一种基于缩尺改性压力拱的防岩爆隧洞开挖支护方法

摘要

本发明提供了一种基于缩尺改性压力拱的防岩爆隧洞开挖支护方法。所述方法可包括：在隧洞开挖掌子后，监测岩爆的危险性，若监测到危险性大，则在隧洞掘进方向的前岩体上形成复合拱，否则正常掘进；在形成复合拱之后，继续进行正常掘进，并对新形成的隧洞岩壁进行初次支护；其中，隧洞掘进方向的前岩体上形成复合拱包括：沿前岩体的周向进行预裂爆破，以爆出丰富的裂隙网络；向岩体裂隙中注入黏性加强材料。与现有技术相比，本发明的有益效果可包括：可操作性强，适应性较好，适合不同级别岩爆灾害的防治工作；够降低围岩体的应力水平，降低产生岩爆的弹性势能的大小；通过复合拱岩体的变形摩擦与粘滞流变来吸收可能产生岩爆的能量。

说明书

技术领域

本发明涉及防治岩爆的工程领域，特别地，涉及一种基于缩尺改性压力拱的防岩爆隧洞开挖支护方法。

背景技术

岩爆作为一种较为多见地下工程灾害，常发生在岩体硬度较大、地应力较高的区域，因危害性较高，给生产和建设带来较多损失。在实际工程中，岩爆的空间与时间预报往往很难做的精确化，从而给规避和预防灾害的发生带来一定的困难。具体表现为来压快、随机性高、难于预测的特征。很多防治岩爆的工程方法与措施因为应用不及时，导致灾害发生。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于在隧洞开挖前形成整治结构，在开挖后防治岩爆发生。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种基于缩尺改性压力拱的防岩爆隧洞开挖支护方法。所述方法可包括以下步骤：在隧洞开挖掌子后，监测岩爆的危险性，若监测到危险性大，则在隧洞掘进方向的前岩体上形成复合拱，否则正常掘进；在形成复合拱之后，继续进行正常掘进，并对新形成的隧洞岩壁进行初次支护；其中，隧洞掘进方向的前岩体上形成复合拱包括：沿前岩体的周向进行预裂爆破，以爆出丰富的裂隙网络；向爆破出的岩体裂隙中注入黏性加强材料。

根据本发明的一个示例性实施例，在所述前岩体的掌子面上，沿周向打多组爆破孔，每组爆破孔包括1个或多个斜向外的爆破孔，每个爆破孔的全部或部分孔身位于所述新形成的隧洞岩壁内；向所述多组爆破孔内装入爆破药，进行预裂爆破。

根据本发明的一个示例性实施例，所述每组爆破孔可包括多个沿隧洞径向分布的爆破孔。

根据本发明的一个示例性实施例，所述每组爆破孔所包括的多个爆破孔中两两之间的距离可以为0.3～1.0m。

根据本发明的一个示例性实施例，所述爆破孔与隧洞轴线的夹角可以为15～45度。

根据本发明的一个示例性实施例，在所述爆破孔内间隔装爆破药,例如可以等距间隔。

根据本发明的一个示例性实施例，所述向岩体裂隙中注入黏性加强材料的步骤可包括：在所述预裂爆破之后，将注浆管沿残留的爆破孔钻入破碎岩体中，然后分段注入所述黏性加强材料，每个分段注浆的位置与爆破药的起爆位置一致。

根据本发明的一个示例性实施例，所述黏性加强材料可包括黏性加强材料，例如，碳纤维增强树脂材料。

根据本发明的一个示例性实施例，所述对新形成的隧洞岩壁进行初次支护之后，所述方法还可包括步骤：继续重复所述监测、以及所述监测之后的步骤。

根据本发明的一个示例性实施例，在完成所述初次支护的隧洞段的待收敛变形稳定后，对其进行二次支护。

与现有技术相比，本发明的有益效果可包括：可操作性强，适应性较好，适合不同级别岩爆灾害的防治工作；够降低围岩体的应力水平，降低产生岩爆的弹性势能的大小；通过复合拱岩体的变形摩擦与粘滞流变来吸收可能产生岩爆的能量。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1示出了本发明的基于缩尺改性压力拱的防岩爆隧洞开挖支护基本结构特征的一个示意图；

图2示出了本发明的基于缩尺改性压力拱的防岩爆隧洞开挖支护的一个流程示意图；

图3示出了本发明的基于缩尺改性压力拱的防岩爆隧洞开挖支护原理的一个示意图；

图4示出了本发明的改性压力拱对隧洞围岩应力水平影响、以及压力拱岩体力学特征与原岩力学特征对比的示意图；

图5示出了本发明的改性压力拱减小危岩体特征尺寸的一个示意图；

图6示出了本发明在复合拱区域所钻爆破孔的一个示意图；

图7示出了本发明预裂爆破-缩减岩体特征尺寸的一个示意图；

图8示出了本发明注入碳纤树脂材料后的复合拱的一个结构示意图；

图9示出了本发明的隧洞正常掘进的一个示意图；

图10示出了本发明进行初次支护的一个示意图。

具体实施方式

在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述本发明的基于缩尺改性压力拱的防岩爆隧洞开挖支护方法。

本发明提供了一种基于缩尺改性压力拱的防岩爆隧洞开挖支护方法。图1示出了本发明的基于缩尺改性压力拱的防岩爆隧洞开挖支护基本结构特征的示意图，其中，(a)图为径向截面的示意图，(b)图为轴向截面的示意图。如图1中的(a)和(b)图所示，本发明在有岩爆可能发生的隧洞开挖掌子后，在即将开挖部分的岩体的环向四周，人为做出具有黏弹塑性的压力拱结构(即岩石与碳纤树脂形成的复合拱)。该压力拱主要通过缩小岩体特征尺寸，注入黏性加强材料形成。本发明的压力拱也可称为复合拱。

在本发明的一个示例性实施例中，如图2所示，所述基于缩尺改性压力拱的防岩爆隧洞开挖支护方法可包括以下步骤：

S01：岩爆危险实时监测。

在一般在信息化施工中，隧洞掘进的安全性是实时监测的，当发生岩爆灾害的风险性较大时，进行防治岩爆的工艺。

S02：复合拱区钻爆破孔。

在隧洞掘进方向前岩体的复合拱区域钻出爆破孔，此处的复合拱区域是指待形成复合拱的区域。

S03：预裂爆破。

在爆破孔中低当量装药，或为了更精准控制，采用聚能装药，对复合拱区域的岩体进行预裂爆破，爆出丰富的裂隙网络。

S04：注入碳纤树脂。

借助原爆破孔用自钻式注浆机，向复合拱区域岩体裂隙中注入碳纤维增强树脂凝胶类材料(可简称为碳纤树脂、碳纤维树脂或碳纤维增强树脂材料)。

S05：隧洞正常掘进。

待注浆材料凝固后，即可对隧洞进行正常的进尺掘进。

S06：形成初次支护。

掘进形成新的隧洞岩壁，此时可以进行初次锚喷网支护，然后即可以进入下一掘进作业循环，即重复步骤S01～S06。

S07：二次支护。

在完成初次支护的隧洞段待收敛变形基本稳定后，可以进行二次支护，完成隧洞最终承载结构建设。

在本实施例中，图3示出了本发明的基于缩尺改性压力拱的防岩爆隧洞开挖支护原理的一个示意图。图4示出了本发明的改性压力拱对隧洞围岩应力水平影响、以及改性压力拱岩体力学特征与原岩力学特征对比的一个示意图，其中，(a)图示出了改性压力拱对隧洞围岩应力水平影响的示意图，该图的纵坐标表示应力，1表示无复合拱的切向应力，2表示有复合拱的切向应力，3表示无复合拱的径向应力，4表示有复合拱的径向应力；图4中的(b)图示出了改性压力拱岩体力学特征与原岩力学特征对比的示意图，5表示复合拱岩体应力-应变曲线，6表示原岩岩体应力-应变曲线。图5示出了本发明的改性压力拱减小危岩体特征尺寸的一个示意图，其中，左边的图表示无复合拱的示意图，右边的图示出了有复合拱的示意图，右边图中的点表示的区域为复合拱。

本发明能够起到防治岩爆产生的基本机理如图3所示，其关键点有：

(1)隧洞岩体开挖前形成压力拱，可以防治开挖面形成后随时来临的难以预测的岩爆；且通过复合拱对后继开挖爆破扰动的吸收，减少应力波对原岩的扰动；

(2)复合拱的形成使得隧道在开挖后，随即形成一个稳定的压力拱，如图4中的(a)图所示，压力拱可以降低围岩直接作用在支护结构的压力，降低隧洞附近围岩的应力水平。如图5所示，随着围岩中应力水平的下降，岩体的应变势能降低，随之而来的是潜在形成的危岩体规模大小也减小。因此从源头上降低了岩爆发生概率。如图4中的(b)图所示，与弹脆性的原岩体相比，经过人为改造后的复合拱的材料整体峰值强度弱化(如σ

(3)复合拱能够显著的吸收变形能。经过预裂爆破，复合拱部位的岩体被分割成尺度小于原岩体的岩块。因而，岩体中裂隙网络变得发达，在经受压力变形过程中，能够通过裂隙的摩擦吸收变形能。碳纤维树脂有较高的抗拉强度，在复合拱中起到加筋强化的作用；同时碳纤维树脂具有显著的粘滞性，能够吸收变形能。在这两种能耗的机制叠加下，复合拱能够吸收缓慢变形产生的能量，还能吸收围岩岩爆的冲击能量。

在本实施例中，图6示出了本发明在复合拱区域所钻爆破孔的一个示意图，其中，(a)图为径向截面的示意图，(b)图为轴向截面的示意图，图6中的Ⅰ表示围岩，Ⅱ表示复合拱区域，Ⅲ表示爆破孔，A表示已开挖隧洞壁面，B表示聚能装药，Lc表示设计掘进进尺。

如图6所示，复合拱区域的爆破孔(也可成为炮孔)是通过在掌子面斜向外打多排爆破孔形成的。爆破孔与隧洞轴线夹角与排距可以由设计掘进进尺Lc和复合拱厚度h

考虑到复合拱材料性质的人为可调性，为了方便施工，复合拱的厚度h

在掌子面上可开设有多排爆破孔，每排爆破孔沿开挖断面周边环绕分布，或者更为精细经济的控制情况下，可根据地压导致岩爆大致产生方向，沿隧洞壁面分布。爆破孔的排数可以为2～5。炮孔排数不宜过多，过多导致消耗太多工时，太少会导致复合拱区域岩体裂隙网络不够丰富均匀。进一步地，炮孔的排数可以为3，使这可以使得复合拱的进尺与掘进进尺一致。

在本实施例中，图7示出了本发明预裂爆破-缩减岩体特征尺寸的一个示意图的一个示意图，其中，(a)图为径向截面的示意图，(b)图为轴向截面的示意图。

在复合拱的爆破孔形成后，进行装药-爆破作业。可采用控制预裂爆破，仅在复合拱区域内的炮孔内间隔装药，如图6中的(b)图所示，宜采用环向聚能药形。本发明通过控制预裂爆破，将复合拱区域的岩体爆破成如图7中(a)和(b)图所示的裂隙发育岩体，这样能够将完整性较好的硬质岩体变为较为破碎的裂隙岩体。

在本实施例中，图8示出了本发明注入碳纤树脂材料后的复合拱的一个结构示意图，其中，(a)图为径向截面的示意图，(b)图为轴向截面的示意图。

向岩体中注入碳纤维增强树脂材料能够增强复合拱的强度和改变力学性能。本发明以流态树脂为主，将其与碳纤维粉末、凝固剂、缓凝剂等流体在一定压力下混合并注入复合拱区域的岩体的裂隙中。本发明还可使用FRP材料来修补隧洞壁面的裂缝，起到补强作用。

本发明可采用具有自钻功能的加压注浆管来注入碳纤维增强树脂材料。本发明的注浆管可以沿残留炮孔钻入破碎岩体中，分段注入混合浆液，每个分段注浆位置与原爆破药起爆位置一致，使得碳纤树脂液体能更好进入裂隙。注浆后碳纤树脂材料在空间上形成“树根”放射形态，多个注浆孔之间可以形成网格状，例如图8中(a)和(b)图所示的示意图。待碳纤树脂浆液凝固后，网状碳纤树脂与被粘结的岩体共同形成了具有黏弹塑性的复合拱。

在本实施例中，图9示出了本发明的隧洞正常掘进的一个示意图。图10示出了本发明进行初次支护的一个示意图，其中，(a)图为径向截面的示意图，(b)图为轴向截面的示意图。

待复合拱形成后，隧洞掘进工作可以正常进行，例如可以采用钻爆法、掘进机等方法进行掌子面开挖，如图9所示，图9中的箭头表示掘进方向。由于此时形成了压力拱，因此很大程度上避免了岩爆的产生。开挖形成裸露岩壁，可以使用锚-喷-网等措施，完成初次支护，如图10的(a)和(b)图所示。由于已经有了复合拱的存在，初次支护参数可以适当的降低。完成初次支护后，可以进入下一循环，继续复合拱构建-岩体开凿掘进工作。对于隧洞变形收敛基本完成的工段，可进行二次支护，最终完成隧洞的承载结构。

综上所述，本发明的基于缩尺改性压力拱的防岩爆隧洞开挖支护方法的优点可包括以下中的至少一项：

(1)本发明在开挖前形成防护结构——复合拱，从而克服了现有在开挖后难以及时形成的防治措施来应对岩爆的危害，解决了岩爆灾害中地压来临预测不准、以及突出岩体空间规模范围不好预测的问题。

(2)本发明能够降低围岩体的应力水平，从而降低了产生岩爆的弹性势能的大小，同时也减小了危岩体的大小和规模。

(3)本发明通过对复合拱岩体的缩尺改性，将原弹脆性岩体变为黏弹塑性的岩体，且峰值强度降低，残余强度上升，增加了粘滞性。因此，本发明可以通过复合拱岩体的变形摩擦与粘滞流变来吸收可能产生岩爆的能量。

(4)本发明预制复合拱结构类型与方法的可操作性强，结构适应性较好，适合从小规模到大规模等不同级别岩爆灾害的防治工作。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。