CN106593528A - 隧洞大变形的气压致裂高应力阻断方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及隧洞大变形的气压致裂高应力阻断方法及其装置，尤其适用于高地应力、深埋隧洞工程的围岩大变形防治。该方法包括：确定需进行大变形处理的隧洞区段、布孔、孔内空腔注浆封闭、脉冲气压压裂围岩。该方法通过气压压裂形成应力阻断层，促使隧洞围岩应力重新分布，降低高地应力隧洞围岩的应力，有效防治围岩大变形，而且脉冲气压比高压气压或水压压裂所需要的压力要低，可降低对设备的供压要求，减小设备体积，更有利于在狭小的隧洞空间开展施工作业，并且所用为清洁能源，无任何污染，节约能源，施工快捷，有利于提高施工速度，脉冲式气压也更利于压裂缝的贯通和碎屑的清除，成缝效果更好，能从根本上消除隧洞高地应力的危害。

Description

隧洞大变形的气压致裂高应力阻断方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种隧洞大变形的气压致裂高应力阻断方法及其装置，尤其适用于高地应力、深埋隧洞工程的围岩大变形防治。

背景技术

在埋深大或构造运动强烈的地层中建造隧洞，施工过程中在掌子面和掌子面前数倍洞径范围内，因高地应力作用，常发生各种形式的围岩大变形，对施工人员和机械设备造成严重威胁，影响施工进度并增加工程投资。因此，高应力隧洞围岩大变形防治是隧洞施工作业的重点。

目前大变形的防治方法可分为三种：1、被动防治2、主动防治3、综合防治。被动防治是在不改变围岩应力状态的前提下，通过隧洞内部支护承受围岩应力，维持围岩的稳定性，此方法在围岩大变形处置中广泛应用，但在围岩高应力条件下，其支护难度和成本大量增加，影响施工进度，且增加施工成本。主动防治是改变围岩内部结构，使围岩内部应力重新分布，减弱围岩应力，提高围岩稳定性，目前主要的主动防治方法有以下3种：(1)气压压裂注浆法。通过高压气体压裂围岩，然后进行注浆加固，在专利《深部软岩巷道高压气体多级预裂注浆改造方法》(CN105156134 A)中阐述了这种方法，但压裂作业中采用高压气体分级压裂，压裂作业后，裂缝在围岩高应力作用下，会呈闭合趋势，成缝效果不够理想，且对各种围岩环境采用统一的处置方式，没有对围岩主应力方向不同的围岩采用不同的处置方式，缺少针对性，处置成效不高，且多用于浅层处置；(2)水力割裂法。通过高压水力割缝，形成缝槽群，对岩体卸压和减弱应力及应变能传播，在专利《水力割裂防治冲击地压》(CN101915098 A)中阐述了这种方法，但在软岩大变形中常含有较多遇水膨胀的成分，而膨胀变形更会加大围岩变形量，因此水力割裂法在含有较多遇水膨胀成分的围岩大变形处置中是不适用的，此法的使用范围就受到很大限制；(3)钻孔爆破法。通过钻孔爆破，形成楔形裂缝区，降低围岩环形应力，提高围岩稳定性，在专利《一种岩爆的主动防治方法》(CN101864961 A)中阐述了这种方法，但此法在爆破中产生扰动大，会影响围岩本身结构的稳定性，对大变形的整体控制产生不利影响，且施工量和危险性较大。

发明内容

为了有效的解决高应力隧洞围岩大变形问题，克服现有的高应力围岩大变形处置方法中遇到的被动防治支护难度大成本高、主动防治中气压压裂成缝效果差、水力压裂适用范围小、钻孔爆破扰动大等困难，本发明提供隧洞大变形的气压致裂高应力阻断方法：采用脉冲气压压裂围岩的方式，使围岩在特定洞壁进尺深度产生大量裂纹，形成应力阻断区，促使隧洞围岩应力重新分布，浅层围岩的高应力得到缓解，有效限制围岩变形的产生，达到控制高应力隧洞围岩稳定的目的，该方法采用脉冲气压压裂围岩，成缝效果好；以空气为压裂介质，对围岩无污染，适用范围广；对围岩扰动极小，充分利用围岩自身结构的稳定性；同时还提供一种脉冲气压压裂装置，设备占地小，利于在隧洞小空间内施工；对主应力方向不同的围岩环境，采用有针对性的处置方法，成效更好。

具体的技术方案为：

脉冲气压压裂装置，包括压裂管路，压裂管路从上到下依次包括压裂区管路、注浆区管路和主管路；压裂区管路顶端封闭，管壁开孔压裂孔；注浆区管路两端分别有突出的圆形钢板，所述的圆形钢板直径大于注浆区管路的直径，圆形钢板边缘安装用热缩材料制作的热缩密封圈，所述的热缩密封圈一侧有凹槽，另外一侧为平面，热缩密封圈凹槽卡在突出的圆形钢板边缘上并与圆形钢板紧密连接在一起，在注浆区管路下端的圆形钢板上预留的注浆孔，接入注浆管，注浆管的另一端为注浆输入口；压裂区管路与注浆区管路固定连接，注浆区管路与主管路通过第一螺纹口连接，主管路下端通过第二螺纹口有脉冲气压输出设备连接，主管路下端设置一对凸出的边耳。

其中，位于注浆区管路上端的热缩密封圈上开通气孔。注浆区需在合适位置设置排气孔，因为钻孔方位为圆周，所以此合适位置为注浆区的水平高度最高点处的密封环处。

隧洞大变形的气压致裂高应力阻断方法，其步骤如下：

1)运用地质勘查技术，定位需进行围岩大变形处置的区段，查明该区段的主应力方向，在开挖掌子面到达围岩大变形处置区段的起始点位置时，停止开挖掘进作业，进行初期支护后，开始钻孔作业；

2)第一圈孔的钻孔作业在距掌子面0.5D处开始，D为隧洞直径，沿隧洞径向钻孔，孔径为100mm，钻孔沿隧洞横截面呈闭合圆周形分布，钻孔深度和孔距按以下方式确定：以最大主应力方向为X轴方向，最小主应力方向为Y轴方向，建立如下椭圆：

其中σ₁为围岩最大主应力，σ₃为围岩最小主应力，R_C为围岩饱和单轴抗压强度；

每个钻孔孔底位置按照在最大主应力处相邻孔深相差2m递减至最小主应力处相邻孔深相差0m，以椭圆圆周线为孔深基准线布置；钻孔按照从最大主应力处孔间距2m递增至最小主应力处孔间距4m的方式布孔。每个钻孔完成后用气枪清孔，清孔完成后把孔口严密堵塞，防止二次污染；

3)第一圈孔完成后，间隔3～5m，按同样的方法开始后面各圈的钻孔作业，钻孔作业和隧洞掘进作业按间距D交替进行，钻孔区的轴向范围超出围岩大变形处置区段终点位置0.5D时，停止钻孔，钻孔作业结束；

4)孔内空腔注浆封闭作业在每一圈钻孔结束后跟进。脉冲气压压裂整套设备如图1所示，将直径为50mm的气压压裂管路放入钻孔中，管路顶端封闭，顶端1米为开孔压裂区，往下1米为注浆封闭区，注浆区设置一根直径为15mm的注浆管，压裂管路顶端与孔底接触，安装固定完成后，开始向注浆区注入高强速凝水泥浆液，达到设定注浆量后，停止注浆，待达到要求强度后方可进行气压压裂作业。阻断区厚度从最大主应力方向的D_max逐渐递减至最小主应力方向的D_min，D_max和D_min可按下列公式确定：

其中，D_max为最大主应力方向阻断区厚度，D_min为最小主应力方向阻断区厚度，K为围岩完整程度系数，P_M为脉冲气压最大值，R_C为围岩饱和单轴抗压强度；

5)注浆区达到要求强度后，将压裂管路与脉冲气压输出设备连接，开启脉冲气压输出设备，初始值设定为20MPa，并以5MPa/min的速率升压，达到使压裂区围岩压裂的强度后，停止加压，维持压力3min后，降低压力，关闭脉冲气压输出设备，并断开与压裂管路的连接。一孔压裂完毕，间隔一孔，沿圆周顺时针(或逆时针)方向进行下一孔的压裂作业，直至此圈钻孔全部压裂完毕；

6)如果围岩应力达到则判定围岩应力处于极高应力，为高地应力，为极高地应力，此时应进行第二层次的应力阻断圈的施工，施工程序与第一层次的应力阻断圈相同，钻孔底部定位的椭圆变更如下：

其中σ₁为围岩最大主应力，σ₃为围岩最小主应力，R_C为围岩饱和单轴抗压强度；

7)按照同样的程序，进行后面各圈的压裂作业，直至压裂区超出大变形区段终点位置0.5D，可不再进行钻孔压裂作业。至此，脉冲气压压裂围岩防治大变形施工作业完成。

所述的高强速凝水泥浆，其强度在60MPa以上，具体强度要求根据压裂区的围岩强度而定，并掺加膨胀剂，保证注浆区与钻孔孔壁紧密连结，防止产生滑移和破裂。

脉冲气压输出设备设置为15-25Hz，频率过低则压裂效果不佳，频率过高则耗能大，对设备要求高且影响运行稳定，气压压力值由分流阀调节。

所述的脉冲气压最大值P_M≥围岩饱和单轴抗压强度R_C。

本发明用于有大变形产生的高应力隧洞段开挖前及开挖中，通过钻孔清孔、注浆密封、脉冲气压压裂，形成应力阻断层，使围岩应力重新分布，有效防治大变形，对施工人员和机械设备的安全提供有力保障。

本发明的积极效果：

1)采用脉冲式气压压裂，不仅可以降低围岩压裂所需的最大压力值，进而降低对设备的要求，减小设备体积，便于在隧洞内施工并有利于设备的稳定运行，并且在气压逐步提升过程中，脉冲式气压更有利于缝隙由浅层向深层的延伸贯通和更密集裂缝网络的形成，在来回气流的冲击下，缝隙中碎屑及缝隙表层低强度部分被进一步破碎并随气流排出缝隙，这就增加了压裂缝隙的尺寸，在卸去高压气体后，即使围岩在高地应力作用下有恢复原状态的趋势，裂缝依然保持较大的张开度，成缝效果更好。由此形成裂缝更密集，宽度更大的缝隙网，应力阻断层会起到更好的应力阻断作用，从而更好的降低隧洞围岩的高应力的挤压作用，限制大变形发生。

2)注浆段采用添加膨胀剂的高强速凝水泥浆，浆液凝固后的微膨胀效果使其与钻孔孔壁严密连结，杜绝气体泄漏，避免有效压裂气压的降低，提高了作业效率和作业安全性。且注浆段两端采用圆形钢板边缘固定热缩材料密封圈密封并在水平最高点处的密封圈上开通气孔的结构设计，可使注浆作业在上下左右各方位顺利进行，简单高效。

3)压裂管路的注浆区管路和主管路通过螺纹连接，压裂作业完成后，可将压裂管路的主管路通过边耳旋转卸下，在后面的压裂作业中重复使用，提高作业的经济性。

4)对于方向性明显的挤压大变形，采取在最大主应力方向加密钻孔，加大孔深，钻孔深度深浅相间布置的方式，形成有针对性的应对最大主应力方向挤压大变形的深度大、层厚大、裂纹密的应力阻断层，提高了大变形处置的有效性。

5)所用压裂介质为空气，是清洁能源，无环境污染，不需要配备蓄水池等压裂介质储存设备，且能克服水力压裂适用范围受限大，钻孔爆破扰动大的缺陷，适用性更强。

附图说明

图1是本发明脉冲气压压裂装置结构示意图；

图2是本实施案的隧洞实施方法示意图；

图3是本实施案脉冲气压压裂实施方法示意图。

具体实施方式

首先结合附图说明脉冲气压压裂装置的结构。

如图1所示，脉冲气压压裂装置，包括压裂管路，压裂管路从上到下依次包括长为1m的压裂区管路2，长为1m的注浆区管路6和主管路10三部分，材料均为直径50mm的高强度无缝钢管；压裂区管路2顶端封闭，管壁开孔压裂孔1，压裂孔1孔径10mm，横向孔距30mm，纵向孔距80mm；注浆区管路6两端分别有突出钢管的圆形钢板5，所述的圆形钢板5直径大于注浆区管路6的直径，圆形钢板5厚5mm，直径90mm，圆形钢板5边缘安装用热缩材料制作的热缩密封圈4，所述的热缩密封圈4一侧有凹槽，另外一侧为平面，平面部分宽度为10mm，热缩密封圈4凹槽卡入突出圆形钢板5边缘后，用加热枪对凹槽进行加热，凹槽部分收缩后使热缩密封圈4与圆形钢板5紧密连接在一起，位于注浆区管路6上端的热缩密封圈4上开通气孔3，在注浆区管路6下端的圆形钢板5上预留15mm的注浆孔7，接入注浆管9，注浆管9的另一端为注浆输入口12；压裂区管路2与注浆区管路6固定连接，注浆区管路6与主管路10通过第一螺纹口8连接，压裂作业完成后可旋下主管路，重复使用，主管路10下端通过第二螺纹口14有脉冲气压输出设备15连接，主管路10下端设置一对凸出的边耳13，便于拆卸主管路10。

以图2和图3所示的方向性明显的挤压大变形为分析案例，结合附图对具体的操作方法做进一步的阐述：

(1)通过地质资料和现场地质勘查，定位需进行围岩大变形处置的区段，查明该区段的隧洞直径D＝20m，R_C＝140MPa，σ₁＝30MPa，σ₃＝15MPa，α＝45°，围岩完整程度系数K＝0.8，在开挖掌子面到达围岩大变形处置区段的起始点位置时，停止开挖掘进作业，进行初期支护后，开始钻孔作业；

(2)第一圈孔的钻孔作业在距掌子面0.5D＝10m处开始，沿隧洞径向钻孔，孔径为100mm，钻孔沿隧洞横截面呈闭合圆周形分布，钻孔深度和孔距按以下方式确定：以最大主应力方向为X轴方向，最小主应力方向为Y轴方向，建立如下椭圆：

其中

每个钻孔孔底位置按照在最大主应力处相邻孔深相差2m递减至最小主应力处相邻孔深相差0m，以椭圆圆周线为孔深基准线布置；钻孔按照从最大主应力处孔间距2m递增至最小主应力处孔间距4m的方式布孔。每个钻孔完成后用气枪清孔，清孔完成后把孔口严密堵塞，防止二次污染；

(3)第一圈孔完成后，间隔4m，按同样的方法开始后面各圈的钻孔作业。钻孔作业完成并提供足够的注浆作业面时，即可进行注浆作业。按照图1，脉冲气压压裂装置的压裂管路安装到钻孔11中，将压裂管路缓慢插入钻孔至底部并固定，然后开始向注浆区注入掺加膨胀剂的高强速凝水泥浆液，注入量为V，达到设定注浆量后，停止注浆，并按此方法依次进行各孔注浆作业。

V＝K·π/4·(d₁ ²-d₂ ²)·L

其中，K为漏浆系数，取1.2；d₁为钻孔直径，取100mm；d₂为压裂管路直径，取50mm；L为注浆段长度，取1m；

即V＝1.2·π/4·(0.1²-0.05²)·1＝0.007065m³＝7.065L；

(4)注浆区水泥浆达到要求强度后，将主管路10下端通过第二螺纹口14有脉冲气压输出设备15连接，开启脉冲气压输出设备15，通过调节分流阀，观察压力表，使压力值稳定在初始值20MPa，调节变频器，设定频率为20Hz，然后缓慢调节分流阀，使气压以5MPa/min的速率升压，达到140MPa时，停止加压，维持压力3min后，降低压力，关闭脉冲气压输出设备15，并将脉冲气压输出设备15与主管路10分离。然后转动边耳13，断开主管路10与注浆区管路6的连接，并把卸下的主管路10码放整齐，两端封闭完好避免污染，待后面压裂作业继续使用。一孔压裂完毕，间隔一孔，沿圆周顺时针(或逆时针)方向进行下一孔的压裂作业，直至此圈钻孔全部压裂完毕；

(5)由于判定为普通高地应力而非极高地应力(为高地应力，为极高地应力)，故不需要进行第二层次的应力阻断圈的施工；阻断层厚度从最大主应力方向的逐渐递减至最小主应力方向的

(6)按照同样的程序，进行后面各圈的压裂作业，直至压裂区超出大变形区段终点位置1/2D＝10m，可不再进行钻孔压裂作业。至此，脉冲气压压裂围岩防治大变形施工作业完成。

上述实施案例是对本发明的具体操作作进一步的说明，不应理解为本发明仅适用于上述情况。凡基于上述内容实现的技术均属于本发明的范畴。

Claims (6)

1.脉冲气压压裂装置，其特征在于，包括压裂管路，压裂管路从上到下依次包括压裂区管路(2)、注浆区管路(6)和主管路(10)；压裂区管路(2)顶端封闭，管壁开孔压裂孔(1)；注浆区管路(6)两端分别有突出的圆形钢板(5)，所述的圆形钢板(5)直径大于注浆区管路(6)的直径，圆形钢板(5)边缘安装用热缩材料制作的热缩密封圈(4)，所述的热缩密封圈(4)一侧有凹槽，另外一侧为平面，热缩密封圈(4)凹槽卡在突出的圆形钢板(5)边缘上并与圆形钢板(5)紧密连接在一起，在注浆区管路(6)下端的圆形钢板(5)上预留(15)的注浆孔(7)，接入注浆管(9)，注浆管(9)的另一端为注浆输入口(12)；压裂区管路(2)与注浆区管路(6)固定连接，注浆区管路(6)与主管路(10)通过第一螺纹口(8)连接，主管路(10)下端通过第二螺纹口(14)有脉冲气压输出设备(15)连接，主管路(10)下端设置一对凸出的边耳(13)。

2.根据权利要求1所述的脉冲气压压裂装置，其特征在于，位于注浆区管路(6)上端的热缩密封圈(4)上开通气孔(3)。

3.隧洞大变形的气压致裂高应力阻断方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)运用地质勘查技术，定位需进行围岩大变形处置的区段，查明该区段的主应力方向，在开挖掌子面到达围岩大变形处置区段的起始点位置时，停止开挖掘进作业，进行初期支护后，开始钻孔作业；

(2)第一圈孔的钻孔作业在距掌子面0.5D处开始，D为隧洞直径，沿隧洞径向钻孔，孔径为100mm，钻孔沿隧洞横截面呈闭合圆周形分布，钻孔深度和孔距按以下方式确定：以最大主应力方向为X轴方向，最小主应力方向为Y轴方向，建立如下椭圆：

$\frac{x^2}{{\left(0.5D+\frac{4{\mathrm{\σ}}_1}{R_C}D\right)}^2}+\frac{y^2}{{\left(0.5D+\frac{4{\mathrm{\σ}}_3}{R_C}D\right)}^2}=1$

其中σ₁为围岩最大主应力，σ₃为围岩最小主应力，R_C为围岩饱和单轴抗压强度；

每个钻孔孔底位置按照在最大主应力处相邻孔深相差2m递减至最小主应力处相邻孔深相差0m，以椭圆圆周线为孔深基准线布置；钻孔按照从最大主应力处孔间距2m递增至最小主应力处孔间距4m的方式布孔；每个钻孔完成后用气枪清孔，清孔完成后把孔口严密堵塞，防止二次污染；

(3)第一圈孔完成后，间隔3～5m，按同样的方法开始后面各圈的钻孔作业，钻孔作业和隧洞掘进作业按间距D交替进行，钻孔区的轴向范围超出围岩大变形处置区段终点位置0.5D时，停止钻孔，钻孔作业结束；

(4)孔内空腔注浆封闭作业在每一圈钻孔结束后跟进进行；用所述的脉冲气压压裂装置作业，将压裂管路放入钻孔中，压裂管路顶端与钻孔底接触，安装固定完成后，开始向注浆区注入高强速凝水泥浆液，达到设定注浆量后，停止注浆，待达到要求强度后方可进行气压压裂作业；阻断区厚度从最大主应力方向的D_max逐渐递减至最小主应力方向的D_min，D_max和D_min可按下列公式确定：

$D_{\max }=3+2\×\frac{P_M}{K\·R_C};D_{\min }=1+2\×\frac{P_M}{K\·R_C}$

其中，D_max为最大主应力方向阻断区厚度，D_min为最小主应力方向阻断区厚度，K为围岩完整程度系数，P_M为脉冲气压最大值，R_C为围岩饱和单轴抗压强度；

(5)注浆区达到要求强度后，将压裂管路与脉冲气压输出设备(15)连接，初始值设定为20MPa，并以5MPa/min的速率升压，达到使压裂区围岩压裂的强度后，停止加压，维持压力3min后，降低压力，关闭脉冲气压输出设备(15)，并断开与压裂管路的连接。一孔压裂完毕，间隔一孔，沿圆周顺时针或逆时针方向进行下一孔的压裂作业，直至此圈钻孔全部压裂完毕；

(6)如果围岩应力达到则判定围岩应力处于极高应力，此时应进行第二层次的应力阻断圈的施工，施工程序与第一层次的应力阻断圈相同，钻孔底部定位的椭圆变更如下：

$\frac{x^2}{{\left(0.5D+\frac{8{\mathrm{\σ}}_1}{R_C}D\right)}^2}+\frac{y^2}{{\left(0.5D+\frac{8{\mathrm{\σ}}_3}{R_C}D\right)}^2}=1$

其中σ₁为围岩最大主应力，σ₃为围岩最小主应力，R_C为围岩饱和单轴抗压强度；

(7)按照同样的方法，进行后面各圈的压裂作业，直至压裂区超出大变形区段终点位置0.5D，可不再进行钻孔压裂作业；至此，脉冲气压压裂围岩防治大变形施工作业完成。

4.根据权利要求3所述的隧洞大变形的气压致裂高应力阻断方法，其特征在于，步骤(4)所述的高强速凝水泥浆液，其强度不低于60MPa，具体强度要求根据压裂区的围岩强度而定，并掺加膨胀剂，保证注浆区与钻孔孔壁紧密连结，防止产生滑移和破裂。

5.根据权利要求3所述的隧洞大变形的气压致裂高应力阻断方法，其特征在于，所述的脉冲气压输出设备(15)脉冲频率设置为15-25Hz。

6.根据权利要求3所述的隧洞大变形的气压致裂高应力阻断方法，其特征在于，步骤(4)所述P_M≥R_C。