CN109630130A - 一种基于施工导洞的隧洞主动防控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于施工导洞的隧洞主动防控方法，其基于施工导洞，将开挖导洞自身形成的分层破裂带内部岩体松散化并填充柔性材料，使其内部松散程度提高，从而提高分层破裂带消除应力的能力，极大削弱或阻断地应力及地震波强度，保护主隧洞安全稳定。分区破裂带内的压力盒能实时监测分区破裂带中压力大小，当压力达到与传至分区破裂带的地应力相近时，说明分区破裂带内部应力饱和，此时再击碎、抽吸其内部碎裂岩块并填充柔性材料，始终维持分区破裂带内部松软，可长期发挥其形成应力屏障的作用，从而长期保证主隧洞安全稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于施工导洞的隧洞主动防控方法，适用于隧道开挖工程应用范围。
背景技术
随着水电工程及地下工程的不断发展，隧道建设正在朝着大跨度、大埋深的方向发展，尤其是在高山峡谷地区的深埋隧洞中，地质构造复杂，地应力水平较高，高地温、涌水等地质灾害的风险进一步加大，其中以高地应力区岩爆灾害尤为突出。在施工过程中这些灾害的发生难以预测，严重威胁作业人员及施工设备的安全，制约施工进度。
目前世界范围内，针对这些灾害的防治多采用锚杆支护、喷混凝土、钢筋网加喷混凝土以及注水软化等被动防治方法。工程实践证明，这些方法对于防治烈度等级较低的灾害具有一定的效果，但上述方法较大程度的增加了工程量，耗费过多人力物力，影响施工进度，有时难以达到满意的效果，而且施工过程非常危险，被证明是被动的、消极的和非治本的。
现有隧洞主动防治措施，也有超前使用应力解除的方法，比如专利“CN107165638A、CN104482718A”等，虽然采用应力解除法维护隧道稳定安全，但是多采用钻爆掘进，利用炸药的爆破能量来设置应力解除孔，这些方法虽然能达到一定效果，但是应力解除范围小，施工量大，而且很难保证施工人员安全及围岩稳定。本发明是利用施工导洞（6）本身作为应力解除区，将高地应力通过施工导洞（6）及其分区破碎区极大削弱或阻断，既能达到保证主隧洞稳定安全的目的，又不会增加工程施工量。
发明内容
本发明专利所要解决的技术问题是提供一种基于施工导洞的隧洞主动防控方法，可解决在施工导洞作为超前导洞进行隧道超前地质预测预报的情况下，也可作为应力屏蔽区，为主体周边提供应力消散场所，大幅度提高主隧洞开挖区安全稳定，并且节约了工程成本。
为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种基于施工导洞的隧洞主动防控方法，包括以下步骤：
步骤1：通过传统方法获得高地应力区域最大地应力的大小及方向，从而确定施工导洞的开挖方向，施工导洞开挖长度根据工程实际情况而定；
步骤2：开挖施工导洞前，采用有限元数值模拟方法，模拟高地应力区域开挖后受力状况，从而确定施工导洞与主隧洞的最小允许距离D，以及施工导洞开挖时分区破裂带位置；
步骤3：找到分区破裂带位置后，通过有限元数值模拟方法确定该分区破裂带不影响到施工导洞稳定性的上部最适安全距离L 1 ，分区破裂带的长度L 2及宽度L 3 ；
步骤4：确定分区破裂带的区域后，便采用传统方法沿着垂直于最大地应力的方向，开始开挖施工导洞并做好支护措施以保证施工导洞安全，然后利用事先通过数值模拟确定的分区破裂带区域，围绕分区破裂带并沿着施工导洞上部，以d为间隔距离，运用机械钻孔穿过分区破裂带，并在钻孔通道内放置钢管；
步骤5：先将水管通过钢管到分区破裂带，向内灌水使分区破裂带区域的岩体软化，再运用带有击碎岩体钻头的旋转打孔机，通过钢管通道使钻头到达分区破裂带，运行旋转打孔机击碎分区破裂带区域的岩体，使该分区破裂带的岩体更破碎，最后利用抽吸装置吸走分区破碎带内部分岩体；
步骤6：抽吸岩体完成后，利用传送设备通过钢管将陶粒、海绵碎屑或泡沫柔性材料填充到分区破裂带中，填充完成后，利用内窥镜将压力盒安放在分区破裂带合适位置，并将压力盒导线牵引至施工导洞外；
步骤7：安放压力盒后，关闭钢管上的封盖，然后将压力盒导线连接洞外压力采集系统实时监测分区破裂带压力值，当压力达到一定值时便重复步骤5-6，最终使分区破裂带内部长期保持松软，当地应力或地震波穿过分区破裂带时，应力极大削弱甚至完全屏蔽，使分区破裂带充当应力屏蔽区，从而保护主隧洞开挖时免受地应力的影响和保障主隧洞的稳定性。
所述步骤1中施工导洞的开挖方向与最大主应力σ1方向成一定夹角ψ，ψ取值在0°~60°之间，使最大主应力σ1作用到施工导洞方向的力为σ1 sinψ，减弱最大主应力作用到施工导洞方向的力。
所述步骤2中运用有限元分析软件，根据实际施工导洞和主隧洞尺寸建立模型，模拟高地应力区域开挖后受力状况，并依据当地地质报告施加最大地震波强度，最终根据在该条件下形成的变形量和塑性区面积贯通与否，确定施工导洞与主隧洞的最小允许距离Dm。
所述步骤3中具体方法为，依据步骤2中数值模拟地震和高地应力条件下得到的施工导洞塑性区图，找到开挖施工导洞时本身形成分区破碎带位置，并计算出其长度和宽度，同时计算出分区破裂带不影响施工导洞稳定性的上部最适安全距离L 1。
所述步骤4中钢管组成包括：固定螺栓、钢片和封口盖子；所述钢片焊接在钢管上，并且钢片上加工有对穿孔，封口盖子通过固定螺栓穿过钢片的对穿孔固定，并对钢管进行封口。
所述钢管的长度为L 1，内径r为60mm≤r≤90mm。
所述步骤5中钻头采用扩孔钻头，随着钻孔机转速的提高，增大钻头的直径，使击碎岩体的范围增大，最大化的击碎分区破裂带岩体，使其内岩体松散，并低于高地应力和地震波强度。
所述步骤6中陶粒、海绵碎屑或泡沫柔性材料填充到分区破裂带中形成应力屏蔽区，阻断地应力或地震波强度传至主隧洞，保障主隧洞稳定性。
所述步骤7中压力盒安放置分区破裂带合适位置，导线通过钢管引出施工到洞外并连接压力采集系统，实时监测分区破裂带中压力大小，当压力达到与传至分区破碎带的地应力σ1 sinψ相近时，说明分区破裂带内部应力饱和，此时重复步骤5-6，保证分区破裂带内部松软，可长期发挥其形成应力屏蔽区的作用，从而长期保证主隧洞安全稳定。
本发明有如下有益效果：
1、本发明基于施工导洞，将开挖导洞自身形成的分层破裂带内部岩体松散化并填充柔性材料，使其内部松散程度提高，从而提高分层破裂带消除应力的能力，极大削弱或阻断地应力及地震波强度，保护主隧洞安全稳定。
2、分区破裂带内的压力盒能实时监测分区破裂带中压力大小，当压力达到与传至分区破裂带的地应力相近时，说明分区破裂带内部应力饱和，此时再击碎、抽吸其内部碎裂岩块并填充柔性材料，始终维持分区破裂带内部松软，可长期发挥其形成应力屏障的作用，从而长期保证主隧洞安全稳定。
3、本发明方法操作简单，利用施工导洞本身及其开挖形成的分区破裂带充当应力屏蔽区，这样便形成多重应力消散区，最大限度的削弱围岩应力及地震波，而且极大减小为防止主隧洞免受高地应力后地震影响而增加主隧洞支护措施的成本，而且当无施工导洞时，运用本发明方法可使主隧洞自身的分区破裂带充当应力屏蔽区，保证隧洞稳定性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1整体示意图。
图2 钢管大样图。
图中：1岩土体，2应力屏蔽区，3抽吸装置，4压力采集系统，5钢管，6施工导洞，7主隧洞，8分区破裂带，9压力盒，10最大主应力σ1，11封口盖子，12固定螺栓，13钢片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
请参阅图1-2，一种基于施工导洞的隧洞主动防控方法，包括以下步骤：
步骤1：通过传统方法获得高地应力区域最大地应力的大小及方向，从而确定施工导洞6的开挖方向，施工导洞6开挖长度根据工程实际情况而定；
步骤2：开挖施工导洞6前，采用有限元数值模拟方法，模拟高地应力区域开挖后受力状况，从而确定施工导洞6与主隧洞的最小允许距离D，以及施工导洞6开挖时分区破裂带8位置；
步骤3：找到分区破裂带8位置后，通过有限元数值模拟方法确定该分区破裂带不影响到施工导洞6稳定性的上部最适安全距离L 1 ，分区破裂带的长度L 2及宽度L 3 ；
步骤4：确定分区破裂带8的区域后，便采用传统方法沿着垂直于最大地应力的方向，开始开挖施工导洞6并做好支护措施以保证施工导洞6安全，然后利用事先通过数值模拟确定的分区破裂带8区域，围绕分区破裂带8并沿着施工导洞6上部，以d为间隔距离，运用机械钻孔穿过分区破裂带，并在钻孔通道内放置钢管5；
步骤5：先将水管通过钢管5到分区破裂带8，向内灌水使分区破裂带8区域的岩体软化，再运用带有击碎岩体钻头的旋转打孔机，通过钢管5通道使钻头到达分区破裂带8，运行旋转打孔机击碎分区破裂带8区域的岩体，使该分区破裂带8的岩体更破碎，最后利用抽吸装置3吸走分区破碎带内部分岩体；
步骤6：抽吸岩体完成后，利用传送设备通过钢管5将陶粒、海绵碎屑或泡沫柔性材料填充到分区破裂带8中，填充完成后，利用内窥镜将压力盒9安放在分区破裂带8合适位置，并将压力盒9导线牵引至施工导洞6外；
步骤7：安放压力盒9后，关闭钢管5上的封盖，然后将压力盒9导线连接洞外压力采集系统4实时监测分区破裂带8压力值，当压力达到一定值时便重复步骤5-6，最终使分区破裂带8内部长期保持松软，当地应力或地震波穿过分区破裂带8时，应力极大削弱甚至完全屏蔽，使分区破裂带8充当应力屏蔽区，从而保护主隧洞开挖时免受地应力的影响和保障主隧洞的稳定性。
进一步的，所述步骤1中施工导洞6的开挖方向与最大主应力σ110方向成一定夹角ψ，ψ取值在0°~60°之间，使最大主应力σ110作用到施工导洞6方向的力为σ1 sinψ，减弱最大主应力作用到施工导洞6方向的力。
进一步的，所述步骤2中运用有限元分析软件，根据实际施工导洞6和主隧洞尺寸建立模型，模拟高地应力区域开挖后受力状况，并依据当地地质报告施加最大地震波强度，最终根据在该条件下形成的变形量和塑性区面积贯通与否，确定施工导洞6与主隧洞的最小允许距离Dm。
进一步的，所述步骤3中具体方法为，依据步骤2中数值模拟地震和高地应力条件下得到的施工导洞6塑性区图，找到开挖施工导洞6时本身形成分区破碎带位置，并计算出其长度和宽度，同时计算出分区破裂带8不影响施工导洞6稳定性的上部最适安全距离L 1。
进一步的，所述步骤4中钢管5组成包括：固定螺栓12、钢片13和封口盖子11；所述钢片13焊接在钢管5上，并且钢片上加工有对穿孔，封口盖子11通过固定螺栓12穿过钢片13的对穿孔固定，并对钢管5进行封口。
进一步的，所述钢管5的长度为L 1，内径r为60mm≤r≤90mm。
进一步的，所述步骤5中钻头采用扩孔钻头，随着钻孔机转速的提高，增大钻头的直径，使击碎岩体的范围增大，最大化的击碎分区破裂带8岩体，使其内岩体松散，并低于高地应力和地震波强度。
进一步的，所述步骤6中陶粒、海绵碎屑或泡沫柔性材料填充到分区破裂带8中形成应力屏蔽区2，阻断地应力或地震波强度传至主隧洞，保障主隧洞稳定性。
进一步的，所述步骤7中压力盒9安放置分区破裂带8合适位置，导线通过钢管5引出施工到洞外并连接压力采集系统4，实时监测分区破裂带8中压力大小，当压力达到与传至分区破碎带的地应力σ1 sinψ相近时，说明分区破裂带8内部应力饱和，此时重复步骤5-6，保证分区破裂带8内部松软，可长期发挥其形成应力屏蔽区的作用，从而长期保证主隧洞安全稳定。
实施例2：
一种基于施工导洞的隧洞主动防控方法，包括以下步骤：步骤1：通过传统方法获得高地应力区域最大地应力的大小及方向，从而确定施工导洞的开挖方向，施工导洞开挖长度根据工程实际情况而定。
步骤2：开挖施工导洞前，采用有限元数值模拟方法，模拟高地应力区域开挖后受力状况，从而确定施工导洞与主隧洞的最小允许距离60-70 m，以及施工导洞开挖时分区破裂带位置。
步骤3：找到分区破裂带位置后，通过有限元数值模拟方法可以确定该分区破裂带不影响到施工导洞稳定性的上部最适安全距离10-15 m，还可以知道分区破裂带的长度L 2 m及宽度L 3m。
步骤4：确定分区破裂带的区域后，便采用传统方法沿着垂直于最大地应力的方向，开始开挖施工导洞并做好支护措施以保证施工导洞安全，然后利用事先通过数值模拟确定的分区破裂带区域，围绕分区破裂带并沿着施工导洞上部，以4-5 m为间隔距离，运用机械钻孔穿过分区破裂带，并在钻孔通道内放置高强钢管。
步骤5：先将水管通过钢管到达分区破裂带，向内灌水使分区破裂带区域的岩体软化，再运用带有击碎岩体钻头的旋转打孔机，通过钢管通道使钻头到达分层破碎带，运行旋转打孔机击碎分区破裂带区域的岩体，使该分区破裂带的岩体更破碎，最后利用抽吸装置吸走分区破裂带内部分岩体。
步骤6：抽吸岩体完成后，利用传送设备通过钢管将陶粒、海绵碎屑或泡沫等柔性材料填充到分区破裂带中，填充完成后，利用内窥镜将压力盒安放在分区破裂带合适位置，并将压力盒导线牵引至施工导洞外。
步骤7：安放压力盒后，关闭钢管上的封盖，然后将压力盒导线连接洞外压力采集系统实时监测分区破裂带压力值，当压力达到一定值时便重复步骤5-6，最终使分层破碎带内部长期保持松软，这样当地应力或地震波穿过分层破碎带时，应力极大削弱甚至完全屏蔽，使分层破裂带充当应力屏蔽区，从而保护主隧洞开挖时免受地应力的影响和保障主隧洞的稳定性。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于施工导洞的隧洞主动防控方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：通过传统方法获得高地应力区域最大地应力的大小及方向，从而确定施工导洞（6）的开挖方向，施工导洞（6）开挖长度根据工程实际情况而定；
步骤2：开挖施工导洞（6）前，采用有限元数值模拟方法，模拟高地应力区域开挖后受力状况，从而确定施工导洞（6）与主隧洞的最小允许距离D，以及施工导洞（6）开挖时分区破裂带（8）位置；
步骤3：找到分区破裂带（8）位置后，通过有限元数值模拟方法确定该分区破裂带不影响到施工导洞（6）稳定性的上部最适安全距离L 1 ，分区破裂带的长度L 2及宽度L 3 ；
步骤4：确定分区破裂带（8）的区域后，便采用传统方法沿着垂直于最大地应力的方向，开始开挖施工导洞（6）并做好支护措施以保证施工导洞（6）安全，然后利用事先通过数值模拟确定的分区破裂带（8）区域，围绕分区破裂带（8）并沿着施工导洞（6）上部，以d为间隔距离，运用机械钻孔穿过分区破裂带，并在钻孔通道内放置钢管（5）；
步骤5：先将水管通过钢管（5）到分区破裂带（8），向内灌水使分区破裂带（8）区域的岩体软化，再运用带有击碎岩体钻头的旋转打孔机，通过钢管（5）通道使钻头到达分区破裂带（8），运行旋转打孔机击碎分区破裂带（8）区域的岩体，使该分区破裂带（8）的岩体更破碎，最后利用抽吸装置（3）吸走分区破碎带内部分岩体；
步骤6：抽吸岩体完成后，利用传送设备通过钢管（5）将陶粒、海绵碎屑或泡沫柔性材料填充到分区破裂带（8）中，填充完成后，利用内窥镜将压力盒（9）安放在分区破裂带（8）合适位置，并将压力盒（9）导线牵引至施工导洞（6）外；
步骤7：安放压力盒（9）后，关闭钢管（5）上的封盖，然后将压力盒（9）导线连接洞外压力采集系统（4）实时监测分区破裂带（8）压力值，当压力达到一定值时便重复步骤5-6，最终使分区破裂带（8）内部长期保持松软，当地应力或地震波穿过分区破裂带（8）时，应力极大削弱甚至完全屏蔽，使分区破裂带（8）充当应力屏蔽区，从而保护主隧洞开挖时免受地应力的影响和保障主隧洞的稳定性。
2.根据权利要求1所述的一种基于施工导洞的隧洞主动防控方法，其特征在于：所述步骤1中施工导洞（6）的开挖方向与最大主应力σ1（10）方向成一定夹角ψ，ψ取值在0°~60°之间，使最大主应力σ1（10）作用到施工导洞（6）方向的力为σ1 sinψ，减弱最大主应力作用到施工导洞（6）方向的力。
3.根据权利要求1所述的一种基于施工导洞的隧洞主动防控方法，其特征在于：所述步骤2中运用有限元分析软件，根据实际施工导洞（6）和主隧洞尺寸建立模型，模拟高地应力区域开挖后受力状况，并依据当地地质报告施加最大地震波强度，最终根据在该条件下形成的变形量和塑性区面积贯通与否，确定施工导洞（6）与主隧洞的最小允许距离Dm。
4.根据权利要求1所述的一种基于施工导洞的隧洞主动防控方法，其特征在于：所述步骤3中具体方法为，依据步骤2中数值模拟地震和高地应力条件下得到的施工导洞（6）塑性区图，找到开挖施工导洞（6）时本身形成分区破碎带位置，并计算出其长度和宽度，同时计算出分区破裂带（8）不影响施工导洞（6）稳定性的上部最适安全距离L 1。
5.根据权利要求1所述的一种基于施工导洞的隧洞主动防控方法，其特征在于：所述步骤4中钢管（5）组成包括：固定螺栓（12）、钢片（13）和封口盖子（11）；所述钢片（13）焊接在钢管（5）上，并且钢片上加工有对穿孔，封口盖子（11）通过固定螺栓（12）穿过钢片（13）的对穿孔固定，并对钢管（5）进行封口。
6.根据权利要求1或5所述的一种基于施工导洞的隧洞主动防控方法，其特征在于：所述钢管（5）的长度为L 1，内径r为60mm≤r≤90mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于施工导洞的隧洞主动防控方法，其特征在于：所述步骤5中钻头采用扩孔钻头，随着钻孔机转速的提高，增大钻头的直径，使击碎岩体的范围增大，最大化的击碎分区破裂带（8）岩体，使其内岩体松散，并低于高地应力和地震波强度。
8.根据权利要求1所述的一种基于施工导洞的隧洞主动防控方法，其特征在于：所述步骤6中陶粒、海绵碎屑或泡沫柔性材料填充到分区破裂带（8）中形成应力屏蔽区（2），阻断地应力或地震波强度传至主隧洞，保障主隧洞稳定性。
9.根据权利要求1所述的一种基于施工导洞的隧洞主动防控方法，其特征在于：所述步骤7中压力盒（9）安放置分区破裂带（8）合适位置，导线通过钢管（5）引出施工到洞外并连接压力采集系统（4），实时监测分区破裂带（8）中压力大小，当压力达到与传至分区破碎带的地应力σ1 sinψ相近时，说明分区破裂带（8）内部应力饱和，此时重复步骤5-6，保证分区破裂带（8）内部松软，可长期发挥其形成应力屏蔽区的作用，从而长期保证主隧洞安全稳定。
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