发明内容
本发明的目的是克服以往应力释放过程中的盲目钻孔爆破和应力释放效果差的不足,提供一种具备对应力集中部位预测准确、应力解除到位、解除效果检测结果可靠、岩爆防治针对性强以及简单实用、可操作性强和效果好的强岩爆隧洞微震监测与应力解除施工方法。
本发明通过下述技术方案实现:强岩爆隧洞微震监测与应力解除施工方法,包括以下步骤:
(1)首先,安装微震监测系统,并进行微震监测与岩爆预测:
(2)通过微震监测系统得到可能发生岩爆的具体位置、规模及烈度;
(3)根据微震监测系统得到的具体位置、规模及烈度,在隧洞相应的作业面上通过钻具钻出应力解除孔;
(4)将所有应力解除孔均装上炸药并引爆;
(5)对现场进行排险、洒水、降尘处理,然后将矿渣运出;
(6)对作业面进行初步喷射混凝土;
(7)系统布置涨壳式预应力中空注浆锚杆;
(8)敷设钢筋网,并复喷混凝土,整个施工过程结束。
上述方法通过可在洞外全程监控的微震监测技术准确预测出隧洞施工过程岩爆烈度、规模、具体部位,对于现场施工的人员来说,经常可以听到“砰”的一声等声响信号,根据经验可以判断是岩爆,但是并不知道其具体位置,甚至有时候方向可能都会搞错,不同的人听到甚至会有不同的结果,像这种可以听到的岩爆,虽然没有引起塌方,但也说明其岩体内部出现了微破坏或者宏观小破坏,这种破坏多了就容易引起大的破坏,即表现出塌方。为此,必须改变仅凭经验判断治理岩爆的方法,采用本发明可以克服以往不足;针对确定的可能发生的岩爆部位进行爆破应力解除;利用声波探测技术对应力解除效果进行分析;依据应力解除效果,采取合理且具有针对性的防治对策,对隧洞强岩爆段采用涨壳式预应力中空注浆锚杆强化加固围岩。由此,可以达到采用应力解除法人为地提前释放应力,并对其进行针对性治理,并能在钻孔过程中操作,贯穿于整个掘进循环过程,对隧洞开挖循环直线时间影响较小。
上述方法适用于大埋深岩爆隧洞岩爆隧洞水利工程;适用于大埋深高地应力下的公路和铁路交通隧道工程,特别是因为岩爆频发严重影响施工安全及进度的工程区域;适用于大埋深条件下的矿山井巷工程。对地应力高、岩石坚硬,且岩体结构完整的大理岩、花岗岩类的强岩爆隧洞(道)施工,本发明更能显出其极大的优越性。
上述微震监测与岩爆预测原理为:由于岩石介质一般是非均匀的,岩体在宏观破坏前都会产生许多细小的微破裂,而这些微破裂会以弹性能释放的形式产生弹性波。基于岩石这种性质,如果在预估到的岩石因受应力变化从而发生破裂的附近安装微震传感器,则传感器能够接收到岩体弹性波信息的变化,再通过反演就可以得到岩体微破裂发生的时刻、位置和震级,即地球物理学中所谓的“时空强”三要素。根据微破裂的大小、集中程度、破裂密度,可以推断岩石宏观破裂的发展趋势,特别是微破裂分布及其丛集规律(即变形破坏过程局部化现象),这就是岩体微破裂三维空间监测技术原理。对于岩爆地段,当隧道(洞)围岩承受较大的地应力时,其岩体就会出现变形,如果应力达到一定程度,就有可能发生岩爆。如果采用微震监测技术,则能够较为清楚地预测出隧洞施工过程岩爆烈度、规模以及具体部位。由于软岩或土的变形大而破坏时释放的能量小,因此,适合使用变形监测技术。而岩爆一般是硬岩即脆性岩体结构在高应力作用下的渐进破坏诱致突变的过程,变形小但破裂过程释放的能量大,因此,特别适合使用微震监测技术。
上述应力解除爆破原理:人为地解除应力的方法是一种主动破碎隧道(洞)围岩岩体从而合理释放围岩应力的方法。该方法是在预计可能发生岩爆的洞段内,通过钻机进行垂直于掌子面的钻孔施爆工作,造成掌子面内相当深度的地方成为一个破碎带,以减轻掌子面上的压力,从而使岩爆的烈度和影响范围得以降低,即使在具足够大的高应力区内产生突发性的较大岩爆,也会因破碎带的缓冲效应,使其危害程度大为减小,从而保证施工人员的安全,这种人工解除应力的方法还可以产生增大掌子面破裂带宽度的效应,以及产生把高应力峰值从掌子面移动到实体岩石的效应。实施该方法的问题主要是应力解除孔的钻进深度、时间间隔以及装药量等,均需视实际情况而定,一般应确保在掌子面前方至少有几米厚的破碎岩石缓冲带存在。在正常爆破起爆过程中先行起爆应力解除孔,以提前预裂掌子面前方岩体,使掌子面的前方形成一个预先爆破松弛区而改善掌子面前方的围岩应力状态,避免或减缓强烈的能量集中,并可使每一循环开挖能在先期解除过高应力的低应力岩体条件中进行,降低了开挖导致的应力变化程度,消除高应力可能造成的严重影响。
上述张壳式预应力锚喷支护原理:在洞壁喷射混凝土属于面式支护方式,锚杆加固围岩体属于体式支护方式。而隧洞支护常用的是壳体式支护方式,如锚喷支护就是将表层喷混凝土与锚杆加固围岩一起使用,因此,这种联合支护使得这二种支护形式有机结合成一体,大大提高围岩的自身支承能力和喷层的外部支承能力。
进一步的,所述步骤(1)中,微震监测系统的布置安装方案如下:
(1.1)通过多臂钻打出锚杆孔;
(1.2)喷混凝土之前堵住锚杆孔,等喷完混凝土之后将堵塞物拆下,安装传感器;
(1.3)每个断面安装3个传感器,断面之间间距40-50m;
(1.4)在距离作业面100m位置安放主机处理系统和接收分站,传感器和分站之间用通信电缆连接,分站和主机处理系统之间用光纤连接,实现信号传输。
进一步的,所述步骤(3)中,如为中等岩爆等级以下,则应力解除孔的布置方案为:应力解除孔与隧洞轮廓线距离为1.0m,拱部外倾角为15°仰角,周边应力解除孔以10°外插,底排距底板高程2m,中间应力解除孔与洞轴平行布置;如为中等岩爆等级以上,则应力解除孔的布置方案为:掌子面距开挖轮廓线1.2~1.5m圆周上,用地质钻机钻凿与洞轴线平行的应力解除孔,单孔深15m,孔径65mm,布置7个孔。
进一步的,所述步骤(4)中,炸药采用乳化防水炸药,应力解除孔的孔口采用炮泥机制作的炮泥封堵。
进一步的,所述步骤(6)中,初步喷射的混凝土为C30钢纤维砼。
进一步的,所述步骤(7)中,涨壳式预应力中空注浆锚杆的施工方法如下:
(7.1)在岩爆洞段进行多臂钻预应力锚头安装钻孔作业,钻孔成形并彻底清孔后,将安装有涨壳锚头的杆体直接插入成孔底部;
(7.2)安装后必须用力预紧杆体,保证锚头顶端与孔底部紧贴并左旋锚杆体直至旋紧后,再安装止浆塞、垫板、螺母;
(7.3)锚杆张拉至规定值;
(7.4)注浆。
优选的,所述步骤(7.4)具体为:
(7.4.1)将注浆机推入现场,接好注浆管及电源;
(7.4.2)按设计配合比搅拌好浆液,并将其倒入注浆机中;
(7.4.3)开动注浆机,浆液注入锚孔中,直到锚杆尾端流出浆液且注浆压力达到设计值为止;
(7.4.4)取下注浆接头,进行下一根锚杆注浆,直到所有锚杆注浆完毕;
(7.4.5)清洗设备。
优选的,所述复喷的混凝土为C25砼。
本发明与现有技术相比,具有的优点及有益效果为:能够克服以往应力释放过程中的盲目钻孔爆破和应力释放效果差的不足,具备对应力集中部位预测准确、应力解除到位、解除效果检测结果可靠、岩爆防治针对性强以及简单实用、可操作性强和效果好等特点。
实施例:
本实施例公开了一种强岩爆隧洞微震监测与应力解除施工方法,主要为了克服克服以往应力释放过程中的盲目钻孔爆破和应力释放效果差的不足,并且具备对应力集中部位预测准确、应力解除到位、解除效果检测结果可靠、岩爆防治针对性强以及简单实用、可操作性强和效果好等特点,整个施工步骤如图1所示。
首先,安装微震监测系统,并进行微震监测与岩爆预测。微震监测系统主要功能如下:
(1)实时、连续地采集现场产生的各种触发或连续的微破坏信号数据,及时定位微破坏的时、空分布规律,分析潜在大破坏的可能性;
(2)有条件的地方可以通过远程无线传输系统,实现微震数据远程无线传输,允许用户在世界各地随时查看从远程站点采集到的数据信息;
(3)自动记录、显示并永久保存微震事件的波形数据;
(4)系统采集震源的自动与人工双重拾取,可进行震源定位校正与各种震源参数计算,并实现事件类型的自动识别;
(5)可利用软件的滤波处理器、阈值设定与带宽检波功能等多种方式,修正事件波形并剔除噪声事件;
(6)利用批处理手段可处理多天产生的数据列表;
(7)配置的MMS-View可视化分析软件可导入待监测范围内的硐室、巷道、边坡等几何三维图形,提供可视化三维界面,实时、动态地显示产生的微震事件的时空定位、震级与震源参数等信息,并可查看历史事件的信息及实现监测信息的动态演示;
(8)在交互式三维显示图中,可进行事件的重新定位;
(9)可选择用户设定事件范围内的、所需查看的各种事件类型,并输出包括事件定位图、累积事件数以及各种震源参数的MSWord或MSExcel报告,用户可根据需要查看事件信息。
(10)可视化软件MMS-View是大连力软(Mechsoft)公司专为ESG微震监测仪研究开发的微震数据可视化分析软件,可实现数据的远程传送,也可更直观地演示地层内部的微破裂的时空分布规律。配置MMS-View的微震监测系统有助于工程师对微震活动的演化规律做出预测。有效的对边坡、隧道、矿山、大坝等岩质或混凝土工程结构稳定性监测与分析。
微震监测系统布置安装方案,具体如下:
(1)为尽量减少对施工方正常工作产生的影响,选择主要利用多臂钻打的锚杆孔来安装传感器的办法;
(2)喷混凝土之前用特制堵塞物堵住计划安装传感器的锚杆孔,等喷完混凝土之后将堵塞物拆下,安装传感器;
(3)条件允许的情况下,每个断面安装3个传感器,断面之间间距40-50m,根据现场情况灵活调整,但尽量保证4个以上传感器正常工作且间距不能太小;
(4)在距离作业面100m位置安放主机处理系统和接收分站,传感器和分站之间用通信电缆连接,分站和主机处理系统之间用光纤连接,实现信号传输。
微震监测系统安装前的准备工作:为了使整套设备的安装能够顺利进行,需要准备以下物品:笔、悬挂标签、稳压器、5类网线、多功能插排、UPS、手套、螺丝刀、标签纸、胶带、真空脂、快速锚杆凝固剂、尾纤、HUB、对讲机、网线水晶头等,具体数量和标准视现场安装情况而定。
微震监测系统的安装方法:
(1)主机工作室
原则上主机工作室应该保持相对封闭状态,室内温度不应大于40℃,无大的噪声、震动,防水防潮,防杂电、电火花、高压电,防强磁干扰,以及防爆破产生的烟雾、粉尘等。由于排水洞现场情况比较复杂不可能完全满足以上要求,只能尽可能多的满足。
(2)供电
需要为主机工作室里面的主机处理系统和监测分站提供220VAC,假如现场电压不稳定,还需要一个稳压器,以保证系统能够正常运行。受现场供电条件限制,必须考虑到电源线的合理布设问题,以满足系统对供电的要求。
(3)钻孔
为了达到顺利安装和拆卸回收传感器,钻孔的直径定为40mm左右;钻孔的深度为2.5m;为了便于安装传感器和防止孔内积水影响监测效果,孔的倾角为70°。施工时,需按设计方案位置钻孔,根据现场实际情况,可以对传感器的钻孔位置稍作调整。传感器安装于孔底,安装传感器前应全面检查孔底成孔情况,包括:位置、孔深、仰角、孔光滑度,钻孔之后必须用水把孔内的岩石残渣冲刷干净。钻孔之后,量测实际钻孔的准确孔口三维坐标,并通过几何计算获得各个孔底的三维坐标。这些孔底坐标要输入系统软件参与定位计算,将会直接影响到最后的微震事件定位,所以,测量和计算数据需要尽量准确。另外,传感器将安装于孔底的灌浆柱头螺栓上,须使用锚杆树脂固定传感器,并耦合紧密。之后,按顺序安装好传感器,附带柱头螺栓(螺栓与垫圈)和纸杯。由于微震活动随着掘进活动的进行而不断改变,为了以后能重复利用传感器,该系统采用可回收式安装。安装传感器前,应在钻孔口测试传感器,确保传感器工作正常。用快速凝固树脂固定到孔底,利用安装杆安装,把传感器电缆穿过传感器安装工具的孔,用安装杆将传感器滑向钻孔底部,并固定4~5分钟;等树脂凝固后,小心移出安装杆和工具,最后把传感器连接到通信电缆上。
(4)布线
通信电缆根据现场情况,在不影响其掘进的情况下,选择合适的方式悬挂敷设,敷设高度适宜,易于移动、维修、更换,传感器安装处视现场环境预留一定长度的线缆,约10m。电缆布设时,应不损坏电缆的外皮,尽量避免靠近电力电缆,避免过往行人、车辆的刮蹭,减小爆破作业等活动对电缆的影响。现场安装的时候,也应该注意各种线缆和转换设备的连接对应关系和连接注意事项等。
然后,通过微震监测系统得到可能发生岩爆的具体位置、规模及烈度;当通过微震监测技术预测出隧洞掘进前方岩爆烈度以及规模后,为使最大限度预防或降低岩爆灾害,必须对其进行应力解除等治理。通过理论分析并经现场试验得出,中等岩爆等级以下采用短距离应力解除爆破的方案(4m)以及中等以上的强岩爆地段采用长距离垂直超前孔方案(15m)较为合理,其爆破主要参数必须结合实际情况确定。
中、弱岩爆段岩爆应力解除爆破:中、弱岩爆段岩爆应力解除爆破的爆破孔布置,孔与隧洞轮廓线距离为1.0m,拱部外倾角为15°仰角,周边应力解除爆破孔以10°外插。底排距底板高程2m,中间孔与洞轴平行布置。应力解除爆破孔深4m,采用多臂钻钻孔,底部1.4m长度装Φ32mm药卷,炸药采用乳化防水炸药,孔口采用炮泥机制作的炮泥封堵,确保封堵密实。应力解除爆破孔达到爆破掘进进尺2倍以上,以超过2.5倍时安全性高,故确定爆破开挖进尺确定为1.8m,预留应力解除缓冲区域,确保施工安全。施工过程中根据应力解除效果进行调整,在确保施工安全的前提下,提供进尺,加快施工循环,保证工期目标。
中等以上的强岩爆地段应力解除爆破:中等以上的强岩爆地段采用长距离垂直超前孔方案(15m),在掌子面距开挖轮廓线1.2~1.5m圆周上,用地质钻机钻凿与洞轴线平行的超前应力释放爆破孔,单孔深15m,孔径65mm,布置7个孔。
接着,对现场进行排险、洒水、降尘处理,然后将矿渣运出;对现场进行排险、洒水、降尘处理,然后将矿渣运出;对作业面进行初步喷射C30钢纤维砼。
在通过微震监测得到可能发生岩爆的具体位置、规模及烈度并通过爆破方法进行应力解除释放部分应力后,再依据声波测试获得围岩应力重新分布后的围岩情况,对岩爆区段进行进一步处理,其中张壳式预应力中空注浆锚杆可以较好地控制住围岩的变形与应力分布,从而保证降低岩爆发生几率和烈度。
声波法检测的基本原理:由超声脉冲发射源向介质内发射高频弹性脉冲波,并用高精度的接收系统记录该脉冲波在岩体内传播过程中表现的波动特性;当岩体内存在不连续或破损界面时,形成波阻抗界面,波到达该界面时,产生波的透射和反射,使接收到的透射波能量明显降低;当岩体内存在松散、裂隙、结构面和孔洞等严重缺陷时,将产生波的散射和绕射;根据波的初至到达时间和波的能量衰减特性、频率变化及波形畸变程度等特征,可以获得测区范围内介质的纵波速度和密实度等参数。从而分析判断爆破引起的松弛层范围和深度。
涨壳式预应力中空注浆锚杆施工流程与工艺如图2所示:首先在岩爆洞段进行多臂钻预应力锚头安装钻孔作业,钻孔成形并彻底清孔后,将安装有涨壳锚头的杆体直接插入成孔底部;安装后必须用力预紧杆体,保证锚头顶端与孔底部紧贴并左旋锚杆体直至旋紧后,再安装止浆塞、垫板、螺母;锚杆张拉。
锚杆张拉前进行原位试验,通过试验确定合理的张拉工艺,验证张拉指标,避免强行张拉。
采用穿心式千斤顶、拉伸机、扭力扳手等机具进行张拉,张拉前对张拉设备进行率定。张拉过程中保持锚杆轴向受力,必要时在托板和螺帽之间设置球面垫圈。
预应力锚杆正式张拉前,取20%设计张拉荷载,对其预张拉1~2次,使其各部位接触紧密。
预应力锚杆正式张拉,张拉至设计荷载的105~110%,再按规定值进行锁定。
预应力锚杆锁定后48h内,若发现预应力损失大于锚杆设计值的10%时,进行补偿张拉。
张拉力的大小必须满足设计要求。张拉锚杆拧紧螺帽的扭矩不小于100Nm。
托板安装后,定期检查其紧固情况,如有松动,及时处理。
对于间距较小的锚杆群,注意锚杆张拉时的相互影响。
所有张拉机具定期进行校验。
注浆的目的是使浆液包裹预应力锚杆体,有效地防止杆体锈蚀致使锚杆失效;同时,浆液充填裂隙,改良围岩。所以,注浆必须注意质量,保证注浆饱满,采用配套的专用注浆机和注浆接头,以保证整个预应力锚固体系的有效性。
考虑到预应力锚杆注浆的目的主要在于防止杆体锈蚀,以及充填裂隙,改良围岩,故采用具有良好渗透性的纯水泥浆进行注浆。
注浆在张拉结束后即进行,具体步骤:将注浆机推入现场,接好注浆管及电源→按设计配合比搅拌好浆液,并将其倒入注浆机中→开动注浆机,浆液注入锚孔中,直到锚杆尾端流出浆液且注浆压力达到设计值为止→取下注浆接头,进行下一根锚杆注浆,直到所有锚杆注浆完毕→清洗设备。
最后,敷设钢筋网,并复喷C25砼,整个施工过程结束。
采用本发明公开的方法对岩爆的防治由以前的被动转为主动,可以较为准确地判断岩爆的位置、烈度和规模,在进一步采取爆破技术进行应力解除后可大大降低强岩爆的破坏强度,为后续施工生产的安全稳步推进奠定坚实基础。实践表明,本发明可以很准确地对岩爆发生位置、几率、规模以及烈度进行预测,并且准确率非常高。采取微震监测、爆破应力解除以及合理支护等防治技术和施工方法,可以有效地防止岩爆或在岩爆发生后保证施工操作人员及设备不被岩爆掉块或石块飞溅伤害,并能够保证隧洞围岩稳定和地下结构安全,同时可以获得显著经济效益。
就实际应用于锦屏二级电站隧洞群工程来看,采用本发明后获得了极大的直接和间接的经济效益和社会效益。
一是为整个隧洞工程提前70天完成任务,按每天发电直接效益达近3000万元,为国家间接创造了近2亿财富,为此我单位获得了多次提前完成节点目标奖;
二是施工企业生产进度大大超前,累计创造良好的经济效益,节约单位的管理费用上千万;
三是避免和减少了由于岩爆的危害导致施工生产的停工、窝工现象、最大程度避免了人身伤害,获得了极大的安全效益;
四是取得了良好的社会效益。通过对施工过程中遇到的各种问题的进行分析、处理,采取应对措施,培养出一大批优秀的施工技术人员,这项施工技术在锦屏电站项目取得了成功的经验,受到多方表扬,提高了企业知名度,创造了良好的社会信誉。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明做任何形式上的限制,凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化,均落入本发明的保护范围之内。