一種主動防治巖爆的超前支護方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于隧道與地下洞室施工技術領域，特別涉及一種隧道及地下洞室施工中巖爆主動防治的超前支護方法，具體為一種主動防治巖爆的超前支護方法。
【背景技術】
[0002]巖爆是在硬脆完整巖體內，由于隧道或地下洞室埋深大或地殼運動在巖體中聚集了大量的應變能，形成很高的初始應力。施工過程中，聚集在巖體中的應變能突然釋放，巖體發生猛烈的脆性失穩和彈射現象。它直接威脅施工人員和機具的安全，影響施工進度。采取有效措施避免巖爆發生，減弱巖爆強度，保護施工人員和機具的安全已成為巖石地下工程中亟待解決的主要難題。
[0003]隧道和地下洞室施工中的巖爆防治，目前國內外采取的方法大致可歸納為:(I)開挖前的應力解除法；(2)開挖過程中的巖爆控制法；(3)開挖后的支護措施法；(4)綜合防治法。開挖前的應力解除法及開挖過程中的巖爆控制法，重點是通過在掌子面鉆應力解除孔或在孔內裝炸藥，采用松動爆破、振動爆破等方法解除圍巖的高應力狀態，在開挖輪廓形成前主動防治巖爆。開挖后的支護措施和綜合防治法，是在開挖輪廓形成后對圍巖施作噴射混凝土、錨桿、拱架等對圍巖進行支護，或采取其它安全防護措施對巖爆進行被動防治。實踐表明，上述方法較難取得滿意的效果。
[0004]目前主動防治巖爆的技術采用的都是應力解除法。即，開挖前在掌子面或其周邊鉆應力解除孔，或在孔洞內裝炸藥，采用爆破方式解除圍巖的高應力狀態，從而達到主動防治巖爆的目的。近年來在巖爆主動防治方面申請的專利，如申請號201010188993.1 (名稱:一種巖爆的主動防治方法)、申請號201410845626.2(名稱:一種釋放隧道高地應力巖爆破壞的超前雙導洞施工方法)等采用的都是應力解除法，而不是本專利所述的超前支護方法。
[0005]現有防治巖爆的支護措施法，都是在開挖輪廓形成后對掌子面后方已開挖段圍巖施作噴射混凝土、錨桿、拱架等進行支護，是一種被動防治巖爆的方法。這種方法只對支護完成后才可能發生的巖爆起防治作用。這種方法的圍巖支護需在開挖、出碴結束后，安全的條件下進行。工程實踐表明，大多數巖爆都發生在開挖后數小時之內，這一時段內由于正在出碴或正在發生巖爆，支護無法施作，所以，目前防治巖爆的開挖后再支護的方法并不適宜于地下洞室開挖后較短時間即發生巖爆的情況。
[0006]本發明的目的是:針對巖爆段開挖后再支護的不足，提供一種易于操作的、在開挖前即對圍巖進行超前支護的巖爆主動防治方法。該方法在隧道或地下洞室開挖后便能及時控制巖爆，從而有效減少巖爆出現頻次、減弱巖爆強度。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于提供一種主動防治巖爆的超前支護方法，該方法易于操作，在隧道或地下洞室開挖后便能及時控制巖爆，從而有效減少巖爆出現頻次、減弱巖爆強度。
[0008]為實現上述目的，本發明的技術方案是:一種主動防治巖爆的超前支護方法，包括如下步驟，
步驟SI:分析判斷巖爆可能出現部位；
步驟S2:由于大多數巖爆都是臨空的、爆裂松脫巖板在高應力擠壓下脆性折斷后再彈射的，因此，針對步驟SI分析判斷的巖爆可能出現部位，進行超前支護，從而減少巖板無支承段長度，同時將松脫巖板串起，提高巖板厚度，進而提高巖板抗折斷的能力，避免或減弱巖爆。
[0009]在本發明一實施例中，所述步驟S2中，巖板抗折斷的能力即巖板折斷所需的與巖板厚度方向垂直的臨界應力，該臨界應力與巖板厚度成正比、與巖板無支承段長度的平方成反比。
[0010]在本發明一實施例中，所述步驟SI具體實現方式為:根據隧道或地下洞室所處區域的地應力最大主應力方向進行分析，若地應力最大主應力方向接近水平時，則判斷拱頂至拱腰段可能出現巖爆;若地應力最大主應力方向接近垂直時，則判斷邊墻可能出現巖爆；若地應力最大主應力方向非上述兩種方向時，則判斷洞室輪廓線與地應力最大主應力方向相切的部位可能出現巖爆。
[0011]在本發明一實施例中，所述步驟SI具體實現方式為:對施工期間巖爆在開挖輪廓線上出現的部位進行統計，得出巖爆可能出現的部位。
[0012]在本發明一實施例中，所述超前支護的實施過程為:首先，根據步驟SI分析判斷結果，在巖爆可能出現部位的開挖輪廓線外側鉆孔;其次，在所鉆孔內，插入與鉆孔直徑相當的無縫鋼管，并頂入鉆孔中，如此即可提高巖板向臨空面折斷的臨界應力，從而大幅減少臨空的、爆裂松脫巖板的折斷，進而避免或減弱巖爆。
[0013]在本發明一實施例中，所述鉆孔的具體實現方式為:在掌子面處，通過鉆孔機械在開挖輪廓線外側10?20cm處，以外插角10?15°鉆孔，孔深至少大于爆破進尺長lm，且孔與孔的中心距為30?50cm ο
[0014]在本發明一實施例中，所述鋼管的插入方式為:通過鉆孔臺車或風鉆將鋼管頂入鉆孔中。
[0015]相較于現有技術，本發明具有以下有益效果:
1、現有的開挖后再支護的巖爆防治方法，只能對支護完成后才可能發生的巖爆起防治作用，無法對開挖?支護完成前這一時段內可能發生的巖爆起防治作用;工程實踐表明，這一時段往往是巖爆出現頻次最多、最集中的時段。本發明由于在開挖前即對可能出現巖爆的部位進行了針對性超前支護，因而在開挖后便能及時控制巖爆，克服了現有方法的不足，從而可有效減少巖爆頻次和強度；
2、現有的開挖后再支護的方法屬巖爆被動防治方法;本發明所述方法，開挖前即進行超前支護，屬巖爆的主動防治方法；
3、很多巖爆都是在開挖后不久就發生，這時現場出碴往往還未結束;這種情況下，現有的開挖后再支護的方法，需停工待避(經常需停工待避幾個小時)，等巖爆結束后再出碴，出碴結束后再支護;停工待避對施工進度產生一定影響;本發明所述方法采用超前支護，在開挖后便能及時控制巖爆，克服了現有方法的不足，可消除或明顯減少停工待避時間，加快施工進度；
4、本專利所述方法結合現場實際，無需特殊機具和材料，操作簡單，實踐證明是行之有效的巖爆防治方法。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明巖爆發生時折斷的巖板示意圖。
[0017]圖2為本發明巖板脆性折斷的力學模型示意圖，圖中t為巖板厚度，L為巖板臨空(無支承段)長度，P為巖板受到的高擠壓力。
[0018]圖3為本發明拱頂單根鋼管超前支護示意圖。
[0019]圖4為本發明超前支護現場施作示意圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖，對本發明的技術方案進行具體說明。
[0021 ]本發明的一種主動防治巖爆的超前支護方法，包括如下步驟，
步驟SI:分析判斷巖爆可能出現部位；
步驟S2:由于大多數巖爆都是臨空的、爆裂松脫巖板在高應力擠壓下脆性折斷后再彈射的，因此，針對步驟SI分析判斷的巖爆可能出現部位，進行超前支護，從而減少巖板無支承段長度，同時將松脫巖板串起，提高巖板厚度，進而提高巖板抗折斷的能力，避免或減弱巖爆。
[0022]所述步驟S2中，巖板抗折斷的能力即巖板折斷所需的與巖板厚度方向垂直的臨界應力，該臨界應力與巖板厚度成正比、與巖板無支承段長度的平方成反比。
[0023]所述步驟SI包括以下兩種方式:其一、根據隧道或地下洞室所處區域的地應力最大主應力方向進行分析，若地應力最大主應力方向接近水平時，則判斷拱頂至拱腰段可能出現巖爆;若地應力最大主應力方向接近垂直時，則判斷邊墻可能出現巖爆;若地應力最大主應力方向非上述兩種方向時，則判斷洞室輪廓線與地應力最大主應力方向相切的部位可能出現巖爆;其二、對施工期間巖爆在開挖輪廓線上出現的部位進行統計，得出巖爆可能出現的部位。
[0024]所述超前支護的實施過程為:首先，根據步驟SI分析判斷結果，在巖爆可能出現部位的開挖輪廓線外側鉆孔;其次，在所鉆孔內，插入與鉆孔直徑相當的無縫鋼管，并頂入鉆孔中，如此即可提高巖板向臨空面折斷的臨界應力，從而大幅減少巖板折斷，進而避免或減弱巖爆。
[0025]鉆孔實現方式為:在掌子面處，通過鉆孔機械在開挖輪廓線外側10?20cm處，沿外插角10?15°方向鉆孔，孔深至少大于爆破進尺長lm，且孔與孔的中心距為30?50cm。
[0026]鋼管的插入方式為:通過鉆孔臺車或風鉆將鋼管頂入鉆孔中。
[0027]以下通過具體實施例講述本發明技術方案。
[0028]本發明的主動防治巖爆的超前支護方法，其基本原理如下:
1、由巖爆發生過程可看出，大多數巖爆都是臨空的、爆裂松脫巖板在高應力擠壓下脆性折斷后再彈射的的過程。詳見附圖1 一巖爆后折斷巖板的照片。
[0029]2、如附圖2所示，按照彈性力學基本原理，巖板折斷所需的臨界應力與巖板厚度t成正比、與巖板無支承段長度L的平方(L2)成正比。因此，如果在開挖前就采取措施減少開挖后巖板的臨空長度L和巖板厚度t，便可大幅提高巖板向臨空面折斷的臨界應力、從而大幅減少臨空爆裂松脫巖板的折斷，進而避免或減弱巖爆。
[0030]3、本發明的基本原理是:針對巖爆區段，開挖前在可能出現巖爆部位的開挖輪廓線外側鉆孔，孔內插入與鉆孔直徑相當的無縫鋼管，對圍巖進行超前預加固，從而減少開挖后巖板的臨空長度、提高巖板厚度，達到避免或減弱巖爆的目的。
[0031]本發明的技術方案由下列步驟依次構成:
1、分析巖爆可能出現的部位。巖爆可能出現部位的分析可采用下述方法:
(I)根據隧道或地下洞室所處區域的地應力最大主應力方向進行分析。地應力最大主應力方向接近水平時，拱頂?拱腰段最可能出現巖爆;地應力最大主應力方向接近垂直時，邊墻最可能出現巖爆;地應力最大主應力方向為其它方向時，洞室輪廓線與地應力最大主應力方向相切的部位最可能出現巖爆。
[0032 ] (2 )對施工期間巖爆在開挖輪廓線上出現的部位進行統計，得出巖爆可能出現的部位。
[0033]2、在上述可能出現巖爆的開挖輪廓線外側鉆孔。鉆孔機械與施工中所用的鉆炮孔的相同；鉆孔直徑與炮孔直徑相同，無需更換鉆孔機具和鉆頭。鉆孔參數如下:
(I)孔深:比爆破進尺長不小于1.0m。如單次爆破進尺為3.0m，則孔深不少于4.0m。
[0034](2)孔位:掌子面處，鉆孔在開挖輪廓線外側10?20cm，外插角10?15°。見附圖3。
[0035](3)孔距:中心距30?50cm。巖爆越強烈，孔間距越小。
[0036]3、在孔內插入與鉆孔直徑相當的無縫鋼管，用機械將鋼管頂入鉆孔中。現場施工時一般用鉆孔臺車(機械打炮眼時)或風鉆(人工打炮眼時)將鋼管頂入鉆孔中。本專利現場施作時的情況如圖4所示。
[0037]上述超前支護的鋼管一方面給開挖后臨空、無支承的巖板增加了支點，減少了無支承段的長度；另一方面，呈小角度外插的鋼管將巖板串在一起，間接增加了巖板的厚度。在上述兩方面的共同作用下，臨空的、爆裂松脫巖板抗折斷的能力大幅提高，從而防止或減弱巖爆。
[0038]以上是本發明的較佳實施例，凡依本發明技術方案所作的改變，所產生的功能作用未超出本發明技術方案的范圍時，均屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種主動防治巖爆的超前支護方法，其特征在于:包括如下步驟， 步驟SI:分析判斷巖爆可能出現部位； 步驟S2:由于大多數巖爆都是臨空的、爆裂松脫巖板在高應力擠壓下脆性折斷后再彈射的，因此，針對步驟SI分析判斷的巖爆可能出現部位，進行超前支護，從而減少巖板無支承段長度，同時將松脫巖板串起，提高巖板厚度，進而提高巖板抗折斷的能力，避免或減弱巖爆。2.根據權利要求1所述的主動防治巖爆的超前支護方法，其特征在于:所述步驟S2中，巖板抗折斷的能力即巖板折斷所需的與巖板厚度方向垂直的臨界應力，該臨界應力與巖板厚度成正比、與巖板無支承段長度的平方成反比。3.根據權利要求1所述的主動防治巖爆的超前支護方法，其特征在于:所述步驟SI具體實現方式為:根據隧道或地下洞室所處區域的地應力最大主應力方向進行分析，若地應力最大主應力方向接近水平時，則判斷拱頂至拱腰段可能出現巖爆;若地應力最大主應力方向接近垂直時，則判斷邊墻可能出現巖爆;若地應力最大主應力方向非上述兩種方向時，則判斷洞室輪廓線與地應力最大主應力方向相切的部位可能出現巖爆。4.根據權利要求1所述的主動防治巖爆的超前支護方法，其特征在于:所述步驟SI具體實現方式為:對施工期間巖爆在開挖輪廓線上出現的部位進行統計，得出巖爆可能出現的部位。5.根據權利要求1所述的主動防治巖爆的超前支護方法，其特征在于:所述超前支護的實施過程為:首先，根據步驟SI分析判斷結果，在巖爆可能出現部位的開挖輪廓線外側鉆孔;其次，在所鉆孔內，插入與鉆孔直徑相當的無縫鋼管，并頂入鉆孔中，如此即可提高巖板向臨空面折斷的臨界應力，從而大幅減少臨空的、爆裂松脫巖板的折斷，進而避免或減弱巖爆。6.根據權利要求5所述的主動防治巖爆的超前支護方法，其特征在于:所述鉆孔的具體實現方式為:在掌子面處，通過鉆孔機械在開挖輪廓線外側10?20cm處，以外插角10?15°鉆孔，孔深至少大于爆破進尺長Im，且孔與孔的中心距為30?50cm。7.根據權利要求5所述的主動防治巖爆的超前支護方法，其特征在于:所述鋼管的插入方式為:通過鉆孔臺車或風鉆將鋼管頂入鉆孔中。
【專利摘要】本發明涉及一種主動防治巖爆的超前支護方法。該方法包括，首先，分析判斷巖爆可能出現部位；其次，根據上述分析判斷結果，在巖爆可能出現部位的開挖輪廓線外側鉆孔；最后，在所鉆孔內，插入與鉆孔直徑相當的無縫鋼管，并頂入鉆孔中，如此即可提高爆裂松脫巖板向臨空面折斷的臨界應力，從而大幅減少巖板折斷，進而避免或減弱巖爆。本發明方法在隧道或地下洞室開挖后便能及時控制巖爆，從而有效減少巖爆出現頻次、減弱巖爆強度。
【IPC分類】E21D9/00
【公開號】CN105715276
【申請號】CN201610147344
【發明人】劉成禹
【申請人】福州大學