一种隧道防岩爆支护方法及隧道防岩爆支护体系

摘要

本发明涉及交通、水利及矿山等工程技术领域，提供了一种隧道防岩爆支护方法及隧道防岩爆支护体系。隧道防岩爆支护方法包括如下步骤：在围岩的洞室表面上形成具有多个凹槽的喷射混凝土层，沿围岩的径向方向插入多根预应力释能锚杆，控制预应力释能锚杆，使其对围岩进行主动支护,且当预应力释能锚杆的杆体受力达到预先设定的受力值时预应力释能锚杆可根据防岩爆需求横阻滑移一定距离。该支护方法设计科学合理，能够有效防止岩爆的发生或减弱岩爆的发生程度。隧道防岩爆支护体系，包括围岩、喷射混凝土层和多根预应力释能锚杆，喷射混凝土层开设有间隔设置的多个凹槽，预应力释能锚杆的一端沿围岩径向方向埋设于围岩，预应力释能锚杆的另一端位于喷射混凝土层。该支护体系能够较好地保障隧道岩爆条件下洞室稳定与施工安全。

说明书

技术领域

本发明涉及交通、水利及矿山等工程技术领域，具体而言，涉及一种隧道防岩爆支护方法及隧道防岩爆支护体系。

背景技术

岩爆是硬质围岩在高地应力状态下由于隧道开挖导致径向应力解除，切向应力增加后产生的一种储存在围岩内的形变能突然释放的动力破坏现象。截至目前，国内外对于岩爆的防治尤其是支护措施的设计大多采用被动防护的理念，所谓被动防护，即依靠支护结构自身的强度来抵御可能发生的岩爆灾害。该防治理念下的支护措施即不能及时施加洞壁径向应力，改善洞壁受力状态。同时防岩爆过程中又无法实现岩体内形变能的释放，导致防岩爆效果不佳。截止目前，无论是交通、水利及矿山领域的地下工程中，均未提及以快速向洞壁施加径向约束力及当杆体受力达到一设定值时，锚杆便开始滑移一定距离，且滑移的距离及向洞壁施加约束力的大小可根据防岩爆要求设定的防岩爆体系与方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种隧道防岩爆支护方法，该支护方法设计科学合理，可有效防止岩爆的发生或减弱岩爆的发生程度。

本发明的另一目的在于提供一种隧道防岩爆支护体系，该支护体系能够快速地改善围岩应力状态，释放围岩形变能，降低岩爆发生的烈度与概率，较好地保障隧道岩爆条件下洞室稳定与施工安全。

本发明是这样实现的：

一种隧道防岩爆支护方法，包括如下步骤：在围岩的洞室表面上形成具有多个凹槽的喷射混凝土层，沿围岩的径向方向插入多根预应力释能锚杆，控制预应力释能锚杆，使预应力释能锚杆对围岩进行主动支护，给预应力锚杆的杆体预先设定一个受力值，当杆体的受力达到受力值时预应力锚杆可根据防岩爆需求横阻滑移一定距离，预应力释能锚杆的一端埋设于围岩，预应力释能锚杆的另一端位于喷射混凝土层。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，喷射混凝土层包括第一喷射混凝土层、钢筋网和第二喷射混凝土层，支护方法的具体步骤如下：

向洞室表面喷射第一喷射混凝土层；

由第一喷射混凝土层朝向围岩的径向方向间隔打设多个钻孔；

将每根预应力释能锚杆沿对应的钻孔插入围岩后，控制预应力释能锚杆，使预应力释能锚杆对围岩快速施加径向预应力，径向预应力的大小可针对不同岩爆等级施加，以进行主动支护；

在第一喷射混凝土层上设置钢筋网；

向钢筋网和预应力释能锚杆喷射第二喷射混凝土层；

由第二喷射混凝土层朝向围岩的方向在喷射混凝土层上间隔开设多个凹槽。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，喷射混凝土层包括第一喷射混凝土层、钢筋网和第二喷射混凝土层，支护方法的具体步骤如下：

将多个矩型槽模具间隔设置在围岩上；

向洞室表面除开矩型槽模具的部分喷射第一喷射混凝土层；

由第一喷射混凝土层朝向围岩的径向方向间隔打设多个钻孔；

将每根预应力释能锚杆沿对应的钻孔插入围岩后，控制预应力释能锚杆，使预应力释能锚杆对围岩快速施加径向预应力，径向预应力的大小可针对不同岩爆等级施加，以进行主动支护；

在第一喷射混凝土层上设置钢筋网；

向钢筋网和预应力释能锚杆喷射第二喷射混凝土层；

取出多个矩型槽模具。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，预应力释能锚杆除了包括杆体，还包括涨壳锚头和螺母，主动支护是指：预紧杆体，使涨壳锚头充分涨开，旋拧螺母对围岩快速施加径向约束力，使预应力释能锚杆对围岩进行主动支护。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，杆体包括伸缩组件，伸缩组件具有能够相互靠近和远离的第一连接端和第二连接端，第一连接端与涨壳锚头连接，第二连接端与螺母连接，当杆体受力达到设定值时，第二连接端远离第一连接端，预应力释能锚杆便开始滑移，滑移的距离可根据防岩爆要求设定，从而达到释放存储在岩体中的部分形变能，防止或减弱岩爆发生的目的。

一种隧道防岩爆支护体系，包括弧形围岩、喷射混凝土层和多根预应力释能锚杆，喷射混凝土层形成于围岩的洞室表面，喷射混凝土层开设有间隔设置的多个凹槽，预应力释能锚杆的一端沿围岩径向方向埋设于围岩，预应力释能锚杆的另一端位于喷射混凝土层。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，凹槽沿与自身开口面垂直方向的截面形状为U形。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，多个凹槽沿围岩周向方向的宽度和大于0cm且小于30cm。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，喷射混凝土层包括沿围岩到喷射混凝土层方向依次设置的第一喷射混凝土层、钢筋网和第二喷射混凝土层，第一喷射混凝土层喷射于洞室表面，预应力释能锚杆远离围岩的一端贯穿第一喷射混凝土层并与钢筋网连接，第二喷射混凝土层喷射于钢筋层和预应力释能锚杆。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，凹槽贯穿于第一喷射混凝土层和第二喷射混凝土层。

本发明的有益效果是：

本发明提供的隧道防岩爆支护方法，在围岩的洞室表面上形成具有多个凹槽的喷射混凝土层，沿围岩的径向方向插入多根能对围岩进行主动支护的预应力释能锚杆，预应力释能锚杆的一端埋设于围岩，预应力释能锚杆的另一端埋设于喷射混凝土层。该隧道防岩爆的支护方法设计科学合理，可有效防止岩爆的发生或减弱岩爆的发生程度。

本发明提供的隧道防岩爆支护体系包括围岩、喷射混凝土层和多根预应力释能锚杆。喷射混凝土层开设有供其变形的凹槽，使喷射混凝土层与预应力释能锚杆共同变形，从而起到有效防止或减弱岩爆发生的作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施方式提供的预应力释能锚杆释放前示意图；

图2是本发明实施方式提供的喷射混凝土层的示意图；

图3是本发明实施方式提供的预应力释能锚杆释放后示意图；

图4是本发明实施方式提供的预应力释能锚杆插入围岩的示意图；

图5是本发明实施方式提供的预应力释能锚杆沿围岩滑移一段距离的示意图；

图6是本发明实施方式提供的预应力释能锚杆沿围岩滑移另一段距离的示意图。

图标：100-隧道防岩爆支护体系；120-围岩；140-喷射混凝土层；160-预应力释能锚杆；121-洞室表面；122-裂缝；141-第一喷射混凝土层；142-钢筋网；143-第二喷射混凝土层；144-钻孔；145-凹槽；162-杆体；164-垫板；166-涨壳锚头；163-伸缩组件；165-螺母。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限定要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“厚度”、“上”、“下”、“前”、“顶”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限定。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1至图6，本实施例提供了一种隧道防岩爆支护体系100及隧道防岩爆支护方法。

具体地，请参阅图1和图2，隧道防岩爆支护体系100包括弧形围岩120、喷射混凝土层140和多根间隔设置的预应力释能锚杆160。喷射混凝土层140形成于围岩120的洞室表面121，每根预应力释能锚杆160的一端埋设于围岩120，另一端位于喷射混凝土层140。

请参阅图1和图2，喷射混凝土层140包括第一喷射混凝土层141、钢筋网142和第二喷射混凝土层143。第一喷射混凝土层141、钢筋网142和第二喷射混凝土层143沿围岩120朝向喷射混凝土层140的方向依次设置。第一喷射混凝土层141喷射于洞室表面121，每根预应力释能锚杆160远离围岩120的一端贯穿第一喷射混凝土层141并与钢筋网142连接，第二喷射混凝土层143喷射于钢筋网142和预应力释能锚杆160上。预应力释能锚杆160与钢筋网142的连接方式不作具体限定，在本实施例中，作为优选，钢筋网142悬挂于预应力释能锚杆160。

需要说明的是，第一喷射混凝土层141和第二喷射混凝土层143的厚度不做具体限定，作为优选，在掺有速凝剂的情况下，在洞室表面121的拱顶段厚度为50-60mm，在洞室表面121的边墙段厚度为70-100mm；在不掺速凝剂的情况下，在洞室表面121的拱顶段厚度为30-40mm，在洞室表面121的边墙段厚度为50-70mm。

还需要说明的是，钢筋网142的设置，一是有利于预应力释能锚杆160进行加固，二是起到骨架的作用，使第二喷射混凝土层143的设置更加容易。第一喷射混凝土层141和第二喷射混凝土层143的设置具有以下几点优点：(1)具有支撑作用，喷射混凝土具有一定的物理机械性能要求，其中抗压强度是其主要性能之一，一般抗压强度可以达到20MPa，因此它能起着支撑的作用。经过层层喷射形成的混凝土，组织致密，抗压和抗剪强度比同样条件下浇灌的混凝土要高。(2)具有充填作用，干拌合料通过压缩空气的输送，在喷枪出口处具有很高的速度，能很好的充填围岩的裂隙、节理，能填补凹穴的岩面。(3)具有隔绝作用，喷射混凝土直接紧密的粘结在岩土上，因此能完全隔绝空气、水与围岩的接触，可以避免因风化潮解而引起的围岩片帮和冒顶。(4)转化作用，高速喷射到岩面上形成的混凝土层，具有很高的粘结力和较高的强度，混凝土和围岩紧密结合，能在结合面上传递各种应力。

请参阅图2，多个凹槽145贯穿于第一喷射混凝土层141和第二喷射混凝土层143。凹槽145的设置可预留出供第一喷射混凝土层141和第二喷射混凝土层143变形的空间，从而减小因岩爆等因素对第一喷射混凝土层141和第二喷射混凝土层143发生的巨大变形。

需要说明的是，凹槽145的形状不做具体限定，在本实施例中，作为优选，凹槽145沿与其开口面垂直方向的截面形状为U形。凹槽145的个数不作具体限定。凹槽145的大小不做具体限定，在本实施例中，作为优选，多个凹槽145沿围岩120周向方向的宽度和大于0cm且小于30cm。

凹槽145的设置位置不做具体限定，根据具体施工环境勘测结果和具体防岩爆要求进行设定。具体地，多个凹槽145可以沿围岩120的周向间隔设置，且沿围岩120进行轴向延伸，沿周向设置的凹槽145优选为4个，相邻两个凹槽145之间的间距与各自相距边墙的距离相同，轴向设置的凹槽145的间距相同，靠近拱顶的凹槽145的宽度大于靠近边墙的凹槽145；或者沿围岩120周向方向间隔设置2个凹槽145，其中，2个凹槽145距离拱顶的距离大于其各自距离边墙的距离，沿围岩120的轴向再延伸多个凹槽145，每个凹槽145的宽度相同。需要说明的是，上述凹槽145的排布方式仅仅是本实施例中多种排布方式中的其中几种，凡是可以达到相同技术效果的排布方案均包括在内。

请参阅图3和图4，预应力释能锚杆160沿围岩120径向方向埋设于围岩120。预应力释能锚杆160包括杆体162、垫板164、螺母165和涨壳锚头166，杆体162包括伸缩组件163，伸缩组件163具有能够相互靠近和远离的第一连接端(图中未标注)和第二连接端(图中未标注)，第一连接端与涨壳锚头166连接，第二连接端与螺母165连接。

需要说明的是，伸缩组件163的结构不做具体限定，可以依靠弹簧或是卡扣等结构对杆体162的长度进行改变。伸缩组件163作为释能构件以帮助预应力释能锚杆160随着岩爆时围岩发生滑移，从而达到释放存储在围岩中的部分形变能，到达防止或减弱岩爆发生的目的。

杆体162与垫板164的连接方式不作具体限定，在本实施例中，杆体162设置有外螺纹，杆体162通过螺母165与垫板164连接。杆体162的结构不作具体限定，可根据防岩爆需求采用空心或是实心杆体162，作为优选，在本实施例中，杆体162为内部中空的结构。

任意一个凹槽145设置在相邻的两根预应力释能锚杆160之间，有利于第一喷射混凝土层141与预应力释能锚杆160共同发生变形。

本实施例还提供了一种利用隧道防岩爆支护体系100对隧道进行防岩爆的支护方法，该隧道防岩爆支护方法包括以下步骤：

按照设计开挖成型得到需要支护的围岩120，然后在围岩120的洞室表面121上喷射一层薄混凝土形成第一喷射混凝土层141，以保证后续施工安全。

需要注意的是，为了保证施工安全，喷射混凝土的材料在进场时必须严格检查，需严格符合国家现行的有关标准。

由第一喷射混凝土层141朝向围岩120的径向方向打设多个钻孔144。钻孔144成型后，对其进行彻底清孔，以防止孔内残留的碎石影响后续施工。钻孔144的间距的不做具体限定，可依据防岩爆需求进行具体设定。

随后，在钻孔144内插入预应力释能锚杆160。

预应力释能锚杆160插入成型的钻孔144后，控制预应力释能锚杆160，使其对围岩120进行主动支护。

主动支护包括：预紧杆体162，使涨壳锚头166在钻孔144中充分涨开，以使预应力释能锚杆160与孔壁围岩牢固连接；通过旋拧预应力释能锚杆160末端的螺母165对围岩120快速施加径向约束力，对围岩120快速施加径向应力的大小不做具体限定，可针对不同岩爆等级进行施加，从而防止岩爆发生；请参阅图5和图6，当杆体162受力达到一设定值时，这里的一定值是预先对预应力释能锚杆160设定好的值，一旦达到或是超过这个值，预应力释能锚杆160开始随着围岩一起横阻滑移一定距离，滑移量可根据防岩爆要求设定，以达到释放存储在围岩中的部分形变能，防止或减弱岩爆发生的目的。

向已快速施加径向约束力的围岩120上设置钢筋网142。具体地，将钢筋网142悬挂连接于预应力释能锚杆160上远离围岩120的一端。钢筋网142的悬挂可按从围岩120的拱顶到边墙的顺序进行设置。

向已挂上钢筋网142的围岩120喷射第二喷射混凝土层143。第二喷射混凝土层143能够覆盖钢筋网142和预应力释能锚杆160。

由第二喷射混凝土层143朝向围岩120的方向在喷射混凝土层140上间隔开设多个凹槽145。当围岩发生滑移时，第一喷射混凝土层141上的多个凹槽145之间的间距变窄。

在本实施例中，预应力释能锚杆160优选为内部中空结构，待岩爆减弱或停止后，可对预应力释能锚杆160进行注浆，填补围岩裂缝122，形成永久支护，对后期岩爆的进一步发展起抑制作用。

在本实施例的其它实施例中，对隧道防岩爆支护方法进行了改进，仍然能够达到上述技术效果，包括以下步骤：

按照设计开挖成型得到需要支护的围岩120，将多个矩型槽模具间隔设置在围岩120上，然后在围岩120的洞室表面121上喷射一层薄混凝土形成第一喷射混凝土层141，以保证后续施工安全。

由第一喷射混凝土层141朝向围岩120的径向方向打设多个钻孔144。钻孔144成型后，对其进行彻底清孔。

随后，在钻孔144内插入预应力释能锚杆160，预应力释能锚杆160插入成型的钻孔144后，控制预应力释能锚杆160，使其对围岩120进行主动支护。

向已快速施加径向约束力的围岩120上设置钢筋网142，向已挂上钢筋网142的围岩120喷射第二喷射混凝土层143，由第二喷射混凝土层143朝向围岩120的方向在喷射混凝土层140上间隔开设多个凹槽145，最后取出多个矩型槽模具。

综上所述，本实施例提供的这种隧道防岩爆支护方法设计科学合理，可有效防止岩爆的发生或减弱岩爆的发生程度；本实施例提供的这种隧道防岩爆支护体系100可以快速地改善围岩的应力状态，释放存储在围岩中的部分应变能，降低岩爆发生的烈度与概率，能够对保障隧道岩爆条件下洞室稳定与施工安全起到良好的支护作用。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。