一种深埋隧洞即时型岩爆主动防控方法

摘要

本发明提供一种深埋隧洞即时型岩爆主动防控方法，属于岩土工程技术领域。该方法首先确定隧洞掌子面的最大主应力与最小主应力的大小和方向；然后，在掌子面前方与隧洞开挖轴线平行方向中心区域钻进深部炮孔与掏槽孔，起爆中心区域深部炮孔；再用速凝水泥对非中心孔的深部炮孔与掏槽孔孔口段进行封孔处理，高压注水后在掌子面沿隧洞轮廓线内布置常规炮孔，起爆常规炮孔；随着掌子面不断向前推进，以上钻孔爆破方案循环进行，后续循环过程中，常规炮孔的装药量可根据实际爆破效果酌减。本发明可广泛应用于高地应力条件下的水电、矿山、交通等行业。

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，特别是指一种深埋隧洞即时型岩爆主动防控方法。

背景技术

在深埋地下工程开挖过程中，在硬脆岩体高地应力地区通常会通过脆性破裂快速释放应变能而产生岩爆。岩爆作为深埋高地应力条件下硬岩地下工程开挖过程中常遇到的工程地质问题，因其具有突发性，并伴随着岩体中应变能的突然释放，形式上常表现为爆裂弹射，极大地威胁着现场施工人员和设备的安全。

目前，主要的岩爆防治措施包括：(1)对于金属矿山深部开采，主要通过选择合适的开采方法和调整开采顺序，避免在开采过程中出现高应力集中区域，同时减小应变能积聚。(2)对于深埋隧道，在开挖过程中采用“短进尺、多循环”，严格控制用药量，以尽可能减少爆破对围岩的影响。尽量采用光面爆破，以减小局部应力集中发生的可能性。(3)在可能发生岩爆的掌子面上，打超前应力释放孔，使其高应力提前释放。(4)采用喷锚、锚杆、钢丝网等刚性或者柔性支护，减少巷道及釆场顶板的岩石冒落，控制岩爆灾害的发生。(5)通过向爆破后的岩体进行注水，从而起到软化围岩，降低围岩脆性的作用。尽管这些方法减小了单次爆破时岩体释放的应变能，对于防治岩爆具有一定的效果，但这些方法忽视了岩体地应力及应变能瞬态释放的动力冲击，以牺牲开挖效率为代价，没有从根本上解决深埋隧洞即时型岩爆问题。

发明内容

本发明针对上述常用的深埋隧洞岩爆主动防控技术存在的不足，提供了一种可加快施工进度、降低施工成本、减少能量损失、增加集中应力解除可控性的深埋隧洞即时型岩爆主动防控方法。

该方法包括步骤如下：

(1)确定隧洞掌子面的最大主应力与最小主应力的大小和方向；

(2)对于不同的隧洞断面尺寸和实际工程所需的爆破效果，根据步骤(1)中确定的主应力的大小和方向确定掌子面前方中心区域深部炮孔的位置和个数，在掌子面前方与隧洞开挖轴线平行方向中心区域钻进深部炮孔与掏槽孔，孔深为2d，其中，d为常规炮孔孔深，深部炮孔包括中心孔和非中心孔，在深部炮孔中装药，装药量不多于孔深的1/2；

(3)起爆步骤(2)中的中心区域深部炮孔；

(4)采用速凝水泥对非中心孔的深部炮孔与掏槽孔孔口段进行封孔处理，速凝水泥浆凝固后，利用高压泵对中心孔的深部炮孔进行高压注水，注水压力持续上升至出现1～2MPa压力降后停止注水；

(5)根据实际工程隧洞断面形状、尺寸及所需的爆破效果在掌子面沿隧洞轮廓线内布置常规炮孔，孔深为d，然后进行微差爆破、预裂爆破或光面爆破；

(6)随着掌子面不断向前推进，以上钻孔爆破方案循环进行，后续循环过程中，常规炮孔的装药量逐渐减少。

其中，步骤(1)中隧洞掌子面的最大主应力大小和方向以及最小主应力大小和方向根据现场地质勘察报告及现场测试资料确定。

步骤(2)中掌子面前方中心区域深部炮孔的位置呈椭圆形分布，椭圆形包括椭圆和外围椭圆，椭圆具体设置为：椭圆的中心位于隧洞开挖轴线上，椭圆长轴方向与最大主应力方向一致，椭圆短轴方向与最小主应力方向一致，椭圆的长轴a和短轴b的比值等于最大主应力σ₁与最小主应力σ₃的比值。a和b的实际值可由现场爆破效果获取。

进一步的，步骤(2)中掌子面前方中心区域深部炮孔的位置和个数按如下设置：在掌子面前方隧洞开挖中心轴线上钻进1个深部炮孔，在椭圆及外围椭圆顶点处设置4个深部炮孔或掏槽孔，具体按以下两种情况设置或拓展：

一、若隧洞断面尺寸较小(一般为3-5m或小于3m)，或隧洞所处围岩中存在微量裂隙，则在掌子面前方隧洞开挖中心轴线上钻进1个深部炮孔，并在椭圆4个顶点位置钻进4个掏槽孔；

二、若隧洞断面尺寸较大(一般为5-8m或8m以上)，或隧洞所处围岩完整，则在掌子面前方隧洞开挖中心轴线上及椭圆4个顶点位置钻进5个深部炮孔，在外围椭圆4个顶点位置钻进4个掏槽孔；

其中深部炮孔为装药孔，装药量不多于孔深的1/2，掏槽孔为非装药孔，可增加爆破临空面，提高爆破破岩与岩体损伤破裂效果。深部炮孔和掏槽孔的具体位置，即椭圆与外围椭圆的具体尺寸和顶点位置需要根据现场实际工程情况及岩爆防治效果不断调试确定。

步骤(3)中具体过程如下：

首先起爆掌子面前方隧洞开挖轴线方向中心区域的深部炮孔，引爆深部炮孔可以促进掌子面前方的深部高应力岩体损伤破裂，实现掌子面附近应力解除和能量释放，使峰值应力和能量从开挖处附近进一步向工作面前方移动，并在掌子面前方形成了岩体破碎缓冲区，增加集中应力解除的可控性，从而防控掌子面附近即时型岩爆的发生。当进入下一个爆破循环时，还可以利用上一步在掌子面前方已经形成的破碎缓冲区，减少常规炮孔装药量。

步骤(5)中常规炮孔的个数、布孔方式、起爆顺序及是否采用微差爆破、光面爆破或预裂爆破等技术根据隧洞断面宽度和实际工程所需的爆破效果确定。

该方法在常规的超前应力释放孔措施的基础上，利用爆破卸压的基本理论，通过在掌子面前方打一个或一组深部炮孔和掏槽孔，深部炮孔被引爆以促进在掌子面前方的高应力岩体损伤破裂，提前实现掌子面附近应力解除和能量释放，使峰值应力和能量从开挖处附近进一步向掌子面前方移动，并在掌子面前方形成破碎岩体缓冲区，从而使掌子面前方中心区域岩体的刚度降低，损伤破裂加大，能量释放，整个围岩内的应力状态得到调整。钻取的中心区域深部炮孔在掌子面前方与隧洞开挖轴线平行方向，当进入下一个爆破循环时，还可以利用上一步在掌子面前方已经形成的破碎缓冲区，减少常规炮孔装药量，同时可加快施工进度，降低施工成本，达到防治岩爆的目的。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

(1)考虑主应力方向的深部炮孔和掏槽孔布设方式，可以增加爆破临空面，提高爆破破岩与岩体损伤破裂效果。

(2)对于不同的断面形状和尺寸，通过在掌子面前方开挖进尺方向钻取一个或一组深部炮孔和掏槽孔，引爆深部炮孔可以促进掌子面前方的深部高应力岩体损伤破裂，实现掌子面附近应力解除和能量释放，使峰值应力与能量从开挖处附近进一步向工作面前方移动，并在掌子面前方形成了的破碎岩体缓冲区，增加集中应力解除的可控性。当进入下一个爆破循环时，还可利用上一步在掌子面前方已经形成的破碎缓冲区，即可减少常规炮孔的装药量，又便于保护隧洞围岩的稳定。

(3)对掌子面前方中心区域已爆破的深部炮孔进行高压注水，可以使爆破引起的岩体损伤破裂进一步发展，促进小裂纹扩展贯通，并使隧洞围岩的高应力与能量聚集趋于均匀化，同时将高压水注入微裂隙的岩体后，还起到软化围岩，降低围岩脆性的作用。

(4)所钻取中心区域的深部炮孔和掏槽孔为水平孔，循环爆破开挖过程中，可减小工程量、加快施工进度、降低施工成本。

(5)可广泛应用于高地应力条件下采矿、水利水电、交通等领域的深埋隧洞开挖过程中岩爆的主动防治，应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明的深埋隧洞即时型岩爆主动防控方法所涉及的结构示意图；

图2为图1的A—A剖面装药示意图；

图3为本发明实施例中中心区域深部炮孔与掏槽孔布设图，其中(a)为隧洞断面尺寸较小，或岩体存在微量裂隙的深部炮孔与掏槽孔布设图；(b)为隧洞断面尺寸较大，或岩体完整的深部炮孔与掏槽孔布设图；

图4为未使用本发明方法的深埋隧洞开挖损伤与应变能分布示意图；

图5为使用本发明方法的深埋隧洞开挖损伤与应变能分布示意图，其中(a)为深部炮孔引爆后的示意图；(b)为常规炮孔引爆后的示意图。

其中：1-隧洞；2-永久支护；3-临时支护；4-掌子面；5-常规炮孔；6-深部炮孔；6a-中心孔的深部炮孔；6b-非中心孔的深部炮孔；7-掏槽孔；8-破碎缓冲区；9-深部炮孔爆破前应力峰值曲线；10-深部炮孔爆破后应力峰值曲线；11-应变能分布状况；12-炮泥；13-药卷；14-应变能集中区域。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种深埋隧洞即时型岩爆主动防控方法。

该方法大致步骤如下：

(1)确定隧洞掌子面的最大主应力与最小主应力的大小和方向；

(2)根据步骤(1)中确定的主应力的大小和方向确定掌子面前方中心区域深部炮孔的位置和个数，在掌子面前方与隧洞开挖轴线平行方向中心区域钻进深部炮孔与掏槽孔，孔深为2d，其中，d为常规炮孔孔深，深部炮孔包括中心孔和非中心孔，在深部炮孔中装药，装药量不多于孔深的1/2；

(3)起爆步骤(2)中的中心区域深部炮孔；

(4)采用速凝水泥对非中心孔的深部炮孔与掏槽孔孔口段进行封孔处理，速凝水泥浆凝固后，利用高压泵对中心孔的深部炮孔进行高压注水，注水压力持续上升至出现1～2MPa压力降后停止注水；

(5)在掌子面沿隧洞轮廓线内布置常规炮孔，孔深为d，然后进行微差爆破、预裂爆破或光面爆破；

(6)随着掌子面不断向前推进，以上钻孔爆破方案循环进行，后续循环过程中，常规炮孔的装药量逐渐减少。

在具体实施过程中，如图1、图2所示，在隧洞1内设置永久支护2和临时支护3，深部炮孔6内装药时，靠近掌子面4为炮泥，深入孔中为药卷13，具体操作过程按如下过程开展：

(1)爆破开挖前，根据现场地质勘察报告及现场测试资料确定掌子面的最大主应力与最小主应力的大小和方向。

(2)对于不同的隧洞1断面尺寸和实际工程所需的爆破效果，根据隧洞围岩的主应力的大小和方向确定掌子面4前方中心区域深部炮孔6的位置和个数。在掌子面4前方与隧洞1开挖轴线平行方向中心区域钻进深部炮孔6与掏槽孔7，孔深为2d，在深部炮孔6中装药，装药量不多于孔深的1/2。深部炮孔6的位置呈椭圆形分布，椭圆具体设置如下，椭圆的中心位于隧洞1开挖轴线上。椭圆长轴方向与最大主应力方向一致，椭圆短轴方向与最小主应力方向一致。椭圆的长轴a和短轴b的比值等于最大主应力σ₁与最小主应力σ₃的比值。a和b的实际值可由现场爆破效果获取。在掌子面4前方隧洞1开挖中心轴线上钻进一个中心孔的深部炮孔6a，在椭圆及外围椭圆顶点处设置四个非中心孔的深部炮孔6b或掏槽孔7，具体可按以下两种情况设置或拓展：(1)若隧洞1断面尺寸较小，或隧洞1所处围岩中存在微量裂隙，可在掌子面4前方隧洞开挖中心轴线上钻进一个中心孔的深部炮孔6a，并在椭四个顶点位置钻进四个掏槽孔7。(2)若隧洞1断面尺寸较大，或隧洞1所处围岩完整，可在掌子面4前方隧洞开挖中心轴线上钻进一个中心孔的深部炮孔6a及椭圆四个顶点位置钻进四个非中心孔的深部炮孔6b，在外围椭圆四个顶点位置钻进四个掏槽孔7。具体深部炮孔6的布置个数根据实际工程所需的爆破效果确定。中心区域深部炮孔6和掏槽孔7的孔深为2d，其中深部炮孔6为装药孔，装药量应不多于孔深的1/2，掏槽孔7为非装药孔，可增加爆破临空面，提高爆破破岩与岩体损伤破裂效果。具体深部炮孔和掏槽孔设置如图3所示。

(3)首先起爆掌子面4前方隧洞1开挖轴线方向中心区域的深部炮孔6，引爆深部炮孔6可以促进掌子面4前方的深部高应力岩体损伤破裂，实现掌子面4附近应力解除和能量释放，使峰值应力曲线9和能量14从开挖处附近进一步向工作面前方移动，并在掌子面4前方形成了岩体破碎缓冲区8，增加集中应力解除可控性，从而防控掌子面附近即时型岩爆的发生。当进入下一个爆破循环时，还可以利用上一步在掌子面4前方已经形成的破碎缓冲区8，减少常规炮孔装药量。具体未使用本方法和使用本方法的深埋隧洞开挖损伤与应变能分布如图4和图5所示，其应变能分布状况11可清晰看出，破碎缓冲区8周围形成应变能集中区域14，结合图1，可以清晰看出深部炮孔爆破前应力峰值曲线9和深部炮孔爆破后应力峰值曲线10。

(4)采用速凝水泥对非中心孔的深部炮孔6b与掏槽孔7孔口段进行封孔处理，速凝水泥浆凝固后，利用高压泵对中心孔的深部炮孔6a进行高压注水，注水压力持续上升至出现1～2MPa压力降后停止注水，从而起到软化围岩，降低围岩脆性的作用。

(5)根据实际工程隧洞1断面形状、尺寸及所需的爆破效果在掌子面4沿隧洞1轮廓线内布置常规炮孔5，孔深为d，然后按设计进行起爆。常规炮孔5的个数、布孔方式、起爆顺序及是否采用微差爆破、光面爆破或预裂爆破等技术可由隧洞1断面尺寸和实际工程所需的爆破效果来确定。

(6)随着掌子面4不断向前推进，以上钻孔爆破方案循环进行，后续循环过程中，常规炮孔5的装药量可根据实际爆破效果酌减。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。