CN103742156A - 深埋硬岩隧道贯通前相向改单向掘进时机与方式确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了深埋硬岩隧道贯通前相向改单向掘进时机与方式确定方法，当两个相向掘进掌子面之间的距离为隧道预设倍洞径时在每个掌子面后方布置微震传感器，对监测到的岩体微破裂产生的微震动信号进行分析，测量每个微震传感器安装位置坐标，反演获取岩石微破裂的位置，计算微破裂释放的微震能量及视体积，将两个掌子面之间的所有岩石微破裂位置垂直投影到隧道中心轴线上，计算所有相邻投影点之间的距离，直至所有距离均不大于预定间距，则改相向掘进为单向掘进。本发明降低了岩柱型岩爆风险，同时最大程度的加快了施工进度。选择从微震活动强度较低的掌子面掘进，岩爆风险较低，能进一步降低岩柱型岩爆风险，保证了施工人员及设备的安全。

Description

深埋硬岩隧道贯通前相向改单向掘进时机与方式确定方法

技术领域

本发明涉及隧道贯通前的施工方法，具体涉及深埋硬岩隧道贯通前相向改单向掘进时机与方式确定方法。适用于相向掘进的水利水电、交通等深埋隧道。

背景技术

为了加快施工进度，隧道开挖常采用相向掘进的方式，即从隧道两个相向的方向同时开挖直至贯通。在隧道贯通前，两掌子面同时开挖时会造成两掌子面之间的岩柱应力场和能量叠加，导致岩柱发生剧烈破坏。在深埋硬岩隧道贯通过程中，两掌子面相向掘进则很可能引起岩柱内应变能急剧增加并超过岩柱的承受能力而发生剧烈的冲击破坏，即发生岩柱型岩爆，给施工人员和机械设备带来危害。因此，在隧道贯通前一般将相向掘进方式改为单向掘进，即停止其中的一个掌子面的开挖，从另一个掌子面继续开挖直至贯通。单向掘进能减弱开挖对岩柱的影响，避免岩柱内应变能的叠加，减弱岩柱型岩爆风险。

将相向掘进方式改为单向掘进的时机直接影响施工进度和岩柱型岩爆风险，例如，较早的将相向掘进改为单向掘进，可以较好的避免岩柱内应力场和能量的叠加，降低岩柱型岩爆风险，但会因此耽误施工进度。而合理的时机既能降低岩柱型岩爆风险，又能最大程度的保障施工进度。确定相向掘进改单向掘进时机后，选择哪个一掌子面单向掘进的方式同样十分重要。不同掌子面掘进所存在的风险程度将不同，选择合理的掘进方式可以进一步降低深埋高应力硬岩隧道贯通期间岩柱型岩爆的风险，保证施工安全。国内外针对相向掘进隧道贯通前改单向掘进的时机与方式确定方法研究较少，仅有的相关研究偏重于经验与数值模拟，无技术操作方案。（中国专利公开号：CN101967977A，张春生，“两头掘进深埋隧洞贯通过程中控制岩柱型岩爆的施工方法”；《岩石力学与工程学报》，2012年第10期，冯夏庭，“岩爆孕育过程的动态调控”。）

发明内容

本发明的目的就在于针对现有技术中存在的上述问题，提供深埋硬岩隧道贯通前相向改单向掘进时机与方式确定方法，降低相向掘进隧道贯通期间岩柱型岩爆的风险，保证施工人员及设备的安全，同时最大程度的加快施工进度。

本发明的目的是这样实现的：

深埋硬岩隧道贯通前相向改单向掘进时机与方式确定方法，包括以下步骤：

步骤1、当两个相向掘进掌子面之间的距离为隧道预设倍洞径时，在每个掌子面后方布置至少4个微震传感器，监测两个掌子面相向掘进过程中附近岩体微破裂产生的微震动信号；

步骤2、对监测到的岩体微破裂产生的微震动信号进行分析，提取每个微震传感器监测到的微震动信号的到时，测量每个微震传感器安装位置坐标；

步骤3、根据步骤2中微震动信号的到时和每个传感器安装位置坐标，通过时差定位反演获取岩石微破裂的位置，计算微破裂释放的微震能量及视体积；

步骤4、将两个掌子面之间的所有岩石微破裂位置垂直投影到隧道中心轴线上，计算所有相邻投影点之间的距离，相向掘进直至所有距离均不大于预定间距，则改相向掘进为单向掘进。

如上所述的微震动信号的到时包括微震P波和S波的到时。

如上所述的步骤3中通过时差定位反演获取岩石微破裂的位置包括以下步骤：

以每个微震传感器监测到的微震动信号到时和计算到时的累积残差绝对值和最小为目标函数反演岩体微破裂的位置，计算公式如下：

$f=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}|t_{\mathrm{Pi}}-t_0-\frac{R_i}{V_p}|+\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}|t_{\mathrm{Si}}-t_0-\frac{R_i}{V_S}|$

其中，f为累积残差绝对值，t_Pi和t_Si分别为第i个传感器监测到的微震动信号P波和S波到时，t₀为微震动信号发震时间，V_P和V_S分别为微震P波和S波波速，m为传感器总个数，R_i为第i个传感器到微震源的距离，计算公式如下：

$R_i=\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2+{(z_i-z)}^2}$

其中，(x,y,z)为微破裂的位置坐标，(x_i,y_i,z_i)为第i个微震传感器的坐标。

如上所述的步骤4中，决定采用单向掘进方式时，分别统计两个掌子面后方预定距离至其前方两掌子面中线之间范围内的岩石微破裂数量、释放的微震能量及视体积三个微震参数，选择从三个微震参数均相对较低或两个微震参数相对较低的掌子面掘进。

本发明与现有技术相比，具有以下效果：

（1）基于相向掘进隧道贯通期间全过程微震实时监测数据，选择岩柱内微破裂活动出现相互干扰时作为相向掘进改单向掘进的时机，从岩柱型岩爆的本质原因出发，降低了岩柱型岩爆风险，手段科学，操作可行，同时最大程度的加快了施工进度。

（2）选择从微震活动强度较低的掌子面掘进，微震活动强度较低表明开挖卸荷造成的影响较小，岩爆风险较低，能进一步降低岩柱型岩爆风险，保证了施工人员及设备的安全。

附图说明

图1为高应力硬岩相向掘进隧道岩柱剖面图；

图2为高应力硬岩相向掘进隧道贯通前28m岩柱厚度时微破裂分布图；

图3为高应力硬岩相向掘进隧道贯通前24m岩柱厚度时微破裂分布图；

图4为不同岩柱厚度时微破裂在隧道中心轴线上相邻投影点之间的距离。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步详细的说明：

实施例1：

深埋硬岩隧道贯通前相向改单向掘进时机与方式确定方法，所述方法按以下步骤进行：

1）当两个相向掘进掌子面之间的距离为隧道5倍洞径时，在每个掌子面后方布置至少4个微震传感器，监测相向掘进过程中两掌子面附近岩体发生微破裂时产生的微震动信号。微震传感器通过钻孔埋入式安装，与岩体固定耦合，埋入深度须超过围岩松弛深度。微震传感器的布置方案应有利于微震传感器对微震动信号的采集以及微震源定位。微震传感器与掌子面间隔50-150m，防止距离太近掌子面开挖对微震传感器造成损坏，太远则超出微震传感器采集微震动信号的范围。

2）根据右手法则在隧道中建立空间坐标系，通过隧道里程桩号和皮尺或激光测距仪测量每个微震传感器安装位置坐标。对微震传感器监测到的岩石微破裂产生的微震动信号进行分析，提取每个微震传感器监测到的微震动信号的到时，包括微震P波和S波的到时。

3）根据时差定位原理，以每个微震传感器监测到的微震动信号到时和计算到时的累积残差绝对值和最小为目标函数反演岩体微破裂的位置，计算公式如下：

$f=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}|t_{\mathrm{Pi}}-t_0-\frac{R_i}{V_p}|+\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}|t_{\mathrm{Si}}-t_0-\frac{R_i}{V_S}|---\left(1\right)$

其中，公式（1）中f为累积残差绝对值，t_Pi和t_Si分别为第i个传感器监测到的微震动信号P波和S波到时，t₀为微震动信号发震时间，V_P和V_S分别为微震P波和S波波速，m为传感器总个数，R_i为第i个传感器到微震源的距离，计算公式如下：

$R_i=\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2+{(z_i-z)}^2}---\left(2\right)$

其中，公式（2）中(x,y,z)为微破裂的位置坐标，(x_i,y_i,z_i)为第i个微震传感器的坐标。

将每个微震传感器安装位置坐标、微震动信号P波和S波到时及微震P波和S波波速代入公式（1），获取岩体微破裂的位置。计算微破裂释放的微震能量及视体积。

4）将监测到的两个掌子面之间范围内的所有岩石微破裂位置垂直投影到隧道中心轴线上，计算所有相邻投影点之间的距离，当所有相邻投影点之间的距离均不大于4m时，将此时作为相向掘进改单向掘进的时机，停止一个掌子面的掘进工作，改相向掘进为单向掘进。此时两个掌子面之间岩柱内的微破裂分布密集，两个掌子面同时开挖已开始相互干扰，停止一个掌子面能避免相向掘进造成的岩柱内应力场和能量叠加，降低岩柱型岩爆的风险。否则继续采用相向掘进的方式，保证施工进度。

5）决定采用单向掘进方式时，分别统计两个掌子面后方30m至其前方两掌子面中线之间范围内的微震活动强度，微震活动强度通过岩石微破裂数量、释放的微震能量及视体积三个微震参数共同判断，选择从三个微震参数均相对较低或两个微震参数相对较低的掌子面掘进。微震活动强度较低表明掌子面开挖卸荷对岩体损伤扰动较小，岩爆风险较低。选择微震活动强度较低的单向掌子面掘进方式能进一步降低岩爆风险，保证了施工人员及设备安全。

实施例2：

某深埋相向掘进隧道贯通洞段埋深2500m，岩性为坚硬致密的大理岩，隧道直径为12m，如图1。围岩松弛深度在3m以内。

1）当两个掌子面之间的距离为隧道5倍洞径即60m时，在每个掌子面后方60m断面附近布置6个微震传感器，监测两个掌子面及其附近岩体破裂产生的微震动信号。微震传感器通过钻孔埋入式安装，埋入深度为5m，超过围岩松弛深度。向孔内注浆，使微震传感器与岩体固定耦合。微震传感器与掌子面应间隔了一定距离，防止距离太近掌子面开挖对微震传感器造成损坏，太远则超出微震传感器采集微震动信号的范围。

2)根据右手法则在隧道中建立空间坐标系，通过隧道里程桩号和皮尺或激光测距仪测量每个微震传感器安装位置坐标。对微震传感器监测到的岩石微破裂产生的微震动信号进行分析，提取每个微震传感器监测到的微震动信号的到时，包括微震P波和S波的到时。

3）根据时差定位原理，以每个微震传感器监测到的微震动信号到时和计算到时的累积残差绝对值和最小为目标函数反演岩石微破裂的位置，将每个微震传感器安装位置坐标、微震动信号P波和S波到时及微震P波和S波波速代入公式（1），获取岩体微破裂的位置。计算微破裂释放的微震能量及视体积，如图2和3分别为岩柱厚度为28m和24m时所有岩石微破裂的位置，球体大小代表微破裂的能量，球体越大，能量则越大。

4）将两个掌子面之间范围内的所有岩石微破裂位置垂直投影到隧道中心轴线上，计算所有相邻投影点之间的距离，岩柱为28m和24m时的计算结果如图4所示。岩柱厚度为28m时，部分相邻投影点之间的距离大于4m，两个掌子面相向开挖未造成相互干扰，继续采用相向掘进的方式，保证施工进度。岩柱厚度为24m时，所有相邻投影点之间的距离最大值为3.9m，均不大于4m，此时两个掌子面之间岩柱内的微破裂分布密集，两个掌子面相向开挖已开始造成相互干扰，将此时作为相向掘进改单向掘进的时机，停止一个掌子面的掘进工作，改相向掘进为单向掘进。此时停止一个掌子面能避免相向掘进造成的岩柱内应力场和能量叠加，降低岩柱型岩爆的风险。

5）岩柱厚度为24m时已经决定采用单向掘进方式，此时分别统计两个掌子面后方30m至其前方两掌子面中线之间范围内的微震活动强度，微震活动强度通过岩石微破裂数量、释放的微震能量及视体积三个微震参数共同判断，左掌子面共有39个岩石微破裂，释放的微震能量为22336J，视体积为116000m³，右掌子面共有27个岩石微破裂，释放的微震能量为3090J，视体积为89400m³，右掌子面的三个微震参数均相对较低，因此选择从微震活动强度较低的右掌子面掘进。微震活动强度较低表明掌子面开挖卸荷对岩体损伤扰动较小，岩爆风险相对较低，选择微震活动强度较低的单向掌子面掘进方式能进一步降低岩爆风险，保证施工安全。采取以上技术方案后，贯通期间现场未发生岩柱型岩爆，有效的避免了岩柱型岩爆风险，保障了施工人员和设备安全。

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 (4)

1.深埋硬岩隧道贯通前相向改单向掘进时机与方式确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、当两个相向掘进掌子面之间的距离为隧道预设倍洞径时，在每个掌子面后方布置至少4个微震传感器，监测两个掌子面相向掘进过程中附近岩体微破裂产生的微震动信号；

步骤2、对监测到的岩体微破裂产生的微震动信号进行分析，提取每个微震传感器监测到的微震动信号的到时，测量每个微震传感器安装位置坐标；

步骤3、根据步骤2中微震动信号的到时和每个传感器安装位置坐标，通过时差定位反演获取岩石微破裂的位置，计算微破裂释放的微震能量及视体积；

步骤4、将两个掌子面之间的所有岩石微破裂位置垂直投影到隧道中心轴线上，计算所有相邻投影点之间的距离，相向掘进直至所有距离均不大于预定间距，则改相向掘进为单向掘进。

2.根据权利要求1所述的深埋硬岩隧道贯通前相向改单向掘进时机与方式确定方法，其特征在于，所述的微震动信号的到时包括微震P波和S波的到时。

3.根据权利要求2所述的深埋硬岩隧道贯通前相向改单向掘进时机与方式确定方法，其特征在于，所述的步骤3中通过时差定位反演获取岩石微破裂的位置包括以下步骤：

以每个微震传感器监测到的微震动信号到时和计算到时的累积残差绝对值和最小为目标函数反演岩体微破裂的位置，计算公式如下：

$f=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}|t_{\mathrm{Pi}}-t_0-\frac{R_i}{V_p}|+\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}|t_{\mathrm{Si}}-t_0-\frac{R_i}{V_S}|$

其中，f为累积残差绝对值，t_Pi和t_Si分别为第i个传感器监测到的微震动信号P波和S波到时，t₀为微震动信号发震时间，V_P和V_S分别为微震P波和S波波速，m为传感器总个数，R_i为第i个传感器到微震源的距离，计算公式如下：

$R_i=\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2+{(z_i-z)}^2}$

其中，(x,y,z)为微破裂的位置坐标，(x_i,y_i,z_i)为第i个微震传感器的坐标。

4.根据权利要求1所述的深埋硬岩隧道贯通前相向改单向掘进时机与方式确定方法，其特征在于，所述的步骤4中，决定采用单向掘进方式时，分别统计两个掌子面后方预定距离至其前方两掌子面中线之间范围内的岩石微破裂数量、释放的微震能量及视体积三个微震参数，选择从三个微震参数均相对较低或两个微震参数相对较低的掌子面掘进。

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