CN115355777B - 高地应力下诱导岩爆减少岩爆持续时间的隧道施工方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及地下工程技术领域，提供了一种高地应力下诱导岩爆提前发生并减少岩爆持续时间的隧道施工方法，通过提高周边眼的装药集中度，用于增加周边眼内炸药起爆时的爆破能量，诱导岩爆提前发生减少岩爆持续时间；通过冷水高压冲击爆破后的岩石岩面，用于与高温高地应力岩石进行迅速的热量、能量传导，以释放岩体内部分高地应力所赋予的能量和软化岩体，同时对岩石施加高压冲击力进一步诱导岩爆的提前发生；通过对爆破后的本体围岩沿开挖轮廓进行物理冲击既达到找顶排险，又再次激发围岩本体残余能量的岩爆发生，从而减少岩爆持续时间，极大地减轻了岩爆对施工人员和设备构成的安全隐患，降低了岩爆对施工效率的影响加快了工作效率。
Description
技术领域
本公开涉及地下工程技术领域，尤其涉及一种高地应力下诱导岩爆减少岩爆持续时间的隧道施工方法。
背景技术
岩爆是在高地应力区硬岩地下工程修建中的一种地质现象，通常指岩体在受到外界作用影响下，自身的结构平衡被破坏，其内部聚集的瞬间弹性形变势能不能全被破坏过程所消耗而突然释放，导致岩体发生剥落、爆裂甚至弹射出来的现象。岩爆是地下工程面临的主要安全隐患之一，中等、强烈岩爆会对施工人员和设备构成极大的安全隐患，岩爆可能瞬间发生，也可能持续发生，该种岩爆现象短则持续6至72小时，长则持续数周甚至数月，严重影响施工效率。
发明内容
为了解决上述技术问题，本公开提供了一种高地应力下诱导岩爆减少岩爆持续时间的隧道施工方法。
本公开提供了一种高地应力下诱导岩爆减少岩爆持续时间的隧道施工方法，包括以下步骤：
S1、根据地质预报数据及地应力反演计算，预测岩爆可能发生的断面位置、岩爆等级及岩爆规模；
S2、在掌子面钻设光面爆破孔，爆破孔包括在隧道断面限界内，由中心向外布置的掏槽眼、辅助眼和周边眼；
S3、遵循爆破设计在爆破孔中装入炸药，并使周边眼的装药集中度高于同类型围岩非岩爆区域的周边眼装药集中度；
S4、通过雷管引爆炸药，顺序为先起爆掏槽眼，而后起爆辅助眼，最后起爆周边眼；
S5、通过冷水高压冲击本体围岩和爆破后的岩石岩面；
S6、对爆破后的本体围岩沿开挖轮廓进行物理冲击找顶排险，再次激发残余能量的岩爆发生；
S7、进行出渣和支护作业。
可选地，步骤S3所述的周边眼的装药集中度高于同类型围岩非岩爆区域的周边眼装药集中度的量为0.05～0.1kg/m。
可选地，步骤S5所述的冷水水温低于20℃。
可选地，步骤S5所述的冷水高压冲击本体围岩和爆破后的岩石岩面的水压为2Mpa至3Mpa。
可选地，步骤S5所述的冷水高压冲击作业至岩石不再发生岩爆现象或岩爆不足以对人员设备形成安全威胁为止时可停止。
可选地，在隧道内设置排水设施，用于将步骤S5所述的冲击本体围岩和爆破后的岩石岩面的冷水导流至不影响下一步作业的区域。
可选地，步骤S2所述的钻设光面爆破孔完成后，对爆破孔进行清孔和验孔。
可选地，步骤S2所述的周边眼沿隧道断面限界排布。
可选地，步骤S2所述的辅助眼与所述掏槽眼间的距离大于所述辅助眼与所述周边眼之间的距离。
可选地，步骤S6所述的物理冲击找顶排险通过振动锤挖掘机或钻孔机械大臂对本体围岩进行振动敲击，再次激发残余能量的岩爆发生。
本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：
通过提高周边眼的装药集中度，用于增加周边眼内炸药起爆时的爆破能量，诱导岩爆提前发生；通过冷水高压冲击本体围岩和爆破后的岩石岩面，用于与高温高地应力岩石进行迅速的热量交换、能量传导，以释放岩体内部分高地应力所赋予的能量和软化岩体，同时对岩石施加高压冲击力进一步诱导岩爆的发生；通过对爆破后的本体围岩沿开挖轮廓进行物理冲击找顶排险，用于向本体围岩施力，以再次激发围岩本体的岩爆发生，使岩爆在隧道开挖阶段被彻底解除。该施工方法通过在隧道开挖阶段人为地提前诱导岩爆发生并减少岩爆延续时间，极大地减轻了岩爆对施工人员和设备构成的安全隐患，降低了岩爆对施工效率的影响加快了工作效率。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开实施例所述爆破孔的示意图；
图2为本公开实施例所述高地应力下诱导岩爆减少岩爆持续时间的隧道施工方法的示意图。
其中，1、掏槽眼；2、辅助眼；3、周边眼；A、掏槽眼设置区；B、辅助眼设置区；C、周边眼设置区；D、本体围岩。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。
结合图1和图2所示，本公开实施例提供的一种高地应力下诱导岩爆减少岩爆持续时间的隧道施工方法，包括以下步骤：
S1、根据地质预报数据及地应力反演计算，预测岩爆可能发生的断面位置、岩爆等级及岩爆规模；
S2、在掌子面钻设光面爆破孔，爆破孔的孔位的平面布置、角度、深度遵循爆破设计；爆破孔包括在隧道断面限界内，由中心向外布置的掏槽眼1、辅助眼2和周边眼3；
S3、遵循爆破设计在爆破孔中装入炸药，并使周边眼3的装药集中度高于同类型围岩非岩爆区域的周边眼3装药集中度；
S4、通过雷管引爆炸药，顺序为先起爆掏槽眼1，而后起爆辅助眼2，最后起爆周边眼3；
S5、通过冷水高压冲击本体围岩和爆破后的岩石岩面；
S6、对爆破后的本体围岩沿开挖轮廓进行物理冲击找顶排险，再次激发残余能量的岩爆发生；
S7、进行出渣和支护作业。
在上述的高地应力下诱导岩爆减少岩爆持续时间的隧道施工方法中通过提高周边眼3的装药集中度，用于增加周边眼3内炸药起爆时的爆破能量，诱导岩爆提前发生；通过冷水高压冲击本体围岩和爆破后的岩石岩面，用于与高温岩石进行迅速的热量交换，同时对岩石施加高压冲击力进一步诱导岩爆的发生；通过对爆破后的本体围岩沿开挖轮廓进行找顶排险，用于向本体围岩施力，以再次激发围岩本体的岩爆发生，使岩爆在隧道开挖阶段被彻底解除。
通过采用上述的施工方法，能够在隧道开挖阶段人为地提前诱导岩爆发生，使岩爆在隧道开挖后持续的时间基本控制在3小时内，避免岩爆发生在施工阶段，消除了岩爆对施工人员和设备构成的安全隐患，降低了岩爆对施工效率的影响；再通过初期支护辅助措施，极大地提高了施工的安全性和工作效率。
在一些更详细的实施例中，可以通过以静力学分析为基础的预测法、以探测技术为基础的岩爆预测法、岩爆临界深度预测法、数学预测法以及根据特殊的地质现象进行宏观预测等方法对可能发生岩爆的断面位置、岩爆等级及岩爆规模进行预测。可选地，爆破孔与掌子面的垂线之间具有一定的倾角，具体的倾斜角度根据实际施工情况确定；爆破孔的深度和爆破孔之间的间距与隧道断面限界的宽度成正比。
具体地，通过在隧道断面限界附近布置周边眼设置区C，一方面能够控制爆破开挖轮廓，另一方面能够诱导本体围岩D内的岩体产生岩爆；通过提高周边眼3中的装药集中度，能够提升周边眼3内炸药起爆时的爆破能量，该能量通过空气或固体直接传导至本体围岩和已经先行完成爆破的掏槽眼设置区A和辅助眼设置区B，对预测结果中将要发生岩爆的岩体形成冲击，诱导岩爆提前发生。具体地，步骤S3中的同类型围岩非岩爆区域的周边眼3装药集中度，指隧道施工过程中同等岩质条件下，非岩爆区域的周边眼3的装药集中度。
在一些实施例中，步骤S3上述的周边眼3的装药集中度高于同类型围岩非岩爆区域的周边眼3装药集中度的量为0.05～0.1kg/m。具体地，装药集中度对对装药效率、炮扎利用率、开挖壁面的平整程度和围岩的稳定性都有较大的影响，周边眼3装药集中度的具体判断需根据具体工况的岩性、断面积、炮孔直径和炮孔深度等多种因素进行确定。更详细地，爆破孔的装药完成后需进行封孔。
在一些实施例中，步骤S5上述的冷水水温低于20℃。具体地，通过水温低于20℃的冷水与爆破后的岩面之间剧烈的热交换能够促进积聚有变形能的岩体产生岩爆，达到诱导岩爆的目的。
在一些实施例中，步骤S5上述的冷水高压冲击本体围岩和爆破后的岩石岩面的水压为2Mpa至3Mpa。具体地，通过高压冲击作用，结合冷水与爆破后的岩面之间剧烈的热交换，能够使本体围岩和爆破岩石中积聚有变形能的岩体迅速发生岩爆；进行高压冷水喷射作业的施工人员须做好人身安全保护措施，以防止因岩爆产生的剥落和弹射受伤；更详细地，通过高压冷水喷射作业一方面能够诱导岩爆，另一方面还能够起到对作业面降尘和降温的作用。
在一些实施例中，步骤S5上述的冷水高压冲击作业至岩石不再发生岩爆现象或岩爆不足以对人员设备形成安全威胁为止时可停止。具体地，由于岩爆时会发出爆破声，因此既可以通过在高压冷水喷射作业过程中的爆破声来判断岩爆是否停止，也可以通过超声波检测、电磁辐射检测等方式对可能发生岩爆的位置进行检测。
在一些实施例中，用于将步骤S5上述的冲击本体围岩和爆破后的岩石岩面的冷水导流至不影响下一步作业的区域。具体地，可以通过在隧道内设置仰拱集水坑的方式对高压喷射用水进行收集，再通过连接管路、水泵等将仰拱集水坑内的集水排至隧道外或其他不影响施工作业的区域。
在一些实施例中，步骤S2上述的钻孔完成后，对爆破孔进行清孔和验孔。具体地，钻孔完成后应当将爆破孔内的碎片、杂物等清除干净，以避免上述的物体在爆破时弹射发生危险。
在一些实施例中，步骤S2上述的周边眼3沿隧道断面限界排布。具体地，周边眼3沿隧道断面限界排布，一方面能够控制爆破开挖轮廓；另一方面，使周边眼3内炸药起爆时的爆破能量能够沿固体直接传导至具有弹性变形能的岩体处。
在一些实施例中，步骤S2上述的辅助眼2与掏槽眼1间的距离大于辅助眼2与周边眼3之间的距离。具体地，掏槽眼1用于增加临空面；辅助眼2围绕掏槽眼1逐层向四周扩展，即以掏槽眼1为中心，逐层跳段微差布置，起到传递、扩大爆破效果的作用；而周边眼3一方面用于控制爆破开挖轮廓，另一方面用于诱导岩体发生岩爆。
在一些实施例中，步骤S6上述的找顶排险通过振动锤挖掘机对本体围岩进行振动敲击或物理拉拽，再次激发小能量的岩爆发生。具体地，通过振动敲击或物理拉拽等外界扰动，促进岩体中聚积的弹性变形势能在下一步施工之前释放。
上述的高地应力下诱导岩爆减少岩爆持续时间的隧道施工方法，既可以用于隧道施工，也可以用于隧洞、矿洞等其他地下工程的施工。
在本公开的实施方式的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“高度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、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，仅是为了便于描述本公开的实施方式和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构或装置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公开的实施方式的限制。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种高地应力下诱导岩爆减少岩爆持续时间的隧道施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据地质预报数据及地应力反演计算，预测岩爆可能发生的断面位置、岩爆等级及岩爆规模；
S2、在掌子面钻设光面爆破孔，所述爆破孔包括在隧道断面限界内，由中心向外布置的掏槽眼、辅助眼和周边眼；
S3、遵循爆破设计在所述爆破孔中装入炸药，并使所述周边眼的装药集中度高于同类型围岩非岩爆区域的周边眼装药集中度；
S4、通过雷管引爆炸药，顺序为先起爆所述掏槽眼，而后起爆所述辅助眼，最后起爆所述周边眼；
S5、通过冷水高压冲击本体围岩和爆破后的岩石岩面；
S6、对爆破后的本体围岩沿开挖轮廓进行物理冲击，实现找顶排险，并再次激发残余能量的岩爆发生；
S7、进行出渣和支护作业。
2.根据权利要求1所述的高地应力下诱导岩爆减少岩爆持续时间的隧道施工方法，其特征在于，步骤S3所述的周边眼的装药集中度高于同类型围岩非岩爆区域的周边眼装药集中度的量为0.05～0.1kg/m。
3.根据权利要求1所述的高地应力下诱导岩爆减少岩爆持续时间的隧道施工方法，其特征在于，步骤S5所述的冷水水温低于20℃。
4.根据权利要求1所述的高地应力下诱导岩爆减少岩爆持续时间的隧道施工方法，其特征在于，步骤S5所述的冷水高压冲击本体围岩和爆破后的岩石岩面的水压为2Mpa至3Mpa。
5.根据权利要求1所述的高地应力下诱导岩爆减少岩爆持续时间的隧道施工方法，其特征在于，步骤S5所述的冷水高压冲击作业至岩石不再发生岩爆现象或岩爆不足以对人员设备形成安全威胁为止时可停止。
6.根据权利要求5所述的高地应力下诱导岩爆减少岩爆持续时间的隧道施工方法，其特征在于，在隧道内设置排水设施，用于将步骤S5所述的冲击本体围岩和爆破后的岩石岩面的冷水导流至不影响下一步作业的区域。
7.根据权利要求1所述的高地应力下诱导岩爆减少岩爆持续时间的隧道施工方法，其特征在于，步骤S2所述的钻设光面爆破孔完成后，对爆破孔进行清孔和验孔。
8.根据权利要求1所述的高地应力下诱导岩爆减少岩爆持续时间的隧道施工方法，其特征在于，步骤S2所述的周边眼沿隧道断面限界排布。
9.根据权利要求8所述的高地应力下诱导岩爆减少岩爆持续时间的隧道施工方法，其特征在于，步骤S2所述的辅助眼与所述掏槽眼间的距离大于所述辅助眼与所述周边眼之间的距离。
10.根据权利要求1至9任一项所述的高地应力下诱导岩爆减少岩爆持续时间的隧道施工方法，其特征在于，步骤S6所述的物理冲击通过振动锤挖掘机或钻孔机械臂对本体围岩进行振动敲击，再次激发残余能量的岩爆发生。
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