本發(fā)明涉及一種深部隧洞巖爆主動(dòng)防控方法，主要適用于交通、礦山、水利水電等地下工程領(lǐng)域，尤其適用于具有強(qiáng)烈及以上巖爆烈度的深部隧洞超前解除巖體應(yīng)力、軟化圍巖，主動(dòng)防控巖爆災(zāi)害。

背景技術(shù)：

在深部隧洞開挖過程中，處于高應(yīng)力狀態(tài)下的巖體積聚的能量突然釋放，導(dǎo)致圍巖破壞，并將破碎巖石拋出，即發(fā)生巖爆，往往會(huì)造成人員傷亡、設(shè)備損壞和開挖工作面的破壞，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，增加隧洞維護(hù)成本。因此，在深埋隧洞開挖至巖爆段之前，應(yīng)采取主動(dòng)防控措施來降低巖爆發(fā)生幾率和巖爆烈度等級(jí)，確保巖爆地段的施工安全。

現(xiàn)有的隧洞開挖前巖爆主動(dòng)防控方法可分為改善圍巖力學(xué)特性和改善隧洞應(yīng)力狀態(tài)兩種，主要措施有注水軟化和鉆孔及鉆孔爆破解除應(yīng)力。由于巖爆主要發(fā)生在無裂隙或裂隙不發(fā)育的高強(qiáng)度低滲透性巖石中，而注水軟化方法采用的注水壓力通常在5mpa以下，無法將水有效注入巖體結(jié)構(gòu)中。應(yīng)力解除重點(diǎn)是通過在掌子面鉆進(jìn)超前應(yīng)力解除孔，對(duì)爆烈度高的隧洞在鉆孔內(nèi)裝藥進(jìn)行爆破解除高應(yīng)力狀態(tài)，實(shí)際上在實(shí)施以上應(yīng)力解除法時(shí)鉆孔布置存在盲目性和隨意性，而且應(yīng)力解除鉆孔孔徑小，影響范圍有限；采取裝藥爆破對(duì)保留圍巖會(huì)造成不可逆的損傷破壞，影響隧洞穩(wěn)定性。實(shí)踐表明，現(xiàn)有巖爆主動(dòng)防控方法很難取得理想的效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有深部隧洞巖爆主動(dòng)防控技術(shù)存在的不足，提供一種基于水力化措施適用于深部地下工程的巖爆主動(dòng)防控方法，該方法在改變巖爆段圍巖力學(xué)特性的同時(shí)，能超前釋放隧洞應(yīng)力，從而保證施工人員、機(jī)械設(shè)備的安全，維護(hù)圍巖完整性和穩(wěn)定性，確保安全快速通過巖爆段。

在傳統(tǒng)的超前應(yīng)力鉆孔釋放應(yīng)力的基礎(chǔ)上，根據(jù)預(yù)測(cè)的巖爆段及該段初始應(yīng)力場(chǎng)的方位和大小，結(jié)合水射流破巖所形成的塑性區(qū)范圍，合理布置中心孔和周邊孔，對(duì)巖體實(shí)施水射流割縫和注水壓裂，以便在在改變巖爆段圍巖力學(xué)特性的同時(shí)，超前釋放應(yīng)力，最終實(shí)現(xiàn)深埋隧洞巖爆的主動(dòng)高效防控。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種深部隧洞巖爆主動(dòng)防控方法，按如下步驟進(jìn)行：

1）開挖前預(yù)測(cè)隧洞巖爆發(fā)生位置、巖爆烈度及規(guī)模，確定前方巖體的主應(yīng)力水平及方向；

2）在掌子面開展至距離巖爆段10m時(shí)，鉆進(jìn)深度相同的一個(gè)中心孔和多個(gè)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，終孔位置位于隧洞開挖輪廓線外1~2m；

3）在中心孔鉆至設(shè)計(jì)位置后，利用鉆桿上預(yù)先安設(shè)的割縫器對(duì)巖體實(shí)施徑向割縫，鉆桿每后退2m實(shí)施一次割縫，直至退出巖爆段，循環(huán)以上1、2步驟完成對(duì)所有鉆孔的割縫，其中相鄰周邊孔割縫位置相互交錯(cuò)；

4）割縫完畢后，在中心孔內(nèi)安設(shè)壓裂用輸水無縫鋼管，在鋼管上對(duì)應(yīng)鉆孔割縫的位置預(yù)留出水孔眼，再對(duì)中心孔進(jìn)行封孔處理，利用高壓泵以不低于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(xù)上升至出現(xiàn)3~5mpa的壓力降后停止注水；

5）保持2個(gè)開挖循環(huán)的超前安全距離，采用光面爆破開挖，控制裝藥量，循環(huán)進(jìn)尺不大于2m，采用錨網(wǎng)支護(hù)，直至通過巖爆段。

進(jìn)一步地，巖爆段及主應(yīng)力水平和方向根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)資料、數(shù)值計(jì)算或反演分析確定。

進(jìn)一步地，中心孔和周邊孔深度為20~30m，孔徑不小于75mm；

進(jìn)一步地，周邊孔的數(shù)量由巖爆烈度和規(guī)模確定，巖爆烈度性越高、規(guī)模越大，周邊孔數(shù)量越多，不少于6個(gè)。

進(jìn)一步地，割縫水壓保持在25mpa以上，割縫時(shí)間10~15min；對(duì)于強(qiáng)度高、完整性好的巖體，需在高壓水中添加磨料后進(jìn)行割縫。

進(jìn)一步地，巖爆烈度為中等及以下，可不對(duì)中心孔實(shí)施注水壓裂；巖爆烈度性為強(qiáng)烈及以上時(shí)，需架設(shè)鋼拱架和安設(shè)超前錨桿支護(hù)。

進(jìn)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(yīng)力，mpa；

σv—垂直地應(yīng)力，mpa；

σt—巖石抗拉強(qiáng)度，mpa；

k—備用系數(shù)，通常取1.3~1.5。

進(jìn)一步地，在開挖過程中仍有巖爆發(fā)生傾向，則在隧道中向四周巖壁打孔割縫卸壓。

本發(fā)明通過在巖爆段施工超前中心孔和周邊孔，并進(jìn)行割縫，能夠在隧洞開挖輪廓線內(nèi)的巖體中形成一定長(zhǎng)度的環(huán)形縫槽，同時(shí)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(yīng)力狀態(tài)。

通過中心孔注入高壓水實(shí)施壓裂，在周邊孔割縫形成的連續(xù)塑性區(qū)的導(dǎo)向作用下，引導(dǎo)壓裂裂縫在隧洞開挖輪廓線范圍內(nèi)均勻發(fā)展，在進(jìn)一步解除高應(yīng)力狀態(tài)的同時(shí)，高壓水通過割縫、壓裂形成的微裂隙進(jìn)入巖體中，起到大范圍軟化圍巖、降低圍巖脆性的作用，并且壓裂裂縫擴(kuò)展到周邊孔縫槽后即卸壓，不會(huì)引起隧洞保留巖體的破壞失穩(wěn)。

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后剩余的能量，起到緩沖作用，有效地降低或消除巖爆危險(xiǎn)。相較于常規(guī)的巖爆主動(dòng)防控方法，本方法rusesenes巖爆判別系數(shù)可達(dá)到0.3以上，優(yōu)勢(shì)明顯，如表1所示：

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種深部隧洞巖爆主動(dòng)防控方法結(jié)構(gòu)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(qū)，8-鋼管，9-封孔段，10-出水孔眼，11-注漿管。

名詞解釋：rusesenes巖爆判別系數(shù)——隧洞圍巖的最大切向應(yīng)力與單軸抗壓強(qiáng)度之比。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖中的實(shí)施實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，但并不因此將本發(fā)明限制在所述的實(shí)施例范圍之中。

參見圖1-4，一種深部隧洞巖爆主動(dòng)防控方法，按如下步驟進(jìn)行：

1）開挖前預(yù)測(cè)隧洞1巖爆發(fā)生位置、巖爆烈度及規(guī)模，確定前方巖體的主應(yīng)力水平及方向；

2）掌子面與巖爆段2安全距離3為10m時(shí)，鉆進(jìn)深度相同的一個(gè)中心孔4和多個(gè)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，終孔位置位于隧洞1開挖輪廓線外1~2m；

3）在中心孔4鉆至設(shè)計(jì)位置后，利用鉆桿上預(yù)先安設(shè)的割縫器對(duì)巖體實(shí)施徑向割縫，鉆桿每后退2m實(shí)施一次割縫，直至退出巖爆段3，循環(huán)以上步驟完成對(duì)所有鉆孔的割縫，其中相鄰周邊孔5割縫位置相互交錯(cuò)；

4）割縫完畢后，在中心孔4內(nèi)安設(shè)壓裂用鋼管8，管徑不小于32mm，在鋼管8上對(duì)應(yīng)鉆孔割縫位置預(yù)留出水孔眼10，再對(duì)中心孔4進(jìn)行封孔處理，利用高壓泵以不低于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(xù)上升至出現(xiàn)3~5mpa的壓力降后停止注水；

5）保持2個(gè)開挖循環(huán)的超前安全距離3，采用光面爆破開挖，控制裝藥量，循環(huán)進(jìn)尺不大于2m，采用錨網(wǎng)支護(hù)，直至通過巖爆段2。

巖爆及主應(yīng)力根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)資料、數(shù)值計(jì)算或反演分析確定；中心孔4和周邊孔5深度為20~30m，孔徑不小于75mm，周邊孔5的數(shù)量由巖爆烈度和規(guī)模確定，巖爆烈度性越高、規(guī)模越大，周邊孔5數(shù)量越多，但不少于6個(gè)；割縫水壓保持在25mpa以上，割縫時(shí)間10~15min，對(duì)于強(qiáng)度高、完整性好的巖體，需在高壓水中添加磨料后進(jìn)行割縫；巖爆烈度為中等及以下，可不對(duì)中心孔4實(shí)施注水壓裂；巖爆烈度性為強(qiáng)烈及以上時(shí)，需架設(shè)鋼拱架和安設(shè)超前錨桿支護(hù)；在開挖過程中仍有巖爆發(fā)生傾向，可在隧洞1巖壁補(bǔ)打鉆孔進(jìn)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(yīng)力，mpa；

σv—垂直地應(yīng)力，mpa；

σt—巖石抗拉強(qiáng)度，mpa；

k—備用系數(shù)，通常取1.3~1.5。

以上雖然結(jié)合了附圖描述了本發(fā)明的實(shí)施方式，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員也可以對(duì)附屬權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變化或修改，這些修改和變化應(yīng)理解為是在本發(fā)明的范圍和意圖之內(nèi)的。