部设置操作平台9；
56.刃角4设置于开挖箱体5的前端；
57.顶进单元连接在开挖箱体5的后端，用于向开挖箱体5提供前进动力。
58.本发明的开挖结构中设置了开挖箱体5和操作平台9，从而可以使得施工人员在开挖箱体5内的操作平台9上施工，保护施工人员的安全。
59.进一步地，本发明在开挖箱体5前端设置了刃角4，可用于开挖岩体，提升开挖效率的同时节省人力。
60.本发明实施例的顶进单元包括千斤顶3和承压结构，千斤顶3的一端设置在开挖箱体5的后端，另一端设置在承压结构上，用于向开挖箱体5提供前进动力；
61.其中承压结构为后背墙1或者支护结构8。
62.本发明实施例中的承压结构可为支护结构8，从而可以为千斤顶3提供反推力，延长千斤顶3的顶进路程。
63.为避免千斤顶3在顶进过程中对后背墙1、支护结构8和开挖箱体5产生点状施力，损坏后背墙1、支护结构8和开挖箱体5与千斤顶3的接触面，本发明还设置了顶铁2，从而均衡施力，顶铁2分别设置在千斤顶3两端，且顶铁2分别与开挖箱体5的后端和承压结构连接。
64.本发明还公开了一种隧道开挖方法，包括以下步骤：
65.步骤一、获取待挖岩体的质量评分值。
66.当采用声波获取岩体的质量评分值时，具体包括：
67.获取声波穿过岩体的波速，根据声波穿过岩体的波速确定岩体的单轴抗压强度和点载荷强度；
68.根据岩体的单轴抗压强度和点载荷强度确定岩体强度评分值；
69.根据岩体强度评分值确定岩体的质量评分值。
70.具体地，根据声波穿过岩体的波速确定岩体单轴抗压强度的公式为：
71.σc＝0.0166v 0.0648；
72.式中：σc为岩体的点载荷强度，v为声波穿过岩体的速度；
73.根据声波穿过岩体的波速确定岩体点载荷强度的公式为：
74.is＝-3.833 1.871v；
75.式中：is为岩体的点载荷强度，v为声波穿过岩体的速度。
76.具体地，依据rmr岩体分级法中的评分规则，对岩体的单轴抗压强度和点载荷强度进行评分，从而确定岩体强度评分值。
77.优选地，根据第一公式确定岩体质量等级评分值，第一公式为：
78.rmr＝b1 b2 b3 b4 b5 b679.式中：rmr为岩体质量评分值，b1为岩体强度评分值、b2为岩体的质量指标评分值、b3为结构面间距评分值、b4为不连续结构面特征评分值、b5为地下水特征评分值、b6为结构面方向修正值。
80.具体地，岩体的质量指标评分值、结构面间距评分值确定方式为：
81.测量出岩体的质量指标值和结构面间距值后，依据rmr岩体分级法中的评分规则对岩体的质量指标和结构面间距进行评分。
82.优选地，岩体的质量指标值的测量方法为用直径为75mm的金刚石钻头和双层岩芯管在岩体中钻进，连续取芯，回次钻进所取岩芯中，长度大于10cm的岩芯段长度之和与该回次进尺的比值，以百分比表示；结构面间距测量方法为根据地质调绘对出露的岩体结构面间距进行测量。
83.具体地，不连续结构面特征评分值和地下水特征评分值确定方式为：
84.判定出不连续结构面特征和地下水特征后，依据rmr岩体分级法中的评分规则进行评分。
85.优选地，不连续结构面特征根据地图调绘露头测量及钻探揭示在工程地质柱状图描述中综合评判；地下水特征根据布设的抽水试验孔、压水孔试验、水位观测孔查明场地的地下水位、渗透系数、预估隧道的涌水量进行判定；
86.优选地，结构面方向修正值依据rmr岩体分级法中的不连续结构面影响程度评价表确定。
87.步骤二、根据岩体的质量评分值确定开挖速度；
88.优选地，根据第二公式确定开挖速度，第二公式为：
89.s＝-0.001rmr2 0.07rmr-1.5
90.式中，s为开挖速度,rmr为岩体的质量评分值。
91.步骤三、以开挖速度挖掘岩体。
92.在一个实施例中，以开挖速度挖掘岩体具体为：
93.将千斤顶3安装在后背墙1前，根据开挖速度调试千斤顶3的顶进速度，启动千斤顶3推动开挖箱体5前进，直至完成对预设段岩体的开挖、支护；
94.将千斤顶3和顶铁2安装在支护结构8上，启动千斤顶3，完成下一段岩体的开挖、支护，重复该步骤直至隧道施工完成。
95.本发明实施例中的承压结构可为支护结构8，从而可以为千斤顶3提供反推力，延长千斤顶3的顶进路程。
96.本发明通过信息获取模块和控制模块配合，根据不同岩体的质量的评分值确定不
同岩体的开挖速度，以最佳的施工速度开挖，可提高施工效率并降低成本；
97.本发明通过施工人员在开挖箱体5内施工，以开挖箱体5作为保护装置，可保护施工人员的安全；
98.本发明在开挖箱体5前端设置刃角4，可用于开挖岩体，节省人力；
99.本发明的装置相比于传统挖掘机，造价低，可降低施工成本。
100.以上所述，仅是本技术的几个实施例，并非对本技术做任何形式的限制，虽然本技术以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本技术，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本技术技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。