一种利用NPR材料的隧道岩爆分级防治方法

一种利用npr材料的隧道岩爆分级防治方法
技术领域
1.本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一种利用npr材料的隧道岩爆分级防治方法。


背景技术：

2.随着人们对资源、能源及基础设施的需求日益增加，水工、矿山、公路、铁路等领域的地下工程均向深部发展。例如，锦屏二级水电站引水隧洞最大埋深达2525m，南非的witwatersrand金矿开采深度已接近5000m，规划的川藏铁路含35座高埋深隧洞，最大埋深达2600m。随着地下工程深度的不断增加，工程灾害日趋增多，其中最重要的问题就是高地应力诱发的岩爆灾害。岩爆是地下工程中的一种特殊现象，具有围岩突然、猛烈地向开挖空间弹射、抛掷、喷出的特征，往往会造成严重的人身伤亡、设备损坏以及巨大的经济损失，已成为制约深部工程施工安全的关键性问题之一。
3.近几十年来，国内外学者在岩爆控制方面开展了大量的研究工作，提出了各种各样的岩爆控制技术。主要分为两类：第一类为围岩改性法。即通过改善围岩力学性质的方法来防治岩爆，如钻孔卸压、注水、松动爆破等；第二类为围岩加固法。即通过加固巷道围岩的方法来防治岩爆，如喷射混凝土、锚网支护、注浆加固以及架设钢拱架等。围岩改性法能够在一定程度上降低隧道围岩存储的弹性应变能从而降低岩爆发生的可能性，但是不能有效控制岩爆灾害的发生，也就不能在岩爆发生时对人员和设备起到保护作用；而围岩加固法多采用常规的支护材料进行围岩加固，不具备大变形特性，采用这些材料加固后的巷道围岩更容易集聚弹性应变能，不利于岩爆的预防；并且这类材料在冲击载荷作用下容易发生突然断裂，从而导致支护失效，岩爆控制效果不理想。
4.如中国专利cn108518232a公开了一种对应不同岩爆烈度等级的单线铁路隧道防岩爆支护方法，分别针对轻微岩爆、中等岩爆和强烈岩爆下单线铁路隧道采用不同的支护方法；轻微岩爆段采用岩面喷洒高压水、初喷混凝土、设置砂浆锚杆和钢筋网支护；中等岩爆段，采用岩面喷洒高压水、初喷钢纤维混凝土、设置涨壳式预应力中空锚杆和钢筋网支护；强烈岩爆段采用设置超前预应力释放孔和超前锚杆、岩面喷洒并注入高压水、初喷钢纤维混凝土、设置涨壳式预应力中空锚杆及钢筋网和架设钢拱架支护；该专利根据不同的岩爆烈度等级，系统的提出了针对单线铁路隧道防岩爆的支护方法。但是所使用的支护材料均为常规的锚杆、锚索，不具备大变形特性，当岩爆发生时，常规的支护材料在冲击荷载作用下容易发生断裂；此外，当隧道开挖完成后喷射混凝土进行早期支护，混凝土覆盖于隧道围岩表面，导致高压喷水软化效果不明显，岩爆控制效果不理想。
5.现有的隧道岩爆防控方法主要采用基于常规材料的锚杆、锚索和钢筋网等进行组合支护。除此之外，一些具有吸能作用的锚杆也逐渐应用于隧道岩爆防控。如中国专利cn112983470a公开了一种软岩隧道tbm支护系统和支护方法，管片中部设有通孔，通孔中均设有npr锚固件，其对围岩进行锚固约束，形成强大的npr锚固件和管片组合为核心的临时支护系统。支护方法具体如下：第一步：掌子面掘进后在隧道壁面铺设钢筋网；第二步：在钢
筋网上将管片拼装成环形管道；第三步：在管片的通孔中安装npr锚固件；第四步，待围岩稳定后拆除管片，进行二次衬砌的施工。围岩发生大变形释放围岩变形能的同时，npr锚杆和/或npr锚索发生结构大变形，提供一定的围岩变形空间，且依然保持高恒阻力，这个过程中将吸收大量的围岩变形能。但是上述支护系统中缺乏对隧道围岩的有效卸压措施，锚杆和/或锚索吸收能量有限，不能实现能量的缓慢释放，容易造成隧道围岩能量的集聚从而导致岩爆的发生。因此，急需一种兼顾卸压、支护和软化的一体化隧道岩爆防治方法，从而解决现有技术防控效果不理想的问题，实现对隧道岩爆的有效防控。


技术实现要素：

6.针对以上现有技术的不足，本发明提供了一种利用npr材料的隧道岩爆分级防治方法，通过采用喷钢纤维混凝土、钻设锚杆钻孔及小孔径卸压孔、铺设柔性缓冲层及钢筋网、安装npr锚杆、钻设锚索钻孔及大孔径卸压孔、安装npr锚索及w型钢带、向锚索钻孔内注水软化岩体、架设npr钢拱架、钻设掌子面卸压孔及爆破孔等防治手段，形成“卸压
‑
支护
‑
软化”耦合的防治方案。根据不同岩爆烈度等级设置不同的防治方法；从而实现对隧道岩爆的有效防治。
7.为达到上述发明目的，具体通过以下技术实现：
8.一种利用npr材料的隧道岩爆分级防治方法，具体如下：
9.针对弱岩爆区域，采用初喷混凝土、钻设锚杆钻孔及小孔径卸压孔、安装npr锚杆及钢筋网、复喷混凝土的防治方案；
10.针对中等岩爆区域，采用初喷钢纤维混凝土、钻设锚杆钻孔及小孔径卸压孔、安装npr锚杆及钢筋网、钻设锚索钻孔及大孔径卸压孔、安装npr锚索及w型钢带、复喷钢纤维混凝土、向锚索钻孔内注水软化岩体、钻设掌子面卸压孔的防治方案；
11.针对强岩爆区域，采用初喷npr钢纤维混凝土、钻设锚杆钻孔及小孔径卸压孔、铺设柔性缓冲层及钢筋网、安装npr锚杆、钻设锚索钻孔及大孔径卸压孔、安装npr锚索及w型钢带、架设npr钢拱架、复喷npr钢纤维混凝土、向锚索钻孔内注水软化岩体、钻设掌子面卸压孔及掌子面爆破孔的防治方案。
12.本发明针对不同岩爆等级进行分级防治，最大限度的发挥材料性能；柔性缓冲层可以对围岩能量进行吸收；npr锚杆和npr锚索具有良好的恒阻让压特性，可以通过自身变形吸收围岩能量，使岩体中的能量缓慢释放。同时，小孔径和大孔径的存在，使得围岩沿隧道切向存在自由面，从而在压力作用下能够产生切向变形，释放弹性应变能，释放围岩变形能，降低岩爆发生概率。
13.进一步的，所述npr锚杆包含第一恒阻装置，所述第一恒阻装置安装于所述小孔径卸压孔内，所述第一恒阻装置和所述小孔径卸压孔同轴，所述小孔径卸压孔的直径大于所述第一恒阻装置的直径；所述小孔径卸压孔的深度大于第一恒阻装置的长度。
14.进一步的，所述小孔径卸压孔和所述第一恒阻装置的直径的差值为40～43mm，所述小孔径卸压孔的深度和第一恒阻装置的长度的差值为100～200mm。
15.进一步的，所述npr锚索包含第二恒阻装置，所述第二恒阻装置安装于所述大孔径卸压孔内，所述第二恒阻装置和所述大孔径卸压孔同轴，所述大孔径卸压孔的直径大于所述第二恒阻装置的直径；所述大孔径卸压孔的深度大于所述第二恒阻装置的长度。
16.进一步的，所述大孔径卸压孔和所述第二恒阻装置的直径的差值为50～55mm，所述大孔径卸压孔的深度和所述第二恒阻装置的长度的差值为100～400mm。
17.进一步的，所述npr锚索为中空锚索，锚索中间设有注水管，所述npr锚索和所述注水管所对应位置上均设有出水孔。通过注水孔向锚索钻孔内注水，润湿隧道围岩内部岩体，岩体被水湿润后，岩体颗粒之间粘结力降低，接触面摩擦力减小，导致其强度和脆性降低，从而降低岩爆发生概率。
18.进一步的，所述掌子面卸压孔布设于底板中心与巷道内壁连线的中点处，所述掌子面卸压孔呈扇形布设于掌子面上。
19.进一步的，所述掌子面爆破孔布设于底板中心与巷道内壁连线长度的5/8处，所述掌子面爆破孔呈扇形布设于掌子面上。
20.通过对掌子面开展钻孔及爆破孔卸压，提前释放掌子面前方岩体内存储的弹性能，从而减弱掌子面掘进对隧道围岩的扰动作用，防止掘进施工诱发岩爆。
21.与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
22.(1)提高了围岩沿隧道径向的让压变形能力，从而减少弹性应变能的集聚，降低岩爆发生概率。npr锚杆/索具有良好的恒阻让压特性，当巷道围岩应力集中到一定程度并达到其恒阻值时，npr锚杆/索会通过拉伸变形来吸收围岩能量，使岩体中的能量缓慢释放，从而降低岩爆发生概率。
23.(2)提高了围岩沿隧道切向的让压变形能力，从而减少弹性应变能的集聚，降低岩爆发生概率。小孔径卸压孔和大孔径卸压孔的存在，大小孔径卸压孔和恒阻装置之间存在让压空间，使得围岩沿隧道切向存在自由面，从而能够在压力作用下产生切向变形，并释放弹性应变能。
24.(3)弱化隧道围岩内部岩体的强度，降低岩爆发生概率。通过向锚索钻孔内注水，从而润湿围岩内部岩体，岩体被水湿润后，岩体颗粒之间粘结力降低，接触面摩擦力减小，导致其强度和脆性降低，从而降低岩爆发生概率。
25.(4)能够减弱掌子面掘进对隧道岩爆的诱发作用。通过对掌子面钻设卸压孔及爆破孔，提前释放掌子面前方岩体内存储的弹性能，从而减弱掌子面掘进对隧道围岩的扰动作用，防止掘进施工诱发岩爆。
26.(5)当岩爆发生时，首先柔性缓冲层会吸收围岩能量，并将吸收后的残余能量传递给支护结构；随后npr锚杆、npr锚索、钢筋网、钢拱架等支护材料受到载荷作用，能够瞬间拉伸变形，被动吸收围岩能量，从而降低岩爆的破坏性，保障施工安全。
27.(6)在钢筋网与隧道岩壁之间铺设柔性缓冲层，缓冲层可以吸收岩爆发生过程中产生的冲击能量，从而减缓岩爆弹射物对钢筋网的瞬间冲击作用，避免钢筋网在强冲击下发生断裂，能够显著提高支护结构的岩爆防护效果。
附图说明
28.图1为弱岩爆区域防治方案的结构示意图；
29.图2为图1的展开图；
30.图3为npr锚杆和小孔径卸压孔的结构示意图；
31.图4为中等岩爆区域防治方案的结构示意图；
32.图5为图4的展开图；
33.图6为小孔径卸压孔和大孔径卸压孔的结构示意图；
34.图7为npr锚索和大孔卸压孔的结构示意图；
35.图8为注水管的结构示意图；
36.图9为强岩爆区域防治方案的结构示意图；
37.图10为图9的展开图；
38.图11为掌子面卸压孔和掌子面爆破孔的结构示意图。
39.其中：1、小孔径卸压孔；2、c25混凝土；3、npr锚杆；4、钢筋网；5、钢筋梯；6、npr锚杆杆体；7、第一恒阻装置；8、锚杆托盘；9、cf25钢纤维混凝土；10、大孔径卸压孔；11、npr锚索；12、npr锚索索体；13、锚索托盘；14、第二恒阻装置；15、钢绞线；16、注水管；17、出水孔；18、封盖；19、w型钢带；20、掌子面卸压孔；21、cf25 npr钢纤维混凝土；22、npr钢拱架；23、柔性缓冲层；24、掌子面爆破孔。
具体实施方式
40.下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
41.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中部”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”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，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”“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
42.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明的技术方案。
43.实施例1
44.(1)确定岩爆的烈度等级；
45.步骤一：采用水压致裂法测量拟建隧道的地应力状态，主要包括最大水平应力(s
h
)、最小水平应力(s
h
)和垂直应力(s
v
)的大小以及最大主应力方向及优势方向。步骤二：确定钻孔附近的最大水平主应力方向与隧道轴线方向夹角，计算最大水平主应力方向与隧道横截面内隧道侧帮上的正应力方向的夹角α。步骤三：根据弹性力学公式，计算作用于隧道侧帮上的应力大小，具体公式如下：
[0046][0047][0048]
σ
θ
＝3σ
h
‑
σ
h
[0049]
式中：σ
h
为隧道轴向应力，mpa；σ
θ
为隧道最大切向应力，mpa。
[0050]
步骤四：根据岩爆russense判据，确定岩爆等级，并进行分区。russense判据利用隧道硐室的最大切向应力(σ
θ
)与围岩单轴抗压强度(σ
c
)的比值来确定。如下所示：
[0051][0052]
则可按照上述判据，对隧道岩爆等级进行判定和分区。
[0053]
(2)针对不同的岩爆等级区域采用不同的防治方案；
[0054]
如图1
‑
2所示，弱岩爆区域的具体防治方案如下：步骤一：掌子面掘进后，立刻喷射c25混凝土2对隧道围岩进行初次加固，喷射混凝土的厚度为20cm。步骤二：钻设锚杆钻孔，锚杆钻孔的直径为25mm，深度5000mm；然后对距离隧道洞壁1100～1200mm以内的锚杆钻孔进行扩孔，扩孔直径为72～75mm，扩孔深度为1100～1200m，扩展后的孔即为小孔径卸压孔1。步骤三：挂设φ6mm的钢筋网4，网格间距20x20cm；然后在锚杆钻孔内安装npr锚杆3，垂直隧道掘进方向的一列锚杆采用钢筋梯5相连接；安装时，锚杆托盘8需将钢筋网4和钢筋梯5压住。npr锚杆杆体6直径为22mm，锚杆长度为5000mm；如图3所示，npr锚杆3的第一恒阻装置7安装于小孔径卸压孔1内，第一恒阻装置7的直径为32mm，所以第一恒阻装置7和小孔径卸压孔1之间沿隧道切向方向上留有20～21.5mm的让压空间；第一恒阻装置7的恒阻力为140～180kn，最大延伸量为1000mm，所以在最大延伸量的情况下，第一恒阻装置7和小孔径卸压孔1在沿隧道径向方向上有100～200mm的让压空间。步骤四：钢筋网4、npr锚杆3及钢筋梯5安装完成后，采用c25混凝土1对围岩进行复喷，复喷混凝土的厚度为40cm。
[0055]
如图4
‑
5所示，中等岩爆区域采用“大小孔径组合卸压+npr锚杆+npr锚索+掌子面卸压孔+锚索钻孔内注水”为主体的“卸压
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支护
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软化”耦合防治方案。具体防治方案如下：步骤一：掌子面掘进后，立刻喷射cf25钢纤维混凝土9对隧道围岩进行初次加固，喷射混凝土的厚度为20cm。步骤二、步骤三与弱岩爆区域防治方案中的步骤二、步骤三相同，此处不再赘述；步骤四：钻设锚索钻孔，锚索钻孔的直径为35mm，深度10000mm，然后对距离隧道洞壁1500～1800mm以内的锚索钻孔进行扩孔，扩孔直径为125～130mm，扩孔深度1500～1800mm，扩展后的孔即为大孔径卸压孔10。小孔径卸压孔1和大孔径卸压孔10的结构示意图如图6所示。步骤五：在锚索钻孔内安装npr锚索11，垂直隧道掘进方向的一列锚索采用w型钢带19相连接，安装时，锚索托盘13压住钢筋网4和w型钢带19，如图5所示，npr锚索11设置于两列npr锚杆3之间；如图8所示，npr锚索11采用直径为29mm的中空锚索，npr锚索索体12长度为10000mm，npr锚索11的钢绞线15内包裹有注水管16，管体外径10mm，内径7.5mm，注水管16和钢绞线15所对应的位置上设有出水孔17，每间隔1m设有4个出水孔；如图7所示，npr锚索11的第二恒阻装置14安装于大孔径卸压孔10内，第二恒阻装置14的直径为75mm，所以第二恒阻装置14和大孔径卸压孔10之间沿隧道切向方向上留有25～27.5mm的让压空间；第二恒阻装置14的恒阻力为320kn，最大延伸量为1400mm，所以在最大延伸量的情况下，第二恒阻装置14和大孔径卸压孔10在沿隧道径向方向上有100～400mm的让压空间。步骤六：钢筋网4、npr锚杆3和npr锚索11安装完成后，采用cf25钢纤维混凝土9对围岩进行复喷，复喷混凝土的厚度为40cm。步骤七：向锚索钻孔内注水，通过注水管16的出水孔17向锚索钻孔内注水，所注的水中需添加润湿剂以增强岩体润湿效果，2～3h/次，每次注水10～15l；使锚索钻孔内被水润湿，从而软化岩体，注水结束后盖上封盖18。步骤八：掌子面掘进至中等岩爆区域前方30m位置时，在掌子面上沿掘进方向钻设掌子面卸压孔20，所述掌子面卸压孔20平
行于掘进方向，直径为130mm，深度为20～30m；如图11所示，所述掌子面卸压孔20布设于底板中心与巷道内壁连线的中点处，共布设7个掌子面卸压孔20，所述掌子面卸压孔20呈扇形布设于掌子面上，相邻两个掌子面卸压孔20的圆心与底板中心的连线夹角为22.5
°
。
[0056]
如图9
‑
10所示，强岩爆区域采用“大小孔径组合卸压+npr锚杆+npr锚索+柔性缓冲层+npr钢拱架+掌子面卸压孔及爆破孔+锚索钻孔内注水”为主体的“卸压
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支护
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软化”耦合防治方案。具体防治方案如下：步骤一：掌子面掘进后，立刻喷射cf25 npr钢纤维混凝土21对隧道围岩进行初次加固，喷射混凝土的厚度为20cm。步骤二与弱岩爆区域防治方案中的步骤二相同，此处不再赘述；步骤三与弱岩爆区域防治方案中的步骤三基本相同，唯一不同之处在于，在铺设钢筋网4之前先铺设柔性缓冲层23，柔性缓冲层为厚度为200mm的玻璃棉毡；步骤四：钻设锚索钻孔，锚索钻孔的直径为35mm，深度10000mm，然后对距离隧道洞壁2000～2300mm以内的锚索钻孔进行扩孔，扩孔直径为125～130mm，扩孔深度2000～2300mm，扩展后的孔即为大孔径卸压孔10。步骤五与中等岩爆区域防治方案的步骤五相同，此处不再赘述，唯一不同点在于恒阻装置的最大延伸量为1900mm。步骤六：架设npr钢拱架22，npr钢拱架22的间距为0.5～1m，相邻npr钢拱架22之间采用焊接u型螺纹钢进行连接。步骤七：钢筋网4、npr锚杆3、npr锚索11和npr钢拱架22安装完成后，采用cf25 npr钢纤维混凝土21对围岩进行复喷，复喷混凝土的厚度为40cm。步骤八：向锚索钻孔内注水，2～3h/次，每次注水20～30l；步骤九：掌子面掘进至强岩爆区域前方30m位置时，在掌子面上沿掘进方向钻设掌子面卸压孔20和掌子面爆破孔24；掌子面卸压孔20和掌子面爆破孔24平行于掘进方向，掌子面卸压孔20直径为130mm，深度为20～30m；掌子面爆破孔24的直径为94mm，深度为20～30m；如图11所示，掌子面卸压孔20的排布方式与中等岩爆区域防治方案中的掌子面卸压孔20排布方式相同；所述掌子面爆破孔24布设于底板中心与巷道内壁连线长度的5/8处，共布设8个爆破孔，所述掌子面爆破孔24呈扇形布设于掌子面上，相邻两个爆破孔的圆心与底板中心的连线夹角为22.5
°
；爆破孔内装药量不低于15kg/孔，爆破封孔长度不小于5m，一次性起爆。
[0057]
本发明对保障高应力隧道工程的安全施工、节约生产成本、提高经济效益等方面具有重要的现实意义和重大的社会效益，具有广泛的应用前景。
[0058]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。