预防隧道岩爆的施工方法与流程

1.本技术涉及隧道施工的技术领域，具体而言，本技术涉及一种预防隧道岩爆的施工方法。


背景技术：

2.对于应对岩爆，目前的技术水平一般出于安全考虑采用常规的台阶法开挖，逐步释放应力，并加强锚杆和钢筋网的防护强度。虽然在很大程度上减少应力集中爆发的可能，提高了隧道施工的安全性，但大都是出现岩爆后再根据岩爆的强烈程度来进行处治。
3.因此，岩爆的预测尤为重要。由于问题复杂，目前岩爆预测的方法体系仍不完善。当前的对于岩爆预测的方法归纳为三类：第一类是根据岩爆发生机理建立的各种岩爆判据；第二类是基于现场监测数据的岩爆预测方法；第三类是借鉴数学和系统工程学等相关学科领域的方法和工具，建立的考虑各种因素综合影响的岩爆预测方法。但是，目前所提供的方法，难以很好地预防岩爆的发生。


技术实现要素：

4.针对现有技术中，不能准确地预测岩爆发生的技术问题，本技术提供一种预防隧道岩爆的施工方法。
5.本技术提供了一种预防隧道岩爆的施工方法，包括以下步骤：
6.获取目标岩爆段围岩的特征信息；其中，所述特征信息，包括：地应力特征和完整性特征；
7.根据所述地应力特征，得到隧道开挖过程中所述目标岩爆段围岩二次应力分布；
8.根据所述目标岩爆段围岩二次应力分布，判别岩爆等级；
9.将所述岩爆等级与微裂隙的分布特征结合，确定现场预防岩爆的施工措施。
10.在一方面的可选实施例中，当所述特征信息为地应力特征时，所述获取岩爆段围岩的特征信息，包括：
11.根据所述目标岩爆段围岩的钻孔深度，获取平面最大主应力值、平面最小主应力值和平面最大主应力方向，得到所述目标岩爆段围岩的埋深最大处的最大水平地应力值、最小水平主应力值和垂直主应力值。
12.在一方面的可选实施例中，所述根据所述地应力特征，得到隧道开挖过程中所述目标岩爆段围岩二次应力分布，包括：
13.在有限元程序中建立计算模型，将所述隧道的巷道断面置于计算模型中，并为所述巷道断面预设形状；其中，所述巷道断面包括位于顶部、边墙、底部、岩体内部右侧和岩体内部顶部设立对应的观测点；
14.根据所述目标岩爆段围岩的埋深最大处的最大水平地应力值、最小水平主应力值和垂直主应力值，获取各个所述巷道断面的对各个观测点的二次应力分布模型。
15.在一方面的可选实施例中，所述获取各个所述巷道断面的对各个观测点的二次应
力分布模型，包括：
16.在所述隧道上确定起始巷道断面，以所述起始巷道断面作为起点，获取等距开挖长度上的各个所述巷道断面的所有观测点的应力值，得到所述观测点的应力值与对应的开挖深度的二次应力分布信息。
17.在一方面的可选实施例中，所述特征信息包括岩体强度；
18.所述根据所述目标岩爆段围岩二次应力分布，判断岩爆等级，包括：
19.根据所述二次应力分布信息，以及所述目标岩爆段围岩的岩体强度，得到对应的岩爆等级。
20.在一方面的可选实施例中，当所述特征信息为完整性特征时，所述获取岩爆段围岩的特征信息，包括：
21.根据所述目标岩爆段围岩的岩石类型以及试样的物理状态，获取对应的饱和单轴抗压强度和干燥抗压强度，得到所述目标岩爆段围岩的隧道开挖位置整体的完整性特征。
22.在一方面的可选实施例中，所述结合微裂隙的分布特征，确定现场预防岩爆的施工措施，包括：
23.根据所述完整性特征，将所述二次应力加载于对应的包含裂隙网络的隧道开挖模型，得到获得开挖卸载时围岩的微裂隙分布特征；
24.根据所述微裂隙分布特征预测开挖引起的围岩损伤程度，确定现场预防岩爆的施工措施。
25.在一方面的可选实施例中，所述的预防隧道岩爆的施工方法，还包括：
26.根据所述微裂隙分布特征，预测开挖引起的围岩损伤程度，并根据该围岩损伤程度计算采用上下台阶开挖的围岩微岩内微裂隙减少的定量效果。
27.在一方面的可选实施例中，所述的预防隧道岩爆的施工方法，还包括：
28.获取隧道的掌子面的微震信号，判别对应的岩爆等级，对所述现场预防岩爆的施工措施进行修正。
29.在一方面的可选实施例中，通过微震信号判别得到的岩爆等级，以及通过目标岩爆段围岩二次应力分布所判别得到的岩爆等级进行对比，以等级高的岩爆等级作为目标岩爆段围岩的当前预测的岩爆等级。
30.本技术提供的预防隧道岩爆的施工方法，其有益效果为：
31.基于本技术所提供的预防隧道岩爆的施工方法，对岩爆预测选定目标岩爆段围岩作为预测评价对象，并获取其地应力特征和完整性特征等特征信息，并根据其中的地应力特征，得到在隧道开挖过程中该目标岩爆段围岩二次应力分布，从而判断对应的岩爆等级。并且，根据该目标岩爆段围岩的微裂隙的分布特征，预测开挖引起的围岩损伤程度，从而确定现场预防岩爆的施工措施。基于该隧道岩爆预防施工方案，能够克服现有技术中的不能很准确地预测岩爆的发生的技术问题，从而实现能够结合目标岩爆段围岩的特征信息所获取的二次应力分布，与微裂隙的分布特征的结合，能够更全面地对隧道岩爆进行预测，并得到确定对应的预防施工措施，从精准地预防岩爆的发生，以便能够针对性地提供相应的现场预防岩爆的施工措施。相对于台阶法开挖而言，可准确的地质预报岩石参数减少超前支护的材料用量，缩短了超前支护的施工时间，并且由于使用了优化后的围岩参数，减少了安装刚性支撑的施工时间，提高了施工进度。
32.本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过实践了解到。
附图说明
33.上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
34.图1为本技术的一个实施例所提供的预防隧道岩爆的施工方法的流程示意图；
35.图2为本技术的一个实施例所提供的计算模型的立体示意图；
36.图3为本技术的一个实施例所提供的计算模型的同一断面不同观测点的地应力示意图；
37.图4a为本技术的一个实施例所提供的计算模型的一个断面的顶部围岩d处的应力立体示意图；
38.图4b为本技术的一个实施例所提供的计算模型的一个断面的边墙围岩e处的应力立体示意图；
39.图4c为本技术的一个实施例所提供的计算模型的一个断面的顶部单位a的应力立体示意图；
40.图4d为本技术的一个实施例所提供的计算模型的一个断面的边墙单位b的应力立体示意图；
41.图4e为本技术的一个实施例所提供的计算模型的一个断面的底部单位c的应力立体示意图；
42.图5为本技术的一个实施例所提供的计算模型的一个断面的顶部单位a、边墙单位b和底部单位c各自的垂直应力和水平应力的差值的应力立体示意图。
具体实施方式
43.下面结合附图和示例性实施例对本技术作进一步地描述，其中附图中相同的标号全部指的是相同的部件。此外，如果已知技术的详细描述对于示出本技术的特征是不必要的，则将其省略。
44.参照图1，图1为本技术的一个实施例所提供的预防隧道岩爆的施工方法的流程示意图。
45.本技术提供了一种预防隧道岩爆的施工方法，能够解决现有技术中，不能准确地预防岩爆发生的技术问题。
46.该预防隧道岩爆的施工方法，包括以下步骤：
47.s110、获取目标岩爆段围岩的特征信息；其中，所述特征信息，包括：地应力特征和完整性特征；
48.s120、根据所述地应力特征，得到隧道开挖过程中所述目标岩爆段围岩二次应力分布；
49.s130、根据所述目标岩爆段围岩二次应力分布，判断岩爆等级；
50.s140、结合微裂隙的分布特征，确定现场预防岩爆的施工措施。
51.上述步骤s110至s140的过程中，根据前期勘探的数据，得到针对隧道区域中各个
岩爆段的地应力测试数据。为了更好地对执行方案进行清楚描述。在后续所提供的实施例中，是针对一个目标岩爆段围岩的岩爆预测方法进行展开描述的。
52.在步骤s110前，对目标岩爆段围岩进行勘探并钻孔，并进行测量，得到该目标岩爆段围岩的特征信息。在本实施例中，该目标岩爆段围岩特征信息包括：地应力特征和完整性特征。
53.其中，地应力特征，是衡量目标岩爆段围岩的内应力效应。该地应力特征，在隧道开挖过程中，可包括二次应力。该二次应力，是指为满足外部的约束条件或结构自身变形连续条件所需的法向应力或剪应力。
54.该完整性特征，是用于衡量岩体内以裂隙为主的各类地质界面的发育程度。裂隙少即岩体完整性好，裂隙多则岩体完整性差。
55.在对隧道开挖的过程中，为了更全面地评估目标岩爆段围岩的情况，在本实施例中，对目标岩爆段围岩，尤其是位于待开挖隧道区域，对不同区域设置多个观测点。在获取该目标岩爆段围岩的特征信息的过程，可包括获取各个观测点的地应力特征。并根据各个观测点的地应力特征，得到隧道开挖过程中目标岩爆段围岩二次应力分布。
56.根据上述得到的二次应力分布，对该目标岩爆段围岩的岩爆进行等级评估，得到对应的岩爆等级。并且，根据目标岩爆段围岩的微裂隙的分布特征，预测开挖引起的围岩损伤程度，从而确定现场预防岩爆的施工措施。
57.基于本技术所提供的预防隧道岩爆的施工方法，对岩爆预测选定目标岩爆段围岩作为预测评价对象，并获取其地应力特征和完整性特征等特征信息，并根据其中的地应力特征，得到在隧道开挖过程中该目标岩爆段围岩二次应力分布，从而判断对应的岩爆等级。并且，根据该目标岩爆段围岩的微裂隙的分布特征，预测开挖引起的围岩损伤程度，从而确定现场预防岩爆的施工措施。基于该隧道岩爆预防施工方案，能够克服现有技术中的不能很准确地预测岩爆的发生的技术问题，从而实现能够结合目标岩爆段围岩的特征信息所获取的二次应力分布，与微裂隙的分布特征的结合，能够更全面地对隧道岩爆进行预测，并得到确定对应的预防施工措施，从精准地预防岩爆的发生，以便能够针对性地提供相应的现场预防岩爆的施工措施。相对于台阶法开挖而言，可准确的地质预报岩石参数减少超前支护的材料用量，缩短了超前支护的施工时间，并且由于使用了优化后的围岩参数，减少了安装刚性支撑的施工时间，提高了施工进度。
58.基于上述实施例种所提供的征信息为地应力特征时，步骤s110包括：
59.根据所述目标岩爆段围岩的钻孔深度，获取平面最大主应力值、平面最小主应力值和平面最大主应力方向，得到所述目标岩爆段围岩的埋深最大处的最大水平地应力值、最小水平主应力值和垂直主应力值。
60.对目标岩爆段围岩进行勘探并钻孔，并进行测量，得到该目标岩爆段围岩的特征信息。在本实施例中，该目标岩爆段围岩特征信息包括：地应力特征和完整性特征。
61.基于上述实施例对目标岩爆段围岩进行勘探并钻孔，确定该目标岩爆段围岩的钻孔的孔深，通过对该钻孔测量对应的地应力数据。
62.在本实施例中，以隧道开挖工程所涉及的一钻孔数据作为目标岩爆段围岩对应的特征信息和该施工方法所涉及的数据进行描述说明。
63.该钻孔孔深在445.5～473.4m范围内，为了后续方便进行数据处理，将该钻孔孔深
固定在450m。针对该目标岩爆段围岩，得到的测量数据包括：平面最大主应力值介于8.24～12.15mpa之间，平面最小主应力介于6.41～8.95之间，平面最大主应力方向为115～1180,最大主应力为自重应力(容重取2660kg/m3)。而该目标岩爆段围岩所在隧道的最大埋深达到650m。
64.由于该钻孔位置不在埋深最大处，但是偏于安全考虑根据埋深进行外推确定最大埋深处隧道的地应力。而该最大埋深处隧道的地应力包括：
65.埋深最大处的最大水平地应力：11.45*650/450＝16.53mpa
66.最小水平主应力为：8.85*650/450＝12.78mpa
67.垂直主应力：650*2.66＝17.29mpa
68.对于上述的根据所述地应力特征，得到隧道开挖过程中所述目标岩爆段围岩二次应力分布，可进一步包括：
69.在有限元程序中建立计算模型，将所述隧道的巷道断面置于计算模型中，并为所述巷道断面预设形状；其中，所述巷道断面包括位于顶部、边墙、底部、岩体内部右侧和岩体内部顶部设立对应的观测点；
70.根据所述目标岩爆段围岩的埋深最大处的最大水平地应力值、最小水平主应力值和垂直主应力值，获取各个所述巷道断面的对各个观测点的二次应力分布模型。
71.参考图2-3，图2为本技术的一个实施例所提供的计算模型的立体示意图，图3为本技术的一个实施例所提供的计算模型的同一断面不同观测点的地应力示意图。
72.在本实施例中，该有限元程序为flac3d有限元程序，在该flac3d有限元程序内建立了尺寸为的50m
×
50m
×
30m的计算模型。将隧道的巷道断面置于该计算模型中心位置，并将该巷道断面设定为马蹄形。在计算模型的底部边界为固定位移约束，左右侧面、前后侧面和上表面施加一定的面压力荷载，荷载的大小取决于实际的地应力水平。设置最大水平应力与隧道轴线垂直。
73.参考图3所示，以隧道的巷道断面的顶部单元a、边墙单元b、底部单元c、岩体内部右侧单元e和顶部单元d作为观测点，分别提取水平应力、隧道轴向应力和垂直应力随开挖面推进的变化。各个观测点的受力示意图参考图4a-4d。其中，在本实施例中，每个开挖长度为3m。在本实施例中，在所述隧道上确定起始巷道断面，以所述起始巷道断面作为起点，获取等距开挖长度上的各个所述巷道断面的所有观测点的应力值。
74.图4a为本技术的一个实施例所提供的计算模型的一个断面的顶部围岩d处的应力立体示意图，图4b为本技术的一个实施例所提供的计算模型的一个断面的边墙围岩e处的应力立体示意图，图4c为本技术的一个实施例所提供的计算模型的一个断面的顶部单位a的应力立体示意图，图4d为本技术的一个实施例所提供的计算模型的一个断面的边墙单位b的应力立体示意图，图4e为本技术的一个实施例所提供的计算模型的一个断面的底部单位c的应力立体示意图。
75.如图4a-4b所示，当开挖面距离观测点较远时，无论是隧道顶部还是隧道侧面附近岩体三个方向上的应力受开挖影响较小，基本处于初始地应力状态。
76.对图4c-4e进行对比，当开挖面距离观测点较远时观测面附近岩体处于初始地应力状态，随着开挖面的继续向前推进，当开挖面前方距离观测面大约3米时，各观测点的应力状态开始出现变化。隧道的顶部和底部岩体的切向应力逐渐增大，径向应力逐渐减小至
0，轴向应力在开挖卸荷作用下出现了一定的波动并最终基本保持不变。巷道壁边墙岩体的三向应力均产生不同程度的减小，其中径向应力的减小幅度远大于切向应力的减小幅度。当开挖面后方距离超过观测面3-5米时，巷道围岩的应力状态经过调整后再次趋于稳定。
77.参考图5，图5为本技术的一个实施例所提供的计算模型的一个断面的顶部单位a、边墙单位b和底部单位c各自的垂直应力和水平应力的差值的应力立体示意图。
78.该图5中的应力变化趋势，是根据图4c-4e分别获取对应的顶部单位a、边墙单位b和底部单位c各自的垂直应力和水平应力的表示，得到垂直应力和水平应力的差值随开挖变化的趋势。
79.在图5中，随着开挖面向前推进，观测面隧道顶部单元和底部单元的应力差逐渐显著增大，而隧道边墙单元的应力差逐渐减小。表明巷道断面在这种地应力状态下，开挖前后巷道的顶部和底部围岩的切向应力加载至较高水平，径向应力卸载至零，其围岩从较均匀的三维应力状态逐渐分异演化为二维应力状态；而巷道边墙围岩在开挖后处于应力卸载区，应力集中程度较弱。
80.将上述所获取的应力值输入至该flac3d有限元程序内所建立的计算模型，形成观测点的应力值与对应的开挖深度的二次应力分布模型，从该二次应力分布模型中，得到隧道开挖卸载在围岩中产生的应力。该应力包括：
81.最大主应力：σ
max
＝37.22mpa
82.最大切向应力：σ
θ
＝27.73mpa
83.最大轴向应力：σ
l
＝11.41mpa
84.在上述实施例中，特征信息还包括：岩体强度，在此基础上，步骤s130可进一步包括：
85.根据所述二次应力分布信息，以及所述目标岩爆段围岩的岩体强度，得到对应的岩爆等级。
86.其中，该岩体强度包括岩石单轴抗压强度rc。
87.根据的岩爆预测的应力判据，获取各个应力判据所对应的岩爆等级，如表1所示。
88.表1 岩爆预测的应力判据
[0089][0090]
注：rc为岩石单轴抗压强度，σ
max
为最大主应力，σ
θ
为最大切向应力，σ
l
为轴向应力。
[0091]
针对目标岩爆段围岩，根据围岩的试样深度和试样的物理状态和岩石类型，得到该岩石单轴抗压强度rc。
[0092]
在本实施例中，该试样深度即为钻孔深度，即该试样深度为450m，岩石类型为花岗岩，试样的物理状态为饱和，因此对应的岩石单轴抗压强度rc＝50mpa。
[0093]
根据表1，从数值计算结果看，该目标岩爆段围岩在隧道埋深最大(650米)处的断面仅有陶振宇判据判定为具有弱岩爆危险性。
[0094]
所述特征信息为完整性特征时，所述获取岩爆段围岩的特征信息，包括：
[0095]
根据所述目标岩爆段围岩的岩石类型以及试样的物理状态，获取对应的饱和单轴抗压强度和干燥抗压强度，得到所述目标岩爆段围岩的隧道开挖位置整体的完整性特征。
[0096]
根据围岩的试样深度和试样的物理状态和岩石类型，还得到干燥抗压强度为130mpa，其对应的完整性特征为0.25-0.6之间，即完整性较差。
[0097]
在本实施例中，将上述实施例所获取的隧道围岩的二次应力分布信息加载至离散元软件所建立的包含裂隙网络的隧道开挖模型中，获得开挖卸载时围岩的微裂隙分布特征，根据该微裂隙分布特征预测开挖引起的围岩损伤程度。根据该围岩损伤程度计算采用上下台阶开挖的围岩微岩内微裂隙减少的定量效果，结合岩爆等级，确定现场预防岩爆的施工措施。
[0098]
确定现场预防岩爆的施工措施。在本实施例中，该离散元软件为pfc2d。
[0099]
基于步骤s140之后，本技术还可进一步包括：
[0100]
获取隧道的掌子面的微震信号，判别对应的岩爆等级；
[0101]
根据所述岩爆等级和所述岩爆等级，确定对应的现场预防岩爆的施工措施。
[0102]
对于在隧道的掌子面安装微震监测系统的传感器。该传感器可安装在孔深2.5m、孔径40mm、离地高度1.5m的钻孔中。在距离掌子面约70m处安装1排传感器，间隔30米分别安装两排传感器，随开挖每30m向前移动最后1排传感器，这样，监测设备紧跟掌子面掘进而移动，实现24h监测隧道施工过程中掌子面附近因岩体破裂而导致微震的信息。
[0103]
在本实施例中，利用微震信号的能量准则进行岩爆判别，原则上24小时内有效微震事件数量应达到20个，当各个等级能量范围内的微震事件数超过3个时，则认为会发生此等级的岩爆。对于的微震信号判别岩爆的能量准则如表2：
[0104]
表2 岩爆预测的应力判据
[0105][0106]
在开挖的过程中，以设定的第1天的掌子面位置为初始位置，以第12天的掌子面位置为结束位置。由于岩体处于三向应力平衡状态时发生微断裂非常少，而随着爆破开挖破坏初始应力场，应力开始转移调整导致大量微破裂产生，微震信号大量发生，微震信号密集位置总体上随掌子面的推进呈现出沿隧洞轴线不断推进的变化规律。当应力达到二次平衡
以后岩体中的微破裂减少，因此出现微震信号随掌子面推进不断前进的现象。
[0107]
将微震信号判别岩爆的能量准则判断结论与实际岩爆情况进行对比，若实际岩爆情况所发生的时间长度少于判断结论，且岩爆强度也少于或等于判断结论的岩爆强度，预测对应的岩爆等级低于判断结论对应的岩爆等级；若实际岩爆情况所发生的时间长度和/或岩爆强度等于/或高于判断结论的，则预测对应的岩爆等级高于判断结论对应的岩爆等级。
[0108]
通过微震信号判别得到的岩爆等级，以及通过目标岩爆段围岩二次应力分布所判别得到的岩爆等级进行对比，以等级高的岩爆等级作为目标岩爆段围岩的当前预测的岩爆等级，从而保证对应的现场预防岩爆的施工措施可以最大程度地加强预防岩爆的施工措施。
[0109]
对应的预防岩爆的施工措施，可根据岩爆的特征和相关性质将岩爆分为3个等级。弱岩爆,中等岩爆,强烈岩爆。3个等级中，弱岩爆对施工的影响极小，基本上不会对人员和机械造成威胁，实际施工时基本不用采取特殊措施进行处理；中等岩爆持续时间较长，对机械、施工人员的安全及心理造成严重影响，基于加固围岩的思想，目前常采用钢支撑和喷－锚－网(钢筋网)的整体支护方式对隧道中等岩爆区段进行支护，在施工过程中根据实际情况可能还要采用防护网等被动的临时支护措施；强烈岩爆极具危险性，在加强支护的同时还要采用多种辅助措施(如超前应力施工释放孔等)弱化围岩，降低岩爆发生的频率和能量。
[0110]
应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，附图的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
[0111]
以上描述仅为本技术的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本技术中所涉及的公开范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述公开构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本技术中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。