CN107083967B - 利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的方法及系统，通过水力压裂技术使得极硬的完整的岩体产生裂缝从而降低岩体完整度，根据地层条件设计掌子面的钻孔位置以及压裂顺序、钻杆伸出孔洞在掌子面上依次垂直打孔、通过封隔器将钻孔内待压裂段密封、向待压裂段泵入高压水并不断加大水压先使孔壁开裂后使裂缝扩展、裂缝扩张达到预定长度后停止加压并将封隔器连同其余压裂设备从钻孔中取出、隧道掘进机开始掘进。本发明降低了施工范围内岩体的完整性，减少了掘进时的刀具磨损，提高了掘进效率。
Description
技术领域
本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一种利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的方法及系统。
背景技术
隧道掘进机又称TBM（Tunnel Boring Machine），是机、电、液、光、气等系统集成的工厂化流水线隧道施工装备，隧道掘进机掘进时，刀盘上刀具与掌子面直接接触破岩，刀具的检修和更换影响隧道施工的进程，同时，刀具消耗也是隧道掘进机施工成本中所占比例较大的项目之一。
刀具消耗一般用耗刀率来度量，即每米进尺的耗刀数或每 100m 进尺的耗刀数，刀圈是刀具中直接接触岩体进行破岩的部位,因此刀具消耗主要指刀圈的消耗，刀圈滚动破岩时，会逐渐磨损,直径变小，刀顶变宽，当磨损达到一定程度时，刀具因不能继续使用而失效，而岩体的强度越高，磨蚀性越大，刀具磨损越严重这一结论已经被许多研究所证实，因此，在极其坚硬、完整岩石地层中，每把新刀所能掘进的长度很短，需要频繁的停机检修和更换刀具，耗用工时并增加成本，造成隧道掘进机掘进效率低下。
影响隧道掘进机工作效率的主要地质因素为岩石的单轴抗压强度、岩石的硬度和耐磨性以及岩体结构面的发育程度（完整性），一般来说强度、硬度和耐磨性越高，TBM的工作效率越低，岩体越完整，TBM的工作效率越低，这一结论已经被大量的研究和工程实例所证实（例如，王石春，1998.隧道掘进机与地质因素关系综述.世界隧道，(2):39-43以及何发 亮，谷明成，王石春，2002. TBM施工隧道围岩分级方法研究.岩石力学与工程学报，21（9）： 1350-1354.）。
水力压裂技术是通过封隔器将钻孔待压裂段封隔起来，并向该孔段注入高压水，当水压超过一定值后，钻孔壁将发生开裂，孔壁发生初始开裂时所需水压可通过理论计算确定(参照文献:蔡美峰，2013.岩石力学与工程.北京：科学出版社，126-130.)，钻孔壁发生初始开裂时的水压为
由下式表示：
式中
为垂直于钻孔平面内的最小主应力、/>
为垂直于钻孔平面内的最大主应力、/>
为岩石抗拉强度。当钻孔方向为一个主应力方向时，基于岩石为连续、均质和各向同性的假设，初始开裂发生在钻孔壁切向应力最小的部位、平行于最大主应力方向（如图1所示），但如果孔壁有天然的裂隙或节理存在，那么初始裂隙很可能发生在这些部位。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的方法及系统，利用水力压裂技术降低了施工范围内岩体的完整性，减少了掘进时的刀具磨损，提高了掘进效率。
本发明所采用的技术方案是：
一种利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的方法，通过水力压裂技术使得极硬的完整的岩体产生裂缝从而降低岩体完整度，包括步骤：
S1、在刀盘面的不同位置上预留孔洞，在孔洞内设置钻杆；
S2、根据地层条件设计掌子面的钻孔位置以及压裂顺序，地层条件包括应力条件和结构面条件；
S3、钻杆伸出孔洞在掌子面上依次垂直打孔直至完成所有钻孔，钻孔的深度和直径根据地层条件确定；
S4、通过封隔器将钻孔内待压裂段密封；
S5、向待压裂段泵入高压水并不断加大水压先使孔壁开裂后使裂缝扩展；
S6、裂缝扩张达到预定长度后停止加压，将封隔器连同其余压裂设备从钻孔中取出；
S7、重复S4至S6，按照设计的压裂顺序对其余钻孔进行压裂直至所有钻孔压裂完成；
S8、隧道掘进机开始掘进，掘进完压裂段后停止掘进；
S9、重复S2至S8。
进一步地，设计掌子面的钻孔位置时，需要保证钻孔被压裂后所产生的裂缝量满足具有明显的压裂改造效果的同时不与其它钻孔串孔、保证钻孔被压裂后所产生的裂缝长度满足不与其余的裂缝贯通的同时不与软弱结构面贯通、保证钻孔被压裂后所产生的裂缝在隧道掘进机掘进范围内。
进一步地，当掌子面及前方岩体完整无结构面时，若竖直向应力大于水平向应力，钻孔在掌子面上沿水平方向布置，若水平向应力大于竖直向应力，钻孔在掌子面上沿竖直向布置，当竖直向不是主应力方向时，钻孔在掌子面上沿最小主应力方向线性分布；当掌子面及前方岩体中有一组软弱结构面时，若软弱结构面与掌子面的圆心距离较近则在软弱结构面的两侧布置钻孔，若软弱结构面与掌子面的圆心距离较远则只在软弱结构面的圆心侧布置钻孔；当掌子面及前方岩体有坚硬的岩脉时，在岩脉内和岩脉外均布置钻孔；当掌子面包含两组以上软弱结构面或软弱结构面与坚硬的岩脉同时出现时，适当减少钻孔数量。
进一步地，封隔器将钻孔内待压裂段密封时，封隔器与掌子面存在一定距离。
一种基于上述方法的利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的系统，包括隧道掘进机、封隔器和水力压裂的配套设备，隧道掘进机的刀盘面的不同位置上预留有孔洞，孔洞内设有钻杆，钻杆的钻孔直径等于封隔器直径，封隔器上设有转换阀和压力传感器，水力压裂的配套设备包括加压管、高压泵、控制器和数据采集器，加压管的两端分别与转换阀和高压泵连接，加压管上设有流量计，控制器分别与流量计、高压泵、数据采集器和压力传感器连接。
进一步地，高压泵上设有压力表。
进一步地，以刀盘面的中心为圆点，所有孔洞与圆点的距离均不相同，所有孔洞所在的同心圆叠加能够覆盖整个掌子面。
进一步地，在刀盘面上孔洞与相邻刀具存在一定距离。
进一步地，钻孔直径与封隔器直径相等，规格有38mm、51mm、76mm、91mm、110mm和130mm。
本发明的有益效果是：
在地质条件已经确定的情况下，虽然岩石的单轴抗压强度、硬度和耐磨性是确定的，但是通过水力压裂技术使掌子面及前方的完整岩体产生新的裂缝，降低了施工范围内岩体的完整性，减少了掘进时的刀具磨损，刀具设计时可以采用水力压裂后的岩体完整性系数取代原岩体完整性系数，减少了刀具的使用量，不用频繁停机检修和换刀，提高了掘进效率；为了尽可能提高打孔速度，将钻杆设在刀盘面上的孔洞内，在很小的改造量下，避免单独设置一套打孔设备，只需钻杆的伸入和伸出，避免了打孔设备的周转；将应力条件和结构面条件作为设计钻孔位置以及压裂顺序的根据，可以对压裂产生的裂缝进行有效的预估和控制，便于后续施工。
钻孔被压裂后所产生的裂缝量要适当，不可太多也不可太少，太多则在不同孔中压裂易产生串孔，导致压裂液渗透，太少则压裂改造效果不明显，钻孔被压裂后所产生的裂缝长度要适当，以不同钻孔压裂的裂缝之间相互不贯通为原则，与软弱结构面也不贯通，防止相邻软弱结构面遭到破坏，钻孔被压裂后所产生的裂缝必须在隧道掘进机掘进范围内，否则不利于后续的浇筑。
孔洞不必设满整个刀盘面，每一个同心圆上只设一个孔洞，通过旋转刀盘，即可在所在同心圆的任一上打孔，所有孔洞所在的同心圆叠加能够覆盖整个掌子面，因此旋转刀盘改变孔洞的位置，即可在整个掌子面上打孔。
由于掌子面临空，压裂裂缝会向临空面处外拐发展，若裂纹扩展到掌子面处，压裂液会流出，导致无法继续压裂，因而封隔器的设置要保证一定深度。
附图说明
图1是水力压裂时裂缝的扩展方向示意图。
图2是本发明实施例中掌子面及前方岩体完整无结构面且竖直向是主应力方向时钻孔的平面布置图（图中A为竖直向应力大于水平向应力，B为水平向应力大于竖直向应力）。
图3是本发明实施例中掌子面及前方岩体中有一组软弱结构面时钻孔的平面布置图 (图中A结构面与掌子面的圆心距离较近，B为结构面与掌子面的圆心距离较远)。
图4是本发明实施例中掌子面及前方岩体有坚硬的岩脉时钻孔的平面布置图。
图5是本发明实施例中掌子面及前方岩体完整无结构面且竖直向不是主应力方向时钻孔的平面布置图。
图6是本发明实施例中水力压裂的配套设备和封隔器的工作示意图。
图中：1-裂缝；2-钻孔；3-软弱结构面；4-岩脉；5-封隔器；6-转换阀；7-压力传感器；8-加压管；9-流量计；10-高压泵；11-控制器；12-数据采集器；13-压力表。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
一种利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的方法，通过水力压裂技术使得极硬的完整的岩体产生裂缝1从而降低岩体完整度，包括步骤：
S1、在刀盘面的不同位置上预留孔洞，在孔洞内设置钻杆；
S2、根据地层条件设计掌子面的钻孔2位置以及压裂顺序，地层条件包括应力条件和结构面条件；
S3、钻杆伸出孔洞在掌子面上依次垂直打孔直至完成所有钻孔2（打孔的顺序为从上往下或从左往右），钻孔2的深度和直径根据地层条件确定；
S4、通过封隔器5将钻孔2内待压裂段密封；
S5、向待压裂段泵入高压水并不断加大水压先使孔壁开裂后使裂缝1扩展；
S6、裂缝1扩张达到预定长度后停止加压，将封隔器5完全卸压后连同加压管8等其余压裂设备从钻孔2中取出；
S7、重复S4至S6，按照设计的压裂顺序对其余钻孔2进行压裂直至所有钻孔2压裂完成；
S8、隧道掘进机开始掘进，掘进完压裂段后停止掘进；
S9、重复S2至S8。
在地质条件已经确定的情况下，虽然岩石的单轴抗压强度、硬度和耐磨性是确定的，但是通过水力压裂技术使掌子面及前方的完整岩体产生新的裂缝1，降低了施工范围内岩体的完整性，减少了掘进时的刀具磨损，刀具设计时可以采用水力压裂后的岩体完整性系数取代原岩体完整性系数，减少了刀具的使用量，不用频繁停机检修和换刀，提高了掘进效率；为了尽可能提高打孔速度，将钻杆设在刀盘面上的孔洞内，在很小的改造量下，避免单独设置一套打孔设备，只需钻杆的伸入和伸出，避免了打孔设备的周转；将应力条件和结构面条件作为设计钻孔2位置以及压裂顺序的根据，可以对压裂产生的裂缝1进行有效的预估和控制，便于后续施工。
如图1所示，根据水力压裂原理，钻孔2内为近似二维应力状态，水力压裂所产生的裂缝1沿最大主应力方向扩展，因此设计掌子面的钻孔2位置时需要同时满足三个条件：（1）钻孔2被压裂后所产生的裂缝1量要适当，不可太多也不可太少，太多则在不同孔中压裂易产生串孔，导致压裂液渗透，太少则压裂改造效果不明显；（2）钻孔2被压裂后所产生的裂缝1长度要适当，以不同钻孔2压裂的裂缝1之间相互不贯通为原则，与软弱结构面3也不贯通，防止相邻软弱结构面3遭到破坏；（3）钻孔2被压裂后所产生的裂缝1必须在隧道掘进机掘进范围内，否则不利于后续的浇筑。
具体来说，当掌子面及前方岩体完整无结构面时，如图2中的A所示，若竖直向应力大于水平向应力，钻孔2在掌子面上沿水平方向布置，可布置两行或多行，行与行之间要有一定的距离，此时会在施工岩体范围内产生多组竖直向的裂缝1，如图2中的B所示，若水平向应力大于竖直向应力，钻孔2在掌子面上沿竖直向布置，可布置两行或多行，行与行之间要有一定的距离，此时会在施工岩体范围内产生多组水平向的裂缝1，如图5所示，当竖直向不是主应力方向时，钻孔2在掌子面上沿最小主应力方向线性分布，使得裂缝1沿最大主应力方向扩展，达到最好的压裂效果。当掌子面及前方岩体中有一组软弱结构面3时，如图3中的A所示，若软弱结构面3与掌子面的圆心距离较近则在软弱结构面3的两侧布置钻孔2，如图3中的B所示，若软弱结构面3与掌子面的圆心距离较远则只在软弱结构面3的圆心侧布置钻孔2，保证了一定量的裂缝1产生，同时又使得裂缝1与裂缝1或软弱结构面3无贯通，并且所产生的裂缝1均位于隧道掘进机掘进范围内。如图4所示，当掌子面及前方岩体有坚硬的岩脉4时，在岩脉4内和岩脉4外均布置钻孔2，使得坚硬的岩脉4和其余地方均产生裂缝1无贯通，并且裂缝1位于隧道掘进机掘进范围内，当裂缝1扩展至岩脉4与常规岩体交界处时，由于接触面为软弱面，裂纹1会沿接触面方向扩展一段后继续沿最大主应力方向扩展。当掌子面包含两组以上软弱结构面3或软弱结构面3与坚硬的岩脉4同时出现时，适当减少钻孔2数量，防止相邻软弱结构面3遭到破坏。
在本实施例中，封隔器5将钻孔2内待压裂段密封时，封隔器5与掌子面存在一定距离。由于掌子面临空，压裂裂缝1会向临空面处外拐发展，若裂纹扩展到掌子面处，压裂液会流出，导致无法继续压裂，因而封隔器5的设置要保证一定深度。
一种基于上述方法的利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的系统，包括隧道掘进机、封隔器5和水力压裂的配套设备，隧道掘进机的刀盘面的不同位置上预留有孔洞，孔洞内设有钻杆，钻杆的钻孔直径等于封隔器5直径，封隔器5上设有转换阀6和压力传感器7，水力压裂的配套设备包括加压管8、高压泵10、控制器11和数据采集器12，加压管8的两端分别与转换阀6和高压泵10连接，加压管8上设有流量计9，控制器11分别与流量计9、高压泵10、数据采集器12和压力传感器7连接。
在本实施例中，以刀盘面的中心为圆点，所有孔洞与圆点的距离均不相同，所有孔洞所在的同心圆叠加能够覆盖整个掌子面。孔洞不必设满整个刀盘面，每一个同心圆上只设一个孔洞，通过旋转刀盘，即可在所在同心圆的任一上打孔，所有孔洞所在的同心圆叠加能够覆盖整个掌子面，因此旋转刀盘改变孔洞的位置，即可在整个掌子面上打孔。在刀盘面上孔洞与相邻刀具存在一定距离，保证钻孔对刀盘所产生的影响最小。
在本实施例中，钻孔2直径与封隔器5直径相等，规格有38mm、51mm、76mm、91mm、110mm和130mm等。
如图6所示，在本实施例中，高压泵10上设有压力表13。压力表13用于检测高压泵10的压力，防止压力不足或压力超过上限。
该系统可以通过水力压裂技术使得极硬的完整的岩体产生裂缝从而降低岩体完整度，具体步骤为：S1根据地层条件（地层条件包括应力条件和结构面条件）设计掌子面的钻孔2位置以及压裂顺序；S2钻杆伸出孔洞在掌子面上依次垂直打孔直至完成所有钻孔2（打孔的顺序为从上往下或从左往右，钻孔2的深度和直径根据地层条件确定）；S3高压泵10通过加压管8向封隔器5加压从而将钻孔2内待压裂段密封（转换阀6处于加压状态）；S4高压泵10通过加压管8向待压裂段泵入高压水并不断加大水压先使孔壁开裂后使裂缝1扩展(给封隔器5加压密封和给待加压段注射高压水可共用一个液压回路也可采用双回路)；S5裂缝1扩张达到预定长度后高压泵10停止加压，将封隔器5完全卸压后（转换阀6处于泄压状态）连同加压管8从钻孔2中取出；S6重复S3至S5直至所有钻孔2压裂完成；S7隧道掘进机开始掘进，掘进完压裂段后停止掘进；S8重复S2至S7。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的方法，其特征在于：通过水力压裂技术使得极硬的完整的岩体产生裂缝从而降低岩体完整度，包括步骤，
S1、在刀盘面的不同位置上预留孔洞，在孔洞内设置钻杆；
S2、根据地层条件设计掌子面的钻孔位置以及压裂顺序，地层条件包括应力条件和结构面条件；
S3、钻杆伸出孔洞在掌子面上依次垂直打孔直至完成所有钻孔，钻孔的深度和直径根据地层条件确定；
S4、通过封隔器将钻孔内待压裂段密封；
S5、向待压裂段泵入高压水并不断加大水压先使孔壁开裂后使裂缝扩展；
S6、裂缝扩张达到预定长度后停止加压，将封隔器连同其余压裂设备从钻孔中取出；
S7、重复S4至S6，按照设计的压裂顺序对其余钻孔进行压裂直至所有钻孔压裂完成；
S8、隧道掘进机开始掘进，掘进完压裂段后停止掘进；
S9、重复S2至S8；
设计掌子面的钻孔位置时，需要保证钻孔被压裂后所产生的裂缝量满足具有明显的压裂改造效果的同时不与其它钻孔串孔、保证钻孔被压裂后所产生的裂缝长度满足不与其余的裂缝贯通的同时不与软弱结构面贯通、保证钻孔被压裂后所产生的裂缝在隧道掘进机掘进范围内；
当掌子面及前方岩体完整无结构面时，若竖直向应力大于水平向应力，钻孔在掌子面上沿水平方向布置，若水平向应力大于竖直向应力，钻孔在掌子面上沿竖直向布置，当竖直向不是主应力方向时，钻孔在掌子面上沿最小主应力方向线性分布；当掌子面及前方岩体中有一组软弱结构面时，若软弱结构面与掌子面的圆心距离较近则在软弱结构面的两侧布置钻孔，若软弱结构面与掌子面的圆心距离较远则只在软弱结构面的圆心侧布置钻孔；当掌子面及前方岩体有坚硬的岩脉时，在岩脉内和岩脉外均布置钻孔；当掌子面包含两组以上软弱结构面或软弱结构面与坚硬的岩脉同时出现时，适当减少钻孔数量。
2.如权利要求1所述的利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的方法，其特征在于：封隔器将钻孔内待压裂段密封时，封隔器与掌子面存在一定距离。
3.一种基于如权利要求1或2所述的利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的方法的利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的系统，其特征在于：包括隧道掘进机、封隔器和水力压裂的配套设备，隧道掘进机的刀盘面的不同位置上预留有孔洞，孔洞内设有钻杆，钻杆的钻孔直径等于封隔器直径，封隔器上设有转换阀和压力传感器，水力压裂的配套设备包括加压管、高压泵、控制器和数据采集器，加压管的两端分别与转换阀和高压泵连接，加压管上设有流量计，控制器分别与流量计、高压泵、数据采集器和压力传感器连接。
4.如权利要求3所述的利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的系统，其特征在于：以刀盘面的中心为圆点，所有孔洞与圆点的距离均不相同，所有孔洞所在的同心圆叠加能够覆盖整个掌子面。
5.如权利要求4所述的利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的系统，其特征在于：在刀盘面上孔洞与相邻刀具存在一定距离。
6.如权利要求3所述的利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的系统，其特征在于：钻孔直径与封隔器直径相等，规格有38mm、51mm、76mm、91mm、110mm和130mm。
7.如权利要求3所述的利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的系统，其特征在于：高压泵上设有压力表。
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