一种基于高压水刀的非接触式围岩应力释放方法与流程

本发明涉及围岩应力释放方法，特别涉及一种基于高压水刀的非接触式围岩应力释放方法。

背景技术：

近年来，随着我国基础设施建设的高速发展和西部大开发的不断推进，大量深埋超长的越岭隧道纷纷上马，遇到的地质条件日趋复杂，隧道整体呈现出“多、长、大、深”的发展趋势。隧道在穿越深埋高地应力地区时，将发生不同程度的岩爆和大变形，从而引发一系列的工程问题。岩爆是高地应力条件下，硬脆性围岩因开挖卸荷导致岩体中积聚的弹性变形势能突然猛烈释放，岩石爆裂并弹射而出的现象。它直接威胁施工人员及设备的安全，影响工程进度，已成为世界性的地下工程难题之一。

目前针对岩爆问题，通常会采用分层开挖、交叉开挖等施工方法以减少周边围岩应力大幅度变化造成的影响，同时加强锚喷支护和二次衬砌，但施工成本高，效果有限。对局部高地应力环境，可通过在掌子面和洞壁喷水及在掌子面周围增设应力释放孔的方式来降低或平衡毛洞周边的围岩应力。

工程经验表明，在地应力极高地区，通过向掌子面或洞壁洒水并不能取得很好的应力释放效果，而向围岩内部注水软化围岩不仅有可能触发围岩失稳，而且需要耗费较多的时间和财力。而超前钻孔释放地应力的方法劳动强度大，安全性差，施工成本高，且效率低下(卸载孔的按照截面积计算，只有不到千分之一的变形量)，卸载能力差(不可连续，以避免破坏围岩本身的完整性和承载能力)。另外，无论是超前钻孔释放应力，还是掌子面洒水和围岩内部注水，都属于接触式围岩应力释放方式，需要工作人员在掌子面附近作业，这必然会给工作人员的人身安全造成严重威胁。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于高压水刀的非接触式围岩应力释放方法，可用于岩爆的治理，以安全、高效的释放高地应力硬岩隧道应力，避免隧道施工过程中发生岩爆现象。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明一种基于高压水刀的非接触式围岩应力释放方法，其特征是：将载有高压水刀装置的车载平台移动至离掌子面一定距离处，启动高压水刀装置利用高压泵产生的高压水束由掌子面表面向深部围岩切割，形成具有一定深度和宽度的切槽，通过切槽和切割水流释放围岩应力。

本发明的有益效果是，高压水刀装置可远程在掌子面上和掌子面前方围岩内切割具有一定深度和宽度的切槽用以释放地应力，通过控制切槽的深度和宽度，使周边围岩上的应力得到较大的释放和调整，切槽弥合后应力降低至合理的水平，从而避免岩爆的发生；切割过程中利用高压水的冲击作用清理槽内岩土，且水对岩土的软化作用可进一步释放部分应力。该过程可避免工作人员在掌子面附近施工，保障了施工人员的人身安全。本专利可提高施工安全性，有效降低支护要求，减少甚至取消部分支护，大幅度降低生产成本，具有巨大的经济价值。

附图说明

本说明书包括如下五幅附图：

图1是本发明一种基于高压水刀的非接触式围岩应力释放方法的示意图；

图2是本发明一种基于高压水刀的非接触式围岩应力释放方法中掌子面表面切槽示意图；

图3是本发明一种基于高压水刀的非接触式围岩应力释放方法中掌子面纵向切槽侧视图；

图4是本发明一种基于高压水刀的非接触式围岩应力释放方法中掌子面纵向切槽正视图；

图5是本发明一种基于高压水刀的非接触式围岩应力释放方法中切槽深度与围岩应力的关系图；

图中示出标记的对应的含义：掌子面10、车载平台20、高压水刀装置30、高压泵31、喷管32、高压水束40、横向切槽51、竖向切槽52、纵向切槽60。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

参照图1，本发明一种基于高压水刀的非接触式围岩应力释放方法，是将载有高压水刀装置30的车载平台20移动至离掌子面10一定距离处，启动高压水刀装置30利用高压泵31产生的高压水束40由掌子面10表面向深部围岩切割，形成具有一定深度和宽度的切槽，通过切槽和切割水流释放围岩应力。切割过程中利用高压水的冲击作用清理槽内岩土，且水对岩土的软化作用可进一步释放部分应力。该过程可避免工作人员在掌子面附近施工，保障了施工人员的人身安全。

参照图2，所述切槽为平面切槽，平面切槽包括在掌子面10上纵竖向间隔设置的横向切槽51和横向间隔设置的竖向切槽52。所述横向切槽51、竖向切槽52的宽度、深度，以及各横向切槽51之间的间距、各竖向切槽52之间的间距，根据地应力及围岩条件综合确定。

参照图3和图4，所述切槽为纵向切槽60，纵向切槽60在掌子面10上竖向间隔、横向间隔设置。所述纵向切槽60的深度、在掌子面10上形成的孔口尺寸，以及各纵向切槽60的横向、竖向间距，根据地应力及围岩条件综合确定。

所述切槽还可同时包括如图2所示的平面切槽和由图3、图4所示的纵向切槽60，纵向切槽60位于横向切槽51、竖向切槽52形成的网格之间。

参照图5，通过控制切槽深度和宽度可有效释放掌子面周边围岩应力。当切槽宽度一定，切槽深度2大于切槽深度1时，切槽深度2对应的掌子面附近最大应力小于切槽深度1对应的掌子面附近最大应力，但均小于无切槽时的最大应力。切槽宽度与围岩应力的关系表现出同样的规律。因此，切槽可以有效释放掌子面附近地应力，且通过控制切槽的宽度和深度以及切的布设方式可以有效的控制地应力的释放效果，从而避免岩爆现象的发生。

以上所述只是用图解说明本发明一种基于高压水刀的非接触式围岩应力释放方法的一些原理，并非是要将本发明局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。

技术特征：

技术总结
一种基于高压水刀的非接触式围岩应力释放方法，可用于岩爆的治理，以安全、高效的释放高地应力硬岩隧道应力，避免隧道施工过程中发生岩爆现象。本发明是将载有高压水刀装置的车载平台移动至离掌子面一定距离处，启动高压水刀装置利用高压泵产生的高压水束由掌子面表面向深部围岩切割，形成具有一定深度和宽度的切槽，通过切槽和切割水流释放围岩应力。

技术研发人员：赵东平;胡炜;谭信荣;李奎
受保护的技术使用者：中铁二院工程集团有限责任公司
技术研发日：2017.06.07
技术公布日：2017.09.15