CN107165638B - 一种深部隧洞岩爆主动防控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种深部隧洞岩爆主动防控方法，通过在岩爆段施工超前中心孔和周边孔，并进行割缝，能够在隧洞开挖轮廓线内的岩体中形成一定长度的环形缝槽，同时形成大量的微裂隙，在一定程度上改变了围岩的完整性，快速解除缝槽周围岩体的高应力状态，该方法在改变岩爆段围岩力学特性的同时，能超前释放隧洞应力，从而保证施工人员、机械设备的安全，维护围岩完整性和稳定性，确保安全快速通过岩爆段。
Description
技术领域
本发明涉及一种深部隧洞岩爆主动防控方法，主要适用于交通、矿山、水利水电等地下工程领域，尤其适用于具有强烈及以上岩爆烈度的深部隧洞超前解除岩体应力、软化围岩，主动防控岩爆灾害。
背景技术
在深部隧洞开挖过程中，处于高应力状态下的岩体积聚的能量突然释放，导致围岩破坏，并将破碎岩石抛出，即发生岩爆，往往会造成人员伤亡、设备损坏和开挖工作面的破坏，严重影响施工进度，增加隧洞维护成本。因此，在深埋隧洞开挖至岩爆段之前，应采取主动防控措施来降低岩爆发生几率和岩爆烈度等级，确保岩爆地段的施工安全。
现有的隧洞开挖前岩爆主动防控方法可分为改善围岩力学特性和改善隧洞应力状态两种，主要措施有注水软化和钻孔及钻孔爆破解除应力。由于岩爆主要发生在无裂隙或裂隙不发育的高强度低渗透性岩石中，而注水软化方法采用的注水压力通常在5MPa以下，无法将水有效注入岩体结构中。应力解除重点是通过在掌子面钻进超前应力解除孔，对爆烈度高的隧洞在钻孔内装药进行爆破解除高应力状态，实际上在实施以上应力解除法时钻孔布置存在盲目性和随意性，而且应力解除钻孔孔径小，影响范围有限；采取装药爆破对保留围岩会造成不可逆的损伤破坏，影响隧洞稳定性。实践表明，现有岩爆主动防控方法很难取得理想的效果。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有深部隧洞岩爆主动防控技术存在的不足，提供一种基于水力化措施适用于深部地下工程的岩爆主动防控方法，该方法在改变岩爆段围岩力学特性的同时，能超前释放隧洞应力，从而保证施工人员、机械设备的安全，维护围岩完整性和稳定性，确保安全快速通过岩爆段。
在传统的超前应力钻孔释放应力的基础上，根据预测的岩爆段及该段初始应力场的方位和大小，结合水射流破岩所形成的塑性区范围，合理布置中心孔和周边孔，对岩体实施水射流割缝和注水压裂，以便在在改变岩爆段围岩力学特性的同时，超前释放应力，最终实现深埋隧洞岩爆的主动高效防控。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种深部隧洞岩爆主动防控方法，按如下步骤进行：
1）开挖前预测隧洞岩爆发生位置、岩爆烈度及规模，确定前方岩体的主应力水平及方向；
2）在掌子面开展至距离岩爆段10m时，钻进深度相同的一个中心孔和多个周边孔，中心孔与隧洞开挖轴线平行，周边孔沿隧洞轮廓线均匀布置，终孔位置位于隧洞开挖轮廓线外1~2m；
3）在中心孔钻至设计位置后，利用钻杆上预先安设的割缝器对岩体实施径向割缝，钻杆每后退2m实施一次割缝，直至退出岩爆段，循环以上1、2步骤完成对所有钻孔的割缝，其中相邻周边孔割缝位置相互交错；
4）割缝完毕后，在中心孔内安设压裂用输水无缝钢管，在钢管上对应钻孔割缝的位置预留出水孔眼，再对中心孔进行封孔处理，利用高压泵以不低于P的泵压注入压力水，直至周边孔有水流出或注水压力持续上升至出现3~5MPa的压力降后停止注水；
5）保持2个开挖循环的超前安全距离，采用光面爆破开挖，控制装药量，循环进尺不大于2m，采用锚网支护，直至通过岩爆段。
进一步地，岩爆段及主应力水平和方向根据地质勘测资料、数值计算或反演分析确定。
进一步地，中心孔和周边孔深度为20~30m，孔径不小于75mm；
进一步地，周边孔的数量由岩爆烈度和规模确定，岩爆烈度性越高、规模越大，周边孔数量越多，不少于6个。
进一步地，割缝水压保持在25MPa以上，割缝时间10~15min；对于强度高、完整性好的岩体，需在高压水中添加磨料后进行割缝。
进一步地，岩爆烈度为中等及以下，可不对中心孔实施注水压裂；岩爆烈度性为强烈及以上时，需架设钢拱架和安设超前锚杆支护。
进一步地，高压泵的注水压力P由以下公式确定：
式中：σH—水平地应力，MPa；
σv—垂直地应力，MPa；
σt—岩石抗拉强度，MPa；
K—备用系数，通常取1.3~1.5。
进一步地，在开挖过程中仍有岩爆发生倾向，则在隧道中向四周岩壁打孔割缝卸压。
本发明通过在岩爆段施工超前中心孔和周边孔，并进行割缝，能够在隧洞开挖轮廓线内的岩体中形成一定长度的环形缝槽，同时形成大量的微裂隙，在一定程度上改变了围岩的完整性，快速解除缝槽周围岩体的高应力状态。
通过中心孔注入高压水实施压裂，在周边孔割缝形成的连续塑性区的导向作用下，引导压裂裂缝在隧洞开挖轮廓线范围内均匀发展，在进一步解除高应力状态的同时，高压水通过割缝、压裂形成的微裂隙进入岩体中，起到大范围软化围岩、降低围岩脆性的作用，并且压裂裂缝扩展到周边孔缝槽后即卸压，不会引起隧洞保留岩体的破坏失稳。
除此之外，割缝、压裂形成的缝槽、缝隙能够吸收隧洞开挖过程中造成围岩破坏后剩余的能量，起到缓冲作用，有效地降低或消除岩爆危险。相较于常规的岩爆主动防控方法，本方法Rusesenes岩爆判别系数可达到0.3以上，优势明显，如表1所示：
附图说明
图1是本发明的一种深部隧洞岩爆主动防控方法结构示意图；
图2是图1的A-A剖面图；
图3是图1的B-B剖面图；
图4是注浆封孔示意图。
图中：1-隧洞，2-岩爆段，3-超前距离，4-中心孔，5-周边孔，6-割缝缝槽，7-割缝缝槽塑性区，8-钢管，9-封孔段，10-出水孔眼，11-注浆管。
名词解释：Rusesenes岩爆判别系数——隧洞围岩的最大切向应力与单轴抗压强度之比。
具体实施方式
下面结合附图中的实施实例对本发明作进一步的描述，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
参见图1-4，一种深部隧洞岩爆主动防控方法，按如下步骤进行：
1）开挖前预测隧洞1岩爆发生位置、岩爆烈度及规模，确定前方岩体的主应力水平及方向；
2）掌子面与岩爆段2安全距离3为10m时，钻进深度相同的一个中心孔4和多个周边孔5，中心孔1与隧洞1开挖轴线平行，周边孔5沿隧洞1轮廓线均匀布置，终孔位置位于隧洞1开挖轮廓线外1~2m；
3）在中心孔4钻至设计位置后，利用钻杆上预先安设的割缝器对岩体实施径向割缝，钻杆每后退2m实施一次割缝，直至退出岩爆段3，循环以上步骤完成对所有钻孔的割缝，其中相邻周边孔5割缝位置相互交错；
4）割缝完毕后，在中心孔4内安设压裂用钢管8，管径不小于32mm，在钢管8上对应钻孔割缝位置预留出水孔眼10，再对中心孔4进行封孔处理，利用高压泵以不低于P的泵压注入压力水，直至周边孔5有水流出或注水压力持续上升至出现3~5MPa的压力降后停止注水；
5）保持2个开挖循环的超前安全距离3，采用光面爆破开挖，控制装药量，循环进尺不大于2m，采用锚网支护，直至通过岩爆段2。
岩爆及主应力根据地质勘测资料、数值计算或反演分析确定；中心孔4和周边孔5深度为20~30m，孔径不小于75mm，周边孔5的数量由岩爆烈度和规模确定，岩爆烈度性越高、规模越大，周边孔5数量越多，但不少于6个；割缝水压保持在25MPa以上，割缝时间10~15min，对于强度高、完整性好的岩体，需在高压水中添加磨料后进行割缝；岩爆烈度为中等及以下，可不对中心孔4实施注水压裂；岩爆烈度性为强烈及以上时，需架设钢拱架和安设超前锚杆支护；在开挖过程中仍有岩爆发生倾向，可在隧洞1岩壁补打钻孔进行割缝；高压泵的注水压力P由以下公式确定：
式中：σH—水平地应力，MPa；
σv—垂直地应力，MPa；
σt—岩石抗拉强度，MPa；
K—备用系数，通常取1.3~1.5。
以上虽然结合了附图描述了本发明的实施方式，但本领域的普通技术人员也可以对附属权利要求的范围内做出各种变化或修改，这些修改和变化应理解为是在本发明的范围和意图之内的。
Claims (6)
1.一种深部隧洞岩爆主动防控方法，其特征在于，该方法按如下步骤进行：
1）开挖前预测隧洞岩爆发生位置、岩爆烈度及规模，确定前方岩体的主应力水平及方向；
2）在掌子面开展至距离岩爆段10m时，钻进深度相同的中心孔和周边孔，中心孔与隧洞开挖轴线平行，周边孔沿隧洞轮廓线均匀布置，终孔位置位于隧洞开挖轮廓线外1~2m；
3）在中心孔钻至设计位置后，利用钻杆上预先安设的割缝器对岩体实施径向割缝，钻杆每后退2m实施一次割缝，直至退出岩爆段，依次完成对所有钻孔的割缝，其中相邻周边孔割缝位置相互交错；
4）割缝完毕后，在中心孔内安设压裂用钢管，在钢管上对应钻孔割缝的位置预留出水孔眼，再对中心孔进行封孔处理，利用高压泵以不低于P的泵压注入压力水，直至周边孔有水流出或注水压力持续上升至出现3~5MPa的压力降后停止注水；高压泵的注水压力P由以下公式确定：
式中：σH—水平地应力，MPa；σv—垂直地应力，MPa；σt—岩石抗拉强度，MPa；K—备用系数，通常取1.3~1.5，Min[]，即取[]中的最小值。
5）保持2个开挖循环的超前安全距离，采用光面爆破开挖，控制装药量，循环进尺不大于2m，采用锚网支护，直至通过岩爆段。
2.根据权利要求1所述的一种深部隧洞岩爆主动防控方法，其特征在于，所述岩爆段及主应力水平和方向根据地质勘测资料、数值计算或反演分析确定。
3.根据权利要求1所述的一种深部隧洞岩爆主动防控方法，其特征在于，所述中心孔和周边孔深度为20~30m，孔径不小于75mm。
4.根据权利要求1所述的一种深部隧洞岩爆主动防控方法，其特征在于，所述周边孔的数量由岩爆烈度和规模确定，岩爆烈度越高、规模越大，周边孔数量越多，不少于6个。
5.根据权利要求1所述的一种深部隧洞岩爆主动防控方法，其特征在于，割缝时水压保持在25MPa以上，割缝时间10~15min；对于强度高、完整性好的岩体，需在高压水中添加磨料后进行割缝。
6.根据权利要求1所述的一种深部隧洞岩爆主动防控方法，其特征在于，岩爆烈度为中等及以下，无需对中心孔实施注水压裂；岩爆烈度为强烈及以上时，需架设钢拱架和安设超前锚杆支护。
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