CN106930766A - 大埋深tbm施工隧洞岩爆处理结构 - Google Patents

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胡亚东
张世殊
姚林林
崔中涛
钟果
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    • E21D9/006Tunnels or galleries, with or without linings; Methods or apparatus for making thereof; Layout of tunnels or galleries by making use of blasting methods

Abstract

本发明公开的是隧洞TBM施工技术领域的一种大埋深TBM施工隧洞岩爆处理结构及处理方法,该结构包括设置在隧洞掌子面拱顶区域的多个超前钻孔,所述超前钻孔贯穿岩爆区域,各个超前钻孔之间通过钻孔内预裂爆破形成的裂隙破碎带相连。本发明利用TBM机内操作空间在隧洞掌子面上合理布置钻孔位置和方向,采用钻孔爆破使得岩爆区域顶拱、拱肩部位形成岩体破碎带,再利用高压注水进一步促进岩体破碎带裂隙发展并软化岩体,释放岩爆区域高地应力,解除岩爆风险,整个施工过程安全高效、成本低、处理效果好,后续可进行钻孔高压灌浆处理,提高岩体破碎带裂隙完整性,减少后续TBM掘进中顶拱坍塌量和回填量,具有显著的经济和社会效益。

Description

大埋深TBM施工隧洞岩爆处理结构
技术领域
[0001]本发明涉及隧洞TBM施工技术领域,尤其涉及一种大埋深TBM施工隧洞岩爆处理结 构及处理方法。
背景技术
[0002]隧洞开挖现已大量采用TBM,即全断面隧道掘进机,TBM具有掘进效率高、施工质量 好、围岩扰动小、施工安全环保、自动化信息化程度高等优点,现已广泛应用于水利水电工 程、城市地铁建设、公路、铁路等领域。但其对岩爆等不良地质条件适应性较差,在大埋深隧 洞施工中常由于岩爆灾害造成TBM卡机、设备损坏等问题,受制于其笨重庞大的机身和机身 与围岩间距十分狭小的因素,一旦发生卡机事故将消耗极长时间进行卡机脱困处理作业, 影响工程进度,而且设备损坏后极难修复相应的笨重零部件。
[0003]目前,在TBM施工隧洞中,对于岩爆的处理方法主要有两种:一种是采用钻爆法在 TBM掘进方向侧面开挖辅助洞绕行至掌子面前方,再通过向前开挖导洞进行应力解除爆破 作业,达到岩爆处理的目的。另一种是在掌子面前方采用钻爆法开挖一顶拱大于TBM工作断 面的上导洞,并对上导洞进行支护作业,使得后期TBM施工通过此处时,上导洞已经支护完 毕,TBM只需要进行下断面掘进,达到岩爆处理的目的。受制于TBM通向围岩的空间十分狭 小,采用钻爆法开挖辅助洞或导洞来进行TBM施工中的岩爆处理,直接面临着导洞或辅助洞 难以通过TBM狭小的空间进行出渣,工作效率低,而且钻爆法施工时,TBM处于停机状态,相 应的将影响整个隧洞的TBM施工进度;同时该部位正处于岩爆地段,由于不能向导洞运送相 应的钻爆台车,使钻爆法作业人员安全风险较大,钻爆作业困难,实施导洞开挖的可行性较 低。
发明内容
[0004] 为克服现有技术中对于岩爆的处理方式施工难度大、风险大、工作效率低等不足, 本发明所要解决的技术问题是:提供一种能够快速安全施工的隧洞岩爆处理结构以及配套 的处理岩爆的方法。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:大埋深TBM施工隧洞岩爆处理结构, 包括隧洞和位于隧洞掌子面前方可能出现岩爆的岩爆区域,所述隧洞掌子面的拱顶区域设 有多个超前钻孔,所述超前钻孔贯穿岩爆区域,各个超前钻孔之间通过钻孔内预裂爆破形 成的裂隙破碎带相连。
[0006] 进一步的是,所述多个超前钻孔呈弧形间隔设置在掌子面顶拱区域,所述超前钻 孔中心线距离隧洞中心的距离r不小于隧洞半径的1/2。
[0007] 进一步的是,所述超前钻孔所在的弧形区域为隧洞竖直中心线左右各a°,a°< 90。。
[0008] 进一步的是,所述超前钻孔的数量n与相邻两超前钻孔的间距L满足以下关系:L = 2rsin (a/n-1) 〇
[0009]进一步的是,所述超前钻孔以及各超前钻孔之间的破碎带裂隙内均设有采用高压 灌浆形成的水泥砂浆。
[0010] 大埋深TBM施工隧洞岩爆的处理方法,包括以下步骤:
[0011] A、确定岩爆区域,当超前地质预报、微震监测技术发现隧洞掌子面前方存在岩爆 风险时,立即停止TBM掘进,并进一步通过超前地质预报、微震监测技术确定前方岩爆风险 区域范围;
[0012] B、钻孔爆破处理,利用TBM配备的超前地质钻机在隧洞掌子面顶拱区域钻掘多个 超前钻孔,然后在超前钻孔内填充炸药爆破,使相邻超前钻孔之间的岩体形成裂隙破碎带;
[0013] C、高压注水处理,钻孔爆破处理完成后,通过TBM配备的灌浆设备向超前钻孔内进 行高压注水处理,促进岩体破碎带裂隙发展并软化岩体,释放高地应力,随后进行TBM掘进。 [0014] 进一步的是,在步骤B中进行钻掘超前钻孔前先确定超前钻孔的布置形式,所述超 前钻孔呈弧形间隔设置在掌子面顶拱区域,超前钻孔的数量n与相邻两超前钻孔的间距L满 足以下关系:L=2rsin(a/n-l),式中r为超前钻孔中心线距离隧洞中心的距离,r不小于隧 洞半径的l/2,a为超前钻孔所在弧形区域边界与隧洞竖直中心线的夹角,a°<90°。
[0015] 进一步的是,步骤B中填充的爆破炸药为间隔设置的乳化炸药,单个乳化炸药装药 量根据现场爆破试验和超前钻孔的间距确定,其药量使爆破后形成的岩体破碎带半径为L/ 2〇
[0016] 进一步的是,在步骤C中进行高压注水处理时,采用一孔注水其余孔用止浆材料堵 塞的方式依次进行,并且各钻孔高压注水进行多个循环,各循环水压不断增加。
[0017] 进一步的是,在高压注水处理后可再进行高压灌浆处理,通过TBM配备的灌浆设备 向超前钻孔内进行高压灌浆处理,岩爆区域岩体破碎带裂隙因浆液充填而完整性得到提 高,待浆液凝固硬化后进行TBM掘进。
[0018] 本发明的有益效果是:本发明利用TBM机内操作空间在隧洞掌子面上合理布置钻 孔位置和方向,采用钻孔爆破使得岩爆区域顶拱、拱肩部位形成岩体破碎带,再利用高压注 水进一步促进岩体破碎带裂隙发展并软化岩体,释放岩爆区域高地应力,解除岩爆风险,整 个施工过程安全高效、成本低、处理效果好,可进一步进行钻孔高压灌浆处理,提高岩体破 碎带裂隙完整性,减少后续TBM掘进中顶拱坍塌量和回填量,不仅保证了岩爆处理效果,而 且减少了后期支护和回填工作,具有显著的经济和社会效益。
附图说明
[0019] 图1是本发明施工结构俯视图。
[0020] 图2是本发明施工结构主视图。
[0021] 图3是本发明施工结构隧洞掌子面结构示意图。
[0022] 图4是本发明施工结构钻孔内炸药填充示意图。
[0023] 图中标记为,1-隧洞,2-隧洞掌子面,3-岩爆区域,4-超前钻孔,5_裂隙破碎带,6-TBM,7-超前钻机,8-乳化炸药,9-空气。
具体实施方式
[0024] 以下通过附图对本发明作进一步描述。
[0025] 如图1、图2、图3所示,大埋深TBM施工隧洞岩爆处理结构,包括隧洞1和位于隧洞掌 子面2前方可能出现岩爆的岩爆区域3,所述隧洞掌子面2的顶拱区域设有多个超前钻孔4, 所述超前钻孔4贯穿岩爆区域3,各个超前钻孔4之间通过钻孔内预裂爆破形成的裂隙破碎 带5相连。现有技术中对于岩爆区域的处理方式一般包括两种,一种是通过在侧面开挖隧洞 绕过岩爆区域,在岩爆区域前方进行爆破作业,另一种是采用钻爆法开挖一顶拱大于TBM工 作断面的上导洞,并对上导洞进行支护作业,TBM只需要进行下断面掘进,从而达到岩爆处 理的目的。这两种结构或施工方式都需要较大的施工量,并且受作业空间限制,效率低,还 存在一定安全隐患。采用本发明所述的结构,只需利用TBM6自带的超前钻机7在隧洞掌子面 2的顶拱区域钻数个深孔,然后在深孔内填充炸药进行预裂爆破,使岩爆区域顶拱、拱肩部 位形成岩体裂隙破碎带5,此结构能有效释放岩爆区域高地应力,从而避免在TBM掘进时遭 遇岩爆灾害。
[0026] 由于TBM6的超前钻机7位于TBM机身内部,超前钻机7的钻孔位置和范围受到一定 限制,为了直接利用超前钻机7,并且达到有效解除岩爆区域3顶拱、拱肩部位的高地应力的 目的,所述多个超前钻孔4呈弧形间隔设置在隧洞掌子面2顶拱区域,如图3所示,所述超前 钻孔4中心线距离隧洞中心的距离r不小于隧洞半径的1/2,所述超前钻孔4所在的弧形区域 为隧洞竖直中心线左右各a°,a°<90°。
[0027] 进一步的,所述超前钻孔4的数量n与相邻两超前钻孔4的间距L满足以下关系:L二 2rsin (a/n-1),超前钻孔4的数量和间距需要根据不同隧洞的尺寸和岩爆区域的高地应力 情况进行合理选择。
[0028] 因岩爆区域顶拱、拱肩部位形成了完整岩体破碎带,后续TBM6掘进至破碎带部位 时,顶拱、拱肩部位岩体可能产生一定坍塌,同时,岩体垮塌后产生顶部围岩空腔,将增大后 期支护回填量。为了避免此类情况发生,可在TBM6掘进前在超前钻孔4以及各超前钻孔4之 间的裂隙破碎带5内均设置采用高压灌浆形成的水泥砂浆,从而提高岩体破碎带裂隙完整 性,减少后续TBM6掘进中顶拱坍塌量和回填量。
[0029] 大埋深TBM施工隧洞岩爆的处理方法,包括以下步骤:
[0030] A、确定岩爆区域,当超前地质预报、微震监测技术发现隧洞掌子面前方存在岩爆 风险时,立即停止TBM掘进,并进一步通过超前地质预报、微震监测技术确定前方岩爆风险 区域范围;
[0031] B、钻孔爆破处理,利用TBM配备的超前地质钻机在隧洞掌子面顶拱区域钻掘多个 超前钻孔,然后在超前钻孔内填充炸药爆破,使相邻超前钻孔之间的岩体形成裂隙破碎带; [0032] C、高压注水处理,钻孔爆破处理完成后,通过TBM配备的灌浆设备向超前钻孔内进 行高压注水处理,促进岩体破碎带裂隙发展并软化岩体,释放高地应力,随后进行TBM掘进。 [0033] 在确定岩爆区域3时还需要通过现场地应力测试以及地质人员对围岩、出渣料等 地质条件判断岩爆风险的程度以及区域大小、应力情况等。钻孔爆破处理的目的是使岩爆 区域3顶拱、拱肩部位形成岩体破碎带,该部位高地应力得到提前释放,降低后续TBM6掘进 的岩爆风险。高压注水处理为进一步促进岩体裂隙破碎带5发展并软化岩体,释放高地应 力,进一步降低后续TBM6掘进的岩爆风险。
[0034] 在步骤B中进行钻掘超前钻孔前先确定超前钻孔的布置形式,根据TBM6超前钻机7 的位置,为了便于施工,所述超前钻孔4呈弧形间隔设置在隧洞掌子面2顶拱区域,超前钻孔 4的数量n与相邻两超前钻孔4的间距L?两足以下关系:L==2rsin (a/n-l),式中r为超前钻孔 中心线距离隧洞中心的距离,r不小于隧洞半径的l/2,a为超前钻孔4所在弧形区域边界与 隧洞竖直中心线的夹角,a°<90°。此外超前钻孔4的大小和仰角均由超前钻机的自身参数 决定,钻孔深度应超过岩爆风险区域,若岩爆风险区域超出钻机最大钻掘深度,则钻孔深度 为钻机最大钻掘深度。
[0035] 在步骤B中填充的爆破炸药为间隔设置的乳化炸药,如图4所示,即填充一个乳化 炸药8后隔一段空气9再填充下一个,各乳化炸药通过导爆索连接,单个乳化炸药装药量根 据现场爆破试验和超前钻孔的间距确定,其药量使爆破后形成的岩体破碎带半径为L/2。 [0036] 在步骤C中进行高压注水处理时,采用一孔注水其余孔用止浆材料或结构堵塞的 方式依次进行,并且各钻孔高压注水进行多个循环,各循环水压不断增加。采用单孔注水可 避免由于水从其它钻孔中流出,造成高压注水处理效果不好的情况。同时,在顶部钻孔高压 注水处理完成后,通过拆除其余钻孔止浆材料或结构,观察其钻孔出水情况,可检验钻孔爆 破处理和高压注水处理的实施效果。 t〇〇37] 以上步骤实施完毕后,岩爆区域高地应力已经得到释放,岩爆风险已经大为降低。 因岩爆区域顶拱、拱肩部位形成了完整岩体破碎带,后续TBM6掘进至破碎带部位时,顶拱、 拱肩部位岩体可能产生一定坍塌,同时,岩体垮塌后产生顶部围岩空腔,将增大后期支护回 填量,因此,当微震监测技术确定岩爆区域高地应力释放基本完毕后,同时钻孔孔内注水基 本排出后,可通过TBM6配备的灌浆设备向超前钻孔4内进行高压灌浆处理,通过高压灌浆处 理后,岩爆区域岩体破碎带裂隙5因浆液充填而完整性得到提高,能够有效减少顶拱坍塌 量,减少后续回填量。
[0038]所述灌浆材料为高强度细粒水泥砂浆或其余粘结强度高的浆液,灌浆方式均采用 分段后退式灌浆,分段长度为3〜5m,先进行孔底分段灌浆,当灌浆压力达到设计值时,后退 进行下一分段灌浆,直到孔口灌浆完成。所述高压灌浆顺序从底部钻孔到顶部钻孔进行,高 压注浆前应先用止浆材料或结构将其余钻孔封堵,以提高灌浆效果。高压灌浆处理实施完 成,浆液凝固、硬化后,TBM6开始慢速掘进并持续通过刀盘喷水孔喷水湿润掌子面岩体,达 到更好的岩爆处理效果。
[0039] 本发明利用TBM机内操作空间在隧洞掌子面上合理布置钻孔位置和方向,采用钻 孔爆破使得岩爆区域顶拱、拱肩部位形成岩体破碎带,再利用高压注水进一步促进岩体破 碎带裂隙发展并软化岩体,释放岩爆区域高地应力,解除岩爆风险,整个施工过程安全高 效、成本低、处理效果好,可进一步进行钻孔高压灌浆处理,提高岩体破碎带裂隙完整性,减 少后续TBM掘进中顶拱坍塌量和回填量,不仅保证了岩爆处理效果,而且减少了后期支护和 回填工作,具有显著的经济和社会效益。

Claims (10)

1. 大埋深TBM施工隧洞岩爆处理结构,包括隧洞(1)和位于隧洞掌子面(2)前方可能出 现岩爆的岩爆区域(3),其特征是:所述隧洞掌子面⑵的顶拱区域设有多个超前钻孔(4), 所述超前钻孔(4)贯穿岩爆区域(3),各个超前钻孔⑷之间通过钻孔内预裂爆破形成的裂 隙破碎带⑸相连。
2. 如权利要求1所述的大埋深TBM施工隧洞岩爆处理结构,其特征是:所述多个超前钻 孔(4)呈弧形间隔设置在隧洞掌子面(2)拱顶区域,所述超前钻孔(4)中心线距离隧洞中心 的距离r不小于隧洞半径的1/2。
3. 如权利要求2所述的大埋深TBM施工隧洞岩爆处理结构,其特征是:所述超前钻孔(4) 所在的弧形区域为隧洞竖直中心线左右各a°,a°<90°。
4. 如权利要求3所述的大埋深TBM施工隧洞岩爆处理结构,其特征是:所述超前钻孔(4) 的数量n与相邻两超前钻孔(4)的间距L满足以下关系:L=2rsin (a/n-1)。
5. 如权利要求1、2、3或4任意一项权利要求所述的大埋深TBM施工隧洞岩爆处理结构, 其特征是:所述超前钻孔⑷以及各超前钻孔之间的破碎带裂隙内均设有采用高压灌浆 形成的水泥砂浆。
6. 大埋深TBM施工隧洞岩爆处理方法,其特征是,包括以下步骤: A、 确定岩爆区域,当超前地质预报、微震监测技术发现隧洞掌子面前方存在岩爆风险 时,立即停止TBM掘进,并进一步通过超前地质预报、微震监测技术确定前方岩爆风险区域 范围; B、 钻孔爆破处理,利用TBM配备的超前地质钻机在隧洞掌子面顶拱区域钻掘多个超前 钻孔,然后在超前钻孔内填充炸药爆破,使相邻超前钻孔之间的岩体形成裂隙破碎带; C、 高压注水处理,钻孔爆破处理完成后,通过TBM配备的灌浆设备向超前钻孔内进行高 压注水处理,促进岩体破碎带裂隙发展并软化岩体,释放高地应力,随后进行TBM掘进。
7.如权利要求6所述的大埋深TBM施工隧洞岩爆处理方法,其特征是:在步骤B中进行钻 掘超前钻孔前先确定超前钻孔的布置形式,所述超前钻孔呈弧形间隔设置在掌子面拱顶区 域,超前钻孔的数量n与相邻两超前钻孔的间距L满足以下关系:L = 2rsin(a/n-1),式中r为 超前钻孔中心线距离隧洞中心的距离,r不小于隧洞半径的l/2,a为超前钻孔所在弧形区域 边界与隧洞竖直中心线的夹角,a°<90°。
8.如权利要求7所述的大埋深TBM施工隧洞岩爆处理方法,其特征是:步骤B中填充的爆 破炸药为间隔设置的乳化炸药,单个乳化炸药装药量根据现场爆破试验和超前钻孔的间距 确定,其药量使爆破后形成的岩体破碎带半径为L/2。
9.如权利要求6所述的大埋深TBM施工隧洞岩爆处理方法,其特征是:在步骤C中进行高 压注水处理时,采用一孔注水其余孔用止浆材料堵塞的方式依次进行,并且各钻孔高压注 水进行多个循环,各循环水压不断增加。
10.如权利要求6所述的大埋深TBM施工隧洞岩爆处理方法,其特征是:在高压注水处理 后可再进行高压灌浆处理,通过TBM配备的灌浆设备向超前钻孔内进行高压灌浆处理,岩爆 区域岩体破碎带裂隙因浆液充填而完整性得到提高,待浆液凝固硬化后进行TBM掘进。
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