一种以主动支护为理念的隧道防岩爆支护方法及支护系统与流程

本发明涉及交通、水利及矿山等工程技术领域，具体涉及一种以主动支护为理念的隧道防岩爆支护方法及支护系统。

背景技术：

地下工程修建过程中的岩爆灾害是工程界面临的重大安全难题，截至目前，国内外对于岩爆的治理尤其是支护措施的设计大多采用被动防护的理念，所谓被动支护，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。

从地下洞室开挖后能快速改变洞室周边应力状态的目的出发，在岩爆段采用能快速施加洞壁径向应力为核心理念的主动支护型体系与方法，将起到有效防止或减弱岩爆发生的作用。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的主动防岩爆体系与方法。

技术实现要素：

本发明提供了一种以主动支护为理念的隧道防岩爆支护方法，旨在改善现有的以主动支护为理念的隧道防岩爆支护方法可能存在支护过程中的安全性不佳的问题。

本发明还提供了一种以主动支护为理念的隧道防岩爆支护系统，同样旨在改善现有的以主动支护为理念的隧道防岩爆支护方法可能存在支护过程中安全性不佳的问题。

本发明是这样实现的：

一种以主动支护为理念的隧道防岩爆支护方法，包括以下步骤：在待支护隧道的壁面喷射第一混凝土层和开设钻孔；在钻孔内设置涨壳式预应力锚杆，并控制涨壳式预应力锚杆，使其对隧道壁施加径向力，以进行主动支护；在钢筋网的表面设置第二混凝土层，以使得第二混凝土层将钢筋网覆盖于第一混凝土层上。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，在向钻孔内设置涨壳式预应力锚杆前，对钻孔进行清理。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，控制涨壳式预应力锚杆对待支护隧道壁进行主动支护，具体是指预紧涨壳式预应力锚杆的杆体以使涨壳式预应力锚杆的涨壳锚头在钻孔内涨开，旋拧涨壳式预应力锚杆的螺母直至锁紧。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，在第一混凝土层设置钢筋网是指将钢筋网挂设于涨壳式预应力锚杆裸露于钻孔外的一端。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，将钢筋网挂设于涨壳式预应力锚杆远离钻孔的一端是将钢筋网沿待支护隧道的拱顶逐渐往边墙，最后往仰拱的顺序挂设。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，还包括向涨壳式预应力锚杆内注浆。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，在钢筋网的表面设置第二混凝土层是采用喷射的方式将混凝土浆料喷射于钢筋网的表面。

一种以主动支护为理念的隧道防岩爆支护系统，包括依次设置于待支护隧道的壁面的第一混凝土层、钢筋网、第二混凝土层和用于设置于待支护隧道的钻孔内的涨壳式预应力锚杆，钢筋网连接于涨壳式预应力锚杆，且第二混凝土层将钢筋网覆盖于第一混凝土层的表面。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，涨壳式预应力锚杆包括杆体、垫板、螺母和涨壳锚头，涨壳锚头设置于杆体的一端，垫板和螺母均设置于杆体远离涨壳锚头的一端，且螺母设置于垫板远离涨壳锚头的一侧。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，杆体为内部中空的结构。

本发明的有益效果是：本发明通过上述以主动支护为理念的隧道防岩爆支护方法，由于其采用涨壳式预应力锚杆，对隧道壁采用主动支护的方式，能够有效防止隧道岩爆的发生，同时能够降低隧道施工过程发生安全事故的概率；本发明提供的以主动支护为理念的隧道防岩爆支护系统，能够有效方式隧道岩爆的发生和降低隧道施工过程发生安全事故的概率。

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以主动支护为理念的隧道防岩爆支护系统的剖视图；

图2是本发明实施方式提供的以主动支护为理念的隧道防岩爆支护系统设置于隧道壁的第一视角的剖视图；

图3是本发明实施方式提供的以主动支护为理念的隧道防岩爆支护系统设置于隧道壁的第二视角的剖视图；

图4是本发明实施方式中涨壳式预应力锚杆的结构示意图；

图5是本发明实施方式提供的以主动支护为理念的隧道防岩爆支护方法的施工流程图。

图标：100-以主动支护为理念的隧道防岩爆支护系统；110-第一混凝土层；120-钢筋网；130-涨壳式预应力锚杆；131-杆体；132-垫板；133-螺母；134-涨壳锚头；140-第二混凝土层；150-岩石层。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

如图1和图2所示，以主动支护为理念的隧道防岩爆支护系统100包括依次设置于待支护隧道的壁面的第一混凝土层110、钢筋网120和第二混凝土层140以及设置于待支护隧道的钻孔内的涨壳式预应力锚杆130。钢筋网120挂设于涨壳式预应力锚杆130远离待支护隧道壁面的一端，第二混凝土层140将钢筋网120覆盖于第一混凝土层110的表面。该钢筋网120由待支护隧道的拱顶逐渐往边墙，最后往仰拱的顺序挂设。

如图3所示，第一混凝土层110的厚度在40mm左右，且第一混凝土层110的混凝土浆料内添加有速凝剂。设置第一混凝土层110的目的是为了加固隧道壁，保证后续施工安全。

需要指出的是，在本发明的其他实施例中，根据不同工况第一混泥土的厚度可以是在大于或等于30mm的范围内作调整。理论上来说第一混凝土层110越厚其抗压能力越好，但是由于施工具有一定难度，故第一混凝土层110的厚度在隧道拱顶处的厚度优选大于30mm。混凝土中添加速凝剂能够加快混凝土凝固的速度，若喷射的混凝土浆料内不含速凝剂，则第一混凝土层110在边墙处的厚度为70-100mm，在隧道拱顶的厚度为50-60mm；若喷射的混凝土浆料内含速凝剂，则第一混凝土层110在边墙处的厚度为50-70mm，在隧道拱顶的厚度为30-40mm。

如图2所示，将第一混凝土层110设置好后，在第一混凝土层110的表面需要设置涨壳式预应力锚杆130的地方打设钻孔，钻孔贯穿第一混凝土层110深入隧道岩石层150内，将涨壳式预应力锚杆130设置于钻孔内，通过岩壁施加径向力进而对岩壁进行主动支护。

如图4所示，涨壳式预应力锚杆130包括杆体131、垫板132、螺母133和涨壳锚头134，涨壳锚头134设置于杆体131的一端，垫板132和螺母133均设置于杆体131远离涨壳锚头134的一端，螺母133设置于垫板132远离涨壳锚头134的一侧，即涨壳式预应力锚杆130的结构顺序依次为涨壳锚头134、杆体131、垫板132和螺母133。杆体131为内部中空的结构。

如图2和图3所示，将所有涨壳式预应力锚杆130设置完毕后，在涨壳式预应力锚杆130露出洞壁的一端挂设钢筋网120，钢筋网120由待支护隧道的拱顶逐渐往边墙，最后往仰拱的顺序挂设。构成钢筋网120的钢筋直径为6-8mm，钢筋网120的间距为20cm﹡20cm或者25cm﹡25cm，采用此尺寸范围内的钢筋网120是因为经隧道防护工程多年的发展，多次实践得出，大多数工况下此范围尺寸为较佳尺寸，从施工难度和其所能承载的强度角度出发，都是比较好的选择，但是在某些特定的工况下，钢筋网的尺寸也可在此范围以外做调整。

待钢筋网120设置好后，向挂设有钢筋网120的第一混凝土层110的壁面喷射第二混凝土层140。第二混凝土层140的厚度大于等于2cm，由于第二混凝土层140的厚度应大于钢筋网120的钢筋的直径，以保证将钢筋网120完全覆盖，同时第二混凝土层140应具有足够的强度，故第二混凝土层140的厚度优选大于等于2cm。

设置第二混凝土层140，其将钢筋网120完全覆盖不仅能够防止钢筋网120生锈，其对隧道壁岩石的支护还能够起到积极的作用。

参见附图5，并同时参见附图1-4，本发明的实施例提供与上述以主动支护为理念的隧道防岩爆支护系统100结合的以主动支护为理念的隧道防岩爆支护方法，包括以下步骤：

S1、在待支护隧道的壁面上喷射第一混凝土层110和开设钻孔。

具体的，参见附图1-图3，优选地，首先在待支护的隧道壁面用混凝土喷射机喷射一层混凝土，以形成第一混凝土层110，在施工过程中喷射作业应分段进行，喷射顺序应该自隧道拱顶往下喷射，且在分段作业过程中，分段长度不宜大于6m。在使用喷射机对隧道壁进行喷射过程中喷嘴应与喷射面垂直，喷射好后的第一混凝土层110表面应平整。

喷射第一混凝土层110的目的是为了加固隧道壁，保证后续施工安全。

待第一混凝土层110凝固后，对设置有第一混凝土层110的隧道壁用钻机打设钻孔，使钻孔打入岩石层150内。打设钻孔前需要先测定好钻孔的范围、平面位置，并且对每个孔进行编号。钻孔的孔深和孔径与所要用到的涨壳式预应力锚杆130的尺寸相对应，相邻的钻孔不得相撞和相交。打设钻孔应由高孔位向低孔位的顺序进行打设，钻机开钻是应低速低压且应规范用电以保证施工安全。

钻孔打设好后，需将钻孔清理干净，采用地质岩心钻杆配合钻头通过高压风或高压水枪从孔底向孔口进行反复扫孔、清除岩石碎屑，清理钻孔的目的是为了确保孔径孔深符合要求，同时防止堵孔。

需要指出的是，在本发明的其他实施例中，也可以是先打设钻孔再喷射混凝土形成第一混凝土层110。

S2、在钻孔内设置涨壳式预应力锚杆130，并控制该涨壳式预应力锚杆130，使其对隧道壁进行主动支护。

如图3和图4所示，涨壳式预应力锚杆130的长度应与钻孔深度相匹配，将涨壳式预应力锚杆130伸入钻孔内，涨壳锚头134与杆体131均完全伸入至钻孔内，垫板132与螺母133暴露于钻孔外，预警杆体131使涨壳锚头134在钻孔内充分涨开，旋拧螺母133，使涨壳式预应力锚杆130锁紧于钻孔内，从而使得涨壳式预应力锚杆130对隧道壁进行主动支护。

每个涨壳式预应力锚杆130设置于钻孔内对隧道壁进行主动支护的过程所需时间不会超过10分钟，涨壳式预应力锚杆130设置好后便能够立即改变隧道岩石的应力大小，而传统的采用锚杆注浆的被动支护方式，安装好后基本不能改变隧道岩石的应力大小，只能在即将要发生岩爆时，岩石对锚杆产生压力，锚杆才能对隧道壁产生支护作用，而且，采用传统的锚杆注浆支护方式，所注浆料为混凝土浆料，只有混凝土浆料凝固，使锚杆硬度变强后，才能起到预防岩爆的作用，而混凝土浆料凝固所需时间明显比本发明所用的涨壳式预应力锚杆130在钻孔内对隧道壁进行主动支护所需时间长。故本发明所采用的对隧道壁进行主动支护的方式在隧道施工过程中安全性更佳。

待涨壳式预应力锚杆130在钻孔内设置好后，在涨壳式预应力锚杆130的中空部位的一端，即与螺母133相对应处进行注浆，浆体进入杆体131内部，从杆体131远离螺母133的一端流出填满涨壳式预应力锚杆130与钻孔之间的孔隙。待浆体凝固后起到了加固涨壳式预应力锚杆130防止涨壳式预应力锚杆130径向支护力松弛的作用，能够进一步防止岩爆的发生，同时浆体将涨壳式预应力锚杆130包裹住还能够防止涨壳式预应力锚杆130生锈，能够有效延长涨壳式预应力锚杆130的寿命。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，也可以是在下述的S4步骤完成后向涨壳式预应力锚杆130内注浆。

S3、在第一混凝土层110上设置钢筋网120。

具体的，参见附图1-图3，待所有涨壳式预应力锚杆130在隧道壁上均设置好后，在第一混凝土层110的壁面设置钢筋网120，钢筋网120与涨壳式预应力锚杆130远离隧道壁的一端牢固连接，从安全角度和施工操作难易度出发，钢筋网120应从隧道拱顶逐渐往下挂设。钢筋网120在挂设之前应清理干净，以保证第二混凝土层140能够与钢筋网120粘合更牢固。

需要指出的是，在本发明的其他实施例中，根据所要支护的隧道岩石的具体情况，可以调整钢筋网120的具体尺寸。

S4、在钢筋网120的表面设置第二混凝土层140，以使得第二混凝土层140将钢筋网120覆盖于第一混凝土层110上。

具体的，参见附图1-图3，待钢筋网120挂设完成后，向第一混凝土层110上喷射混凝土以形成第二混凝土层140，在喷射过程中喷射顺序同样是从隧道拱顶逐渐往下进行喷射。按上述步骤施工建造好的以主动支护为理念的隧道防岩爆支护系统100包括依次设置于待支护隧道的壁面的第一混凝土层110、钢筋网120和第二混凝土层140以及设置于待支护隧道的钻孔内的涨壳式预应力锚杆130。钢筋网120挂设于涨壳式预应力锚杆130远离待支护隧道壁面的一端，第二混凝土层140将钢筋网120覆盖于第一混凝土层110的表面。

如图1所示，涨壳式预应力锚杆130包括杆体131、垫板132、螺母133和涨壳锚头134，涨壳锚头134设置于杆体131的一端，垫板132和螺母133均设置于杆体131远离涨壳锚头134的一端，螺母133设置于垫板132远离涨壳锚头134的一侧，即涨壳式预应力锚杆130的结构顺序依次为涨壳锚头134、杆体131、垫板132和螺母133。杆体131为内部中空的结构。

如图2所示，在图2的隧道壁取5个附近设置有涨壳式预应力锚杆130的点，通过控制涨壳式预应力锚杆130使其对隧道壁产生不同的压力，在这些不同压力下来测定这5个点处隧道的切向应力的情况。如下表所示：

表1 涨壳式预应力锚杆130对对隧道壁施加不同径向轴力(kn)的情况下隧道壁的切向应力(pa)变化情况

若采用被动支护的方式，设置有锚杆处的隧道壁的切向应力在设置前后基本没有变化。分析上表，本发明采用涨壳式预应力锚杆130对隧道壁采用主动支护的方式，可以看出当涨壳式预应力锚杆130对隧道壁的径向轴力越大，隧道壁所产生的切向应力越小，发生岩爆的概率则越低。说明了本发明所采用的主动支护的方式在隧道壁的岩石还没有发生变化前就对隧道壁产生支护作用；进一步说明了在隧道施工过程中，对隧道壁采用主动支护的方式相较于对隧道壁采用传统的被动支护的方式，发生安全事故的可能性更低。

综上所述，本发明实施例提供的以主动支护为理念的隧道防岩爆支护方法及支护系统能够有效防止岩爆的发生，其采用主动支护的方式，能够快速对岩壁产生支护作用，有效降低隧道支护施工中存在的安全隐患，对施工工人的人身安全起到了积极的作用。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，上面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和表示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以上对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制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例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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装置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制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

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。