一種深部隧洞巖爆主動防控方法與流程
2023-09-20 06:11:20 2
本發明涉及一種深部隧洞巖爆主動防控方法，主要適用於交通、礦山、水利水電等地下工程領域，尤其適用於具有強烈及以上巖爆烈度的深部隧洞超前解除巖體應力、軟化圍巖，主動防控巖爆災害。
背景技術：
在深部隧洞開挖過程中，處於高應力狀態下的巖體積聚的能量突然釋放，導致圍巖破壞，並將破碎巖石拋出，即發生巖爆，往往會造成人員傷亡、設備損壞和開挖工作面的破壞，嚴重影響施工進度，增加隧洞維護成本。因此，在深埋隧洞開挖至巖爆段之前，應採取主動防控措施來降低巖爆發生機率和巖爆烈度等級，確保巖爆地段的施工安全。
現有的隧洞開挖前巖爆主動防控方法可分為改善圍巖力學特性和改善隧洞應力狀態兩種，主要措施有注水軟化和鑽孔及鑽孔爆破解除應力。由於巖爆主要發生在無裂隙或裂隙不發育的高強度低滲透性巖石中，而注水軟化方法採用的注水壓力通常在5mpa以下，無法將水有效注入巖體結構中。應力解除重點是通過在掌子面鑽進超前應力解除孔，對爆烈度高的隧洞在鑽孔內裝藥進行爆破解除高應力狀態，實際上在實施以上應力解除法時鑽孔布置存在盲目性和隨意性，而且應力解除鑽孔孔徑小，影響範圍有限；採取裝藥爆破對保留圍巖會造成不可逆的損傷破壞，影響隧洞穩定性。實踐表明，現有巖爆主動防控方法很難取得理想的效果。
技術實現要素：
本發明的目的是針對上述現有深部隧洞巖爆主動防控技術存在的不足，提供一種基於水力化措施適用於深部地下工程的巖爆主動防控方法，該方法在改變巖爆段圍巖力學特性的同時，能超前釋放隧洞應力，從而保證施工人員、機械設備的安全，維護圍巖完整性和穩定性，確保安全快速通過巖爆段。
在傳統的超前應力鑽孔釋放應力的基礎上，根據預測的巖爆段及該段初始應力場的方位和大小，結合水射流破巖所形成的塑性區範圍，合理布置中心孔和周邊孔，對巖體實施水射流割縫和注水壓裂，以便在在改變巖爆段圍巖力學特性的同時，超前釋放應力，最終實現深埋隧洞巖爆的主動高效防控。
為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案：一種深部隧洞巖爆主動防控方法，按如下步驟進行：
1）開挖前預測隧洞巖爆發生位置、巖爆烈度及規模，確定前方巖體的主應力水平及方向；
2）在掌子面開展至距離巖爆段10m時，鑽進深度相同的一個中心孔和多個周邊孔，中心孔與隧洞開挖軸線平行，周邊孔沿隧洞輪廓線均勻布置，終孔位置位於隧洞開挖輪廓線外1~2m；
3）在中心孔鑽至設計位置後，利用鑽杆上預先安設的割縫器對巖體實施徑向割縫，鑽杆每後退2m實施一次割縫，直至退出巖爆段，循環以上1、2步驟完成對所有鑽孔的割縫，其中相鄰周邊孔割縫位置相互交錯；
4）割縫完畢後，在中心孔內安設壓裂用輸水無縫鋼管，在鋼管上對應鑽孔割縫的位置預留出水孔眼，再對中心孔進行封孔處理，利用高壓泵以不低於p的泵壓注入壓力水，直至周邊孔有水流出或注水壓力持續上升至出現3~5mpa的壓力降後停止注水；
5）保持2個開挖循環的超前安全距離，採用光面爆破開挖，控制裝藥量，循環進尺不大於2m，採用錨網支護，直至通過巖爆段。
進一步地，巖爆段及主應力水平和方向根據地質勘測資料、數值計算或反演分析確定。
進一步地，中心孔和周邊孔深度為20~30m，孔徑不小於75mm；
進一步地，周邊孔的數量由巖爆烈度和規模確定，巖爆烈度性越高、規模越大，周邊孔數量越多，不少於6個。
進一步地，割縫水壓保持在25mpa以上，割縫時間10~15min；對於強度高、完整性好的巖體，需在高壓水中添加磨料後進行割縫。
進一步地，巖爆烈度為中等及以下，可不對中心孔實施注水壓裂；巖爆烈度性為強烈及以上時，需架設鋼拱架和安設超前錨杆支護。
進一步地，高壓泵的注水壓力p由以下公式確定：
式中：σh—水平地應力，mpa；
σv—垂直地應力，mpa；
σt—巖石抗拉強度，mpa；
k—備用係數，通常取1.3~1.5。
進一步地，在開挖過程中仍有巖爆發生傾向，則在隧道中向四周巖壁打孔割縫卸壓。
本發明通過在巖爆段施工超前中心孔和周邊孔，並進行割縫，能夠在隧洞開挖輪廓線內的巖體中形成一定長度的環形縫槽，同時形成大量的微裂隙，在一定程度上改變了圍巖的完整性，快速解除縫槽周圍巖體的高應力狀態。
通過中心孔注入高壓水實施壓裂，在周邊孔割縫形成的連續塑性區的導向作用下，引導壓裂裂縫在隧洞開挖輪廓線範圍內均勻發展，在進一步解除高應力狀態的同時，高壓水通過割縫、壓裂形成的微裂隙進入巖體中，起到大範圍軟化圍巖、降低圍巖脆性的作用，並且壓裂裂縫擴展到周邊孔縫槽後即卸壓，不會引起隧洞保留巖體的破壞失穩。
除此之外，割縫、壓裂形成的縫槽、縫隙能夠吸收隧洞開挖過程中造成圍巖破壞後剩餘的能量，起到緩衝作用，有效地降低或消除巖爆危險。相較於常規的巖爆主動防控方法，本方法rusesenes巖爆判別係數可達到0.3以上，優勢明顯，如表1所示：
附圖說明
圖1是本發明的一種深部隧洞巖爆主動防控方法結構示意圖；
圖2是圖1的a-a剖面圖；
圖3是圖1的b-b剖面圖；
圖4是注漿封孔示意圖。
圖中：1-隧洞，2-巖爆段，3-超前距離，4-中心孔，5-周邊孔，6-割縫縫槽，7-割縫縫槽塑性區，8-鋼管，9-封孔段，10-出水孔眼，11-注漿管。
名詞解釋：rusesenes巖爆判別係數——隧洞圍巖的最大切向應力與單軸抗壓強度之比。
具體實施方式
下面結合附圖中的實施實例對本發明作進一步的描述，但並不因此將本發明限制在所述的實施例範圍之中。
參見圖1-4，一種深部隧洞巖爆主動防控方法，按如下步驟進行：
1）開挖前預測隧洞1巖爆發生位置、巖爆烈度及規模，確定前方巖體的主應力水平及方向；
2）掌子面與巖爆段2安全距離3為10m時，鑽進深度相同的一個中心孔4和多個周邊孔5，中心孔1與隧洞1開挖軸線平行，周邊孔5沿隧洞1輪廓線均勻布置，終孔位置位於隧洞1開挖輪廓線外1~2m；
3）在中心孔4鑽至設計位置後，利用鑽杆上預先安設的割縫器對巖體實施徑向割縫，鑽杆每後退2m實施一次割縫，直至退出巖爆段3，循環以上步驟完成對所有鑽孔的割縫，其中相鄰周邊孔5割縫位置相互交錯；
4）割縫完畢後，在中心孔4內安設壓裂用鋼管8，管徑不小於32mm，在鋼管8上對應鑽孔割縫位置預留出水孔眼10，再對中心孔4進行封孔處理，利用高壓泵以不低於p的泵壓注入壓力水，直至周邊孔5有水流出或注水壓力持續上升至出現3~5mpa的壓力降後停止注水；
5）保持2個開挖循環的超前安全距離3，採用光面爆破開挖，控制裝藥量，循環進尺不大於2m，採用錨網支護，直至通過巖爆段2。
巖爆及主應力根據地質勘測資料、數值計算或反演分析確定；中心孔4和周邊孔5深度為20~30m，孔徑不小於75mm，周邊孔5的數量由巖爆烈度和規模確定，巖爆烈度性越高、規模越大，周邊孔5數量越多，但不少於6個；割縫水壓保持在25mpa以上，割縫時間10~15min，對於強度高、完整性好的巖體，需在高壓水中添加磨料後進行割縫；巖爆烈度為中等及以下，可不對中心孔4實施注水壓裂；巖爆烈度性為強烈及以上時，需架設鋼拱架和安設超前錨杆支護；在開挖過程中仍有巖爆發生傾向，可在隧洞1巖壁補打鑽孔進行割縫；高壓泵的注水壓力p由以下公式確定：
式中：σh—水平地應力，mpa；
σv—垂直地應力，mpa；
σt—巖石抗拉強度，mpa；
k—備用係數，通常取1.3~1.5。
以上雖然結合了附圖描述了本發明的實施方式，但本領域的普通技術人員也可以對附屬權利要求的範圍內做出各種變化或修改，這些修改和變化應理解為是在本發明的範圍和意圖之內的。