CN110821501B - 岩爆隧道的预卸压施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了岩爆隧道的预卸压施工方法，涉及隧道施工领域，包括以下步骤：S1地质条件综合分析；S2确定高地应力段位置和岩爆烈度等级；S3实施不同预卸压措施；S4双护盾TBM设备防卡措施；S5根据地质条件的综合分析，实时注浆作业，以防支护管片开裂；过对地质条件进行综合分析，通过微震监测技术对可能发生岩爆的位置进行定位，采用地应力测试技术结合地质素描和岩爆事件记录确定岩爆的烈度等级，根据定位和烈度等级后，采用不同的预卸压技术，将围岩的应力降低到可以让双护盾TBM设备和支护管片处于一个安全的应力环境中，防止双护盾TBM设备别卡机和支护管片开裂的情况，保证双护盾TBM设备及支护管片在高应力的岩爆隧道施工中的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工领域，尤其涉及一种岩爆隧道的预卸压施工方法。
背景技术
国家一系列重大工程建设战略规划的实施，多个世界级的大型水利水电工程即将在青藏高原喜马拉雅山脉的高山谷地兴建。这些工程涉及到大量地下工程，具有埋深大、地质条件复杂、地质构造活动强烈、地应力水平高等特点，作为高地应力地区所特有的灾害现象，岩爆一直是岩土工程界研究的热点及难点，岩爆，是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下的突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象，由于岩爆的突发性和强大的破坏性，采用双护盾隧道掘进机(隧道掘进机，Tunnel Boring Machine，简称TBM)进行高地应力地区隧道施工，能够有效地降低施工风险，保障人员安全，尽管双护盾TBM设备对岩爆有一定的防护作用，同时安装的管片也能起到一定的防护作用，但当岩爆强度达到一定程度时，管片可能会产生裂纹，TBM可能也会发生卡机事故，国内某高应力隧道施工中甚至发生过TBM设备卡到最后被埋的严重事故，造成重大损失，在高应力地区洞段中施工，洞段中发生的岩爆可能会导致TBM卡机，甚至管片开裂，严重制约TBM掘进速度，对施工人员和设备安全造成严重威胁，影响运营安全，故在岩爆隧道中施工时，预卸压技术的使用显得格外重要。
在专利号为“CN201810296404.8”的发明专利“双护盾TBM防卡机方法”，该发明的技术方案如下：准确掌握地质条件后通过对双护盾TBM进行风险防控或对TBM进行改造，双护盾TBM风险防控为确保TBM高效连续掘进，或保证良好的TBM姿态，或选择合理的掘进参数，或加大扩挖量，或合理采用单护盾掘进模式，或超前加固地层处理的一种或者多种的结合；所述TBM改造为刀盘改造，或盾体改造，或增大扭矩，或增大推力的一种或者多种的结合；
所述加大扩挖量可利用垫片使得边滚刀和边缘面刀外伸，或使刀盘垂直提升的方法，两种方法或相互配合的方式实现扩挖，为软岩塑性变形围岩增大预留变形量，抵消部分拱部变形的影响；
所述超前加固地层处理可采用以下方法的一种或者多种的结合：
(1)利用刀盘预留孔喷射双组份复合膨胀泡沫或树脂填充空腔；
(2)通过刀盘预留孔人工向疏松地层导入PVC管或向不稳定地层导入玻璃纤维管，然后注入双组份复合膨胀泡沫或者树脂实施加固；
(3)在刀盘前方通过超前钻机打自钻锚杆，延伸进掌子面深处，成扇型分布，同时注入化学浆液或水泥混合物；
(4)在刀盘斜上方利用超前钻机通过支撑盾预留孔安装管棚，成扇型分布，并进行超前固结灌浆加固；
(5)在刀盘前方，采用钻孔设备来钻孔安装PVC或玻璃纤维可注射管，通过橡胶套筒阀向地层注入水泥混合物；
(6)采用人工开挖方式实施上部小导洞或旁洞开挖，并安装钢拱架和喷砼，通过小导洞将或旁洞设备运到工作面，采用玻璃纤维管注射双组份复合膨胀泡沫、树脂或水泥混合物；
但是上述技术存在的问题是：在应对高地应力岩爆隧道时，特别是高烈度岩爆隧道，由于岩爆的突发性、部位集中性等特征，其技术使用较大局限性，仅依靠其所述手段无法解决高应力、极高应力致卡机问题；一方面，该发明专利仅结合详细的地质资料来对双护盾TBM进行风险防控或对TBM进行改造，无法实现从地质角度分析把控以及对岩爆区域的定位，进而在开挖之前有针对性地采取预卸压措施；另一方面，实践证明，在应对强烈岩爆发生的隧道，仅仅是一般的扩挖以及超前地层加固技术并不能达到较好的防卡的目的，支护管片还是可能由于强烈的岩爆作用产生开裂，TBM设备被卡，不能根本性解决被卡的技术问题。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题设计了一种岩爆隧道的预卸压施工方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
岩爆隧道的预卸压施工方法，包括以下步骤：
S1、施工前，对隧道施工沿线的地质条件进行综合分析；
S2、确定隧道施工沿线中可能发生岩爆的高地应力段位置和岩爆的烈度等级；
S3、根据确定的岩爆烈度等级和可能发生岩爆的位置，实施不同的预卸压措施；
S4、预卸压后，根据岩爆烈度等级采取不同的防卡措施预防双护盾TBM设备卡机；
S5、双护盾TBM设备通过后，根据地质条件的综合分析，实时注浆作业，以防支护管片开裂。
本发明的有益效果在于：通过对隧道施工沿线的地质条件进行综合分析，通过微震监测技术对隧道施工沿线中可能发生岩爆的位置进行定位，采用地应力测试技术结合地质素描和岩爆事件记录确定岩爆的烈度等级，根据定位和确定烈度等级后，采用不同程度的预卸压技术，将围岩的应力降低到可以让双护盾TBM设备和支护管片处于一个安全的应力环境中，有效的防止了双护盾TBM设备别卡机和支护管片开裂的情况，从而保证了双护盾TBM设备及支护管片在高应力的岩爆隧道施工中的安全性。
附图说明
图1是本发明岩爆隧道的预卸压施工方法的流程示意图；
图2是本发明岩爆隧道的预卸压施工方法中大地电磁法勘探反演成果图；
图3是本发明岩爆隧道的预卸压施工方法中岩爆定位效果示意图；
图4是本发明岩爆隧道的预卸压施工方法中微弱岩爆洞段喷水预卸压示意图；
图5是本发明岩爆隧道的预卸压施工方法中等岩爆洞段钻孔预卸压示意图；
图6是本发明岩爆隧道的预卸压施工方法的某施工现场装药位置和卸压区域示意图；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
如图1所示，岩爆隧道的预卸压施工方法，包括以下步骤：
S1、施工前，对隧道施工沿线的地质条件进行综合分析。
S11、对隧道施工沿线的区域地质资料和前期地质工作成果进行初步分析，预判隧道施工沿线中可能遭遇重大工程地质问题的类型、规模和大致位置；
S12、利用大地电磁法、隧道真反射成像技术、综合地震预报系统中的一种或多种物探测试手段对隧道沿线进行测试和成果分析，深入了解全线工程地质条件并对不良地质洞段进行超前宏观初判，本实施例中采用大地电磁法查明隧洞岩性整体宏观地质条件，可确定出大地的地电特征和地下构造，如图2所示；
S13、根据预测结果和测试结果对隧道施工沿线进行综合分析确定隧道施工沿线的地层岩性、地应力、地质构造；根据综合地质分析，岩爆易于发生在褶皱区域，特别是靠近褶区的核部地区，此处构造应力集中，在断层带、破碎带、节理密集带等破碎岩体内不易产生岩爆，而在距离断层较近的完整岩体内易于发生岩爆，一般在断层的下盘往往岩体比较完整，应力也易于集中，因此岩爆的级别也比较高。
S2、确定隧道施工沿线中可能发生岩爆的高地应力段位置和岩爆的烈度等级；
高地应力段位置定位：利用微震监测技术，实现对高地应力段的定位，即对隧道施工沿线中可能发生岩爆区域的定位，如图3所示，其原理是隧道围岩微破裂能触发传感器阵列的微震波形信号，在震源定位中，某位置震源到传感器计算到时与观测(拾取)到时的差值被定义为残差γ，将空间各位置的残差等值化即获得残差空间，残差空间中的最小残差位置可视为震源位置，震源定位方法的实质就是在残差空间中搜索最小残差值的位置；
确定岩爆烈度等级：利用地应力测试技术以及地质素描、岩爆事件记录等手段，对岩爆烈度等级进行划分，即确定存在于拟开挖岩体及其周围区域的未受扰动的三维应力状态，地应力测试方法有许多，本实施例中采用孔壁应变法得到隧道洞壁切向应力σθ，孔壁应变法为假设一个无限体中的钻孔，受到无穷远处的三维应力场(σx，σy，σz，τxy，τyz，τzx)的作用时，则孔边围岩切向应力σθ公式为：
其中σx为X轴的法向应力分量，σy为Y轴的法向应力分量，σz为Z轴的法向应力分量，τxy为XY平面的剪向应力分量，τyz为YZ平面的剪向应力分量，τzx为ZX平面的剪向应力分量，同时结合岩石单轴抗压强度σc，根据σθ和σc的比值确定岩爆的烈度等级，利用徐林生和王兰生得出以下岩爆分级：
S3、根据确定的岩爆烈度等级和可能发生岩爆的位置，实施不同的预卸压措施；
确定的岩爆烈度等级为无岩爆活动段时，不进行预卸压措施；
当确定的岩爆的烈度等级属于轻微岩爆活动段时，采用喷水预卸压，如图4所示：即开挖后采用4～6L/s的水枪对掌子面和洞壁进行喷水2～4min，起到降温和软化围岩作用；
当确定的岩爆的烈度等级属于轻微岩爆活动段时，采用钻孔预卸压，如图5所示：即在掌子面和洞壁打超前孔卸压，确定中等岩爆活动，且0.6≤σθ/σc＜0.7时，在超前孔内高压注水来解除应力，改变围岩的性质，因为双护盾TBM全封闭，仅能通过设备预留孔位向上方钻斜孔；
当确定的岩爆的烈度等级属于强烈岩爆活动段时，采用爆破预卸压，向掌子面前方打超前爆破孔，通过爆破进行预卸压，改变围岩的应力分布状态，使得掌子面附近的应力峰值向围岩深处转移，进而达到预卸压的效果，即采取超前爆破卸压的方法进行施工，通过打超前钻孔在钻孔中进行松动爆破，形成一个一定厚度的岩体松动破碎带，在洞室未开挖前，使岩体内的较高应力释放，使开挖后的围岩残余应力大幅降低，降低岩爆烈度等级甚至不发生岩爆，超前爆破卸压应力解除法的措施是从掌子面起，向前方打超前斜孔，并在孔内爆破，形成一个与洞壁有一定安全距离h，厚度为δ的人工破碎带，由于属于围岩内部爆破，除装药孔外，还需要钻些容积补偿孔，即非装药孔，才可形成破碎带，在破碎带四周布置辅助性钻孔，以加强能量释放效果，改善了岩体恶劣的应力环境，使隧道处于相对安全的低应力状态；
当确定的岩爆的烈度等级属于强烈岩爆活动段，且1≤σθ/σc时，采用先钻孔预卸压与爆破预卸压结合，即先在掌子面和洞壁打超前孔卸压，钻孔卸压后再进行爆破卸压，向掌子面前方打超前爆破孔，通过爆破进行预卸压。
S4、预卸压后，根据岩爆烈度等级采取不同的防卡措施预防双护盾TBM设备卡机；
轻微或无岩爆活动段时，采取扩挖量为3～5cm的扩挖；
中等岩爆活动段时，采取扩挖量为8～10cm的扩挖；
强烈岩爆活动段时，采取扩挖量为15～20cm的扩挖，若岩爆活动过于强烈可采取更大的矿挖量，同时双护盾TBM设备加大推理高转速快速通过。
S5、双护盾TBM设备快速通过后，根据地质条件的综合分析，实时注浆作业，以防支护管片开裂；在构造带、变形较大洞段，双护盾TBM快速通过后，为避免支护管片破坏，可在支护管片后灌注豆粒石形成缓冲垫层，并暂缓注浆作业，延后形成刚体，根据实测的管背应力监测数据曲线来确定；根据经验应力释放最为剧烈时间段为开挖后2小时至40小时，可在开挖48小时后再实施注浆作业，以防支护管片开裂；在非构造带、变形较小的洞段，可以不暂缓注浆作业。
在实际爆破卸压技术运用中，确定的各个参数的适宜取值区间，参数示例：炮孔长度5～8m、炮孔间距20～70cm、不耦合系数1.0～2.5、炮孔直径取50～70mm、起爆方式为反向起爆。
某现场试验钻爆参数设计如下，如图6所示：
在掌子面近似几何中心布置应力测试孔，测试孔直径50mm，深度5～8m距模拟开挖轮廓上，环形布置与洞轴线平行的超前应力释放爆破孔7个，单孔深6m，孔径50mm，炮孔间距0.4m，不耦合系数取1.0，起爆方式为反向起爆。使之在孔内爆破，在炮孔周围产生裂缝，形成一个与洞壁有一定安全距离和厚度的人工破碎带。
不同的隧道，采取的松动爆破参数也不相同，主要有炮孔直径、炮孔间距、炮孔深度、封孔长度、装药量、装药结构等参数。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.岩爆隧道的预卸压施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、施工前，对隧道施工沿线的地质条件进行综合分析；
S2、确定隧道施工沿线中可能发生岩爆的高地应力段位置和岩爆的烈度等级；采用微震监测技术对隧道施工沿线中可能发生岩爆的位置进行定位，并采用地应力测试技术结合地质素描和岩爆事件记录，确定岩爆的烈度等级；采用地应力测试技术得到隧道洞壁切向应力σθ，结合岩石单轴抗压强度σc，根据σθ和σc的比值确定岩爆的烈度等级，其中等级划分为：
S3、根据确定的岩爆烈度等级和可能发生岩爆的位置，实施不同的预卸压措施；当确定的岩爆的烈度等级属于无岩爆活动时，对掌子面和洞壁不进行预卸压措施；当确定的岩爆的烈度等级属于轻微岩爆活动时，开挖后采用水枪对掌子面和洞壁进行喷水；当确定的岩爆的烈度等级属于中等岩爆活动时，在掌子面和洞壁打超前孔卸压；当确定的岩爆的烈度等级属于强烈岩爆活动时，向掌子面前方打超前爆破孔，通过爆破进行预卸压，爆破卸压参数为：炮孔长度5～8m、炮孔间距20～70cm、不耦合系数1.0～2.5、炮孔直径取50～70mm、起爆方式为反向起爆；
S4、预卸压后，根据岩爆烈度等级采取不同的防卡措施预防双护盾TBM设备卡机；当确定的岩爆的烈度等级属于轻微或无岩爆活动时，采取扩挖量为3～5cm的扩挖；当确定的岩爆的烈度等级属于中等岩爆活动时，采取扩挖量为8～10cm的扩挖；当确定的岩爆的烈度等级属于强烈岩爆活动时，采取扩挖量为15～20cm的扩挖；
S5、双护盾TBM设备通过后，根据地质条件的综合分析，实时注浆作业，以防支护管片开裂，在构造带、变形较大洞段，双护盾TBM快速通过后，为避免支护管片破坏，可在支护管片后灌注豆粒石形成缓冲垫层，并暂缓注浆作业，延后形成刚体，根据实测的管背应力监测数据曲线来确定；根据经验应力释放最为剧烈时间段为开挖后2小时至40小时，可在开挖48小时后再实施注浆作业，以防支护管片开裂；在非构造带、变形较小的洞段，可以不暂缓注浆作业。
2.根据权利要求1所述的岩爆隧道的预卸压施工方法，其特征在于，在S1中包括：
S11、对隧道施工沿线的区域地质资料和前期地质工作成果进行初步分析，预判隧道施工沿线中可能遭遇重大工程地质问题的类型、规模和大致位置；
S12、利用工程地球物理勘探的手段对隧道施工沿线进行测试和成果分析；
S13、根据预测结果和测试结果对隧道施工沿线进行综合分析确定隧道施工沿线的地层岩性、地应力、地质构造。
3.根据权利要求2所述的岩爆隧道的预卸压施工方法，其特征在于，在S12中，工程地球物理勘探的手段为大地电磁法、隧道真反射成像技术和综合地震预报系统中任意一种或多种。
4.根据权利要求1所述的岩爆隧道的预卸压施工方法，其特征在于，当确定的岩爆的烈度等级属于中等岩爆活动，且0.6≤σθ/σc＜0.7时，在超前孔内高压注水来解除应力，改变围岩的性质。
5.根据权利要求1所述的岩爆隧道的预卸压施工方法，其特征在于，当确定的岩爆的烈度等级属于强烈岩爆活动，且1≤σθ/σc时，需要在爆破形成破碎带前在掌子面和洞壁打超前孔进行卸压，超前孔卸压后，然后再向掌子面前方打超前爆破孔，通过爆破进行预卸压。
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