[发明专利]用于复合地层盾构掘进的水压伸缩式超前电爆破岩装置

说明书

一种用于复合地层盾构掘进的水压伸缩式超前电爆破岩装置，实现软硬不均复合地层盾构隧道全断面掘进快速利用电爆进行超前精准控制破岩，包括超前先导器、V形射水器、耐压弹性伸缩套、伸缩拉伸铜丝、引流导电铜棒、射水孔（7）、放电预留孔、超前助推管、绝缘电流导线、水压增压控制器、储水箱（14）、压力伸缩控制器、高压储能放电系统、水、超前钻探孔；其中：超前先导器内设射水孔、放电预留孔，对载入能量的超前钻探孔进行堵塞；超前先导器与超前助推管连接，超前助推管为中空的圆柱形管，超前助推管的管径与超前先导器相同；超前助推管往超前钻探孔的孔底方向移动，直至将超前先导器放置在预定的破岩位置并堵塞探孔；等等。

技术领域

本申请属于复合地层盾构掘进时电爆破碎硬岩的技术领域。

背景技术

复合地层是指在盾构的开挖延伸方向和开挖面范围出现两种或两种以上地层，包括软硬不均地层、全断面灰岩或花岗岩、松散砂卵石、软土地层等，具有工程水文地质和岩土物理力学参数相差悬殊的特征，是沿海城市地铁建设过程中遇到的最大难题之一。盾构在复合地层中掘进，特别是处于因中风化、微风化岩层侵入强风化岩层而形成的软硬不均硬岩复合地层，经常造成盾构滚刀磨损严重，包括偏磨、刀圈松动、刀齿脱落和断裂、轴承损坏、合金头掉落、安装螺栓断裂变形等，致使盾构推进速度慢，安全风险大，设备损耗严重，延误工期。为满足软硬不均硬岩复合地层盾构掘进中的破岩能力，建设、设计、施工和监理等单位均会根据地质情况开展盾构机刀盘和刀具的配置研究，以选择合适的施工方式，降低对刀具的损坏。由于受当前地质勘测技术的限制，岩土工程勘察中获取的盾构掘进区间的物理力学参数均是静态的力学参数，没有考虑盾构掘进是处于应力场、渗流场和温度场多场耦合的真实赋存地质环境，也没有考虑盾构机推进系统和回转系统联合带动刀盘旋转切削岩土的动态力学环境，因而在盾构机的刀盘、刀具配置选择和过硬岩地层的处治方案制定时，都忽略了应力、渗流、温度和动态切削等因素对盾构带来的影响，致使复合地层硬岩施工时所选的盾构机震动剧烈、刀具磨损快、推进速度慢，致使刀具更换频繁，设备和机具损耗大、施工成本高、工效低。

现有关于盾构过软硬不均硬岩复合地层的主要方法有盾构法与矿山法结合、盾构法与地面预处理结合、盾构直接掘进过全断面岩层。盾构法与矿山法结合施工时，需要隧道拱顶的岩土层有一定的厚度同时要具有自稳、隔水能力，否则需进行超前加固，这对盾构穿越处于城市中心的历史文物、既有线路、古旧建筑物等敏感区段时，因炸药潜在危险系数大和振动、飞石、冲击波会使既有结构破坏和人体身心受到影响致其应用受到限制。盾构法与地面预处理结合，主要是通过在地面或隧道内进行预加固地层或降低硬岩的完整性，包括冲孔桩机破岩、竖井开挖清除硬岩、地面钻孔爆破等，为盾构直接掘进创造条件，但是这些方法均易受施工场地限制，且竖井开挖工程量巨大，开挖竖井稳定性不易控制，易引发岩土体坍塌，而冲孔破碎需综合利用铣槽机、成槽机、旋挖钻、冲击锤等，钻头损耗大，费用高、工期长。盾构直接掘进过全断面岩层，是一种最理想的掘进方式，但是硬岩的强度指标目前一般采用岩石天然单轴抗压强度，由于盾构掘进区域的岩体的真实赋存环境是应力场、渗流场和温度场多场耦合的动态环境，单凭一个指标很难实现对硬岩坚硬程度的精准判定，加之不同盾构机品牌、不同刀具配置等均会影响盾构的掘进效率，因而使盾构直接掘进工效低下，刀具损耗量大，泡沫耗材多，致使施工成本大幅增加。

综上所述，目前还没有系统开展复合地层盾构掘进时的电爆破碎硬岩研究，也没有涉及盾构直接掘进过全断面软硬不均地层的水压伸缩式超前电爆破碎硬岩的研究。

发明内容

本申请的目的是，为了克服上述现有技术的不足，提供一种用于复合地层盾构掘进的水压伸缩式超前电爆破岩装置，具有高压放电压力冲击波能量在盾构开挖面前方多维度超前释放、电极先导引流沿面伸缩接触、能量利用率高、振动小、破岩效果好和成本低的特点。

为了实现上述目标，本申请提供了如下技术方案：