一种隧道工程安全施工开挖方法与流程

本发明涉及隧道施工领域，尤其是涉及降低隧道施工过程岩爆风险的隧道安全施工开挖方法。

背景技术：

隧道及地下工程中，由硬脆性岩体构成的围岩，在高地应力条件下，积聚着很高的弹性应变能。在开挖过程中，由于开挖出现的临空面，导致径向应力降低、切向应力增高的应力分异作用，当集中的应力超过岩体的破坏强度时，使储存在岩体中的弹性应变能突然释放，并伴随爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷的围岩破坏现象，称之为岩爆。

岩爆区别于围岩大变形的塑性破坏，是一种伴随能量猛烈释放的非线性动力学现象。轻微岩爆的岩石呈片状剥落，而强烈岩爆可将巨石猛烈抛出，甚至一次岩爆就能抛出数以吨计的岩块和岩片。在施工中出现的岩爆现象，不仅延缓施工进度，而且对施工人员的生命安全以及施工器械的财产安全造成了巨大的影响。

断层的工程特征主要表现为岩体疏松破碎、整体稳定性差、承载能力低和抗爆性弱等。一般而言在断层地带，其区域构造应力会有较高的量级，同时在隧道开挖接近断层带时，断层附近本身为应力集中带，使断层附近的应力释放后叠加到隧道围岩之上，从而使断层附近的岩爆频繁、严重。

为了降低深埋隧道穿越断层区域的岩爆风险，现有技术中中国科学院武汉岩土力学研究所cn201410017042.6的发明专利提出了通过隧道后方的微震传感器确定岩石破裂位置从而确定断层产状，根据断层产状确定相向掘进隧道中继续开挖的掌子面和停止开挖的掌子面，从而确保施工安全，加快施工进度。然而，对于深埋长隧道，其穿越区域较长，可能存在多个断层，如果两侧掘进方向的掌子面都位于断层的下盘，则通过现有技术无法确定施工掘进的方向。

技术实现要素：

本发明提供一种降低隧道施工过程岩爆风险的隧道安全施工开挖方法，在存在多个断层时也能够确定隧道的施工方向。

作为本发明的一个方面，提供一种隧道工程安全施工开挖方法，包括如下步骤：一种隧道工程安全施工开挖方法，包括如下步骤：（1）在隧道相向掘进的掌子面后方分别设置4个微震传感器；（2）确定各个微震传感器的坐标；（3）通过微震传感器的信号识别岩石破裂位置；（4）根据岩石破裂位置判断两侧掌子面前方是否存在不同断层，当两侧掌子面前方仅存在单个断层时进入步骤（11），当两侧掌子面前方存在不同断层时，进行如下步骤：（5）判断是否存在掘进方向掌子面处于其上盘的断层，存在则进入步骤（6），不存在则进入步骤（7）；（6）继续该断层对应掌子面的掘进，直到穿越该断层，返回步骤（4）；（7）停止距离断层距离较近的一侧掌子面的掘进，继续距离断层距离较远的一侧掌子面的掘进，直到两侧掌子面距离其断层的距离相等；（8）在两侧掌子面后分别增设一个微震传感器，确定微震传感器坐标，通过5个微震传感器的信号识别以及记录岩石破裂位置，以及微震波传播到传感器的速度；（9）确定微波传感器信号中来自掌子面对应断层附近的岩石破裂位置的信号，确定该位置产生的微震波传播到对应展子面的传感器的速度；（10）比较微震波传播到两侧掘进方向的微波传感器的速度，选择其中速度低的掘进方向单向掘进，并且穿越其对应的断层，返回步骤（4）；（11）停止下盘掌子面的掘进，继续上盘掌子面的掘进直到穿越断层与下盘掌子面贯通。

进一步的，所述步骤（1）中，所述4个微震传感器分别设置于两个断面，断面距离为25~30m。

进一步的，所述步骤（1）中，根据隧道掘进进度，设置微震传感器的位置，使第一断面距离掌子面的距离为25~30m。

进一步的，所述步骤（4）中，根据记录的岩石破裂位置确定是否存在掌子面前方是否存在多个集中线状分布的岩石破裂点，存在则表示掌子面前方存在多个断层。

进一步的，所述步骤（8）中，所述增设的微震传感器与第二断面的距离为25~30m。

进一步的，所述步骤（3）中，根据方程（x-xi）²+（y-yi）²+（z-zi）²-v（ti-t）²=0；其中(xi，yi，zi)为4个传感器坐标，ti为4个传感器分别接收到信号的时间，v为预设的微震波速度；将4个传感器的位置(xi，yi，zi)以及ti代入上式，确定岩石破裂位置（x，y，z）以及破裂时间t。

进一步的，所述步骤（8）中，根据方程（x-xi）²+（y-yi）²+（z-zi）²-v（ti-t）²=0；其中(xi，yi，zi)为5个传感器坐标，ti为5个传感器分别接收到信号的时间；将5个传感器的位置(xi，yi，zi)以及ti代入上式，确定岩石破裂位置（x，y，z），破裂时间t以及微震波传播到传感器的速度v。

进一步的所述步骤（9）中，根据记录的岩石破裂位置，分别选择距离各断层距离10m以内的n个微震波源，确定各个微震波源对应的微震波传播到对应侧传感器的速度v1i以及v2i；计算各个微震波源对应的微震波传播到对应侧传感器的速度的平均值σv1i/n以及σv2i/n。

进一步的，所述步骤（10）中，比较σv1i/n以及σv2i/n的大小，选择其中速度低的掘进方向单向掘进，并且穿越对应断层。

附图说明

图1是本发明实施例的隧道工程安全施工开挖方法的流程图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明实施例的隧道工程安全施工开挖方法，用于对深埋隧道两个相向掘进掌子面开挖过程进行连续监测，包括如下步骤：（1）在隧道相向掘进的掌子面后方分别设置4个微震传感器；（2）确定各个微震传感器的坐标；（3）通过微震传感器的信号识别岩石破裂位置；（4）根据岩石破裂位置判断两侧掌子面前方是否存在不同断层，当两侧掌子面前方仅存在单个断层时进入步骤（11），当两侧掌子面前方存在不同断层时，进行如下步骤：（5）判断是否存在掘进方向掌子面处于其上盘的断层，存在则进入步骤（6），不存在则进入步骤（7）；（6）继续该断层对应掌子面的掘进，直到穿越该断层，返回步骤（4）；（7）停止距离断层距离较近的一侧掌子面的掘进，继续距离断层较远的一侧掌子面的掘进，直到两侧掌子面距离其断层的距离相等；（8）在两侧掌子面后分别增设一个微震传感器，确定微震传感器坐标，通过5个微震传感器的信号识别以及记录岩石破裂位置，以及微震波传播到传感器的速度；（9）确定微波传感器信号中来自掌子面对应断层附近的岩石破裂位置的信号，确定该位置产生的微震波传播到对应展子面的传感器的速度；（10）比较微震波传播到两侧掘进方向的微波传感器的速度，选择其中速度低的掘进方向单向掘进，并且穿越其对应的断层，返回步骤（4）；（11）停止下盘掌子面的掘进，继续上盘掌子面的掘进直到穿越断层与下盘掌子面贯通。

步骤（1）中，4个微震传感器分别设置于掌子面后方的第一断面和第二断面，每个断面设置两个微震传感器，分别设置于断面的侧面和拱顶，两个断面之间的距离可以设置为25~30m，其中距离掌子面较近的传感器与掌子面的距离可以设置为25~30m。微震传感器可以使用单轴加速度传感器，设置于安装地点的钻孔中。

步骤（2）中，随着掌子面向前推进，传感器也随着向前前移，并与掌子面保持一定的距离，通过全站仪确定各个微震传感器的坐标(xi，yi，zi)。

步骤（3）中，通过数据采集系统采集4个传感器的信号，根据微震传感器的信号识别岩石破裂位置，其中根据方程（x-xi）²+（y-yi）²+（z-zi）²-v（ti-t）²=0；其中(xi，yi，zi)为4个传感器坐标，ti为4个传感器分别接收到信号的时间，v为预设的微震波速度；将4个传感器的位置(xi，yi，zi)以及ti代入上式，确定岩石破裂位置（x，y，z）以及破裂时间t。其中预设的微震波速度可以通过定点爆破实验预先确定。

步骤（4）中，根据记录的岩石破裂位置确定是否存在掌子面前方是否存在多个集中线状分布的岩石破裂点，存在则表示掌子面前方存在多个断层进入步骤（5），当两侧掌子面前方仅存在单个断层时进入步骤（11）。

步骤（5）中，分别通过最小二乘法直线拟合各个集中线状分布的岩石破裂点，根据拟合直线的走向，判断是否存在掘进方向掌子面处于其上盘的断层，存在则进入步骤（6），不存在则进入步骤（7）。

步骤（6）中，对于掘进方向断层上盘的掌子面，继续该掌子面的掘进，直到穿越该断层，返回步骤（4）。

步骤（7）中，对于两侧掘进方向都位于断层下盘时，停止距离断层距离较近的一侧掌子面的掘进，继续距离断层距离较远的一侧掌子面的掘进，直到两侧掌子面距离其断层的距离相等。

步骤（8）中，在两侧掌子面后分别增设一个微震传感器，增设的微震传感器设置于第二断面的后方，与第二断面的距离为25~30m。通过全站仪确定增设的微震传感器坐标。通过5个微震传感器的信号识别以及记录岩石破裂位置，以及微震波传播到传感器的速度。具体的，根据方程（x-xi）²+（y-yi）²+（z-zi）²-v（ti-t）²=0；其中(xi，yi，zi)为5个传感器坐标，ti为5个传感器分别接收到信号的时间；将5个传感器的位置(xi，yi，zi)以及ti代入上式，确定岩石破裂位置（x，y，z），破裂时间t以及微震波传播到传感器的速度v。

步骤（9）中，确定微波传感器信号中来自掌子面对应断层附近的岩石破裂位置的信号，确定该位置产生的微震波传播到对应展子面的传感器的速度。根据记录的岩石破裂位置，分别选择距离各断层距离10m以内的n个微震波源，确定各个微震波源对应的微震波传播到对应侧传感器的速度v1i以及v2i；计算各个微震波源对应的微震波传播到对应侧传感器的速度的平均值σv1i/n以及σv2i/n。其反应了各断层到对应侧掌子面的岩体的性质。微震波传播速度高表示该区域弹性模量大，而对于高弹性岩石，具有良好的储能条件，发生岩爆的可能性大。因此，步骤（10）中，比较σv1i/n以及σv2i/n的大小，选择其中速度低的掘进方向单向掘进，并且穿越对应断层。

步骤（11）中，两侧掌子面前方仅存在单个断层，停止该断层的下盘掌子面的掘进，继续上盘掌子面的掘进直到穿越断层与下盘掌子面贯通。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述公开内容之后，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，在不脱离本发明原理前提下，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。