CN109139020A - 一种岩爆区地下硐室静爆开挖分部卸荷方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种岩爆区地下硐室静爆开挖分部卸荷方法，向掌子面前方打设深度不一的密集锥形掏槽眼、水平空眼、水平辅助眼和水平周边眼作为第一步应力解除过程，将高地应力向不同深度的岩体内部转移；然后分步骤往锥形掏槽眼、水平辅助眼和水平周边眼灌注一个循环进尺的岩石静力破碎剂，依靠岩石破碎剂本身水化反应产生的30～80MPa以上的膨胀压力开挖岩体向前推进，在此作用下使掌子面附近的局部应力分步解除，开挖过程中待破碎岩体是在无震动、无噪音、无飞石和无毒害的情况下安全静力破碎，符合目前短进尺、多循环、弱***、少扰动、控制光面***效果等岩爆防治理念。消除或降低了岩体开挖导致应力重分布的能量积累水平，做到了既弱化围岩强度又不过分损伤围岩。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程领域，具体涉及一种岩爆区地下硐室静爆开挖分部卸荷方法。
背景技术
在岩性坚硬完整或较完整的高地应力区开挖地下工程的过程中由于围岩的应力重分布导致岩体内部积聚的弹性应变能突然释放产生岩片以极快的速度向硐室内飞散开来，同时伴随着巨大声响的现象称之为岩爆。
高地应力地区坚硬完整岩体中开挖引起的岩爆问题将是21世纪我国地下工程发展面临的重大挑战。在地下工程开挖过程中，岩爆是围岩各种失稳现象中反应最强烈的一种，是地下施工的一大地质灾害。由于它的突发性，强烈的岩爆常常带来灾难性的后果：造成人员伤亡、施工设备毁损、增加投资、影响施工进度，甚至地下工程的报废等等。它不仅威胁着人们的生命安全，甚至给施工人员带来巨大的心理负担和精神压力，带来极其恶劣的经济社会效益。
一般认为岩爆发生在岩性坚硬、脆性、结构完整或基本完整的岩体中。岩体的力学性质是岩体发生岩爆的内在因素，岩石越坚硬结构越完整，在应力作用下，其储存的弹性应变能越大。开挖后岩体在变形过程中储存的弹性应变能不仅满足破坏过程中岩体消耗的能量，还能为岩石提供多余的动能使其转化为动能将剥离的岩块弹射出去，形成岩爆。
相应地，地下洞室在施工过程中岩爆防治措施主要有以下几方面：
(1)改善围岩物理力学性能。通常的作法有喷水或注水：①喷水可以使岩体软化，刚度减小，变形增大，岩体中积蓄的能量可以缓缓地释放出来，从而减少因高地应力引起的破坏现象。如在掌子面(开挖面)和洞壁上经常喷撒冷水，一定程度上可以降低表层围岩的强度；②采用超前钻孔高压均匀注水可以通过三个方面的作用来防治岩爆：一是可以释放应变能，并将最大切向应力向深部转移；二是高压注水的楔劈作用可以软化、降低岩体强度；三是高压注水产生了新的张裂隙，并使原有裂隙继续扩展，从而降低了岩体储存应变能的能力。
(2)改善围岩应力条件。在施工过程中，***开挖采用短进尺，多循环；弱***，少扰动、控制光面***效果，以减小围岩表层应力集中现象。轻微、中等岩爆段尽可能采用全断面一次开挖成型的施工方法，以减少对围岩的扰动。强烈以上的烈度岩爆地段，必要时也可采用分部开挖的方法，以降低岩爆的破坏程度，但在施工中应尽量减少***振动触发岩爆的可能性；采取超前钻孔应力解除、松动***或振动***等方法，使岩体应力降低，能量在开挖前逐步释放。
(3)加固围岩。对不同烈度的岩爆采用不同的加固处理措施被动承受由于岩爆的发生所产生不良后果。对于弱岩爆，可实施全断面光面***开挖，设置挂网喷射混凝土初期支护；对于中等岩爆，实施全断面光面***开挖，挂网喷射混凝土初期支护并设置径向***锚杆；对于强烈以上烈度岩爆段，多采取加深加密***锚杆，并加垫板；挂整体网；格栅钢架支撑等措施。
目前现有的岩爆防治措施还存在不足，主要表现为：
在掌子面或硐壁上喷水通常只能浸湿围岩表层难以深入到岩体内部降低围岩强度，其作用范围有限；
钻孔高压注水兼具软化围岩和超前应力释放的作用，然而岩体内裂隙由于受到注水的润滑作用又能触发引起“微震”，结果往往起不到应有的软化围岩作用。在高地应力区，注水后其封闭应力可能以新的岩爆的方式释放出来。钻孔注水的有效性在坚硬岩体中的高地应区是值得讨论。
目前，不少学者推荐用分部开挖的方式减少岩爆的发生，但现场实际表明，增加开挖的次数并不完全有利，多次***开挖就多一次遇到岩爆的机会，多次动力***开挖甚至会诱发剪切破坏岩爆。
加固围岩仅仅从被动的角度来抵抗岩爆发生后带来的不利后果，对于强烈以上的岩爆单纯通过加强支护刚度难以消除其不良后果。
发明内容
鉴于以上岩爆防治措施的种种不利因素，本发明提供了一种岩爆区地下硐室静爆开挖分部卸荷方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种岩爆区地下硐室静爆开挖分部卸荷方法，包括如下步骤：
S1、根据岩性、岩石的坚硬程度、岩石的脆性、岩体结构、地应力情况及工程特性等圈定岩爆倾向性围岩区域，并评估其岩爆烈度及可能产生的不良后果；
S2、当掌子面开挖推进到岩爆发生区域前一定距离时在掌子面分区布设水平周边眼、水平辅助眼、水平空眼和锥形掏槽眼，并用凿岩机在掌子面上预定孔位钻孔；除水平空眼外其他孔位均为静爆孔；
S3、调配静力破碎剂，灌注1.05倍循环进尺的锥形掏槽眼并等待锥形区岩体静爆；
S4、调配静力破碎剂，灌注1倍循环进尺的辅助眼并等待岩体静爆；
S5、调配静力破碎剂，灌注1倍循环进尺的周边眼并等待岩体静爆形成地下硐室的周边轮廓；
S6、配合小型挖掘机完成一个循环进尺的硐室开挖和出渣作业；
S7、经凿岩机延长1.05倍循环进尺的锥形掏槽眼和1倍循环进尺水平空眼、水平辅助眼、水平周边眼；
S8、重复步骤3～步骤7进行下一个循环的作业直至硐室开挖支护安全通过岩爆区一定距离。
所述步骤S2中的一定距离通常为1倍的洞跨，在掌子面向前方打设不同深度的密集水平周边眼、水平辅助眼、水平空眼和锥形掏槽眼，锥形掏槽眼宜布置在地下硐室掌子面中心区域附近，水平辅助眼布置在掌子面上锥形掏槽眼和水平周边眼的中间区域；水平周边眼的深度为1倍洞跨，辅助眼的深度为2 倍洞跨；掏槽眼采用锥形掏槽眼,当洞跨较大时采用复式锥形掏槽眼，为提高初次静爆效率增加临空面，掌子面上掏槽眼内部区域宜设置与辅助眼等长的若干水平空眼，空眼直径约为100mm；
静爆钻孔直径为30～90mm，孔间距根据岩性确定，一般为10～40cm，一次静爆岩体需要多排孔时，排距为0.2～0.4m。预定孔位除水平空眼外其他孔位均作为静爆孔，静爆孔即为灌注化学破碎剂的孔。
进一步地，所述的一个循环进尺由水平辅助眼和水平周边眼一次灌注破碎剂的深度控制，一般在2.5m以内，每一循环进尺开挖时的初次静爆为避免锥形掏槽眼底部岩体的夹持作用掏槽眼的深度宜为1.05倍循环进尺。也可根据欲处理岩体的实际情况，综合确定孔径、孔深、孔距和排距，必要时可采用水平与垂直相结合的方式布孔。注意装药前将孔内的粉尘或积水清理干净。
进一步地，所述步骤S3，步骤S4，步骤S5中所述的静力破碎剂由水和无声膨胀剂按质量比1：3的比例混合所得；
调配时，先把量好的水倒入桶中，再把无声膨胀剂倒进去，随即开动手持式搅拌机拌至均匀，搅拌时间一般为40～60s。小型场合用人工搅拌时，要戴橡胶手套，用力拌成糊状浆料待用。搅拌好的无声膨胀剂浆体，需在10分钟以内用完以免丧失流动性。
进一步地，所述静力破碎剂使用时，
当存在水平孔或上向孔时，按照水灰质量比为0.25～0.28的比例将静力膨胀剂调配呈胶泥状，用手搓成条，塞入孔中，再用木棍捣压密实；
下向孔可直接倾倒进去，并用粗铁丝插捣避免灌注不密实降低破碎效果；灌注至孔口附近时应留有5～10mm左右的富余量以免浪费材料；
对于锥形掏槽眼应将静力破碎剂灌注至孔底并保证灌注密实，水平辅助眼和水平周边眼灌注前应往孔内强力打入一直径稍大于静爆钻孔直径的软木塞至距掌子面1倍循环进尺，灌注的静力破碎剂经过8～12小时后自然胀裂，在此过程中应不断向已经部分开裂的岩体表面洒水使膨胀剂持续反应；当前一个步骤的岩石静爆完全后配合挖掘机及时将破碎岩块铲离原位，为后续静爆过程提供更多的临空面；为安全考虑分步灌注时锥形掏槽眼、水平辅助眼和水平周边眼的静力破碎剂灌注顺序应先灌注掌子面下部孔眼后灌注上部孔眼。
进一步地，所述步骤S8所述的岩爆区一段距离为1倍的洞跨。
本发明具有以下有益效果：
①过岩石膨胀剂的静态膨胀压力开挖岩体，产生的粉尘少、噪音小、经济性强；②施工过程中不采用大型机械设备，对地下工程狭小空间的适应性较强；③施工安全简便快捷、设备操作简单、施工效率高、破碎效果好、无需采用动力***，对施工人员的素质要求不高；④岩质适用性广泛，能适用于各种类型岩体的破碎开挖处理；⑤施工过程对周边环境扰动较小，既能实现最大程度的弱化围岩，又不过分损伤围岩造成岩石坍塌冒顶，最大程度地符合新奥地利隧道施工方法的理念，同时又不会因为动力***诱发新的岩爆产生；⑥通过深度不一的密集钻孔和静爆的分步骤开挖实现不同深度岩体与局部岩体的逐步应力解除，符合目前短进尺、多循环、弱***、少扰动、控制光面***效果等岩爆防治理念；⑦密集深孔分段分步岩体静爆过程既是岩体开挖的过程又是应力解除的过程，应力解除过程不影响硐室向前开挖推进；⑧本发明适用于水平方向、倾斜方向和垂直方向等多种类型地下结构岩体工程的分步卸荷开挖推进；⑨目前市场上常用的岩石破碎剂属于静态无声化学破碎剂，无震动、无噪音、无有毒物产生，有利于环境保护。
附图说明
图1为圆形断面硐室正视图
图2为圆形断面硐室纵断面图
图中：1-锥形掏槽眼；2-水平辅助眼；3-水平周边眼；4-锥形掏槽区水平空眼；5-地下硐室周边轮廓线；6-软木塞。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种岩爆区地下硐室静爆开挖分部卸荷方法，包括如下步骤：
S1、根据岩性、岩石的坚硬程度、岩石的脆性、岩体结构、地应力情况及工程特性等圈定岩爆倾向性围岩区域，并评估其岩爆烈度及可能产生的不良后果；
S2、当掌子面开挖推进到岩爆发生区域前约1倍的洞跨距离时，如图1- 图2所示，在掌子面向前方打设不同深度的水平周边眼、水平辅助眼、水平空眼和锥形掏槽眼，水平周边眼的深度为1倍洞跨，水平辅助眼的深度为2倍洞跨；掏槽眼采用锥形掏槽眼,当洞跨较大时采用复式锥形掏槽眼，为提高初次静爆效率增加临空面，掌子面上掏槽眼内部设置与辅助眼等长的若干水平空眼，空眼直径约为100mm；一个循环进尺由水平辅助眼和水平周边眼一次灌注破碎剂的深度控制，一般在2.5m以内，掌子面上每一循环进尺的初次静爆时为避免锥形掏槽眼底部岩体的夹持作用掏槽眼的深度宜为1.05倍循环进尺；然后用凿岩机在掌子面上预定孔位钻孔；预定孔位除水平空眼外其他孔位均为静爆孔，静爆孔即为灌注化学破碎剂的孔。
静爆钻孔直径为30～90mm，孔间距根据岩性确定，一般为10～40cm，一次静爆岩体需要多排孔时，排距为0.2～0.4m；
S3、调配静力破碎剂，灌注1.05倍循环进尺的锥形掏槽眼并等待锥形区岩体静爆；
S4、调配静力破碎剂，灌注1倍循环进尺的辅助眼并等待岩体静爆；
S5、调配静力破碎剂，灌注1倍循环进尺的周边眼并等待岩体静爆形成地下硐室的周边轮廓；
S6、配合小型挖掘机完成一个循环进尺的硐室开挖和出渣作业；
S7、经凿岩机延长1.05倍循环进尺的锥形掏槽眼和1倍循环进尺的水平空眼、水平周边眼和水平辅助眼；
S8、重复步骤3～步骤7进行下一个循环的作业直至硐室开挖支护安全通过岩爆区1倍洞跨距离。
本实施例中，所述步骤S3，步骤S4，步骤S5中所述的静力破碎剂由水和无声膨胀剂按质量比1：3的比例混合所得；
调配时，先把量好的水倒入桶中，再把无声膨胀剂倒进去，随即开动手持式搅拌机拌至均匀，搅拌时间一般为40～60s。小型场合用人工搅拌时，要戴橡胶手套，用力拌成糊状浆料待用。搅拌好的无声膨胀剂浆体，需在10分钟以内用完以免丧失流动性；
使用时，当存在水平孔或上向孔时，按照水灰质量比为0.25～0.28的比例将静力破碎剂调配呈胶泥状，用手搓成条，塞入孔中，再用木棍捣压密实；
下向孔可直接倾倒进去，并用粗铁丝插捣避免灌注不密实降低破碎效果；灌注至孔口附近时应留有5～10mm左右的富余量以免浪费材料；
对于锥形掏槽眼应将静力破碎剂灌注至孔底并保证灌注密实，水平辅助眼和水平周边眼灌注前应往孔内强力打入一直径稍大于静爆钻孔直径的软木塞至距掌子面1倍的循环进尺，灌注的静力破碎剂经过8～12小时后自然胀裂，在此过程中应不断向已经部分开裂的岩体表面洒水使膨胀剂持续反应；当前一个步骤的岩石静爆完全后配合挖掘机及时将破碎岩块铲离原位，为后续静爆过程提供更多的临空面；为安全考虑分步灌注时锥形掏槽眼、水平辅助眼和水平周边眼的静力破碎剂灌注顺序应先灌注掌子面下部孔眼后灌注上部孔眼。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (7)
1.一种岩爆区地下硐室静爆开挖分部卸荷方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、根据岩性、岩石的坚硬程度、岩石的脆性、岩体结构、地应力情况及工程特性圈定岩爆倾向性围岩区域，并评估其岩爆烈度及可能产生的不良后果；
S2、当掌子面开挖推进到岩爆发生区域前一定距离时在掌子面分区布设水平周边眼、水平辅助眼、水平空眼和锥形掏槽眼，并用凿岩机在掌子面上预定孔位钻孔，除水平空眼外其他孔位均为静爆孔；
S3、调配静力破碎剂，灌注1.05倍循环进尺的锥形掏槽眼并等待锥形区岩体静爆；
S4、调配静力破碎剂，灌注1倍循环进尺的水平辅助眼并等待岩体静爆；
S5、调配静力破碎剂，灌注1倍循环进尺的水平周边眼并等待岩体静爆形成地下硐室的周边轮廓；
S6、配合小型挖掘机完成一个循环进尺的硐室开挖和出渣作业；
S7、经凿岩机延长1.05倍循环进尺的锥形掏槽眼和1倍循环进尺的水平空眼、水平辅助眼、水平周边眼；
S8、重复步骤3～步骤7进行下一个循环的作业直至硐室开挖支护安全通过岩爆区一定距离。
2.如权利要求1所述的一种岩爆区地下硐室静爆开挖分部卸荷方法，其特征在于，所述步骤S2中的一定距离为1倍洞跨。
3.如权利要求1所述的一种岩爆区地下硐室静爆开挖分部卸荷方法，其特征在于，所述步骤S2中，
掌子面上向前方打设不同深度的密集水平周边眼、水平辅助眼、水平空眼和锥形掏槽眼，锥形掏槽眼宜布置在地下硐室掌子面中心区域附近，水平辅助眼布置在掌子面上锥形掏槽眼和水平周边眼的中间区域；水平周边眼的深度为1倍洞跨，水平辅助眼的深度为2倍洞跨；掏槽眼采用锥形掏槽眼,当洞跨较大时采用复式锥形掏槽眼，为提高初次静爆效率增加临空面，掌子面上掏槽眼内部区域宜设置与辅助眼等长的若干水平空眼，水平空眼直径为100mm；
静爆钻孔直径为30～90mm，孔间距根据岩性确定，一般为10～40cm，一次静爆岩体需要多排孔时，排距为0.2～0.4m。
4.如权利要求1所述的一种岩爆区地下硐室静爆开挖分部卸荷方法，其特征在于，所述的一个循环进尺由水平辅助眼和水平周边眼一次灌注破碎剂的深度控制，在2.5m以内，掌子面上每一循环进尺开挖的初次静爆为避免锥形掏槽眼底部岩体的夹持作用锥形掏槽眼的深度宜为1.05倍循环进尺。
5.如权利要求1所述的一种岩爆区地下硐室静爆开挖分部卸荷方法，其特征在于，所述步骤S3，步骤S4，步骤S5中所述的静力破碎剂由水和无声膨胀剂按质量比1：3的比例混合所得；
调配时，先把量好的水倒入桶中，再把无声膨胀剂倒进去，随即开动手持式搅拌机拌至均匀，搅拌时间为40～60s，搅拌好的无声膨胀剂浆体，需在10分钟以内用完以免丧失流动性。
6.如权利要求1所述的一种岩爆区地下硐室静爆开挖分部卸荷方法，其特征在于，所述静力破碎剂使用时，
当存在水平孔或上向孔时，按照水灰质量比为0.25～0.28的比例将无声膨胀剂调配呈胶泥状，用手搓成条，塞入孔中，再用木棍捣压密实；
下向孔可直接倾倒进去，并用粗铁丝插捣避免灌注不密实降低破碎效果；灌注至孔口附近时应留有5～10mm左右的富余量以免浪费材料；
对于锥形掏槽眼应将静力破碎剂灌注至孔底并保证灌注密实，辅助眼和周边眼灌注前应往孔内强力打入一直径稍大于静爆钻孔直径的软木塞至距掌子面1倍循环进尺，灌注的静力破碎剂经过8～12小时后自然胀裂，在此过程中应不断向已经部分开裂的岩体表面洒水使膨胀剂持续反应；当前一个步骤的岩石静爆完全后配合挖掘机及时将破碎岩块铲离原位，为后续静爆过程提供更多的临空面；为安全考虑分步灌注时锥形掏槽眼、水平辅助眼和水平周边眼的静力破碎剂灌注顺序应先灌注掌子面下部孔眼后灌注上部孔眼。
7.如权利要求1所述的一种岩爆区地下硐室静爆开挖分部卸荷方法，其特征在于，所述步骤S8所述的岩爆区一段距离为1倍洞跨。
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