一种地下工程岩爆地质灾害被动防治装备及其使用方法

摘要

一种地下工程岩爆地质灾害被动防治装备及其使用方法，涉及地下工程防护技术领域，包括由外向内依次设置在围岩表面的被动防护机构、伸缩装置、支撑结构和走行机构，被动防护机构包括沿径向设置的定位柱和固定在定位柱外端的消能网，伸缩装置由至少两个沿其环向方向设置的伸缩单元组成，每个伸缩单元包括壳体和安装在壳体内的气囊、固定桩，所述固定桩内端固定在壳体底面，其外端伸出壳体与定位柱的内端套接，所述气囊位于壳体内壁与固定桩外壁之间。本发明有效的解决了高强度岩爆发生时因地下工程支护系统吸能强度不足导致岩体中积聚的能量瞬间释放引起的安全事故，最大限度的降低岩爆危害，降低了工程风险。

说明书

技术领域

本发明涉及地下工程防护技术领域，具体涉及一种地下工程岩爆地质灾害被动防治装备及其使用方法。

背景技术

当隧道等地下工程修建在埋深大、强度高、构造运动强的岩体环境中时，往往会发生不同形式的岩爆，岩爆地质灾害具有突发、高危、难预测等特点，对人身安全和机械设备带来极大挑战，严重影响施工进度，是世界性的地下工程难题之一。

目前，对岩爆的控制手段主要分为主动型和被动型两种，中国实用新型201120262242X描述了一种岩爆隧道支护结构，包括由大角度超前锚杆、超前应力释放孔、边墙应力释放孔、柔性细密钢丝网、径向锚杆、喷射混凝土、防水板、模筑二次衬砌墙体组成多层支护结构，所述大角度超前锚杆和超前应力释放孔设在支护结构中间的掌子面上，支护结构墙体的两外侧设置边墙应力释放孔，支护结构墙面覆盖柔性细密钢丝网。中国发明专利201611099816X公开一种以主动支护为理念的隧道防岩爆支护方法在待支护隧道的壁面喷射第一混凝土层和开设钻孔，在钻孔内设置涨壳式预应力锚杆，并控制涨壳式预应力锚杆，使其对隧道壁施加径向力，以进行主动支护，在第一混凝土层上设置钢筋网，在钢筋网的表面设置第二混凝土层，以使得第二混凝土层将钢筋网覆盖于第一混凝土层上，上述两个专利所描述的方法均属于主动型支护，但实践表明其防治效果不能令人满意，且成本高、施工工期长。

中国发明专利2016104623937公开一种降低岩爆危害的围岩加固系统，属于被动支护型支护，其实施方法是：在岩体开挖后，向围岩表面湿喷一层混凝土找平，待混凝土初凝前迅速沿着混凝土表面粘贴具有高抗拉强度的玄武岩纤维布，然后安装锚杆，锚杆穿过玄武岩纤维布和混凝土找平层植入岩体，从而使得围岩、喷射混凝土、玄武岩纤维布和锚杆群形成一个围岩加固系统，显著提高围岩表层的抗拉强度，从而有效防止围岩表层劈裂岩板弯曲受拉折断，进而抑制岩爆的发生，但由于该措施吸能强度不足，导致其实践效果不佳。

发明内容

本发明提供了一种地下工程岩爆地质灾害被动防治装备及其使用方法，该装备主要是对现有支护系统进行加强防护，通过膨胀状态的气囊和气囊外侧的被动防护机构一起组成复合消能装置，提升被动防治装备对岩爆能量的吸收能力。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种地下工程岩爆地质灾害被动防治装备，包括由外向内依次设置在围岩表面拱形的被动防护机构、伸缩装置、支撑结构和走行机构，所述被动防护机构和所述伸缩装置为拱状结构；

所述被动防护机构包括沿隧道径向方向设置的定位柱和固定在该定位柱外端的消能网；

所述伸缩装置由至少两个沿其环向方向设置的伸缩单元组成，每个所述伸缩单元包括壳体和安装在该壳体腔体内的气囊、固定桩，所述固定桩内端固定在所述壳体底面，其外端伸出所述壳体与所述定位柱的内端套接，所述气囊位于所述壳体内壁与所述固定桩外壁之间，所述壳体外壁与所述支撑结构固定连接。

为更好地实现本技术方案，可进一步地，所述气囊外侧设置有导向卡槽，该导向卡槽与所述固定桩相配合设置，当所述气囊充气时，所述固定桩伸出所述伸缩装置，当所述气囊放气时，所述固定桩回到伸缩装置内，并通过所述导向卡槽进行定位。便于该防治装备在非使用状态时，固定桩能够放置在壳体内，使该装备占用体积小。

进一步地，所述走行机构为自带动力行走或依靠牵引装置牵引行走，该走行机构至少为一层，且其顶面和靠近隧道的相对侧壁均安装有高强度的承载板。安装高强度的承载板便于设置支撑结构和分担围岩传递的力。

进一步地，所述支撑结构包括支撑座和至少三根支撑杆，其中一根所述支撑杆内端通过所述支撑座固定在所述走行机构顶面的所述承载板上，另外两根所述支撑杆内端通过所述支撑座分别固定在所述走行机构侧面的所述承载板上，且三根所述支撑杆外端紧贴所述伸缩装置的内表面。

进一步地，所述支撑杆为液压千斤顶或可伸缩的杆体，同样的是为了在非使用状态时该装置整体占用体积小。

进一步地，所述消能网采用拼装式的SNS网，相邻的两个网片采用锁定环固定在所述定位柱上。

进一步地，所述定位柱以承插方式与所述固定桩相连，在遭到强烈岩爆毁坏时，便于定位柱和消能网更换。

本发明的另一个目的就是对上述一种地下工程岩爆地质灾害被动防治装备的使用方法进行详细说明，包括以下步骤：

步骤一、在洞外将该岩爆被动防治装备组装完毕，并对其走行能力、伸缩能力进行测试，保证该装备的正常运行；

步骤二、将所述气囊的气体放掉，收缩所述支撑杆，使其均处于收缩状态，然后移动所述走形机构到需要进行岩爆防护的位置，主要是掌子面附近。

步骤三、将所述消能网固定在所述定位柱上，形成外层防护网；

步骤四、对所述气囊进行充气，使之处于膨胀状态，同时调节所述支撑杆，使被动防护机构紧贴围岩表面，从而与被动防护机构一起组成复合消能装置，提升被动防治装备对岩爆能量的吸收能力。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)、本发明提供的适用于地下工程岩爆地质灾害的被动式防治装备，有效的解决了高强度岩爆发生时因地下工程支护系统吸能强度不足而导致岩体中积聚的能量瞬间释放引起的安全事故，最大限度的降低岩爆危害，为作业人员争取到逃生的时间，降低了工程风险。

(2)、本发明采用气囊和被动防护机构组成复合消能装置，提升被动防治装备对岩爆能量的吸收能力，大幅降低岩爆破坏强度，同时被动防护机构中消能网可防止岩爆发生时，剥离防护层的碎块对人员和设备造成伤害。

(3)、本发明还具有结构简单，操作性强，重复利用率高、成本低廉的特点，岩爆发生时，最易损坏的是消能网和定位柱，但两者均易更换。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为伸缩装置立体示意图；

图3为单个伸缩装置立体示意图；

图4为固定柱与消能网拼装图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，但本发明的实施方式不限于此。

为更好说明本发明的技术特征，以下实施例为圆拱形隧道为例进行具体的说明。

最优实施例：如图1所示，一种地下工程岩爆地质灾害被动防治装备，包括由外向内依次设置在围岩6表面的被动防护机构1、伸缩装置2、支撑结构3和走行机构4，被动防护机构1和伸缩装置2对岩爆形成的破坏能进行吸收。

所述走行机构4为自带动力行走或依靠牵引装置牵引行走，也可以是受推力作用前进，对走行机构4的选择主要取决于隧道的坡度、规格形状及可能发生岩爆的强度，本实施例中走行机构4两层，其顶面和靠近隧道的相对侧壁均安装有高强度的承载板41，该承载板41不仅可以作为工作平台，而且能防止支撑结构3受力过大穿透承载板41后破坏走行机构4。

所述支撑结构3包括支撑座31和围绕走行机构4径向方向设置的若干根支撑杆32，本实施例中支撑杆32的数量为八根，其中两根支撑杆32内端通过支撑座31固定在走行机构4顶面，另外六根支撑杆32内端通过支撑座31对称设置在走行机构4相对侧面的承载板41上，这八根支撑杆32外端紧贴伸缩装置2的内表面，上述的支撑杆32为千斤顶或可伸缩的杆体。

如图4所示，所述被动防护机构1包括沿圆拱形隧道径向设置的定位柱11和固定在该定位柱11外端的消能网12，其中消能网12可采用拼装式的SNS网，相邻的两个网片采用锁定环固定在定位柱11上。

如图2和图3所示，所述伸缩装置2由若干个沿其环向方向设置的伸缩单元5组成，且若干个伸缩单元5一体成型。每个伸缩单元5包括拱形的壳体51和安装在该壳体51腔体内的气囊52和固定桩53，所述固定桩53内端固定在壳体51底面的中心，外端伸出壳体51与定位柱11的内端以承插方式的连接，气囊52位于壳体51内壁与固定桩53外壁之间，所述壳体51外壁与支撑结构3固定连接，所述气囊52外侧设置有导向卡槽54，该导向卡槽54与固定桩53相配合设置，当气囊52充气时，所述固定桩53伸出伸缩装置2，当气囊52放气时，所述固定桩53回到伸缩装置2内，并通过导向卡槽54进行定位。

本发明是这样实现的：

步骤一、在洞外将该岩爆被动防治装备组装完毕，并对其走行能力、伸缩能力进行测试，保证该装备的正常运行；

步骤二、将气囊52的气体放掉，收缩支撑杆32，使其均处于收缩状态，然后移动走形机构4到需要进行岩爆防护的位置，主要是掌子面附近。

步骤三、将消能网12固定在定位柱11上，形成外层防护网；

步骤四、对气囊52进行充气，使之处于膨胀状态，同时调节支撑杆32，使被动防护机构1紧贴围岩表面，从而与被动防护机构1一起组成复合消能装置，提升被动防治装备对岩爆能量的吸收能力。

上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。