CN116066108A - 一种非对称高应力隧道掌子面超前爆破卸压岩爆控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非对称高应力隧道掌子面超前爆破卸压岩爆控制方法，涉及隧道工程技术领域。本发明基于隧道工程地质勘察报告，根据隧道原岩初始地应力、开挖扰动应力场分布与隧道断面几何特征，确定隧道掌子面应力集中区域；基于隧道工程地质勘察报告，运用岩爆烈度评估方法，预测围岩的岩爆等级；基于掌子面应力集中区域与围岩岩爆等级，确定隧道爆破卸压岩爆控制方法；该方法解决了实际工程中，隧道掌子面处于非对称高应力条件下，应力集中区域对超前卸压效果的不良影响，相对于掌子面均匀布孔，减少应力释放孔的数量，更有效改善隧道掌子面前方应力分布，应力集中区域向内部转移，提高隧道开挖施工的安全与施工效率，保证施工人员和设备的安全。

Description

一种非对称高应力隧道掌子面超前爆破卸压岩爆控制方法

技术领域

本发明涉及隧道工程技术领域，尤其涉及一种非对称高应力隧道掌子面超前爆破卸压岩爆控制方法。

背景技术

岩爆是隧道及地下工程穿越坚硬围岩且处于高地应力地区时，本来处于真三向高应力赋存环境的隧道围岩由于开挖导致其应力路径变化，地应力得到释放致使围岩突然破坏，伴随产生岩块的弹射、抛掷、声响等释放内部较大的弹性应变能的一种现象，主要特点为剧烈性和突然性。岩爆对隧道施工的影响主要表现为恶化施工环境，对人员、设备及隧道初期支护造成损伤和破坏，增加安全风险，降低施工效率。

岩爆随着岩爆风险的提高，尤其是对于强烈和极强岩爆时，无法仅通过支护来完全控制其发生，而爆破应力解除法是有效控制岩爆的手段。该法是一种围岩弱化方法，通过超前钻孔和适量装药对围岩结构进行改造，使掌子面附近应力集中区域岩体的刚度降低，钻孔及爆破影响范围内的岩体变为较弱的传力介质，变形加大，使局部围岩内的能量分布状态得到调整，应力集中程度得到改善，集中区向掌子面前方转移，从而达到防治岩爆的目的。在隧道开挖过程中，隧道掌子面的应力常常处于非对称状态，而目前爆破应力解除法的布孔方式主要采用的是在掌子面均匀布孔，没有顾及到可针对掌子面存在的非对称高应力而形成的应力集中区域布置应力释放孔，导致布置了大量的应力释放孔，浪费了人力和物力，甚至因为布置不当，提前诱发了岩爆。故本申请对不同的岩爆等级，针对应力集中区域进行规范布孔，相对于掌子面均匀布孔，减少应力释放孔的数量，更有效改善隧道掌子面前方应力分布，应力集中区域向内部转移，提高隧道开挖施工的安全与施工效率，保证施工人员和设备的安全。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种非对称高应力隧道掌子面超前爆破卸压岩爆控制方法。有效改善有岩爆风险的隧道掌子面前方应力分布，应力集中区向内部转移，提高隧道开挖施工的安全与施工效率，保证施工人员和设备的安全。

一种非对称高应力隧道掌子面超前爆破卸压岩爆控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1：基于隧道工程地质勘察报告，根据隧道原岩初始地应力、开挖扰动应力场分布与隧道断面几何特征，确定隧道掌子面应力集中区域；

步骤1.1：基于隧道工程地质勘察报告，通过数值模拟的方法反演出隧道原岩初始地应力和开挖扰动应力场分布，确定隧道开挖工程中在掌子面的应力分布情况；

步骤1.2：根据隧道掌子面应力分布情况与隧道掌子面几何形状的空间关系，得到隧道掌子面应力集中区域。

步骤2：基于隧道工程地质勘察报告，运用岩爆烈度评估方法，预测围岩岩爆等级；

步骤2.1：基于隧道工程地质勘察报告，得到隧道围岩实况，具体包括隧道掌子面围岩所处位置的埋深、地层岩性、初始地应力、岩石单轴抗压强度，围岩分级、水文地质条件；

步骤2.2：根据隧道围岩实况，绘制隧道岩爆强度综合判断表，综合分析预测围岩岩爆等级，其中围岩岩爆等级具体包括无岩爆、轻微岩爆、中等岩爆以及强烈岩爆。

步骤3：基于隧道掌子面应力集中区域与围岩岩爆等级，确定隧道爆破卸压控制方法；

步骤3.1：根据掌子面应力集中区域，确定超前爆破应力卸压孔布置位置；

步骤3.2：根据围岩岩爆等级，比配不同的隧道掌子面超前爆破卸压岩爆控制方案，确定岩爆控制方案。

所述隧道掌子面超前爆破卸压岩爆控制方案具体包括：

(1)对于无岩爆和轻微岩爆等级的隧道掌子面，不采用爆破应力解除法；

(2)对于中等岩爆等级的隧道掌子面，在应力集中区域布设9～14孔延伸掘进炮孔眼浅孔超前爆破卸压；

(3)对于强烈岩爆等级的隧道掌子面，在应力集中区域布设3～5孔深孔超前爆破卸压，若岩爆等级强烈程度加强，与9～14孔延伸掘进炮孔眼浅孔超前爆破卸压配合使用，即在应力集中区域外围布设浅孔；

需要说明的是，隧道掌子面超前爆破卸压岩爆控制方案的施工依据包括施工断面图、卸压孔布置图以及爆破参数表；

步骤4：效果检查；每次爆破以后，对爆破效果进行调查：

(1)检查是否存在拒爆现象；若存在拒爆现象，则按照《爆破安全规程》里盲炮处理流程进行处理。

(2)若不存在拒爆现象，观察爆破压碎区、爆破破裂区：

根据孔口观察，爆破压碎区，压碎区范围以原炮孔中心线为轴线，直径50～70mm的范围，在直径为100～160mm范围内，裂隙增多，判断是爆破所致，这个范围内的岩体有明显的松动作用，根据该范围的岩体损伤情况，确定为爆破破裂区，爆破破裂区和爆破振动区内围压松动，其内的高地应力都有了有效的释放。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明提供一种非对称高应力隧道掌子面超前爆破卸压岩爆控制方法。本方法基于隧道工程地质勘察报告，根据隧道原岩初始地应力、开挖扰动应力场分布与隧道断面几何特征，确定隧道掌子面应力集中区域；基于隧道工程地质勘察报告，运用岩爆烈度评估方法，预测围岩岩爆等级；基于掌子面应力集中区域与围岩岩爆等级，确定隧道爆破卸压控制方法；该方法解决了实际工程中，隧道掌子面处于非对称高应力条件下，应力集中区域对超前卸压效果的不良影响，相对于掌子面均匀布孔，减少应力释放孔的数量，更有效改善隧道掌子面前方应力分布，应力集中区域向内部转移，提高隧道开挖施工的安全与施工效率，保证施工人员和设备的安全。

附图说明

图1是本申请实施案例提供的非对称高应力隧道掌子面超前爆破卸压岩爆控制方法的流程图；

图2是本申请实施案例提供的非对称初始地应力条件下掌子面围岩应力主要集中区域示意图；

图3是本申请实施案例提供的非对称初始地应力条件下卸压前后掌子面前方应力分布对比示意图；

图4是本申请实施案例提供的9～14孔延伸辅助眼浅孔超前爆破卸压示意图；

图5是本申请实施案例提供的3～5孔深孔超前爆破卸压示意图；

其中图a为隧道掌子面处平面图，图b为隧道掌子面处纵剖面图；

图6是本申请实施案例提供的单个爆破卸压孔的内部作用破坏分区示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

一种非对称高应力隧道掌子面超前爆破卸压岩爆控制方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1：基于隧道工程地质勘察报告，根据隧道原岩初始地应力、开挖扰动应力场分布与隧道断面几何特征，确定隧道掌子面应力集中区域；

步骤1.1：基于隧道工程地质勘察报告，通过数值模拟的方法反演出隧道原岩初始地应力和开挖扰动应力场分布，确定隧道开挖工程中在掌子面的应力分布情况；

步骤1.2：根据隧道掌子面应力分布情况与隧道掌子面几何形状的空间关系，得到隧道掌子面应力集中区域。

本实施例在图2中，根据隧道掌子面地应力分布情况，若知道最大主应力σ₁的大小与方向，图2中最大主应力σ₁贯穿掌子面左拱脚到右拱顶，由空间关系知应力集中区域在掌子面左上角阴影处；若知道隧道掌子面应力分布云图，可以根据掌子面应力云图，直接对高应力处划定应力集中区域。

步骤2：基于隧道工程地质勘察报告，运用岩爆烈度评估方法，预测围岩岩爆等级；

步骤2.1：基于隧道工程地质勘察报告，得到隧道围岩实况，具体包括隧道掌子面围岩所处位置的埋深、地层岩性、初始地应力、岩石单轴抗压强度，围岩分级、水文地质条件；

步骤2.2：根据隧道围岩实况，绘制隧道岩爆强度综合判断表，综合分析预测围岩岩爆等级，其中围岩岩爆等级具体包括无岩爆、轻微岩爆、中等岩爆以及强烈岩爆。

本实施例中对于岩爆预测理论分析，国内外专家提出了许多的判断依据，各个工程会依据自身隧道特性采取不同已有依据对岩爆等级进行预判，如某隧道综合考虑，选取适用于该隧道的4个判据，如下4个表所示，绘制岩爆强度综合判断表，对围岩进行岩爆等级综合预判，若该隧道某段的4个岩爆等级预判不一致，取多数预判结果为准。

1)埋深

埋深H(m)	<320	320～485	485～886	>886
					岩爆强度	无岩爆	轻微岩爆	中等岩爆	强烈岩爆

2)岩石单轴抗压强度

3)围岩级别

围岩级别	Ⅳ～Ⅴ	Ⅲ～Ⅳ	Ⅱ～Ⅲ	Ⅰ～Ⅱ
					岩爆强度	无岩爆	轻微岩爆	中等岩爆	强烈岩爆

4)应力比σ_max/σ_c(σ_max为隧道掌子面处的最大主应力大小，σ_c为隧道掌子面岩石单轴抗压强度)

<![CDATA[应力比σ<sub>max</sub>/σ<sub>c</sub>]]>	<0.15	0.15～0.25	0.2～0.35	>0.35
					岩爆强度	无岩爆	轻微岩爆	中等岩爆	强烈岩爆

步骤3：基于隧道掌子面应力集中区域与围岩岩爆等级，确定隧道爆破卸压控制方法；

步骤3.1：根据掌子面应力集中区域，确定超前爆破应力卸压孔布置位置；

步骤3.2：根据围岩岩爆等级，比配不同的隧道掌子面超前爆破卸压岩爆控制方案，确定岩爆控制方案。

所述隧道掌子面超前爆破卸压岩爆控制方案具体包括：

依据国内文献以及相关隧道爆破卸压岩爆控制方案，因为爆破应力解除法施工工序较为复杂，且常规支护方案可以有效防控岩爆，在轻微岩爆段不需要进行，对于轻微岩爆等级，围岩支护措施足以预防岩爆的发生，而中等岩爆及以上围岩支护无法预防以及抵抗岩爆的发生，需要增加措施，超前爆破卸压法弱化围岩，转移应力，而本发明的目标是相对比目前的超前爆破卸压法的均匀布置，提出只在应力集中区域进行布孔，以达到减少布孔，也能有更好效果的目的，达到弱化围岩，诱发岩爆破裂带与应力向掌子面前方转移，达到图3的应力转移效果。轻微岩爆的发生风险较低，产生岩爆危害低，因此在中等岩爆段落采用浅孔爆破，在强烈岩爆段落，多采用深孔爆破，因为采用浅孔爆破的应力转移距离比深孔爆破的短，但采用浅孔爆破比深孔爆破的施工工序要简单，强烈岩爆等级比中等岩爆等级破坏范围大，强度大，综合考虑方案如下：

本实施例中某隧道的一个正常掘进爆破循环进尺L＝3米

在对于中等岩爆等级及以上岩爆等级，施工岩爆防治措施中常有“短进尺，弱爆破”原则，故在中等岩爆及以上岩爆段的掘进爆破循环进尺为l＝1.5米。

(1)对于无岩爆和轻微岩爆等级的隧道掌子面，不采用爆破应力解除法；

(2)对于中等岩爆等级的隧道掌子面，在应力集中区域布设9～14孔延伸掘进炮孔眼浅孔超前爆破卸压；

位于掌子面左侧拱顶的应力集中区域采用隧道原有钻掘进炮孔的凿岩钻机预钻9～14个孔深为3倍循环进尺3l，孔径为掘进炮孔孔径的爆破卸压浅孔，爆破参数和布置图分别如表1和图4所示。应力爆破释放孔即浅孔孔深4.5m，孔径Φ42mm,打眼位置为掘进炮孔眼上，在掘进炮孔眼上延伸，靠掌子面轮廓线的炮孔以15°角度向掌子面轮廓线方向倾斜布置，始终保持掘进工作面前方有不小于2个循环进尺(3m)的爆破松动区，用以提前预松动围岩，释放应力。结合现场实际岩爆情况及微震检测数据可调整布控位置、增设浅孔孔数及改变爆破参数。

表1 9～14孔延伸辅助眼浅孔超前爆破卸压爆破参数表

(3)对于强烈岩爆等级的隧道掌子面，在应力集中区域布设3～5孔深孔超前爆破卸压，若岩爆等级强烈程度加强，与9～14孔延伸掘进炮孔眼浅孔超前爆破卸压配合使用，即在应力集中区域外围布设浅孔；

位于在掌子面左侧拱顶的应力应力集中区域采用ZY880型潜孔钻预钻3～5个15米爆破卸压Φ108深孔，爆破参数和布置图分别如表2、图5所示。凿眼位置与掘进爆破孔错开,始终保持掘进工作面前方有不小于4个循环进尺(6m)的爆破松动区，用以提前预松动围岩，释放应力。结合现场实际岩爆情况及微震检测数据可调整布控位置、增设深孔孔数及爆破参数。

表2 3～5孔深孔超前爆破卸压爆破参数表

需要说明的是，隧道掌子面超前爆破卸压岩爆控制方案的施工依据包括施工断面图、卸压孔布置图以及爆破参数表，如表1和图4所示。

步骤4：效果检查；爆破会形成爆破压碎区、爆破破裂区、爆破振动区，如图6所示。

每次爆破以后，对爆破效果进行调查：

(1)检查是否存在拒爆现象；若存在拒爆现象，则按照《爆破安全规程》里盲炮处理流程进行处理。

(2)若不存在拒爆现象，观察爆破压碎区、爆破破裂区：

根据孔口观察，爆破压碎区，压碎区范围以原炮孔中心线为轴线，直径50～70mm的范围，在直径为100～160mm范围内，裂隙增多，判断是爆破所致，这个范围内的岩体有明显的松动作用，根据该范围的岩体损伤情况，确定为爆破破裂区，爆破破裂区和爆破振动区内围压松动，其内的高地应力都有了有效的释放。

以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开的实施例中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开的实施例中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (7)

1.一种非对称高应力隧道掌子面超前爆破卸压岩爆控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：基于隧道工程地质勘察报告，根据隧道原岩初始地应力、开挖扰动应力场分布与隧道断面几何特征，确定隧道掌子面应力集中区域；

步骤2：基于隧道工程地质勘察报告，运用岩爆烈度评估方法，预测围岩岩爆等级；

步骤3：基于隧道掌子面应力集中区域与围岩岩爆等级，确定隧道爆破卸压控制方法；

步骤4：效果检查；每次爆破以后，对爆破效果进行检查。

2.根据权利要求1所述的一种考虑初始地应力方向与隧道轴线关系的开挖选取方法，其特征在于，所述步骤1具体包括以下步骤：

步骤1.1：基于隧道工程地质勘察报告，通过数值模拟的方法反演出隧道原岩初始地应力和开挖扰动应力场分布，确定隧道开挖工程中在掌子面的应力分布情况；

步骤1.2：根据隧道掌子面应力分布情况与隧道掌子面几何形状的空间关系，得到隧道掌子面应力集中区域。

3.根据权利要求1所述的一种考虑初始地应力方向与隧道轴线关系的开挖选取方法，其特征在于，所述步骤2具体包括以下步骤：

步骤2.1：基于隧道工程地质勘察报告，得到隧道围岩实况，具体包括隧道掌子面围岩所处位置的埋深、地层岩性、初始地应力、岩石单轴抗压强度，围岩分级、水文地质条件；

步骤2.2：根据隧道围岩实况，绘制隧道岩爆强度综合判断表，综合分析预测围岩岩爆等级，其中围岩岩爆等级具体包括无岩爆、轻微岩爆、中等岩爆以及强烈岩爆。

4.根据权利要求1所述的一种考虑初始地应力方向与隧道轴线关系的开挖选取方法，其特征在于，所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤3.1：根据掌子面应力集中区域，确定超前爆破应力卸压孔布置位置；

步骤3.2：根据围岩岩爆等级，比配不同的隧道掌子面超前爆破卸压岩爆控制方案，确定岩爆控制方案。

5.根据权利要求4所述的一种考虑初始地应力方向与隧道轴线关系的开挖选取方法，其特征在于，所述步骤3.2具体包括以下步骤：

所述隧道掌子面超前爆破卸压岩爆控制方案具体包括：

(1)对于无岩爆和轻微岩爆等级的隧道掌子面，不采用爆破应力解除法；

(2)对于中等岩爆等级的隧道掌子面，在应力集中区域布设9～14孔延伸掘进炮孔眼浅孔超前爆破卸压；

(3)对于强烈岩爆等级的隧道掌子面，在应力集中区域布设3～5孔深孔超前爆破卸压，若岩爆等级强烈程度加强，与9～14孔延伸掘进炮孔眼浅孔超前爆破卸压配合使用，即在应力集中区域外围布设浅孔。

6.根据权利要求4所述的一种考虑初始地应力方向与隧道轴线关系的开挖选取方法，其特征在于，步骤3.2具体包括以下步骤：所述隧道掌子面超前爆破卸压岩爆控制方案的施工依据包括施工断面图、卸压孔布置图以及爆破参数表。

7.根据权利要求1所述的一种考虑初始地应力方向与隧道轴线关系的开挖选取方法，其特征在于，步骤4中所述对爆破效果进行检查；

(1)检查是否存在拒爆现象；若存在拒爆现象，则按照《爆破安全规程》里盲炮处理流程进行处理；

(2)若不存在拒爆现象，观察爆破压碎区、爆破破裂区:

根据孔口观察，爆破压碎区，压碎区范围以原炮孔中心线为轴线，直径50～70mm的范围，在直径为100～160mm范围内，裂隙增多，判断是爆破所致，这个范围内的岩体有明显的松动作用，根据该范围的岩体损伤情况，确定为爆破破裂区，爆破破裂区和爆破振动区内围压松动，其内的高地应力都有了有效的释放。

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