CN106930766A - 大埋深tbm施工隧洞岩爆处理结构 - Google Patents
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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
技术领域
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
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。
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
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。
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。
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。
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°。
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)。
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。
大埋深TBM施工隧洞岩爆的处理方法，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。
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-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1/2，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°。
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。
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。
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。
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
图1是本发明施工结构俯视图。
图2是本发明施工结构主视图。
图3是本发明施工结构隧洞掌子面结构示意图。
图4是本发明施工结构钻孔内炸药填充示意图。
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
以下通过附图对本发明作进一步描述。
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。
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°。
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＝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。
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。
大埋深TBM施工隧洞岩爆的处理方法，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。
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。
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1/2，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。
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。
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。
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。
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。
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(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。
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(4)以及各超前钻孔之间的破碎带裂隙(5)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1/2，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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