CN104482817B - 一种深埋隧洞应力解除预裂爆破方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深埋隧洞应力解除预裂爆破方法，该方法利用常规钻爆掘进方案中平行于开挖进尺方向的周边孔或缓冲孔为应力解除孔，从而减少工作量、加快施工进度、降低围岩的损伤范围；根据围岩主应力水平及方向优化应力解除孔爆破参数；起爆时，率先起爆应力解除孔，使开挖掌子面靠近外侧一定范围内岩体预先破碎得到能量释放，从而在隧洞主体开挖时达到应力集中区向深部围岩扩展和降低围岩能量释放率的目的，充分保证应力解除效果，同时，也可降低掏槽孔、崩落孔爆破时对保留围岩体造成的损伤，最终实现岩爆发生率的大幅降低。本发明可广泛应用于高地应力条件下采矿、水利水电、交通等领域的深埋隧洞的钻爆开挖。

Description

一种深埋隧洞应力解除预裂爆破方法

技术领域                                  

本发明属于岩土工程技术领域，尤其涉及一种深埋隧洞应力解除预裂爆破方法。

背景技术

岩爆是水利水电工程、交通、矿山等领域深埋地下洞室开挖或深部采矿过程中围岩发生的一种剧烈动力破坏现象，是开挖诱发的开挖空间周围岩体的突然破坏，并伴随着受压岩石的应变能的突然释放，往往是以岩片弹出、大量岩石坍塌或矿震的形式表现出来的动力现象，可造成开挖工作面的严重破坏、设备损坏和人员伤亡。

由于强烈岩爆的危害很大，目前世界范围内对强烈岩爆防治多采用锚杆支护、喷混凝土、钢筋网加喷混凝土以及注水软化等方法。工程实践证明，这些方法对于防治烈度等级较低的岩爆具有一定的效果，但上述方法较大程度的增加了工程量，耗费过多人力物力，影响施工进度，有时难以达到满意的效果，而且施工过程非常危险，被证明是被动的、消极的和非治本的。应力解除预裂爆破技术是一种在开挖之初即通过改进施工工艺主动防治岩爆的有效技术。

应力解除爆破是一种围岩弱化方法，通过超前钻孔和适量装药对围岩结构进行改造，使设计部位的小部分岩体的刚度（变形模量等）降低，使钻孔及爆破影响范围内的岩体变为较弱的传力介质，变形加大，使局部围岩内的能量分布状态得到调整，应力集中程度得到改善，集中区向深部转移，从而达到防治岩爆的目的。应力解除爆破法在上世纪50年代在南非的威特沃特斯兰德（Witwatersrand）金矿中首次采用并获得广泛应用，国内较早地是从天生桥引水隧洞开挖开始研究应力解除爆破技术。

传统应力解除法仅着眼于使用炸药的爆破能量来对目标区域（即隧洞开挖后的围岩应力集中区）的岩体进行损伤或松动。现有的应力解除技术对其进行了改进，利用了岩体本身所存储的能量，降低了装药量。但目前的应力解除技术需要在常规钻爆掘进方案设计钻孔的基础上，重新在掌子面外圈钻取应力解除孔，增加了工作量，由于所钻取的应力解除孔不规则向轮廓线倾斜一定角度，造成钻孔不易操作且对围岩损伤范围较大。

发明内容

针对现有应力解除预裂爆破技术存在的不足，本发明提供了一种可减少工程量、降低围岩损伤范围、大幅降低岩爆发生率的深埋隧洞应力解除预裂爆破方法。

本发明思路为：

现有应力解除法需在常规钻爆掘进方案设计钻孔基础上，在开挖掌子面周边钻倾斜应力解除孔，造成周边孔不规则，钻孔不易操作且围岩损伤范围扩大等不足，针对现有应力解除法存在的不足，本发明利用常规钻爆掘进方案中平行于开挖进尺方向的周边孔或缓冲孔作为应力解除孔，从而减少工作量、加快施工进度、降低围岩的损伤范围；根据围岩主应力水平及方向优化应力解除孔的炮孔参数、起爆网络及装药结构等爆破参数；起爆时，率先起爆应力解除孔，使开挖掌子面靠近外侧一定范围内的岩体预先破碎得到能量释放，从而在隧洞主体开挖时，达到应力集中区向深部围岩扩展和降低围岩能量释放率的目的，充分保证应力解除效果，同时，也可降低掏槽孔、崩落孔爆破时对保留围岩体造成的损伤，最终实现岩爆发生率的大幅降低。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

深埋隧洞应力解除预裂爆破方法，包括步骤：

步骤1，确定隧洞围岩的主应力水平及方向；

步骤2，根据以单响药量控制为核心的常规钻爆掘进方案在掌子面上布设炮孔和预设计炮孔爆破参数；所述的炮孔包括（1）掏槽孔、崩落孔和周边孔，或（2）掏槽孔、崩落孔、缓冲孔和周边孔，若炮孔不包括缓冲孔，则以周边孔为应力解除孔；否则，以缓冲孔为应力解除孔；

步骤3，若以周边孔为应力解除孔，则对小主应力方向的周边孔进行优化：

将小主应力方向的周边孔孔深增加至周边孔预设计孔深的1.5~2倍，并将周边孔加长段的线装药密度增加至周边孔预设计线装药密度的1.4~1.5倍； 所述的小主应力方向的周边孔指相邻周边孔中心连线与小主应力方向夹角为60°～90°的周边孔；

步骤4，若以缓冲孔为应力解除孔，则对小主应力方向的缓冲孔进行优化：

将小主应力方向的缓冲孔孔深增加至缓冲孔预设计孔深的1.5~2倍，所述的小主应力方向的缓冲孔指相邻缓冲孔中心连线与小主应力方向夹角为60°～90°的缓冲孔；

步骤5，除步骤3~4所优化的爆破参数外，小主应力方向应力解除孔的其他爆破参数、非小主应力方向应力解除孔的爆破参数及应力解除孔外的其他炮孔的爆破参数均采用预设计爆破参数，根据预设计爆破参数和小主应力方向应力解除孔优化后的爆破参数在掌子面上进行钻孔和装药，采用常规掘进爆破联网法对掌子面上炮孔进行联网；

步骤6，基于优先起爆应力解除孔的原则进行联网起爆。

步骤1中所述的隧洞围岩的主应力水平及方向根据地质勘测资料和数值计算确定。

步骤3中所述的对小主应力方向的周边孔进行优化，还包括：

对小主应力方向的周边孔进行加密，即，使小主应力方向的相邻周边孔孔距为周边孔预设计孔径的8~10倍，非小主应力方向的相邻周边孔孔距为周边孔预设计孔径的10~12倍。

步骤3中所述的对小主应力方向的周边孔进行优化，还包括：

在小主应力方向的相邻周边孔中增设周边空孔，周边空孔孔径同周边孔预设计孔径，周边空孔孔深同优化后的周边孔孔深，所述的周边空孔即非装药周边孔。

所述的周边空孔与周边孔等间距间隔布设。

步骤6中，若应力解除孔为周边孔，则按照周边孔、掏槽孔、崩落孔的顺序进行联网起爆。

步骤6中，若应力解除为缓冲孔，则按照缓冲孔、周边孔、掏槽孔、崩落孔的顺序进行联网起爆。

与现有技术相比，本发明具有以下特点和有益效果：

（1）利用常规钻爆掘进方案中平行于开挖进尺方向的周边孔或缓冲孔作为应力解除孔，从而可减小工程量、加快施工进度、增加应力解除的可控性、降低围岩的损伤范围，便于保护围岩稳定。

（2）根据围岩主应力水平及方向进行周边孔或缓冲孔的优化设计，适当加长小主应力方向的周边孔或缓冲孔的钻孔长度，同时适当增加周边孔加长部分的线装药密度，既可保证主体开挖时，降低掏槽孔、崩落孔爆破对保留围岩造成的损伤，又可充分保证掌子面靠近外侧一定范围内的岩体预先损伤破裂，达到良好的应力解除的效果。

（3）根据围岩主应力水平及方向进行周边孔优化布置：对小主应力方向的周边孔进行加密，即减小预设计周边孔孔间距；或增设周边空孔并使周边装药孔与周边空孔等间距间隔布置，且小主应力方向的周边空孔钻孔长度与加长周边孔钻孔长度相同，从而可以在同等爆破耗药量下，增强爆破效果，大幅提升岩爆防治的效果。

（4）对常规掘进爆破起爆网络进行优化，优先起爆应力解除孔，即：设缓冲孔的条件下，按缓冲孔、周边孔、掏槽孔、崩落孔的顺序进行联网起爆；不设缓冲孔的条件下，按照周边孔、掏槽孔、崩落孔的顺序进行联网起爆。这样，开挖掌子面靠近外侧一定范围内预先形成破碎区，使一定范围内的围岩能量预先得到释放，改善了主体开挖时围岩应力分布，应力集中区向围岩深部扩展，在主体开挖时，围岩能量释放率降低，从而实现岩爆发生率的大幅度降低。

（5）可广泛应用于高地应力条件下采矿、水利水电、交通等领域的深埋隧洞开挖过程中岩爆的主动防治，应用前景广阔。

附图说明

图1为现有掘进爆破应力解除方法中炮孔联网示意图；

图2为图1中A-A断面图；

图3为实施例1中炮孔联网示意图；

图4为图3中B-B剖面图；

图5为实施例2中炮孔联网示意图；

图6为图5中C-C剖面图；

图7为实施例3中炮孔联网示意图；

图8为图7中D-D剖面图。

图中，1-倾斜应力解除孔，2-周边孔加密段，3-周边孔预设段，4-周边孔加长段，5-周边空孔，6-周边空孔预设段，7-周边空孔加长段，8-缓冲孔，9-缓冲孔预设段，10-缓冲孔加长段。

具体实施方式

下面将对本发明方法的具体实施方式进行详细说明。

本发明深埋隧洞应力解除预裂爆破方法的具体步骤如下：

步骤一，爆破开挖前，根据地质勘测资料或数值计算确定待开挖隧洞围岩的主应力水平及方向。

步骤二，根据以单响药量控制为核心的常规钻爆掘进方案在待开挖掌子面上布设炮孔和预设计炮孔爆破参数。

步骤三，若步骤二中布设的炮孔不包括缓冲孔，则以周边孔为应力解除孔，基于步骤二预设计的周边孔爆破参数优化小主应力方向的应力解除孔爆破参数，具体为：

将小主应力方向周边孔孔深增加至预设计孔深的1.5~2倍，并将周边孔加长段（即超过周边孔预设计孔深的部分）的线装药密度增加至周边孔预设计线装药密度的1.4~1.5倍，周边孔预设段的线装药密度采用预设计线装药密度。同时对小主应力方向的周边孔进行加密（见图3~4）或在小主应力方向的相邻周边孔间增设周边空孔（见图5~6）。这里，小主应力方向的周边孔是指相邻周边孔中心连线与小主应力方向夹角为60°～90°的周边孔。除了上述优化，周边孔其他爆破参数均采用预设计的周边孔爆破参数。

对小主应力方向的周边孔进行加密时，加密后使得小主应力方向的相邻周边孔孔距为周边孔预设计孔径的8~10倍，非小主应力方向的相邻周边孔孔距采用预设计值，即为周边孔预设计孔径的10~12倍。

在小主应力方向的周边孔微差段增设周边空孔时，使周边孔与周边空孔等间距间隔布置，周边空孔孔径为周边孔预设计孔径，周边空孔孔深同优化后的周边孔孔深，即周边空孔孔深为周边孔预设计孔深的1.5~2倍。此时，小主应力方向的相邻周边孔和周边空孔间孔距为周边孔预设计孔径的5~6倍，非小主应力方向的相邻周边孔孔距采用预设计值，即为周边孔预设计孔径的10~12倍。

步骤四，若步骤二中布设的炮孔包括缓冲孔，则以缓冲孔为应力解除孔，基于步骤二预设计的缓冲孔爆破参数优化小主应力方向的应力解除孔爆破参数，具体为：

将小主应力方向的缓冲孔孔深增加至缓冲孔预设计孔深的1.5~2倍（见图7~8），此时周边孔爆破参数均采用周边孔预设计爆破参数。小主应力方向的缓冲孔指相邻缓冲孔中心连线与小主应力方向夹角为60°～90°的缓冲孔。

本发明中，若根据常规钻爆掘进方案布设缓冲孔，则以缓冲孔为应力解除孔，并仅优化小主应力方向的缓冲孔孔深，小主应力方向缓冲孔的其他爆破参数、非小主应力方向缓冲孔的爆破参数以及其他炮孔的爆破参数均采用预设计值；若根据常规钻爆掘进方案不设缓冲孔，则以周边孔为应力解除孔，并仅优化小主应力方向的周边孔孔深、线装药密度和布局，小主应力方向周边孔的其他爆破参数、非小主应力方向周边孔的爆破参数以及其他炮孔的爆破参数均采用预设计值。

步骤五，在待开挖隧洞掌子面上进行钻孔和装药。

基于步骤三~四获得的炮孔爆破参数在掌子面上进行钻孔和装药。

步骤六，根据待开挖隧洞围岩主应力水平及方向对掌子面上炮孔进行联网，并按优先起爆应力解除孔的起爆顺序进行联网起爆。

本具体实施中，起爆联网采用常规掘进爆破联网方式中的毫秒微差起爆法。

联网起爆时，不改变常规掘进爆破联网法中掏槽孔和崩落孔的相对联网起爆顺序，仅对应力解除孔的联网起爆顺序进行优化，即，优先起爆应力解除孔。

在设缓冲孔的条件下，按照缓冲孔、周边孔、掏槽孔、崩落孔的顺序进行联网起爆；在不设缓冲孔的条件下，按照周边孔、掏槽孔、崩落孔的顺序进行联网起爆。

本发明中的缓冲孔和周边孔均只布设一圈。

下面将结合附图和实施例对本发明方法作进一步说明。

实施例1

在某无限山体中开挖深埋圆形隧洞，隧洞掌子面直径D=5m，该掌子面的初始地应力                                               为大主应力，初始地应力为小主应力。

对上述深埋隧洞开挖，现有的应力解除预裂爆破方法的处理方式为：根据常规钻爆掘进方案在掌子面上布设炮孔，掌子面中部采用直孔掏槽，掌子面上由里往外依次布置2圈掏槽孔、4圈崩落孔、1圈周边孔、1圈倾斜应力解除孔（1）；针对各炮孔圈，依次连接各炮孔得到MS3、MS5、MS7、MS9、MS11、MS13 、MS15、MS1共8个微差起爆段，见图1；按上述布孔和联网进行微差起爆。由于最外圈钻取了应力解除孔，增大了对围岩的损伤范围，不利于围岩稳定，钻取应力解除孔又较大的加大了工作量，不利于工期进度，对于最外圈应力解除孔为向外轮廓线倾斜一定角度范围的斜孔，钻孔技术较难操作，见图2。

对上述深埋隧洞开挖，采用本发明方法的处理方式为：根据常规钻爆掘进方案在掌子面中部采用直孔掏槽，并在掌子面上由里往外依次布置2圈掏槽孔、4圈崩落孔和1圈周边孔，以周边孔为应力解除孔；针对各炮孔圈，依次连接各炮孔得到MS3、MS5、MS7、MS9、MS11、MS13、MS1共7个微差起爆段。对小主应力方向的周边孔加密得到周边孔加密段（2），并增大小主应力方向的周边孔线装药密度，见图3。

根据常规钻爆掘进方案预设计周边孔爆破参数：孔深2m，堵塞0.5m，孔径45mm，相邻周边孔孔距45cm，孔内装填直径为32mm的2#岩石乳化炸药，线装药密度为0.31 kg/m。基于预设计的周边孔爆破参数对小主应力方向的周边孔爆破参数进行优化，小主应力方向的周边孔的优化爆破参数为：孔深4m，堵塞0.5m，孔径45mm，相邻周边孔孔距40cm，不耦合装药，周边孔预设段（3）（即距周边孔孔口1~2m部分）内线装药密度0.31kg/m；周边孔加长段（4）（即距周边孔孔口2~4m部分）内线装药密度0.45kg/m，见图4，非小主应力方向的周边孔和周边孔外的其他炮孔的爆破参数均采用预设计的爆破参数。

装药完毕后，采用微差起爆法，率先起爆周边孔，即先起爆MS1，然后顺次起爆MS3、MS5、MS7、MS9、MS11、MS13依次起爆。

实施例2

在某无限山体中开挖深埋圆形隧洞，隧洞掌子面直径D=5m，该掌子面的初始地应力为大主应力，初始地应力为小主应力。本实施例中，掌子面中部采用直孔掏槽，掌子面上由里往外依次布置2圈掏槽孔、4圈崩落孔、1圈周边孔，以周边孔为应力解除孔。上述掏槽孔、崩落孔、周边孔的起爆联网方法是：对各炮孔圈，依次连接各炮孔得到MS3、MS5、MS7、MS9、MS11、MS13、MS1共7个微差起爆段，对于小主应力方向的周边孔微差段增设周边空孔，周边空孔的孔深和孔径同小主应力方向周边孔优化后的孔深和孔径，周边空孔即非装药孔，周边孔与周边空孔（5）等间距间隔布置，并增大周边孔加长段的线装药密度，见图5。

根据常规钻爆掘进方案预设计周边孔爆破参数：孔深2m，堵塞0.5m，孔径为45mm，孔距为45cm，孔内装填直径为32mm的2#岩石乳化炸药，线装药密度为0.31kg/m；本发明中，基于预设计的周边孔爆破参数对小主应力方向的周边孔爆破参数进行优化，小主应力方向的周边孔和的优化爆破参数为：孔深为4m，堵塞0.5m，孔径45mm，两相邻周边孔孔距45cm，不耦合装药，周边孔预设段线装药密度0.31kg/m；周边孔加长段线装药密度0.45kg/m，见图6。增设的周边空孔的孔深和孔径同优化后周边孔，即周边空孔孔深和孔径分别为4m和45mm；相邻周边孔和周边空孔间孔距为25.5cm。

实施例3

在某无限山体中开挖深埋圆形隧洞，隧洞掌子面直径D=5m，该掌子面的初始地应力为大主应力，初始地应力为小主应力。本实施例中，掌子面中部采用直孔掏槽，掌子面上由里往外依次布置2圈掏槽孔、3圈崩落孔、1圈缓冲孔、1圈周边孔，以缓冲孔（8）为应力解除孔。上述掏槽孔、崩落孔、缓冲孔、周边孔的起爆联网方法是：对各炮孔圈，将炮孔连接成圆形得到MS5、MS7、MS9、MS11、MS13、MS1、MS3共7个微差起爆段，适当加长小主应力方向的缓冲孔孔深，见图7。

根据常规钻爆掘进方案预设计缓冲孔爆破参数：孔深2m，堵塞0.5m，孔径45mm，孔距45cm，孔内装填直径为32mm的2#岩石乳化炸药，线装药密度为0.31 kg/m；本发明中，基于预设计的周边孔爆破参数对小主应力方向的缓冲孔爆破参数进行优化，小主应力方向的缓冲孔的优化爆破参数为：孔深4m，堵塞0.5m，孔径45mm，孔距45cm，不耦合装药，缓冲孔线装药密度0.31kg/m，见图8。

装药完毕后，采用微差起爆方法，率先起爆缓冲孔，其次起爆周边孔，即先起爆MS1段、其次起爆MS3段，然后按顺序MS5、MS7MS9、MS11、MS13依次起爆。

Claims (7)

1.一种深埋隧洞应力解除预裂爆破方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1，确定隧洞围岩的主应力水平及方向；

步骤2，根据以单响药量控制为核心的常规钻爆掘进方案在掌子面上布设炮孔和预设计炮孔爆破参数；所述的炮孔包括（1）掏槽孔、崩落孔和周边孔，或（2）掏槽孔、崩落孔、缓冲孔和周边孔，若炮孔不包括缓冲孔，则以周边孔为应力解除孔；否则，以缓冲孔为应力解除孔；

步骤3，若以周边孔为应力解除孔，则对小主应力方向的周边孔进行优化：

将小主应力方向的周边孔孔深增加至周边孔预设计孔深的1.5~2倍，并将周边孔加长段的线装药密度增加至周边孔预设计线装药密度的1.4~1.5倍； 所述的小主应力方向的周边孔指相邻周边孔中心连线与小主应力方向夹角为60°～90°的周边孔；

步骤4，若以缓冲孔为应力解除孔，则对小主应力方向的缓冲孔进行优化：

将小主应力方向的缓冲孔孔深增加至缓冲孔预设计孔深的1.5~2倍，所述的小主应力方向的缓冲孔指相邻缓冲孔中心连线与小主应力方向夹角为60°～90°的缓冲孔；

步骤5，除步骤3~4所优化的爆破参数外，小主应力方向应力解除孔的其他爆破参数、非小主应力方向应力解除孔的爆破参数及应力解除孔外的其他炮孔的爆破参数均采用预设计爆破参数，根据预设计爆破参数和小主应力方向应力解除孔优化后的爆破参数在掌子面上进行钻孔和装药，采用常规掘进爆破联网法对掌子面上炮孔进行联网；

步骤6，基于优先起爆应力解除孔的原则进行联网起爆。

2.如权利要求1所述的深埋隧洞应力解除预裂爆破方法，其特征在于：

步骤1中所述的隧洞围岩的主应力水平及方向根据地质勘测资料和数值计算确定。

3.如权利要求1所述的深埋隧洞应力解除预裂爆破方法，其特征在于：

步骤3中所述的对小主应力方向的周边孔进行优化，还包括：

对小主应力方向的周边孔进行加密，即，使小主应力方向的相邻周边孔孔距为周边孔预设计孔径的8~10倍，非小主应力方向的相邻周边孔孔距为周边孔预设计孔径的10~12倍。

4.如权利要求1所述的深埋隧洞应力解除预裂爆破方法，其特征在于：

步骤3中所述的对小主应力方向的周边孔进行优化，还包括：

在小主应力方向的相邻周边孔中增设周边空孔，周边空孔孔径同周边孔预设计孔径，周边空孔孔深同优化后的周边孔孔深，所述的周边空孔即非装药周边孔。

5.如权利要求4所述的深埋隧洞应力解除预裂爆破方法，其特征在于：

所述的周边空孔与周边孔等间距间隔布设。

6.如权利要求1所述的深埋隧洞应力解除预裂爆破方法，其特征在于：

步骤6中，若应力解除孔为周边孔，则按照周边孔、掏槽孔、崩落孔的顺序进行联网起爆。

7.如权利要求1所述的深埋隧洞应力解除预裂爆破方法，其特征在于：

步骤6中，若应力解除为缓冲孔，则按照缓冲孔、周边孔、掏槽孔、崩落孔的顺序进行联网起爆。