【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及隧道地下工程，具体涉及一种基于射流切割的隧道掘进掌子面开挖方法。
技术介绍
1、近年来，我国隧道及地下工程技术发展迅速，在隧道修建规模和数量方面已成为世界隧道大国，隧道及地下工程建设在基础设施建设的比逐年递增势。我国隧道、城市地铁及地下空间工程建设量逐年递增，穿越的地层复杂，面临着大量坚硬地层开挖掘进。传统岩体施工方法(钻爆法、悬臂式掘进法、tbm法)存在刀具磨损严重、钻爆法振动大，围岩损伤严重，尤其是对城市构筑物和居民产生较大的影响，掘进效率低、施工成本高，危险性大等问题。因此亟需突破传统机械挤压磨削破碎，钻爆掘进的固有思维惯性，探索一种全新的硬岩开挖方法。
2、cn104314573a公开了一种基于水力切割的硬岩隧道施工方法，该方法采用水力切割机将掌子面切割成多个矩形切割块，并采用液压劈裂机沿横向切割缝或竖向切割缝进行劈裂，将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，相较于传统的钻爆法掘进提升了掘进控制精度，环境扰动较小，但是由于水力切割的能力有限，切割的缝槽深度难以使岩块被轻松剥落。同时需要液压劈裂机配合使用，掘进过程中需要在掘进断面位置不断切换使用水力切割机和液压劈裂机，操作复杂，影响掘进效率。
3、cn113153336a公开了一种高压磨料水射流掘进方法，该方法采用磨料水射流将掌子面划分为网格后，将径向喷嘴深入缝槽中，对岩石根部进行切割，并将岩石剥落运离掌子面。该方法虽然实现了掌子面的全断面水力化切割破碎，但是还存在如下问题：1)磨料水射流对岩石单次切割产生的缝槽
4、cn117027836a公开了一种隧道硬岩掌子面变胞式水射流智能掘进方法，该方法通过建立磨料射流破岩智能数据库，并与岩石颜色相互对应；采用相机捕获掌子面岩样分布特征，划分掌子面不同变胞轮廓线；根据预先钻孔结果与智能数据库数据以及掌子面不同变胞轮廓线位置，利用旋转磨料水射流钻取变胞中心孔；利用双股磨料水射流旋转切除岩石，后利用单股磨料水射流切割残余硬岩。该方法的使用涉及掌子面图像识别与智能数据库，但隧道内粉尘多光线弱，图像识别的精准度难以把控。径向喷嘴切割能力把控不直观，岩石是否切穿难以判断，并且在磨料水射流中，易出现单孔堵塞情况。利用双股磨料水射流在孔内旋转切除岩石时，为保证切割范围，切割路径多处重合，影响效率。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种基于射流切割的隧道掘进掌子面开挖方法，其能够充分利用地应力与岩块的自重，减小岩块掉落所需切割深度，增加喷嘴移动速度，提升整体的掘进开挖效率；且利用射流进行切割，能够有效克服不良地质条件地层给刀具带来的损伤，降低施工成本。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
3、一种基于射流切割的隧道掘进掌子面开挖方法，其包括如下步骤：
4、s1，在作业区域内，采用射流切割装备在不同的喷嘴移动速度下对掌子面进行切割试验，得到不同喷嘴移动速度下的切割深度；
5、s2，对掌子面进行区域划分，得到若干个工作区域；射流切割装备的喷嘴喷射的射流沿工作区域的预设轮廓线移动，切割岩体形成切割轮廓线；
6、s3，由上至下逐层切割、剥落工作区域内的岩块，单个岩块的切割、剥落包括：喷嘴先以斜向上切割的方式沿岩块下方预设水平路径进行切割，得到斜向上切割面；然后喷嘴以斜向下切割的方式沿岩块上方预设水平路径进行切割，得到斜向下切割面；所述斜向上切割面与斜向下切割面相交，使得岩块剥落并脱离工作区域。
7、进一步，所述斜向下切割面的设计切割深度b1满足0.8b≤b1≤0.9b，式中，b为斜向上切割面的设计切割深度。
8、进一步，所述s2中工作区域的预设轮廓线包括掌子面外沿实际轮廓线和若干根位于掌子面内的分隔轮廓线。
9、进一步，所述掌子面外沿实际轮廓线的确定包括：
10、确定并求解得到隧道的映射函数：式中，ω(ζ)为映射函数；k为正整数；ck为第k项与隧道断面尺寸相关实系数，ζ为保角映射平面，ζ平面上点的坐标ζ＝ξ+η＝ρeiθ，ξ为纵轴，η为横轴，i为虚数单位，ρ为单位圆半径，θ为单位圆上某点与坐标原点的连线与ξ轴之间的夹角；
11、依据计算式计算得到围岩内边界的位移分量uρ和uθ，式中，g为剪切弹性模量，к＝3-4μ，μ为围岩的泊松比，和ψ(ζ)为未支护隧道的应力解析函数；
12、
13、式中，p为隧道模型在无穷远处所受压力，λ为侧压系数，σ＝ζ，sk为第k项的实系数，aj为第j项的实系数，为ζ平面上单位圆外域的应力解析函数；
14、依据围岩掌子面设计轮廓线和围岩内边界的位移分量uρ和uθ确定掌子面外沿实际轮廓线。
15、进一步，所述掌子面内的分隔轮廓线根据围岩特性、射流切割装备和掌子面的尺寸进行综合确定。
16、进一步，喷嘴斜向上切割或斜向下切割时，喷嘴喷射的射流与掌子面之间的入射角为30～60°。
17、进一步，喷嘴斜向上切割或斜向下切割时，喷嘴喷射的射流与掌子面之间的入射角为45°。
18、进一步，所述切割轮廓线的切割深度d满足1.4b≤d≤1.6b，式中，b为斜向上切割面的设计切割深度。
19、本专利技术的有益效果：
20、1、本专利技术采用斜向切割方式实现岩块的切割、剥落，充分利用地应力与岩块的自重，减小岩块掉落所需切割深度，增加喷嘴移动速度，提升整体的掘进开挖效率，利用射流进行切割，能够有效克服不良地质条件地层给刀具带来的损伤，不需要刀盘及滚刀，降低了施工成本。
21、2、本专利技术充分利用射流切割对围岩的低损伤和低扰动特性，自适应性强，有效控制隧道围岩岩爆或者大变形的发生，切割轮廓线平整，通过地应力和围岩特性计算轮廓线范围，有效减少超欠挖，控制工程成本；
22、3、本专利技术充分利用射流切割装备的切割能力，无重复切割路径，从第三轮切割开始，切割落岩均为长方体条形，长方体条形岩块截面的宽度则为设计切割深度，保证了最短的切割路径和最大块度的落岩，提升了掘进开挖效率。
23、4、本专利技术具体岩块切割遵循先下后上原则，避免了落岩砸到喷嘴和射流切割装备，只使用直喷嘴切割，保证了切割能力和切割效果的直观和精准把控。
24、5、本专利技术切割路径设计简单，环境适应性更强，可针对围岩等级较低的大断面隧道或装备工作高度受限的无法进行全断面法开挖的情况，设计分区域开挖切割，扩大了射流切割的应用场景范围。
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1.一种基于射流切割的隧道掘进掌子面开挖方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于射流切割的隧道掘进掌子面开挖方法，其特征在于：所述斜向下切割面的设计切割深度B1满足0.8B≤B1≤0.9B，式中，B为斜向上切割面的设计切割深度。
3.根据权利要求1所述的基于射流切割的隧道掘进掌子面开挖方法，其特征在于：所述S2中工作区域的预设轮廓线包括掌子面外沿实际轮廓线和若干根位于掌子面内的分隔轮廓线。
4.根据权利要求3所述的基于射流切割的隧道掘进掌子面开挖方法，其特征在于：所述掌子面外沿实际轮廓线的确定包括：
5.根据权利要求3所述的基于射流切割的隧道掘进掌子面开挖方法，其特征在于：所述掌子面内的分隔轮廓线根据围岩特性、射流切割装备和掌子面的尺寸进行综合确定。
6.根据权利要求1所述的基于射流切割的隧道掘进掌子面开挖方法，其特征在于：喷嘴斜向上切割或斜向下切割时，喷嘴喷射的射流与掌子面之间的入射角为30～60°。
7.根据权利要求1所述的基于射流切割的隧道掘进掌子面开挖方法，其特征在于：喷嘴斜向上
8.根据权利要求1所述的基于射流切割的隧道掘进掌子面开挖方法，其特征在于：所述切割轮廓线的切割深度D满足1.4B≤D≤1.6B，式中，B为斜向上切割面的设计切割深度。
...【技术特征摘要】
1.一种基于射流切割的隧道掘进掌子面开挖方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于射流切割的隧道掘进掌子面开挖方法，其特征在于：所述斜向下切割面的设计切割深度b1满足0.8b≤b1≤0.9b，式中，b为斜向上切割面的设计切割深度。
3.根据权利要求1所述的基于射流切割的隧道掘进掌子面开挖方法，其特征在于：所述s2中工作区域的预设轮廓线包括掌子面外沿实际轮廓线和若干根位于掌子面内的分隔轮廓线。
4.根据权利要求3所述的基于射流切割的隧道掘进掌子面开挖方法，其特征在于：所述掌子面外沿实际轮廓线的确定包括：
5.根据权利要求3所述的基于射流切割的隧道掘...
【专利技术属性】
技术研发人员：夏彬伟，张思松，陆朝晖，汤积仁，葛兆龙，刘文川，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：
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