CN116575920A - 一种超前应力释放孔和水力压裂联合的隧道岩爆防控方法 - Google Patents
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Abstract
一种超前应力释放孔和水力压裂联合的隧道岩爆防控方法，属于隧道岩爆防控技术领域，包括如下步骤：S1、针对三个频发岩爆的洞段采用超前应力释放孔对岩爆进行防治；利用微震监测系统对开挖过程中围岩内部的微破裂信息进行实时监测，通过对比钻孔段和相邻未钻孔段微震的数量、能量及岩爆等级来评价超前应力释放孔对岩爆的防治效果；S2、采用超前应力释放孔和水力压裂相结合的深埋隧道岩爆防治方法，并采用数值模拟方法验证该方法的可行性；S3、分析超前应力释放孔的直径、数量、位置参数对水力压裂防治岩爆效果的影响。本发明降低了岩爆发生的概率和等级，避免了钻孔爆破扰动围岩,并利用了水软化围岩和降低围岩强度的双重作用。
Description
技术领域
本发明属于隧道岩爆防控技术领域，具体涉及一种超前应力释放孔和水力压裂联合的隧道岩爆防控方法。
背景技术
岩爆已成为深部工程开挖中普遍关注的地质灾害之一，它是由于岩体内积聚的弹性能突然释放，出现岩块弹射或者抛掷的动力失稳现象。岩爆在发生的时间上具有突发性、空间上具有随机性，且破坏力强，严重制约了地下空间和资源的开发利用。因此开展岩爆灾害的防治方法研究对于工程实际具有重要意义。
岩爆的发生过程虽然是一个动力现象，但岩爆的孕育过程是一个静力过程。由岩体力学可知，在深埋隧道开挖后，原有的三向应力平衡状态被破坏，采空区周围承压能力降低，且会出现应力集中、能量积聚的现象。当达到岩体的强度极限时，可能会发生岩爆危险。通常，采取喷射混凝土、打预应力锚杆及挂钢筋网等加固围岩的被动措施防治轻微或者中等岩爆。但在高地应力条件下，仅用被动措施很难防治强烈或极强岩爆。因此，需要减少掌子面附近的能量积聚或向岩体深部转移应力集中区域，即采取主动措施防治岩爆。主动措施包括(1)卸压爆破、(2)导洞开挖、(3)向围岩内注水、(4)钻应力释放钻孔等方法。(1)卸压爆破方法被认为能有效缓解围岩应力集中，降低爆岩风险，但是会对围岩产生很强的扰动。特别是当采用TBM隧道施工时，卸压爆破方法可能造成TBM的损坏。现有技术指出了瞬时爆破可产生一定范围的破碎区，如果炸药的数量不合理，则可能导致卸压不足或释放出大量的爆破能量，甚至诱发岩爆。(2)实际中，从理论和施工两方面报道了导洞在岩爆防治中的作用，研究表明隧道顶部先导洞方案比中央先导洞方案能够更好地降低强烈岩爆的烈度，但是顶部导洞会导致TBM开挖过程中刀盘上下荷载不均匀影响主梁的安全，且顶部导洞边界处的岩体可能会损坏TBM切割机，并降低其使用寿命。(3)向围岩注水可以软化岩石，降低或转移围岩中的应力；但是水也会降低岩石的强度，在岩石接近破坏的临界状态时，注水将加速岩石破坏进而增加岩爆的可能性。或者在高地应力条件下，坚硬岩体中的裂隙或结构面受到注水润滑，也可能诱发岩爆。(4)钻孔应力释放孔法在治理煤矿工程中得到广泛的应用。然而钻孔卸压也存在局限性，实际案例总结出钻孔周围产生了环状应力集中，制约了瓦斯的抽放能力。此外，很多研究在岩石力学试验中是岩样尺度，且大多基于单轴压缩试验，与工程实际存在较大差异。尽管这些研究在岩爆的防治措施上取得了很大进展，但都没有从根本上解决深埋隧洞的岩爆问题。我们在引汉济渭工程进行了超前应力释放孔试验，发现并不是每一次钻孔试验都能起到减弱或防治岩爆的作用，甚至会增加岩爆的产生。说明极高应力深埋隧道洞段，常规的岩爆防治措施已经难于奏效。鉴于这种情况，我们在超前应力释放孔措施的基础上，利用水力压裂技术进一步防治岩爆。目前，水力压裂技术在煤矿岩爆防治上已经得到了应用。然而，还没有关于在深埋隧道应用水力压裂防治岩爆的相关报道。
在本发明中，在引汉济渭工程隧道开挖过程中，选取了三个频发岩爆洞段并进行了现场超前应力释放孔试验，然后通过微震监测系统监测技术统计钻孔段与相邻未钻孔段微震的数量、能量及岩爆等级等参数，并分析超前应力释放孔对岩爆的防控效果。为了进一步提高防治岩爆的效果，我们提出超前应力释放孔和水力压裂相结合的方法。通过数值模拟的方法在应力释放孔内进行水力压裂，使每个应力释放孔周围产生裂隙并形成一个相互贯通的卸压区，有效的减弱或控制岩爆。最后，讨论了不同应力释放孔方案对水力压裂防治岩爆的影响。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明提出：一种超前应力释放孔和水力压裂联合的隧道岩爆防控方法，包括如下步骤：S1、针对三个频发岩爆的洞段采用超前应力释放孔对岩爆进行防治；利用微震监测系统对开挖过程中围岩内部的微破裂信息进行实时监测，通过对比钻孔段和相邻未钻孔段微震的数量、能量及岩爆等级来评价超前应力释放孔对岩爆的防治效果；S2、采用超前应力释放孔和水力压裂相结合的深埋隧道岩爆防治方法，并采用数值模拟方法验证该方法的可行性；
S3、分析超前应力释放孔的直径、数量、位置参数对水力压裂防治岩爆效果的影响。
本发明的有益效果为：本发明降低了岩爆发生的概率和等级，避免了钻孔爆破扰动围岩威胁TBM安全，并利用了水软化围岩和降低围岩强度的双重作用。
附图说明
图1为本发明Case I状态下隧道掌子面的钻孔位置图。
图2为本发明Case II状态下隧道掌子面的钻孔位置图。
图3为本发明Case III状态下隧道掌子面的钻孔位置图。
图4为本发明Case I状态下钻孔卸压对微震活动特性的影响。
图5为本发明Case II状态下钻孔卸压对微震活动特性的影响。
图6为本发明Case III状态下钻孔卸压对微震活动特性的影响。
图7为本发明Case I状态下钻孔卸压对微震事件时空分布的影响。
图8为本发明Case II状态下钻孔卸压对微震事件时空分布的影响。
图9为本发明Case III状态下钻孔卸压对微震事件时空分布的影响。
图10数值模型示意图。
图11为本发明Case I的水力压裂过程。
图12为本发明Case II的水力压裂过程。
图13为本发明Case III的水力压裂过程。
图14为本发明Case I情形下Step350最大应力分布云图。
图15为本发明Case II情形下Step350最大应力分布云图。
图16为本发明Case III情形下Step350最大应力分布云图。
图17为本发明三种情况声发射的累计数量和累计能量与注入水压的关系。
图18为本发明钻孔直径为88mm的水力压裂过程。
图19为本发明钻孔直径为95mm的水力压裂过程。
图20为本发明钻孔直径为102mm的水力压裂过程。
图21为本发明钻孔直径为88mm的最大应力分布云图。
图22为本发明钻孔直径为95mm的最大应力分布云图。
图23为本发明钻孔直径为102mm的最大应力分布云图。
图24为本发明不同钻孔直径的声发射的累计数量和累计能量与注入水压的关系。
图25为本发明4个钻孔数量的水力压裂过程。
图26为本发明6个钻孔数量的水力压裂过程。
图27为本发明4个钻孔数量的最大应力分布云图。
图28为本发明6个钻孔数量的最大应力分布云图。
图29为本发明不同钻孔数量的声发射的累计数量和累计能量与注入水压的关系。
图30为本发明钻孔到掌子面圆心的距离为0.8m的水力压裂过程。
图31为本发明钻孔到掌子面圆心的距离为1.6m的水力压裂过程。
图32为本发明钻孔到掌子面圆心的距离为0.8m的最大应力分布云图。
图33为本发明钻孔到掌子面圆心的距离为1.6m的最大应力分布云图。
图34为本发明不同钻孔距离的声发射的累计数量和累计能量与注入水压的关系。
图35为本发明相邻两个钻孔与掌子面圆心连线的夹角为12°的水力压裂过程。
图36为本发明相邻两个钻孔与掌子面圆心连线的夹角为36°的水力压裂过程。
图37为本发明相邻两个钻孔与掌子面圆心连线的夹角为12°的最大应力分布云图。
图38为本发明相邻两个钻孔与掌子面圆心连线的夹角为36°的最大应力分布云图。
图39为本发明相邻两个钻孔与掌子面圆心连线的夹角为36°的声发射的累计数量和累计能量与注入水压的关系。
具体实施方式
实施例1
一种超前应力释放孔和水力压裂联合的隧道岩爆防控方法，包括如下步骤：S1、针对三个频发岩爆的洞段采用超前应力释放孔对岩爆进行防治；利用微震监测系统对开挖过程中围岩内部的微破裂信息进行实时监测，通过对比钻孔段和相邻未钻孔段微震的数量、能量及岩爆等级来评价超前应力释放孔对岩爆的防治效果；
S2、采用超前应力释放孔和水力压裂相结合的深埋隧道岩爆防治方法，并采用数值模拟方法验证该方法的可行性；
S3、分析超前应力释放孔的直径、数量、位置参数对水力压裂防治岩爆效果的影响。
其中，所述步骤S1中，超前应力释放孔的工作面前方岩体内保持有若干数量的钻孔，通过钻孔改变岩体中的应力分布，消除或减缓岩爆的危险性；在应力集中区域钻孔卸压，一方面钻孔使围岩内应力集中向深部转移，改变掌子面周围岩体应力场的分布范围；另一方面，当应力超过孔壁岩体强度时，钻孔周围开始被压裂，并释放能量，随着压裂范围的扩大，最终在钻孔周围形成破碎区，多个钻孔周围的破碎区互相连通，在围岩内形成范围更大的破碎带，从而降低岩爆发生的概率和等级。
其中，所述步骤S2中，分析超前应力释放孔作用的步骤如下：首先确定最深的钻孔，然后在钻孔前段和后段两个未钻孔区域分别选取相应的距离进行对比，以天为单位，采用平均每米微震数量以反映不同位置微震相对的活跃程度、平均每米微震释放能量以反映岩体内部的能量释放程度以及每日单次微震事件的最大能量以体现出围岩内部最大能量集中的程度、岩爆等级作为评价指标。
其中，所述步骤S3中，超前应力释放孔-水力压裂方法的数值模拟分析如下：利用ANSYS建立三维数值模型，通过C语言开发的AtoR接口提取ANSYS模型的节点和单元，并导入至RFPA进行计算，该模型采用莫尔-库仑准则，模型是正方形，它的边长L为10倍的隧道直径6.76m，即67.6m，已经开挖距离为0.2L，未开挖距离为0.8L，设置钻孔数量、位置、孔径和钻孔深度，设置初始水压为20MPa，水压增量为0.2MPa，根据现场原位地应力测量结果的地质资料获得竖向应力，从地质资料中获得的宏观力学参数用于反向计算和修正数值模拟中的细观参数，最终获得输入RFPA数值计算的细观参量。
其中，所述步骤S3中，随着地应力逐渐增加，出现宏观裂缝需要的水压也在增加，拱顶附近的孔先产生裂缝，所有的水力裂缝都是沿着相邻钻孔进行延伸的，是因为在钻孔附近形成的孔隙压力场对水力裂缝的传播方向有控制作用,随着注水压力的增加，最终实现贯通裂缝,在超前应力释放孔的基础上进行水力压裂，形成完整的卸压带,一方面降低岩体强度，并降低围岩中积聚能量；另一方面为围岩中能量的释放提供补偿空间，充当缓冲结构，进而降低岩爆等级；
通过水力压裂过程中声发射的累计数量和累计能量与注入水压的关系将压裂过程可分为以下四个阶段：
(I)应力累积阶段，该过程岩体承受逐渐增加的水压，但没有声发射产生，也没有释放能量；
(II)裂缝逐渐扩展阶段，该阶段产生声发射，且声发射数量逐渐增多，释放能量逐渐增加；
(III)裂缝快速扩展阶段，声发射数量突然剧增，能量突然释放，其变化曲线几乎平行于纵坐标轴；且都有两次突然增加阶段；
(IV)裂缝稳定扩展阶段，随着注水压力的增加，声发射数量按一定的数量稳定增加，其曲线近似为一条斜直线，在施工过程中，至少要压裂到第三阶段，才能保证卸压效果。
其中，根据形成裂隙需要的压力、卸压区范围、应力分布以及释放的累计能量，得到直径最大的102mm卸压效果好。
其中，钻孔数量越多越容易产生裂缝、且形成的卸压范围大、围岩内部的压应力转移效果好、且累计释放能量多，防治岩爆效果也越好。
其中，根据最大应力分布云图、宏观裂纹需要的水压、声发射数量和能量变化分析钻孔位置距离掌子面圆心距离对卸压效果的影响，距离1.6m时，产生宏观裂隙需要的水压小、形成的卸压带的范围大、压应力的转移明显、累计声发射数量多和累计声发射释放能量大，距离1.6m时的卸压效果要好于0.8米和3.2米。
其中，根据最大应力分布云图分析相邻两个钻孔与掌子面圆心连线的夹角对卸压效果的影响，角度为36°产生的破碎区范围大、应力转移效果好、产生的声发射数量和释放能量最多，角度为36°的卸压效果要好于12°和24°。
超前应力释放孔对微震和岩爆活动特征的影响：
超前应力释放孔是指在工作面前方一定距离岩体内保持有足够数量的钻孔，通过钻孔改变岩体中的应力分布，消除或减缓岩爆的危险性。通常认为在应力集中区域钻孔卸压的原理是一方面钻孔使围岩内应力集中向深部转移，改变掌子面周围岩体应力场的分布范围。另一方面，由于应力场的作用钻孔周围会出现应力集中，当应力超过孔壁岩体强度时，钻孔周围开始被压裂，并释放能量。随着压裂范围的扩大，最终在钻孔周围形成破碎区。多个钻孔周围的破碎区互相连通，在围岩内形成范围更大的破碎带，即卸压区，从而降低了岩爆发生的概率和等级。
超前应力释放孔试验方案如下：
在引汉济渭工程施工过程中，随着TBM不断的向前推进，隧道的埋深和地应力逐渐增大，岩爆发生的频率逐渐增多。对施工人员及设备安全造成了极大的安全隐患。为了降低岩爆风险，我们采用WPD80S/108C-3000型水锤钻机进行了三次超前钻孔试验，其钻孔参数见表1，应力释放孔具体施工方案如下：
Case I:2019年12月26日开始停机维修保养，2020年2月4日准备水锤钻孔，2020年2月5-7日完成5个钻孔。其中孔2由于钻孔卡钻仅完成15.5米，累计深度159m。仰角范围是7°-9°，孔径为95mm，钻孔压力为14-15MPa，累计钻孔时间为989min，水锤钻孔平均钻进速度为0.1595m/min。孔位布置如图1所示，此次钻孔范围在隧洞上部环向95°范围内，5个钻孔分布掌子面顶部，环向平均孔间距1.0m。
Case II:2020年3月25日准备水锤钻孔，3月26-27日完成5个钻孔，3月28日上午拆卸钻孔设备。累计深度234m，仰角范围是5°-9°，孔径为102mm，钻孔压力为10-15MPa，累计钻孔时间为2312min，水锤钻孔平均钻进速度为0.272m/min。孔位布置如图2所示，此次试验钻孔范围为沿隧洞上部环向85°范围，环向平均孔间距1.1m。
Case III:2020年7月26日下午开始停止掘进准备实施水锤钻孔，7月27-30日完成6个钻孔(钻孔里程范围K41+329～K41+377.5)。累计深度284.25m，仰角范围是7°-9°，孔径为102mm，钻孔压力为10-15MPa，累计钻孔时间为3876min，水锤钻孔平均钻进速度为0.195m/min。孔位布置如图3所示，此次试验钻孔范围为沿隧洞上部环向99°范围，不规则分布。
超前应力释放孔对微震和岩爆活动的影响
为了有效的分析超前应力释放孔的作用，我们首先确定最深的钻孔，然后在钻孔前段和后段两个未钻孔区域分别选取相应的距离进行对比(以天为单位)。此外，由于每天的开挖距离不同，我们采用平均每米微震数量(可以反映不同位置微震相对的活跃程度)、平均每米微震释放能量(综合反应岩体内部的能量释放程度)以及每日单次微震事件的最大能量(可以体现出围岩内部最大能量集中的程度)、岩爆等级等参数作为评价指标。
表2
Notes:无岩爆 ○中等岩爆 />强烈岩爆 />极其强烈岩爆
图4和表2为试验方案Case I。从图4可以发现未钻孔段(包括钻孔前段和钻孔后段)的掘进效率要明显高于钻孔段，即钻孔前段和钻孔后段分别每天掘进3.79m和5.13m，远高于钻孔段每天掘进2.06m。说明在Case I中钻孔并没有提高掘进效率，反而降低了掘进效率。与未钻孔段相比，随着隧道开挖钻孔段的平均每米的微震事件数波动幅度相对较大、微震数量较多，说明此阶段微震比较活跃。其微震空间分布如图7所示(每一个球代表一个微震事件，其大小代表能量，颜色代表震级)。此外，最大微震能量在钻孔段明显得到了降低，即钻孔前段、钻孔段、钻孔后段的最大微震能量的分布范围分别是108～2390kJ、41.9～702kJ和51.3～1310kJ。说明应力释放孔对限制微震的最大能量起到了重要的作用。钻孔段平均每米微震释放能量要多于未钻孔段。钻孔段平均每米微震释放能量的范围是22.82-2560.7kJ/m，而钻孔前和钻孔后段平均每米微震释放能量的范围是67.99-1019.65kJ/m和19.48-599.44kJ/m。
Case I对岩爆活动特征的影响如表2所示。钻孔前和钻孔后分别发生了3次和2次极其强烈岩爆、13次和9次强烈岩爆、2次和2次中等岩爆。钻孔段未生极其强烈岩爆、14次强烈岩爆、1次中等岩爆。可以看出在Case I对极其强烈岩爆起到了很好防治效果。未钻孔段基本每天都发生岩爆事件，2020/3/5最多发生了六次岩爆。而钻孔后2020/2/13到2020/2/22基本上控制了岩爆。主要是因为一方面降低掘进速度，另一方面进行钻孔应力释放孔使应力集中区向围岩深部转移。然而，综合对比发现应力释放孔并没有完全控制岩爆，甚至强烈岩爆比钻孔前和钻孔后分别多了1次和5次。说明Case I只是通过应力转移将极其强烈岩爆分散成了多个强烈岩爆，并没有将所有的集中应力转移到围岩深部。
表3
Notes:无岩爆 ○中等岩爆 />强烈岩爆 />极其强烈岩爆
图5和表3为试验方案Case II。从图5可以发现钻孔段的掘进效率明显高于未钻孔段，即钻孔段平均每天掘进7.41m，钻孔前段和钻孔后段平均每天掘进分别为4.34m和4.5m。说明在Case II中钻孔有效的提高掘进效率。与未钻孔段相比，钻孔段的平均每米的微震事件数明显减少，其微震空间分布如图8所示。钻孔前段和钻孔后段平均每米的微震事件数分别有66.67％和90.91％超过了平均每米发生10次微震。其中钻孔后段的2020/4/12平均每米的微震事件数更是达到了85.38。而钻孔段平均每米的微震事件数均低于10，其范围是0.69～6.46。说明应力释放孔降低了微震的活跃度。此外，单次最大微震能量在钻孔段也得到了降低，即钻孔前段、钻孔段、钻孔后段的最大微震能量的分布范围分别是257～2270kJ、1.82～865kJ和9.81～1100kJ。说明应力释放孔在Case I和Case II都有效的限制了微震的最大能量。钻孔段平均每米微震释放能量也低于未钻孔段。说明超前应力释放孔使围岩内应力集中向深部转移，并降低了微震的活跃程度。
Case II对岩爆活动特征的影响如表3所示。钻孔前和钻孔后发生了7次和1次极其强烈岩爆、27次和11次强烈岩爆。钻孔段未生极其强烈岩爆、2次强烈岩爆。可以看出CaseII对极其强烈岩爆和强烈岩爆均起到了减弱的作用。钻孔前段几乎每天都产生多次岩爆，2020/3/14最多发生了六次强烈岩爆，2020/3/16和2020/3/22发生了两次极其强烈岩爆。而钻孔段仅2020/3/31和2020/4/3发生了一次强烈岩爆，说明应力释放孔明显的降低了岩爆的风险。且钻孔后段2020/4/4到2020/4/9六天内也未产生岩爆。2020/4/10以后岩爆又开始频繁发生，此时距离钻孔段约30米的距离，钻孔作用已经完全消失。
表4
Notes:无岩爆 ○中等岩爆 />强烈岩爆 />极其强烈岩爆
图6和表4为试验方案Case III。从图6可以发现钻孔段的掘进效率稍低于未钻孔段，即钻孔前、钻孔段、钻孔后平均每天掘进分别为4.1m，3.97m和5.26m。与未钻孔段相比，钻孔段的平均每米的微震事件数略有增加，其微震空间分布如图9所示。钻孔前段和钻孔后段平均每米的微震事件数分别有38.46％和10％的天数超过了20次。而钻孔段平均每米的微震事件数有72.73％的天数超过了20次。说明应力释放孔增加了微震的活跃程度。钻孔前段、钻孔段、钻孔后段的最大微震能量的分布范围分别是384～1610kJ、72.4～2430kJ和10.8～1030kJ。与Case I和Case II不同，Case III没有降低微震的最大能量。随着掌子面向前推进，平均每米微震释放能量在钻孔前、钻孔段和钻孔后段呈现出整体下降的趋势，其平均每米微震释放能量的范围分别为293.09-2255.85kJ/m，177.29-1283.17kJ/m，3.52-784kJ/m。
Case III对岩爆活动特征的影响如表4所示。钻孔前段和钻孔后段分别发生了7次和1次极其强烈岩爆、16次和6次强烈岩爆、0次和1次中等岩爆。钻孔段7次极其强烈岩爆、23次强烈岩爆和1次中等岩爆。可以看出在Case III中钻孔段的岩爆比未钻孔段更活跃，且发生了多次极其强烈岩爆。说明此时应力释放孔对岩爆的防控作用很小，甚至增加了岩爆的危险。
从钻孔卸压的原理分析：(i)在埋深大、应力极高的条件下，施作超前应力释放孔后一部分应力未发生变化，少部分应力向围岩深部转移，部分应力集中在钻孔周围，钻孔附近没有产生裂隙。此时，超前应力释放孔对岩爆的效果较弱，与本文的Case III效果相近，甚至会增加岩爆。(ii)超前应力释放孔使一部分集中应力向围岩深部转移，一部分应力集中在钻孔周围，钻孔产生少量裂隙，但多个钻孔之间的裂隙并没连通。此时，极其强烈岩爆转变成强烈岩爆，与本文Case I的效果相近。(ii)施作超前应力释放孔后钻孔周围的集中应力使岩体产生大量裂隙，多个钻孔之间的裂隙相互连通，并形成卸压带。此时，超前应力释放孔有效的降低了岩爆发生的概率和等级，与本文的Case II效果相近。
钻孔施工过程中需要停止掘进，这大大增加了时间和经济成本。然而从微震监测结果可以看出Case I和Case III限制岩爆的作用远低于我们的预期。所以在极高应力下，仅用传统的超前应力释放孔作为岩爆的防治措施已经难于奏效。所以我们提出超前应力释放孔和水力压裂相结合的方法，人为的让每个钻孔周围产生大量的裂隙，并且能互相连通产生破碎带(卸压区)。既能将部分集中应力转移至围岩深部，避免扰动引起集中应力的快速释放。更重要的是形成破碎带的过程中释放了岩体内大量积聚的弹性应变能，且削弱围岩强度，降低了岩体储存弹性能的能力。即使发生岩爆时，破碎带也可以为围岩中积聚能量的释放提供一个补偿空间，充当缓冲结构，从而有效降低岩爆等级。此外，该方法充分的利用水软化围岩转移应力、降低强度促进岩体破坏等作用，且不影响TBM设备安全。接下来我们通过数值模拟验证并讨论这个方法。
超前应力释放孔-水力压裂方法的数值模拟分析
数值模型的建立及参数的选择
本发明利用ANSYS建立三维数值模型，通过C语言开发的AtoR接口提取ANSYS模型的节点和单元等信息，并导入至RFPA进行计算。该模型采用莫尔-库仑(M-C)准则。数值模型如图10所示，Case I、Case II、Case III模型是正方形，它的边长(L)为10倍的隧道直径(6.76m)，即67.6m。已经开挖距离为0.2L,未开挖距离为0.8L。每种情况的钻孔数量和位置如图1-图3所示，孔径如表1所示。钻孔深度依次为33.00m，46.80m，47.88m。三种情况的初始水压均为20MPa，水压增量为0.2MPa。根据现场原位地应力测量结果的地质资料获得Case I竖向应力σz＝38.72MPa，σx＝σy＝41.19MPa；Case II竖向应力σz＝39.53MPa，σx＝σy＝42.05MPa；Case III竖向应力σz＝43.43MPa，σx＝σy＝46.18MPa。从地质资料中获得的宏观力学参数用于反向计算和修正数值模拟中的细观参数，最终获得输入RFPA数值计算的细观参量。获得的离散化模型包含790055个有限单元。
表1
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结果分析
如图11-图13所示为案例一、二、三的水力压裂过程。它直观地表示了岩体中的裂缝萌生、扩展和聚结以及渗流场的演化。在图11中，Case I的hole#3位于掌子面上边缘中心，其余四个钻孔均匀分布两侧。第296步(注水压力为79.2MPa)，hole#2和hole#3可以看见明显的宏观裂缝。298步顶部三个钻孔(hole#2，hole#3，hole#4)基本贯通。299步底部的两个钻孔(hole#1，hole#5)出现宏观裂缝。随着注水压力的增加，顶部与底部的裂缝相向延展。300步时hole#1与顶部裂缝实现贯通，302步(注水压力为80.4MPa)hole#5与顶部裂缝实现贯通，此时，基本形成贯通裂缝。继续增加注水压力，裂缝的扩展速度逐渐降低，所以我们在350步终止了计算。在图12中，Case II的hole#2位于掌子面上边缘中心，钻孔位置偏右拱肩。第316步(注水压力为83.2MPa)，hole#2和hole#3可以看见明显的宏观裂缝。318步hole#1到hole#4四个钻孔基本贯通。随着注水压力的增加，顶部的裂缝向hole#5延展，在320步五个钻孔基本形成贯通裂缝。在323步hole#5形成了向掌子面中心延展的裂缝尖端。继续增加水压后，该裂缝逐渐向掌子面中心扩展。在图13中，Case III的六个钻孔分布是不规则的，掌子面顶部位hole#3和hole#4距离较近。第318步(注水压力为83.6MPa)，hole#3和hole#4可以看没明显的宏观裂缝。322步hole#3和hole#4裂缝贯通，hole#2和hole#5开始出现宏观裂缝。327步hole#2到hole#5已经贯通，且随着注水压裂的增加逐渐向hole#1扩展。在335步(注水压力为87MPa)所有钻孔基本连通。综上所述，Case I到Case III地应力逐渐增加，出现宏观裂缝需要的水压也在增加。此外，我们发现通常拱顶附近的孔先产生裂缝，然后几乎所有的水力裂缝都是沿着相邻钻孔进行延伸的，这主要是因为在钻孔附近形成的孔隙压力场对水力裂缝的传播方向有明显的控制作用。随着注水压力的增加，最终实现贯通裂缝。说明我们提出在超前应力释放孔的基础上进行水力压裂，可以形成完整的卸压带。一方面降低岩体强度，并降低围岩中积聚能量；另一方面为围岩中能量的释放提供一个补偿空间，充当缓冲结构，进而有效的降低岩爆等级。
如图14-图16所示为最大应力分布云图。可以看出三种情况开挖后掌子面边缘和围岩接触位置都出现了应力集中。随着注入水压的增加(175步)，可以看出掌子面中心以及掌子面前方形成了拉应力集中。在350步形成卸压带后，我们发现掌子面前方的集中压应力向围岩深部转移，且距离将要开挖的隧道很远，降低了岩爆危险。需要注意的是，除了钻孔附近，其余掌子面与围岩连接部分还存在压力集中，也说明顶部钻孔的影响范围是有限的。
如图17所示为水力压裂过程中声发射的累计数量和累计能量与注入水压的关系。可看出压裂过程可分为以下四个阶段：(I)应力累积阶段，该过程岩体承受逐渐增加的水压，但没有声发射产生，也没有释放能量。(II)裂缝逐渐扩展阶段，该阶段产生声发射，且声发射数量逐渐增多，释放能量逐渐增加；(III)裂缝快速扩展阶段，声发射数量突然剧增，能量突然释放，其变化曲线几乎平行于纵坐标轴；且都有两次突然增加阶段。(IV)裂缝稳定扩展阶段，随着注水压力的增加，声发射数量按一定的数量稳定增加，其曲线近似为一条斜直线。例如Case II在1-208步(20-61.6MPa)未产生声发射，属于第I阶段。209-317步(61.8-83.4MPa)声发射数量逐渐增加，属于第II阶段。318-323步(83.6-84.6MPa)声发射数量突然增加，属于第III阶段。324-350步(84.8-90MPa)声发射数量稳定增加，属于第IV阶段。结果表明在水力压裂的过程中，至少要压裂到第III阶段，才能保证形成压裂带、有效的防治岩爆。此外，在350步时，Case I产生声发射的数量和释放的能量最小。Case II和Case III此时释放的累计能量基本相同，但Case II产生的声发射数量远多于Case III。说明Case III的每个声发射的平均能量比Case II大。
目前，掌子面打设超前应力释放孔己经广泛地应用到工程实践中，但对水力压裂形成卸压带的影响应力释放孔布孔方案仍具有一定的盲目性。从Case I、Case II和CaseIII我们可以发现超前应力释放孔的半径、数量、位置等参数对其影响较大。所以有必要进一步优化应力释放孔的打设方式，并讨论在不同钻孔方案的条件下水力压裂对围岩应力场的应力解除效应以及对岩爆灾害的控制效果，这对工程实践具有重要的指导意义。接下来，我们以Case I为例详细讨论这些因素的影响(将模型的初始水压改为40MPa，水压增量为0.2MPa)。
直径
根据Case I、Case II和Case III，我们选择88mm,95mm,102mm三个钻孔直径，然后进行水力压裂。图18-图20为不同直径钻孔的水力压裂过程。当直径为88mm时(图18)，88步(57.6MPa)可以发现拱顶的hole#3出现宏观裂缝。随着水压的增加左拱肩的hole#1和hole#2产生裂缝，随后产生两个条连通的裂缝。在120时裂缝基本连通。当直径为95mm时(图19)，左拱肩的hole#1和hole#2在90步(58MPa)出现了宏观裂隙，随后先产生贯通的裂缝。最后随着注水压力的增加，裂缝逐渐贯通。当直径为102mm(图26)时，拱顶的hole#3和hole#4在77步(55.4MPa)先产生宏观裂缝，然后孔hole#2到hole#5连通。随着注水压力的增加，在120步时裂缝基本贯通，且产生裂缝的范围相对较大。综上所述，直径为102mm时产生宏观裂缝需要的注水压力远低于孔径为88mm,95mm。说明直径大小影响着产生宏观裂缝需要的注水压力，直径越大需要的注水压力越小，越容易形成较大范围的卸压带，反之亦然。此外，孔径的大小对宏观裂缝的扩展顺序有较大影响，即直径为88mm和95mm时左拱肩先贯通，直径为102mm时拱顶和右拱肩先贯通。
图21-图23为不同钻孔直径的最大应力分布云图。直径为88mm,95mm时(图21、图22),水力压裂后掌子面附近都有压应力的集中，掌子面前方钻孔周围形成拉应力集中，集中压应力距离隧道很远。说明水力压裂将应力向围岩深部转移，并形成明显的压应力增加的环形区。但是当直径102mm时(图23)，在掌子面附近并没有明显的压应力集中，掌子面前方隧道的左拱肩和右拱肩存在压应力集中，拱顶主要为拉应力集中。从应力分布来说，大直径对掌子面卸压效果较好，小直径对掌子面前方围岩的卸压效果较好。图24为不同直径水力压裂过程中声发射的累计数量和累计能量与注入水压的关系。随着水压的增加，累计声发射数量符合四个阶段的变化趋势。直径102mm时，第III阶段需要水压最小(55.2MPa)，直径88mm和95mm需要的水压约为57.5MPa。120步(64MPa)时，累计释放声发射能量最低的为直径95mm，最多的为直径102mm。综合分析形成裂隙需要的压力、卸压区范围、应力分布以及释放的累计能量，得到直径最大的102mm卸压效果相对较好。但在施工过程中也需要结合现场的实际情况,如果增加过大的钻孔直径,会增多卡钻现象，增加施工难度和工程成本。
钻孔数量
根据Case I、Case II和Case III的钻孔数量，我们选择4，5，6三个钻孔数进行对比分析。当4个钻孔时(图25)，孔hole#2，hole#3，hole#4在106步(61.2MPa)产生宏观裂缝，hole#1最后产生裂缝。随着水压的增加裂缝逐渐扩展，在110步时四个孔基本贯通，形成卸压带。当5个钻孔时，其水力压裂过程可以参考图19。当6个钻孔时(图26)，左拱肩的hole#1hole#2hole#3在86步(57.2MPa)产生宏观裂缝。随着水压的增加，左拱肩先产生贯通的裂缝。继续增加水压，可以看出在120步时裂缝基本贯通。综上所述，孔的数量越多孔的越容易产生宏观裂缝，越容易形成卸压区。此外，孔数多、分布越广，产生卸压区的范围大，有利于防治岩爆，反之亦然。
图27-28为不同孔数量的最大应力分布云图。当孔的数量为4时(图27)，水压裂后，掌子面的左、右拱肩存在拉应力集中，拱顶存在明显的集中压应力，如果此时继续掘进拱顶可能会产生岩爆。掌子面前方的应力分布特征与掌子面相反，即拱顶存在拉应力集中，左、右拱肩压应力集中，如果此时继续掘进左、右拱肩可能会产生岩爆。说明当钻孔数量为4时，水力压裂并没有将应力完全转移到岩体深部。当孔的数量为5时，其最大应力分布云图可以参考图22。当孔的数量为6时(图28)，水力压裂后掌子面下半部分为压应力集中，拱顶和拱肩为拉应力集中。掌子面前方围岩主要是拉应力集中，对于岩体内部卸压效果相对较好。图29所示为不同钻孔数量水力压裂过程中声发射的累计数量和累计能量与注入水压的关系。随着水压的增加，其曲线也符合四个阶段的变化趋势。当钻孔为4，5，6个时，快速破坏阶段需要的压力分别61MPa、57.8MPa、57MPa，说明钻孔数量越多形成卸压区需要的注水压力越小。且钻孔数为6时，累计微震事件数最多。此外，在前113步(62.6MPa)，6个钻孔累计释放能量最多，114步(62.8MPa以后)后4个钻孔的累计释放能量最多。综合对比分析，钻孔数量越多越容易产生裂缝、且形成的卸压范围大、围岩内部的压应力转移效果好、且累计释放能量多，防治岩爆效果也越好。
钻孔位置距离掌子面圆心距离
选择钻孔位置距离掌子面圆心距离分别为0.8m、1.6m、3.2m，然后进行水力压裂。距离为0.8m时(图30)，每个钻孔距离较近，并在85步(57MPa)时产生宏观裂缝。91步时5个钻孔基本连通，99步时连通的裂缝向外延伸出三条裂隙尖端。随着注水水压的增加，120步时将整个掌子面分为三个部分。距离为1.6m时(图31)，在79步(55.8MPa)时产生宏观裂缝，86步时钻孔间的裂隙基本贯通，97步时贯通裂隙继续向外扩展。继续增加注水压力，120步时贯通裂隙延展出的三条裂缝已经到达了掌子面边缘。距离为3.2m时，裂隙主要沿着掌子面边缘扩展，具体看图19。
图32-33为不同钻孔距离掌子面圆心距离的最大应力分布云图。距离为0.8m时(图32)，掌子面拱顶和拱肩存在较明显的压应力集中，掌子面前方右拱肩存在较明显的压应力集中，说明此距离进行钻孔水力压裂防治岩爆的效果较差。距离为1.6m时(图33)，掌子面周围存在压应力集中。掌子面前方隧道周围主要是拉应力集中，离隧道比较远的位置存在较小压应力集中，说明此距离压力转移效果较好。距离为3.2m时的最大应力分布云图可以参考图22。图34所示为不同距离水力压裂过程中声发射的累计数量和累计能量与注入水压的关系。距离为1.6m快速破坏阶段需要的水压较小(55.2MPa)，其次是距离3.2m(57.8MPa)。距离0.8m时，随着水压的增加；其裂隙在120步前一直扩展、声发射也在不断的增加。对比后发现累计声发射数量和累计声发射能量距离1.6m明显高于0.8m和3.2m。综上，距离1.6m时，产生宏观裂隙需要的水压小、形成的卸压带的范围大、压应力的转移明显、累计声发射数量多和累计声发射释放能量大，其卸压效果要好于0.8米和3.2米。
角度的影响
本发明的角度是指相邻两个钻孔与掌子面圆心连线的夹角。我们选择角度为12°、24°、36°，然后进行水力压裂。角度为12°时(图35)，五个钻孔距离较近，相邻钻孔之间的传播间隙就越小，钻孔之间的耦合效应就越强。当98步(59.6MPa)时hole#1产生宏观裂缝，101步时hole#2和hole#1相互连通。随着水压的增加hole#1到hole#4在105步相互连通。最后120步五个孔形成贯通裂缝，裂缝从左到右依次扩展。角度为24°时，水力压裂过程可以参考图19。角度为36°时(图36)97步(59.4MPa)hole#1产生宏观裂缝。随着注水压力的增加hole#2和hole#4产生宏观裂缝，在120步时形成较大范围的卸压区。
图37、38为不同角度的最大应力分布云图。当角度为12°时(图37)，掌子面截面的拱顶存在压应力集中，左右拱肩有拉应力集中。掌子面前方应力分布与掌子面相反，即左右拱肩有较大的的压应力集中，拱顶存在少量的拉应力，拱底为拉应力集中。角度为24°时，其最大应力分布参考图22。角度36°时(图38)，掌子面周围存在少量的压应力集中。掌子面前方隧道周围均为拉应力集中，距离隧道较远出存在压应力集中的环形区。说明此时转移应力效果较好。图39所示为不同角度的水力压裂过程中声发射的累计数量和累计能量与注入水压的关系。可以看出24°时第三阶段(快速破坏阶段)需要的水压最小57.8MPa，36°时需要的注水压力为59.2MPa，12°没有快速破坏阶段，声发射个数在120步内一直在逐渐增加。120步时，36°的声发射累计数量和累计声发射能量都远高于12°和24°。12°和24°累计释放能量相同，但24°的累计声发射数量比12°多。综上所述，36°产生的破碎区范围大、应力转移效果好、产生的声发射数量和释放能量最多。其卸压效果要好于12°和24°。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种超前应力释放孔和水力压裂联合的隧道岩爆防控方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、针对三个频发岩爆的洞段采用超前应力释放孔对岩爆进行防治；利用微震监测系统对开挖过程中围岩内部的微破裂信息进行实时监测，通过对比钻孔段和相邻未钻孔段微震的数量、能量及岩爆等级来评价超前应力释放孔对岩爆的防治效果；
S2、采用超前应力释放孔和水力压裂相结合的深埋隧道岩爆防治方法，并采用数值模拟方法验证该方法的可行性；
S3、分析超前应力释放孔的直径、数量、位置参数对水力压裂防治岩爆效果的影响。
2.如权利要求1所述的超前应力释放孔和水力压裂联合的隧道岩爆防控方法，其特征在于，所述步骤S1中，超前应力释放孔的工作面前方岩体内保持有若干数量的钻孔，通过钻孔改变岩体中的应力分布，消除或减缓岩爆的危险性；在应力集中区域钻孔卸压，一方面钻孔使围岩内应力集中向深部转移，改变掌子面周围岩体应力场的分布范围；另一方面，当应力超过孔壁岩体强度时，钻孔周围开始被压裂，并释放能量，随着压裂范围的扩大，最终在钻孔周围形成破碎区，多个钻孔周围的破碎区互相连通，在围岩内形成范围更大的破碎带，从而降低岩爆发生的概率和等级。
3.如权利要求1所述的超前应力释放孔和水力压裂联合的隧道岩爆防控方法，其特征在于，所述步骤S2中，分析超前应力释放孔作用的步骤如下：首先确定最深的钻孔，然后在钻孔前段和后段两个未钻孔区域分别选取相应的距离进行对比，以天为单位，采用平均每米微震数量以反映不同位置微震相对的活跃程度、平均每米微震释放能量以反映岩体内部的能量释放程度以及每日单次微震事件的最大能量以体现出围岩内部最大能量集中的程度、岩爆等级作为评价指标。
4.如权利要求1所述的超前应力释放孔和水力压裂联合的隧道岩爆防控方法，其特征在于，所述步骤S3中，超前应力释放孔-水力压裂方法的数值模拟分析如下：利用ANSYS建立三维数值模型，通过C语言开发的AtoR接口提取ANSYS模型的节点和单元，并导入至RFPA进行计算，该模型采用莫尔-库仑准则，模型是正方形，它的边长L为10倍的隧道直径6.76m，即67.6m，已经开挖距离为0.2L，未开挖距离为0.8L，设置钻孔数量、位置、孔径和钻孔深度，设置初始水压为20MPa，水压增量为0.2MPa，根据现场原位地应力测量结果的地质资料获得竖向应力，从地质资料中获得的宏观力学参数用于反向计算和修正数值模拟中的细观参数，最终获得输入RFPA数值计算的细观参量。
5.如权利要求4所述的超前应力释放孔和水力压裂联合的隧道岩爆防控方法，其特征在于，所述步骤S3中，随着地应力逐渐增加，出现宏观裂缝需要的水压也在增加，拱顶附近的孔先产生裂缝，所有的水力裂缝都是沿着相邻钻孔进行延伸的，是因为在钻孔附近形成的孔隙压力场对水力裂缝的传播方向有控制作用,随着注水压力的增加，最终实现贯通裂缝,在超前应力释放孔的基础上进行水力压裂，形成完整的卸压带,一方面降低岩体强度，并降低围岩中积聚能量；另一方面为围岩中能量的释放提供补偿空间，充当缓冲结构，进而降低岩爆等级；
通过水力压裂过程中声发射的累计数量和累计能量与注入水压的关系将压裂过程可分为以下四个阶段：
(I)应力累积阶段，该过程岩体承受逐渐增加的水压，但没有声发射产生，也没有释放能量；
(II)裂缝逐渐扩展阶段，该阶段产生声发射，且声发射数量逐渐增多，释放能量逐渐增加；
(III)裂缝快速扩展阶段，声发射数量突然剧增，能量突然释放，其变化曲线几乎平行于纵坐标轴；且都有两次突然增加阶段；
(IV)裂缝稳定扩展阶段，随着注水压力的增加，声发射数量按一定的数量稳定增加，其曲线近似为一条斜直线，在施工过程中，至少要压裂到第三阶段，才能保证卸压效果。
6.如权利要求5所述的超前应力释放孔和水力压裂联合的隧道岩爆防控方法，其特征在于，根据形成裂隙需要的压力、卸压区范围、应力分布以及释放的累计能量，得到直径最大的102mm卸压效果好。
7.如权利要求5所述的超前应力释放孔和水力压裂联合的隧道岩爆防控方法，其特征在于，钻孔数量越多越容易产生裂缝、且形成的卸压范围大、围岩内部的压应力转移效果好、且累计释放能量多，防治岩爆效果也越好。
8.如权利要求5所述的超前应力释放孔和水力压裂联合的隧道岩爆防控方法，其特征在于，根据最大应力分布云图、宏观裂纹需要的水压、声发射数量和能量变化分析钻孔位置距离掌子面圆心距离对卸压效果的影响，距离1.6m时，产生宏观裂隙需要的水压小、形成的卸压带的范围大、压应力的转移明显、累计声发射数量多和累计声发射释放能量大，距离1.6m时的卸压效果要好于0.8米和3.2米。
9.如权利要求5所述的超前应力释放孔和水力压裂联合的隧道岩爆防控方法，其特征在于，根据最大应力分布云图分析相邻两个钻孔与掌子面圆心连线的夹角对卸压效果的影响，角度为36°产生的破碎区范围大、应力转移效果好、产生的声发射数量和释放能量最多，角度为36°的卸压效果要好于12°和24°。
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| CN117708959A (zh) * | 2024-02-04 | 2024-03-15 | 山东省公路设计咨询有限公司 | 复杂地质条件下隧道支护体系动态设计方法 |
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2023
- 2023-05-08 CN CN202310509130.7A patent/CN116575920A/zh active Pending
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| CN117708959B (zh) * | 2024-02-04 | 2024-04-16 | 山东省公路设计咨询有限公司 | 复杂地质条件下隧道支护体系动态设计方法 |
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