CN110295945A - 隧道软弱围岩开挖应急抢险气囊及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种隧道软弱围岩开挖应急抢险气囊，解决了现有软弱地层隧道开挖施工中出现局部涌水险情时，采用垒沙袋和反压渣封堵出水点处理时稳定性弱和风险高的问题。其结构包括气囊，在充气达到设计压力时，其截面的外形尺寸为依照相应隧道的断面外形尺寸同比例放大1.1倍，截面的纵向最长距离为h；泄水孔，沿气囊的深度方向贯穿设置，且其与气囊不连通，其中心位于距气囊最高点1/5h～1/4h位置处，用于排水；投料孔，沿气囊的深度方向贯穿设置，且其与气囊不连通，其中心位于距气囊最高点距离为1/4h～1/3h位置处；充气孔，设置于气囊的外壁，其中心位于距气囊最低点不超过1/3h位置处。
Description
【技术领域】
本发明属于隧道抢险技术领域，具体涉及一种隧道软弱围岩开挖应急抢险气囊及其使用方法。
【背景技术】
近年来随着岩溶发育地区铁路隧道修建数量的增加，隧道开挖施工中经常遭遇断层破碎带、充填性溶腔等软弱破碎围岩，因其自稳能力差开挖极易引起突泥，涌水、塌方等灾害，严重影响施工进度和施工安全。一旦工作发生局部涌泥，坍塌由于缺少一个能够较好控制或阻止灾害的工具，往往只能任险情不断扩大，从而导致开挖洞室出现大规模的涌水、突泥事故，危机人员、设备安全，造成巨额经济损失。
通常易引起隧道施工工作失稳定而无法采取有效快捷措施对隐患进行排除，导致险情进一步发展造成地质灾害有以下情况：
1、富水软弱破碎带地层，通过采用超前钻孔注浆、冷冻等方法对地层进行了改良。但由于施工中有可能在局部出现薄弱环节和盲区，因此在开挖施工中，开挖面局部可能出现线状或股状涌水，且涌水伴泥沙流出，引起地层损失而无法采取较快捷的封堵措施，长时间涌水携带出大量的充填介质，使涌水通道逐渐畅通，汇水面积增大，进而引发开挖洞室突水、涌泥地质灾害发生。
2、对于充填介质为全风化泥和粉细沙主的溶洞，通过注浆或冷冻改良后，如在开挖施工中，由于工序衔接不紧密，开挖施工间隔时间较长，围岩长时间暴露，致使围岩的应力松弛，裂隙张开，风化降级等而可能出现变形或渗漏水，工作面失稳定等，无法采取较快捷方法支护和封闭工作面，导致溶腔充填物涌出，引发地质灾害。
另外隧道开挖施工出现涌水和小范围的塌方，及隧道发生火灾，都因未有较快捷的应急抢险工具对出现险情工作面进行封闭，并快速排除险情，而影响施工进度。
软弱地层隧道开挖洞室出现险情，而采取的应急抢险措施不当，导致施工隧道被淹(埋)事故在铁路隧道施工比比皆是。究其灾害发生原因，不难发现都是由于在出现险情时，不能有快速便捷的抢险工具对出现险情的洞室进行快速封闭，而导致险情进一步恶化引发。
目前，国内软弱地层隧道开挖施工中出现局部涌水险情时，对于无水压涌水，一般采用垒沙袋和反压渣封堵出水点，但由于其整体性能较差，稳定性弱，风险高。对于砂层或粘土层，涌水往往携带泥沙，根本没有一个有效的应急抢险处理措施或应急抢险工具，成为影响软弱地层开挖安全的主要因素，亟需研究一种快速、便捷、可操作性强的抢险应急抢险工具。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种隧道软弱围岩开挖应急抢险气囊及其使用方法，以解决现有软弱地层隧道开挖施工中出现局部涌水险情时，采用垒沙袋和反压渣封堵出水点处理时稳定性弱和风险高的问题。
本发明采用以下技术方案：隧道软弱围岩开挖应急抢险气囊，包括：
一气囊，在充气达到设计压力时，其截面的外形尺寸为依照相应隧道的断面外形尺寸同比例放大1.1倍，截面的纵向最长距离为h，气囊1沿隧道延伸深度为隧道当量直径；
泄水孔，沿气囊的深度方向贯穿设置，且其与气囊不连通，其中心位于距气囊1最高点1/5h～1/4h位置处，用于泄水降压；
投料孔，沿气囊的深度方向贯穿设置，且其与气囊不连通，其中心位于距气囊最高点距离为1/4h～1/3h位置处，用于投放封堵出水口的材料；
充气孔，设置于气囊的外壁，其中心位于距气囊最低点不超过1/3h位置处，用于为其充气或放气。
进一步的，气囊中放置有质量比为3.2：1的叠氮化钠和硝酸钾，气囊中还设置有用于点火的锂电池电源，锂电池电源外接导线。
进一步的，泄水孔至少为一个，其孔径≥150mm。
进一步的，投料孔至少为两个，其孔径≥130mm。
进一步的，充气孔为均匀布置的三个，其孔径≥50mm，充气孔上设置有单向阀。
进一步的，还包括均匀设置于气囊的外表面的若干个抗阻钉，每个阻抗钉均为棱台结构。
进一步的，每个阻抗钉的顶面为边长50cm的正方形，每个阻抗钉的底面为100cm的正方形，每个阻抗钉的高为30cm，两两阻抗钉的间距为1m。
本发明采用的第二种技术方案是，一种隧道软弱围岩开挖应急抢险气囊的使用方法，包括以下步骤：
步骤1、在开挖洞室工作面局部出现涌水或涌砂时，取出气囊，放置在隧道轴线尽量靠近出水点的位置，并给其上的锂电池电源通电，气囊内的叠氮化钠和硝酸钾燃烧产生大量氮气，并填充气囊的50％-70％的空间；
步骤2、通过设置在气囊上的充气孔，使用高压风对气囊进行充气，直至达到设计压力；
步骤3、气囊充气稳固后，通过投料口进行投料回填：
若涌水量小于10m3/h，泵送碎石或标号为M10的砂浆对涌水口进行回填封堵，回填速度控制在2小时之内完成；
若涌水量为10～50m3/h，泵送C20混凝土对涌水口进行回填封堵，回填速度控制在1小时内完成；
若涌水量大于50m3/h，采用发泡率不小于10倍的聚氨脂对涌水口进行回填封闭，回填速度控制在30分钟内完成；
步骤4、回填的结束标准为回填注浆压力达到1Mpa，泄水孔涌水量小于2m3/h，使掌子面达到稳定状态。
进一步的，当隧道软弱围岩开挖应急抢险气囊使用完毕，通过充气孔分阶段向外泄气，每次泄气不大于0.2Mpa，中间间隔2～5min，观测回填体的稳定性和泄水孔的出水量，泄气开始直至泄气完毕气囊及掌子面始终保持稳定状态，重新将气囊叠放整齐以备后用。
本发明的有益效果是：提出在软弱地层隧道开挖施工一种快速便捷的一种抢险应急抢险工具，对于出现局部险情的开挖洞室可通过设置应急抢险气囊，短时间起到封堵涌水，控制开挖洞室、防止因涌水不断增大，导致介质被带出，地层失稳现象发生，为后续治理出水点争取时间；同时通过气囊上的投料孔可以泵送各种封堵材料，对出水口进行快速回填封闭。
【附图说明】
图1为本发明隧道软弱围岩开挖应急抢险气囊的主视图；
图2为本发明隧道软弱围岩开挖应急抢险气囊的侧视图；
图3为本发明隧道软弱围岩开挖应急抢险气囊的俯视图；
图4为本发明隧道软弱围岩开挖应急抢险气囊的抗阻钉的主视图。
其中，1.气囊，2.泄水孔，3.投料孔，4.充气孔，5.抗阻钉。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种隧道软弱围岩开挖应急抢险气囊及其使用方法，其中，隧道软弱围岩开挖应急抢险气囊包括气囊1，在充气达到设计压力时，其截面的外形尺寸为依照相应隧道的断面外形尺寸同比例放大1.1倍，截面的纵向最长距离为h，气囊1沿隧道延伸深度为隧道当量直径；泄水孔2，沿气囊1的深度方向贯穿设置，且其与气囊1不连通，其中心位于距气囊1最高点1/5h～1/4h位置处，用于泄水降压；投料孔3，沿气囊1的深度方向贯穿设置，且其与气囊1不连通，其中心位于距气囊1最高点距离为1/4h～1/3h位置处，用于投放封堵出水口的材料；充气孔4，设置于气囊1的外壁，其中心位于距气囊1最低点不超过1/3h位置处，用于为其充气或放气。
其中，气囊1中放置有质量比为3.2：1的叠氮化钠和硝酸钾，气囊1中还设置有用于点火的锂电池电源，锂电池电源外接导线。
泄水孔2至少为一个，其孔径≥150mm。
投料孔3至少为两个，其孔径≥130mm。
充气孔4为均匀布置的三个，其孔径≥50mm，充气孔4上设置有单向阀。
隧道软弱围岩开挖应急抢险气囊还包括均匀设置于气囊1的外表面的若干个抗阻钉5，每个阻抗钉5均为棱台结构。
每个阻抗钉5的顶面为边长50cm的正方形，每个阻抗钉5的底面为100cm的正方形，每个阻抗钉5的高为30cm，两两阻抗钉5的间距为1m。
本发明还提供了一种隧道软弱围岩开挖应急抢险气囊的使用方法，包括以下步骤：
步骤1、在开挖洞室工作面局部出现涌水或涌砂时，取出气囊1，放置在隧道轴线尽量靠近出水点的位置，并给其上的锂电池电源通电，气囊1内的叠氮化钠和硝酸钾燃烧产生大量氮气，并填充气囊1的50％-70％的空间；
步骤2、通过设置在气囊1上的充气孔4，使用高压风对气囊1进行充气，直至达到设计压力；
步骤3、气囊1充气稳固后，通过投料口3进行投料回填：
若涌水量小于10m3/h，泵送碎石或标号为M10的砂浆，来对涌水口进行回填封堵，回填速度控制在2小时之内完成；
若涌水量为10～50m3/h，泵送C20混凝土对涌水口进行回填封堵，回填速度控制在1小时内完成；
若涌水量大于50m3/h，采用发泡率不小于10倍的聚氨脂对涌水口进行回填封闭，回填速度控制在30分钟内完成；
步骤4、回填的结束标准为回填注浆压力达到1Mpa，泄水孔2涌水量小于2m3/h，使掌子面达到稳定状态。
当隧道软弱围岩开挖应急抢险气囊使用完毕，通过充气孔4分阶段向外泄气，每次泄气不大于0.2Mpa，中间间隔2～5min，观测回填体的稳定性和泄水孔的出水量，泄气开始直至泄气完毕气囊及掌子面始终保持稳定状态，重新将气囊叠放整齐以备后用。
如图1-图4所示，气囊1采用含有颗粒状纳米结构的聚乙烯醇(PVA)材料，该材料具有高强度、超耐磨、高韧性、难溶于水、高破裂应变的特性，同时具有质量轻、易携带、占地面积小的特点。对于含有10wt％的SSEBS的颗粒状纳米结构PVA膜，具有91.2MPa的高拉伸强度，122±6.1J·g-1的韧性，破坏时的破裂应变高达205％。
充气孔4设置于底部是为了保证充气均匀，数量选择三个是为了充气速度快又不会破坏气囊1的稳定性。
投料孔3设置于中部是为了便于通过其投料，用于快速回填出水口。
泄水孔2设置于上方是为了在水量明显增大时，可通过泄水孔2设置滤网，限量排放，只排水，不排除地层介质。
抗阻钉5采用硬质橡胶，为了使气囊1与隧道岩面产生足够大的摩擦阻力，可在气囊1的外表面均匀设置表面粗糙的棱台形抗阻钉5，提高气囊1抑制工作面失稳的能力。增大气囊1的外表抗阻可以使气囊1与隧道岩面接触更好，可在气囊1的外表面按断面设置梅花形的抗阻钉，以增加摩擦力，提高气囊1抑制工作面失稳能力。
本发明隧道软弱围岩开挖应急抢险气囊在未充气时，将气囊1折叠并装在设置有锂电池电源的箱体内。气囊1充气后，气囊1的横断面形状与欲使用的隧道断面一致，其外形尺寸较隧道断面外形尺寸同比扩大1.1倍。气囊1沿隧道走向延伸等于隧道当量直径。
气囊1的充气和泄气过程：根据施工现场情况，气囊1充气通常采用两个步骤进行：①气囊1在制作过程中内部预装定量叠氮化钠(NaN3)和硝酸钾(KNO3)，当需要充气时，通过设置在储存箱内的锂电池电源点火，产生大量的氮气，此部分可充填气囊1的50％～70％空间。②通过设置在气囊1上的充气口4，使用高压风对气囊进行充气，直至达到设计压力。③当气囊1使用完毕时，通过充气孔4向外抽排气体，并折叠整齐以备后用。
本发明隧道软弱围岩开挖应急抢险气囊用于隧道抢险的方法为：根据涌水大小及工作面稳定情况，气囊1适用于隧道抢险的处理方式如下：①如涌水量小于10m3/h，泵送碎石或标号为M10的砂浆对涌水口进行回填封堵，回填速度控制在2小时之内完成；②如涌水量为10～50m3/h时，采用泵送C20混凝土对涌水口进行回填封堵，回填速度控制在1小时内完成；③如涌水量大于50m3/h时，采用发泡率不小于10倍的聚氨脂对涌水口进行回填封闭，回填速度控制在30分钟内完成；所有回填浆液结束标准为回填注浆压力达到1Mpa，泄水孔涌水量小于2m3/h，使掌子面达到稳定状态。④如在回填过程中，泄水孔2如有泥沙流出，可通过设置滤网，限量排放，只排水降压。
实施例：
新建大理至瑞丽铁路保山至瑞丽段高黎贡山隧道，全长34538m，为亚洲第一铁路长隧，隧道最大埋深约1155m。隧道设置“1座贯通平导+1座斜井+2座竖井”辅助坑道。其中高黎贡山隧道1号斜井位于云南省省保山市龙陵县镇安镇境内，工程范围为高黎贡山隧道施工起讫里程为正洞D1K198+193～D1K203+795段，线路长5.602km。平导施工范围为PDZK197+840～PDZK202+319段，线路长4.479km，主井XJZK0+000～XJZK3+850长度3850m，坡度7.48％，当量直径7m；副井XJFK0+000～XJFK3+870长度3870m，坡度7.44％，当量直径6m。
某日在施工过程中，1号斜井副井掌子面拱腰位置出现股状涌水并伴有泥沙，初期涌水量为65m3/h，施工人员启动涌水应急预案并使用隧道软弱围岩开挖应急抢险气囊，具体的使用方法是：
1、取出气囊放置在隧道轴线距离掌子面6m的地方，沿轴线向掌子面方向迅速展开，期间用时90s。
2、给隧道软弱围岩开挖应急抢险气囊上的锂电池电源通电，气囊内的叠氮化钠和硝酸钾燃烧产生大量氮气，8s内将气囊迅速填充，使气囊膨胀至拱腰高度；
3、通过设置在隧道软弱围岩开挖应急抢险气囊上的3个充气孔，使用高压风对气囊进行充气，使气囊迅速膨胀紧贴隧道岩壁，继续充气直至压力达到2Mpa，期间共用时5min。
4、气囊完全打开稳固后，通过投料口泵送发泡率为1:10的聚氨酯注浆材料对前方空腔进行回填，回填时间27分钟，回填浆液结束标准为回填注浆压力达到1Mpa，泄水孔涌水量小于1m3/h，掌子面达到稳定状态。
5、当隧道软弱围岩开挖应急抢险气囊使用完毕，通过充气孔分阶段向外泄气，每次泄气0.2Mpa，中间间隔2min，泄气开始直至泄气完毕气囊及掌子面始终保持稳定状态，重新将气囊叠放整齐以备后用。
本发明隧道软弱围岩开挖应急抢险气囊具有以下优点：
1、快速便捷特点；隧道软弱围岩开挖应急抢险气囊在隧道出现险情时瞬间对出现险情的工作面进行封闭，阻断险情进一步恶化，也为后续处理赢得时间。
2、具有一定的抵抗力；隧道开挖面出现险情时都伴有涌水和涌泥现象，如采取应急抢险气囊对其进行封堵，涌水和涌泥将对气囊端头产生压力，如若气囊无法抵抗此压力，气囊涌水压力不断增加而后移，险情将可能扩大。
3、为了增加气囊与隧道面摩擦力，制作出的应急抢险气囊断面应隧道开挖断面一致，在气囊充气后，更好的与岩面接触，产生较大抵抗力。
4、具有后续处理险情措施；应急抢险气囊在出现险情时，首先对出现险情的洞室进行封闭控制，如险情得以控制，需通过气囊对洞室险情进行处理和排除。
本发明的隧道软弱围岩开挖应急抢险气囊属于隧道和地下工程软弱围岩开挖施工中开挖洞室预防突发地质灾害的一种应急抢险工具，主要提出一种在开挖洞室工作面局部出现涌水或涌砂时，对工作面及时进行快速临时封闭，避免涌水或涌砂失控引起工作面失稳造成更大的地质灾害，为下一步采取有效措施提供条件。其主要用于软弱地层施工中出现局部涌水、涌泥等险情时，快速支护和封闭开挖洞室，阻断险情进一步发展，为排除险情赢得时间，也为下步处理提供准备。
Claims (9)
1.隧道软弱围岩开挖应急抢险气囊，其特征在于，包括：
一气囊(1)，在充气达到设计压力时，其截面的外形尺寸为依照相应隧道的断面外形尺寸同比例放大1.1倍，所述截面的纵向最长距离为h，所述气囊1沿隧道延伸深度为隧道当量直径；
泄水孔(2)，沿所述气囊(1)的深度方向贯穿设置，且其与所述气囊(1)不连通，其中心位于距所述气囊1最高点1/5h～1/4h位置处，用于泄水降压；
投料孔(3)，沿所述气囊(1)的深度方向贯穿设置，且其与所述气囊(1)不连通，其中心位于距所述气囊(1)最高点距离为1/4h～1/3h位置处，用于投放封堵出水口的材料；
充气孔(4)，设置于所述气囊(1)的外壁，其中心位于距所述气囊(1)最低点不超过1/3h位置处，用于为其充气或放气。
2.如权利要求1所述的隧道软弱围岩开挖应急抢险气囊，其特征在于，所述气囊(1)中放置有质量比为3.2：1的叠氮化钠和硝酸钾，所述气囊(1)中还设置有用于点火的锂电池电源，所述锂电池电源外接导线。
3.如权利要求1或2所述的隧道软弱围岩开挖应急抢险气囊，其特征在于，所述泄水孔(2)至少为一个，其孔径≥150mm。
4.如权利要求1或2所述的隧道软弱围岩开挖应急抢险气囊，其特征在于，所述投料孔(3)至少为两个，其孔径≥130mm。
5.如权利要求1或2所述的隧道软弱围岩开挖应急抢险气囊，其特征在于，所述充气孔(4)为均匀布置的三个，其孔径≥50mm，所述充气孔(4)上设置有单向阀。
6.如权利要求1或2所述的隧道软弱围岩开挖应急抢险气囊，其特征在于，还包括均匀设置于所述气囊(1)的外表面的若干个抗阻钉(5)，每个阻抗钉(5)均为棱台结构。
7.如权利要求6所述的隧道软弱围岩开挖应急抢险气囊，其特征在于，每个所述阻抗钉(5)的顶面为边长50cm的正方形，每个所述阻抗钉(5)的底面为100cm的正方形，每个所述阻抗钉(5)的高为30cm，两两所述阻抗钉(5)的间距为1m。
8.如权利要求2-7中任意一种所述隧道软弱围岩开挖应急抢险气囊的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在开挖洞室工作面局部出现涌水或涌砂时，取出气囊(1)，放置在隧道轴线尽量靠近出水点的位置，并给其上的锂电池电源通电，气囊(1)内的叠氮化钠和硝酸钾燃烧产生大量氮气，并填充气囊(1)的50％-70％的空间；
步骤2、通过设置在气囊(1)上的充气孔(4)，使用高压风对气囊(1)进行充气，直至达到设计压力；
步骤3、气囊(1)充气稳固后，通过投料口(3)进行投料回填：
若涌水量小于10m3/h，泵送碎石或标号为M10的砂浆对涌水口进行回填封堵，回填速度控制在2小时之内完成；
若涌水量为10～50m3/h，泵送C20混凝土对涌水口进行回填封堵，回填速度控制在1小时内完成；
若涌水量大于50m3/h，采用发泡率不小于10倍的聚氨脂对涌水口进行回填封闭，回填速度控制在30分钟内完成；
步骤4、回填的结束标准为回填注浆压力达到1Mpa，泄水孔(2)涌水量小于2m3/h，使掌子面达到稳定状态。
9.如权利要求8所述隧道软弱围岩开挖应急抢险气囊的使用方法，其特征在于，当隧道软弱围岩开挖应急抢险气囊使用完毕，通过充气孔(4)分阶段向外泄气，每次泄气不大于0.2Mpa，中间间隔2～5min，观测回填体的稳定性和泄水孔的出水量，泄气开始直至泄气完毕气囊及掌子面始终保持稳定状态，重新将气囊叠放整齐以备后用。
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