CN103711494B - 一种深埋硬岩隧道岩爆诱发底板开裂和抬升的防治方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深埋硬岩隧道岩爆诱发底板开裂和抬升的防治方法，预测有极强岩爆或强烈岩爆发生时，在隧道上台阶掌子面钻取上台阶掘进爆破孔和上台阶应力解除爆破孔；布置下台阶应力解除爆破孔；对上台阶掘进爆破孔和上台阶应力解除爆破孔进行装药；隧道下台阶应力解除爆破孔装药；采用高精度毫秒雷管依次起爆上台阶应力解除爆破孔、下台阶应力解除爆破孔和上台阶掘进爆破孔，出渣并完成支护。本发明在后续开挖的下台阶底部围岩中产生一个破碎带，形成一个低弹性区，使高应力集中转移至隧道底部更深围岩内，大大降低了岩体应力体中区域的能量水平，有利于防止隧道上台阶开挖过程中底板开裂和抬升。

Description

一种深埋硬岩隧道岩爆诱发底板开裂和抬升的防治方法

技术领域

本发明属于隧道施工领域，具体涉及一种深埋硬岩隧道岩爆诱发底板开裂和抬升的防治方法，适用于矿山、交通、水利水电等深埋硬岩隧道工程。

背景技术

岩爆是高应力条件下，在开挖或其它外界扰动下聚积在岩体中的弹性变形势能突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象，是深埋硬岩大断面隧道最常见的一种动力型灾害，它往往以“突然袭击”的方式，使隧道工程发生灾害性破坏，不仅严重威胁施工人员及设备的安全，影响施工进度，而且还会造成工程超挖、初期支护失效，严重时甚至诱发地震。为了降低或消除岩爆风险，深埋硬岩大断面隧道经常采用台阶法开挖，而尤以上下台阶法开挖居多。一般地，深埋隧道上台阶开挖后，针对底板以上范围，往往会及时施加喷锚支护，增强围岩抗冲击能力，进而降低或消除隧道底板以上范围发生岩爆的风险。然而，由于隧道上台阶底板需在后续下台阶开挖中进行扩挖以达到隧道设计断面尺寸，隧道底板未能采用喷锚支护来防治岩爆灾害。另外，由于隧道上台阶底板以上范围及时加强了喷锚支护，围岩变形得到了有效抑制，围岩内聚积大量弹性应变能因无法得到释放而向无支护或支护薄弱的拱脚边墙和底板转移，进而在这些区域形成高应力集中。当深埋隧道上台阶掌子面继续向前推进时，在开挖扰动作用下，聚积于这些区域的弹性应变能往往会发生突然释放而引发岩爆，进而诱发底板开裂和抬升现象。如某深埋隧道群在上台阶开挖过程中，发生多次由岩爆诱发的底板开裂和抬升现象，最为典型的有，2^#隧道里程桩号11020-11050m发生强烈岩爆，导致底板产生多条裂缝，其中一条与隧道轴向近似垂直，在横向上贯穿隧道，最大裂缝宽度达10cm；3^#隧道里程桩号5730-5790m发生强烈岩爆，致使底板发生抬升并产生两条沿隧道走向展布的裂缝；4^#隧道里程桩号6010-6025m发生极强岩爆，造成底板抬升，最高处达2m。深埋隧道底板开裂和（或）抬升不仅给隧道带来大量的维修工作，增加维护费用，加大后续下台阶扩挖的难度，而且还影响隧道施工安全和施工进度，严重时甚至摧毁整个隧道工程。

目前，国内外的岩爆防治方法主要是针对深埋隧道掌子面岩爆提出的（中国专利公开号CN101270967 B，单治钢，“应力解除爆破法”；《铁道建筑技术》，2012年第11期，李臣智，“深埋高地应力引水隧道应力解除爆破施工技术应用”；《东北水利水电》，2008年第11期，侯永和，“超前爆破应力解除法及其应用”）。而在世界范围内，深埋硬岩大断面隧道建设中尚未建立一种有效的防治岩爆诱发底板开裂和抬升的方法，在国内，也未见相关文献报道。

发明内容

本发明的目的是针对深埋大断面硬岩隧道上台阶开挖过程遇到的因岩爆而引发底板开裂和抬升的问题，提供一种深埋硬岩隧道岩爆诱发底板开裂和抬升的防治方法，确保隧道施工安全和加快工程施工进度。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种深埋硬岩隧道岩爆诱发底板开裂和抬升的防治方法，

步骤1、预测有极强岩爆或强烈岩爆发生时，在隧道上台阶掌子面钻取上台阶掘进爆破孔和上台阶应力解除爆破孔，上台阶爆破循环进尺控制在1.5-2.5m；上台阶应力解除爆破孔布置在掌子面前方应力集中区以内，孔深须达到或穿过应力集中区，上台阶应力解除爆破孔的数目和孔径根据应力集中区范围确定；

步骤2、布置下台阶应力解除爆破孔，所有下台阶应力解除爆破孔的孔口位于上台阶底板上方1m处，下台阶应力解除爆破孔的孔底位于下台阶的开挖底板处，下台阶应力解除爆破孔在下台阶的开挖底板上投影的长度为1.5L，L为爆破循环进尺，两个最外侧的下台阶应力解除爆破孔的孔口距开挖边墙距离分别为1m，两个最外侧的下台阶应力解除爆破孔的孔底朝开挖边墙外倾，两个最外侧的下台阶应力解除爆破孔在下台阶的开挖底板上的投影与开挖边墙之间的夹角α为30-35度，下台阶应力解除爆破孔的孔直径为40-50mm，除两个最外侧的下台阶应力解除爆破孔之外的孔间距为1.5m；

步骤3、对上台阶掘进爆破孔和上台阶应力解除爆破孔进行装药；隧道下台阶应力解除爆破孔底部装药，药卷直径为32mm；

步骤4、采用高精度毫秒雷管依次起爆上台阶应力解除爆破孔、下台阶应力解除爆破孔和上台阶掘进爆破孔，出渣并完成支护；

步骤5、重复上述步骤直到通过岩爆段。

本发明的有益效果是：在深埋隧道上台阶开挖过程中采取上述措施后，在后续开挖的下台阶底部围岩中产生一个破碎带，形成一个低弹性区，使高应力集中转移至隧道底部更深围岩内，大大降低了岩体应力体中区域的能量水平，有利于防止隧道上台阶开挖过程中底板开裂和抬升，从而确保了隧道施工安全和加快了工程的施工进度。

附图说明

图1是隧道上台阶开挖沿隧道轴线方向剖视图。

图2是图1的A-A向剖视图。

图3是图1的B-B向剖视图。

附图中：L为一次爆破循环进尺；1－隧道上台阶，2－隧道下台阶，3－掌子面， 4－应力解除爆破孔。

具体实施方式

本发明的实施例以采用上下台阶法开挖的深埋大断面硬岩隧道工程为例加以说明，其中隧洞开挖洞径为13m，上台阶开挖断面宽和高分别为13m、8m；

所述极强岩爆是指爆坑深度大于3m的岩爆，

所述强烈岩爆是指爆坑深度为1~3m的岩爆；

所述高精度毫秒雷管起爆是指采用毫秒延期雷管，以毫秒级时差顺序起爆各个炮孔中的炸药。

实施例1：对于极强岩爆洞段，一种深埋硬岩隧道岩爆诱发底板开裂和抬升的防治方法，具体包括以下步骤：

步骤1、预测有极强岩爆发生时（冯夏庭, 岩爆孕育过程的机制、预警与动态调控[M].科学出版社, 2013.），在隧道上台阶掌子面钻取上台阶掘进爆破孔和上台阶应力解除爆破孔，上台阶爆破循环进尺控制在1.5-2m；上台阶应力解除爆破孔布置在掌子面前方应力集中区以内，孔深须达到或穿过应力集中区，爆破孔的数目和孔径根据应力集中区范围确定，应满足爆破后能够形成有效应力释放区的要求，以转移应力至围岩深部但又不过分损伤岩体而造成支护工作量增加为原则；

步骤2、布置下台阶应力解除爆破孔，所有下台阶应力解除爆破孔的孔口位于上台阶底板上方1m处，下台阶应力解除爆破孔的孔底位于下台阶的开挖底板处，下台阶应力解除爆破孔在下台阶的开挖底板上投影的长度为1.5L，L为爆破循环进尺，两个最外侧的下台阶应力解除爆破孔的孔口距开挖边墙距离分别为1m，两个最外侧的下台阶应力解除爆破孔的孔底朝开挖边墙外倾，两个最外侧的下台阶应力解除爆破孔在下台阶的开挖底板上的投影与开挖边墙之间的夹角α为30-35度，下台阶应力解除爆破孔的孔直径为40-50mm，除两个最外侧的下台阶应力解除爆破孔之外的孔间距为1.5m；

步骤3、对上台阶掘进爆破孔和上台阶应力解除爆破孔进行装药，上台阶应力解除爆破孔装药量应满足爆破后能够形成有效应力释放区，转移应力至围岩深部但又不过分损伤岩体而造成支护工作量增加；隧道下台阶应力解除爆破孔底部2m深度范围内装药，药卷直径为32mm；

步骤4、采用高精度毫秒雷管依次起爆上台阶应力解除爆破孔、下台阶应力解除爆破孔和上台阶掘进爆破孔，出渣并完成支护；

步骤5、重复上述步骤直到通过极强岩爆段。

采取如上所述技术方案后，在深埋隧道上台阶开挖过程中，向后续开挖的下台阶进行超前应力解除松动爆破，形成一定厚度的破碎带，使隧道底板中的高应力得以提前释放，进而达到防治隧道岩爆诱发底板开裂和抬升的目的。某深埋隧道群4^#隧道里程桩号6010-6025m在上台阶开挖过程中发生极强岩爆，引发底板抬升，最高处达2m。轴线距仅60m的3^#隧道在与其相对应的区域进行上台阶开挖时，由于采取了如上所述的技术方案，对后续开挖的下台阶进行了超前应力解除松动爆破，有效地解决了隧道岩爆诱发底板开裂和抬升的问题，安全顺利地通过了极强岩爆区，确保了施工安全和加快了工程施工进度。

实施例2：对于强烈岩爆洞段，一种深埋硬岩隧道岩爆诱发底板开裂和抬升的防治方法，具体包括以下步骤：

步骤1、预测有强烈岩爆发生时（冯夏庭, 岩爆孕育过程的机制、预警与动态调控[M].科学出版社, 2013.），在隧道上台阶掌子面钻取上台阶掘进爆破孔和上台阶应力解除爆破孔，上台阶爆破循环进尺控制在2-2.5m；上台阶应力解除爆破孔布置在掌子面前方应力集中区以内，孔深须达到或穿过应力集中区，爆破孔的数目和孔径根据应力集中区范围确定，应满足爆破后能够形成有效应力释放区的要求，以转移应力至围岩深部但又不过分损伤岩体而造成支护工作量增加为原则；

步骤2、布置下台阶应力解除爆破孔，所有下台阶应力解除爆破孔的孔口位于上台阶底板上方1m处，下台阶应力解除爆破孔的孔底位于下台阶的开挖底板处，下台阶应力解除爆破孔在下台阶的开挖底板上投影的长度为1.5L，L为爆破循环进尺，两个最外侧的下台阶应力解除爆破孔的孔口距开挖边墙距离分别为1m，两个最外侧的下台阶应力解除爆破孔的孔底朝开挖边墙外倾，两个最外侧的下台阶应力解除爆破孔在下台阶的开挖底板上的投影与开挖边墙之间的夹角α为30-35度，下台阶应力解除爆破孔的孔直径为40-50mm，除两个最外侧的下台阶应力解除爆破孔之外的孔间距为1.5m；

步骤3、对上台阶掘进爆破孔和上台阶应力解除爆破孔进行装药，上台阶应力解除爆破孔装药量应满足爆破后能够形成有效应力释放区，转移应力至围岩深部但又不过分损伤岩体而造成支护工作量增加；隧道下台阶应力解除爆破孔底部1.5m深度范围内装药，药卷直径为32mm；

步骤4、采用高精度毫秒雷管依次起爆上台阶应力解除爆破孔、下台阶应力解除爆破孔和上台阶掘进爆破孔，出渣并完成支护；

步骤5、重复上述步骤直到通过强烈岩爆段。

采取如上所述技术方案后，在深埋隧道上台阶开挖过程中，向后续开挖的下台阶进行超前应力解除松动爆破，形成一定厚度的破碎带，使隧道底板中的高应力得以提前释放，进而达到防治隧道岩爆诱发底板开裂和抬升的目的。某深埋隧道群2^#隧道里程桩号11020-11050m在上台阶开挖过程中发生强烈岩爆，使底板产生多条裂缝，其中一条与隧道轴向近似垂直，在横向上贯穿隧道，最大裂缝宽度达10cm。轴线距仅60m的1^#隧道在与其相对应的区域进行上台阶开挖时，由于采取了如上所述的技术方案，对后续开挖的下台阶进行了超前应力解除松动爆破，有效地解决了隧道岩爆诱发底板开裂和抬升的问题，安全顺利地通过了强烈岩爆区域，确保了施工安全和加快了工程施工进度。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种深埋硬岩隧道岩爆诱发底板开裂和抬升的防治方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、预测有极强岩爆或强烈岩爆发生时，在隧道上台阶掌子面钻取上台阶掘进爆破孔和上台阶应力解除爆破孔，上台阶爆破循环进尺控制在1.5-2.5m；上台阶应力解除爆破孔布置在掌子面前方应力集中区以内，孔深须达到或穿过应力集中区，上台阶应力解除爆破孔的数目和孔径根据应力集中区范围确定，应满足爆破后能够形成有效应力释放区的要求，以转移应力至围岩深部但又不过分损伤岩体而造成支护工作量增加为原则；

步骤2、布置下台阶应力解除爆破孔，所有下台阶应力解除爆破孔的孔口位于上台阶底板上方1m处，下台阶应力解除爆破孔的孔底位于下台阶的开挖底板处，下台阶应力解除爆破孔在下台阶的开挖底板上投影的长度为1.5L，L为爆破循环进尺，两个最外侧的下台阶应力解除爆破孔的孔口距开挖边墙距离分别为1m，两个最外侧的下台阶应力解除爆破孔的孔底朝开挖边墙外倾，两个最外侧的下台阶应力解除爆破孔在下台阶的开挖底板上的投影与开挖边墙之间的夹角α为30-35度，下台阶应力解除爆破孔的孔直径为40-50mm，除两个最外侧的下台阶应力解除爆破孔之外的孔间距为1.5m；

步骤3、对上台阶掘进爆破孔和上台阶应力解除爆破孔进行装药，上台阶应力解除爆破孔装药量应满足爆破后能够形成有效应力释放区，转移应力至围岩深部但又不过分损伤岩体而造成支护工作量增加；隧道下台阶应力解除爆破孔底部装药，药卷直径为32mm；

步骤4、采用高精度毫秒雷管依次起爆上台阶应力解除爆破孔、下台阶应力解除爆破孔和上台阶掘进爆破孔，出渣并完成支护；

步骤5、重复上述步骤直到通过岩爆段。