一种基于二氧化碳致裂爆破对强岩爆隧道围岩的分区破岩卸压方法与流程

1.本发明涉及隧道爆破的技术领域，具体地，涉及一种基于二氧化碳致裂爆破对强岩爆隧道围岩的分区破岩卸压方法。


背景技术：

2.目前，埋深超百米的长大隧道越来越多，高地应力地区隧道掘进施工成为世界性难题，其中最难突破的是岩爆问题。岩爆是地下工程开挖过程中在高地应力条件下，硬脆性围岩因开挖卸荷导致洞壁应力分异，储存于岩体中的弹性应变能突然释放的一种动力失稳地质灾害，已成为世界性的地下工程难题之一。
3.通常情况下，防治岩爆的具体措施包括主动应力卸压和被动加强支护。其中，爆破卸压法对地质条件适应性强，是一种有效的主动应力释放措施。然而，目前卸压爆破通常采用的方法：一是在隧道开挖区向四周围岩钻孔爆破，这种方式容易影响隧道围岩和支护结构的稳定性，具有一定的安全隐患；二是向掌子面正前方钻孔爆破，这种方式造成掌子面前方岩体破碎，导致下一循环钻孔容易出现卡钻现象，影响隧道施工进度和开挖质量，而且卸压爆破设计大多依赖于工程经验，缺乏理论指导；三是采用炸药爆破，炸药爆破能量大部分以冲击荷载的形式向外作用，对保留围岩的稳定性影响较大。因此，提出一种安全高效的超前深孔弱爆破岩爆防治方法，具有重要的实际价值。
4.二氧化碳致裂爆破主要应用液态二氧化碳受热气化膨胀，快速释放高压气体压裂岩石，具有岩体破碎裂隙大、对围岩的扰动小，破坏力小的特点，能在爆破卸压层形成一圈有效的破碎带，使得四周地应力重新分布，减小隧道周边围岩的地应力，从而降低岩爆发生的概率和强度。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中的缺陷，本发明提供了一种基于二氧化碳致裂爆破对强岩爆隧道围岩的分区破岩卸压方法。本发明不仅在施工期可以有效防治岩爆灾害，而且在运营期隧道结构也处于稳定状态，避免地应力集中对隧道结构的破坏及由此带来的安全问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种基于二氧化碳致裂爆破对强岩爆隧道围岩的分区破岩卸压方法，包括以下步骤：
7.(1)基于深部围岩的分区破裂化规律，确定二氧化碳卸压爆破参数；
8.(2)在掌子面开挖爆破孔钻孔完毕后，按设计参数沿掌子面斜向前方钻凿一圈卸压爆破孔；
9.(3)装填二氧化碳致裂管、填塞、联接起爆网路、起爆，与隧道钻爆工序同步进行；
10.(4)超前2～3个循环进行爆破卸压，使得掌子面当前循环始终处于低应力区。
11.优选的，所述卸压爆破参数中的卸压爆破孔的直径为60～90mm，具体取值应根据二氧化碳致裂管规格及现场钻孔机具型号确定。
12.在上述任一方案中优选的是，所述卸压爆破参数中的卸压爆破孔的孔距为相邻卸压爆破孔位置间的距离，数值范围为15～20倍的所述直径。
13.在上述任一方案中优选的是，所述卸压爆破参数中的卸压爆破孔的倾角可根据几何关系由承载圈厚度和卸压超前长度h计算得出：
[0014][0015]
其中θ—卸压爆破孔倾角，i—隧道发生分区破裂时，自开挖面往围岩深部出现的破裂区编号；ri—第i条破裂区距离隧道中心的半径；r0—隧道半径；为了达到爆破卸压目的的同时保证隧道周边围岩的完整性，爆破卸压区域应与隧道表面保持一定的距离，根据分区破裂化理论，将爆破卸压区域设定在围岩发生分区破裂时形成的第4和第5条破碎带内，形成双重卸压带对应力的传导进行阻隔。因此
[0016]
在上述任一方案中优选的是，所述卸压爆破参数中的卸压爆破孔的长度l可根据卸压超前长度h和炮孔倾角θ计算得到，计算公式：
[0017][0018]
在上述任一方案中优选的是，卸压爆破孔在隧道轴线的投影长度等于 2～3倍的爆破循环进尺，如此卸压爆破与掌子面掘进可以循环进行或间隔一个循环进行。
[0019]
在上述任一方案中优选的是，所述卸压爆破参数中的二氧化碳致裂管装填规格与孔径和装填的分区位置有关，致裂管的直径与孔径相匹配，在便于装填的同时尽量选大直径致裂管；采用发散状钻孔，随着孔延深，孔间距逐渐加大，因此，膨胀做功能量也要逐渐加大。第5条破碎带内装填致裂管长度l1＝2-3m，第4条破碎带内装填致裂管长度l2＝1.5-2m，根据地应力大小选取，地应力大取大值，反之取小值。
[0020]
在上述任一方案中优选的是，在第4和第5条破碎带内的二氧化碳致裂管之间间隔3.5～5m，卸压爆破孔内未装填二氧化碳致裂管段均做密实填塞，填塞材料采用能快速凝固又有一定强度的速凝水泥砂浆材料。
[0021]
在上述任一方案中优选的是，卸压爆破孔先于掌子面掘进孔100ms起爆，使卸压爆破影响范围内的岩体有足够的时间完成应力重分布，同时掌子面爆破的动荷载可以加大卸压裂隙的扩散范围，增加卸压效果。
[0022]
深埋隧道强岩爆地段采用二氧化碳致裂爆破方式释放地应力，首先基于深部围岩的分区破裂化规律，确定卸压爆破合理的卸压爆破参数，如钻孔直径、钻孔角度、钻孔长度、二氧化碳致裂管长度、填塞长度、起爆时差等，按设计参数钻凿爆破卸压孔，并在掌子面装药完成后，按设计参数完成卸压孔的装填、联网和起爆。卸压孔先于掌子面掘进孔100ms以上起爆，在围岩深部形成一圈破碎带，人为制造出一圈“柔性”防冲带，诱发围岩破裂化向深部转移，使卸压影响范围内的岩体储存的弹性能有效释放，从根本上达到防治岩爆的目的。
[0023]
本发明的有益效果为：
[0024]
1.本发明使用的二氧化碳致裂爆破具有使岩体内裂隙较发育且对围岩扰动小的特点，满足人为形成破碎带又保证围岩稳定的破岩卸压要求。
[0025]
2.本发明卸压影响范围广，卸压效果持续时间长，不仅在施工期可以有效防治岩爆灾害，而且在运营期隧道结构也处于稳定状态，避免地应力集中对隧道结构的破坏及由此带来的安全问题。
[0026]
3.本发明操作简便，现场适用强，可与正常钻爆施工工序同步进行；充分保护承载圈围岩体的整体性，以发挥其支撑能力，使卸压和支护协同作用。
[0027]
附图简要说明
[0028]
图1为根据本发明的基于二氧化碳致裂爆破对强岩爆隧道围岩的分区破岩卸压方法中的卸压爆破孔布置纵断面示意图；
[0029]
图2为根据本发明的基于二氧化碳致裂爆破对强岩爆隧道围岩的分区破岩卸压方法中的卸压爆破孔布置横断面示意图；
[0030]
图3为根据本发明的基于二氧化碳致裂爆破对强岩爆隧道围岩的分区破岩卸压方法中的卸压爆破孔装管和填塞结构示意图。
具体实施方式
[0031]
下面将结合本技术的具体实施方式和附图对本技术的技术方案进行详细的说明，但如下实施例仅是用以理解本发明，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，本技术可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
[0032]
实施例1
[0033]
参见图1-3，一种基于二氧化碳致裂爆破对强岩爆隧道围岩的分区破岩卸压方法，包括以下步骤：
[0034]
(1)基于深部围岩的分区破裂化规律，确定二氧化碳卸压爆破参数；
[0035]
(2)在掌子面开挖爆破孔钻孔完毕后，按设计参数沿掌子面斜向前方钻凿一圈卸压爆破孔；
[0036]
(3)装填二氧化碳致裂管、填塞、联接起爆网路、起爆，与隧道钻爆工序同步进行；
[0037]
(4)超前2个循环进行爆破卸压，使得掌子面当前循环始终处于低应力区。
[0038]
所述卸压爆破参数中的卸压爆破孔的直径为90mm，具体取值应根据二氧化碳致裂管规格及现场钻孔机具型号确定。
[0039]
所述卸压爆破参数中的卸压爆破孔的孔距为相邻卸压爆破孔位置间的距离，数值范围为15倍的所述直径。
[0040]
所述卸压爆破参数中的卸压爆破孔的倾角可根据几何关系由承载圈厚度和卸压超前长度h计算得出：
[0041][0042]
其中θ—卸压爆破孔倾角，i—隧道发生分区破裂时，自开挖面往围岩深部出现的破裂区编号；ri—第i条破裂区距离隧道中心的半径；r0—隧道半径；为了达到爆破卸压目的的同时保证隧道周边围岩的完整性，爆破卸压区域应与隧道表面保持一定的距离，根据分区破裂化理论，将爆破卸压区域设定在围岩发生分区破裂时形成的第4和第5条破碎带内，形成双重卸压带对应力的传导进行阻隔。因此
[0043]
所述卸压爆破参数中的卸压爆破孔的长度l可根据卸压超前长度h和炮孔倾角θ计算得到，计算公式：
[0044][0045]
卸压爆破孔在隧道轴线的投影长度等于3倍的爆破循环进尺，如此卸压爆破与掌子面掘进可以循环进行或间隔一个循环进行。
[0046]
所述卸压爆破参数中的二氧化碳致裂管装填规格与孔径和装填的分区位置有关，致裂管的直径与孔径相匹配，在便于装填的同时尽量选大直径致裂管；采用发散状钻孔，随着孔延深，孔间距逐渐加大，因此，膨胀做功能量也要逐渐加大。第5条破碎带内装填致裂管长度l1＝3m，第4条破碎带内装填致裂管长度l2＝1.5m，根据地应力大小选取，地应力大取大值，反之取小值。
[0047]
在第4和第5条破碎带内的二氧化碳致裂管之间间隔5m，卸压爆破孔内未装填二氧化碳致裂管段均做密实填塞，填塞材料采用能快速凝固又有一定强度的速凝水泥砂浆材料。
[0048]
卸压爆破孔先于掌子面掘进孔100ms起爆，使卸压爆破影响范围内的岩体有足够的时间完成应力重分布，同时掌子面爆破的动荷载可以加大卸压裂隙的扩散范围，增加卸压效果。
[0049]
实施例2
[0050]
参见图1-3，一种基于二氧化碳致裂爆破对强岩爆隧道围岩的分区破岩卸压方法，包括以下步骤：
[0051]
(1)基于深部围岩的分区破裂化规律，确定二氧化碳卸压爆破参数；
[0052]
(2)在掌子面开挖爆破孔钻孔完毕后，按设计参数沿掌子面斜向前方钻凿一圈卸压爆破孔；
[0053]
(3)装填二氧化碳致裂管、填塞、联接起爆网路、起爆，与隧道钻爆工序同步进行；
[0054]
(4)超前3个循环进行爆破卸压，使得掌子面当前循环始终处于低应力区。
[0055]
所述卸压爆破参数中的卸压爆破孔的直径为60mm，具体取值应根据二氧化碳致裂管规格及现场钻孔机具型号确定。
[0056]
所述卸压爆破参数中的卸压爆破孔的孔距为相邻卸压爆破孔位置间的距离，数值范围为20倍的所述直径。
[0057]
所述卸压爆破参数中的卸压爆破孔的倾角可根据几何关系由承载圈厚度和卸压超前长度h计算得出：
[0058][0059]
其中θ—卸压爆破孔倾角，i—隧道发生分区破裂时，自开挖面往围岩深部出现的破裂区编号；ri—第i条破裂区距离隧道中心的半径；r0—隧道半径；为了达到爆破卸压目的的同时保证隧道周边围岩的完整性，爆破卸压区域应与隧道表面保持一定的距离，根据分区破裂化理论，将爆破卸压区域设定在围岩发生分区破裂时形成的第4和第5条破碎带内，
形成双重卸压带对应力的传导进行阻隔。因此
[0060]
所述卸压爆破参数中的卸压爆破孔的长度l可根据卸压超前长度h和炮孔倾角θ计算得到，计算公式：
[0061][0062]
卸压爆破孔在隧道轴线的投影长度等于2倍的爆破循环进尺，如此卸压爆破与掌子面掘进可以循环进行或间隔一个循环进行。
[0063]
所述卸压爆破参数中的二氧化碳致裂管装填规格与孔径和装填的分区位置有关，致裂管的直径与孔径相匹配，在便于装填的同时尽量选大直径致裂管；采用发散状钻孔，随着孔延深，孔间距逐渐加大，因此，膨胀做功能量也要逐渐加大。第5条破碎带内装填致裂管长度l1＝2m，第4条破碎带内装填致裂管长度l2＝2m，根据地应力大小选取，地应力大取大值，反之取小值。
[0064]
在第4和第5条破碎带内的二氧化碳致裂管之间间隔3.5m，卸压爆破孔内未装填二氧化碳致裂管段均做密实填塞，填塞材料采用能快速凝固又有一定强度的速凝水泥砂浆材料。
[0065]
卸压爆破孔先于掌子面掘进孔100ms起爆，使卸压爆破影响范围内的岩体有足够的时间完成应力重分布，同时掌子面爆破的动荷载可以加大卸压裂隙的扩散范围，增加卸压效果。
[0066]
实施例3
[0067]
参见图1-3，一种基于二氧化碳致裂爆破对强岩爆隧道围岩的分区破岩卸压方法，包括以下步骤：
[0068]
(1)基于深部围岩的分区破裂化规律，确定二氧化碳卸压爆破参数；
[0069]
(2)在掌子面开挖爆破孔钻孔完毕后，按设计参数沿掌子面斜向前方钻凿一圈卸压爆破孔；
[0070]
(3)装填二氧化碳致裂管、填塞、联接起爆网路、起爆，与隧道钻爆工序同步进行；
[0071]
(4)超前3个循环进行爆破卸压，使得掌子面当前循环始终处于低应力区。
[0072]
所述卸压爆破参数中的卸压爆破孔的直径为76mm，具体取值应根据二氧化碳致裂管规格及现场钻孔机具型号确定。
[0073]
所述卸压爆破参数中的卸压爆破孔的孔距为相邻卸压爆破孔位置间的距离，为1.5m。
[0074]
所述卸压爆破参数中的卸压爆破孔的倾角可根据几何关系由承载圈厚度和卸压超前长度h计算得出：
[0075][0076]
其中θ—卸压爆破孔倾角，i—隧道发生分区破裂时，自开挖面往围岩深部出现的破裂区编号；ri—第i条破裂区距离隧道中心的半径；r0—隧道半径；为了达到爆破卸压目的的同时保证隧道周边围岩的完整性，爆破卸压区域应与隧道表面保持一定的距离，根据分区破裂化理论，将爆破卸压区域设定在围岩发生分区破裂时形成的第4和第5条破碎带内，
形成双重卸压带对应力的传导进行阻隔。因此承载圈保护层的厚度 h＝r
5-r0＝11m，卸压超前长度h取3倍爆破循环进尺，h＝9m，卸压爆破孔的倾角取倾角θ＝50
°
。
[0077]
所述卸压爆破参数中的卸压爆破孔的长度l可根据卸压超前长度h和炮孔倾角θ计算得到，计算公式：
[0078][0079]
卸压爆破孔的长度可由几何关系求得，在此取14m。
[0080]
卸压爆破孔在隧道轴线的投影长度等于3倍的爆破循环进尺，如此卸压爆破与掌子面掘进可以循环进行或间隔一个循环进行。
[0081]
所述卸压爆破参数中的二氧化碳致裂管装填规格与孔径和装填的分区位置有关，致裂管的直径与孔径相匹配，在便于装填的同时尽量选大直径致裂管；采用发散状钻孔，随着孔延深，孔间距逐渐加大，因此，膨胀做功能量也要逐渐加大。第5条破碎带内装填致裂管长度l1＝2.5m，第4条破碎带内装填致裂管长度l2＝2m，根据地应力大小选取，地应力大取大值，反之取小值。
[0082]
在第4和第5条破碎带内的二氧化碳致裂管之间间隔4m，卸压爆破孔内未装填二氧化碳致裂管段均做密实填塞，填塞材料采用能快速凝固又有一定强度的速凝水泥砂浆材料，孔口到前端装药段填塞长度5.5m。
[0083]
卸压爆破孔先于掌子面掘进孔100ms起爆，使卸压爆破影响范围内的岩体有足够的时间完成应力重分布，同时掌子面爆破的动荷载可以加大卸压裂隙的扩散范围，增加卸压效果。
[0084]
实施例4
[0085]
二氧化碳致裂管的外部管状结构上设有爆破泄能缝，所述外部管状结构的非爆破泄能缝处从外向内依次设置钢板、真空层、缓冲橡胶层和泄压层。
[0086]
所述缓冲橡胶层包括以下重量份的组分：天然橡胶20-25、聚苯乙烯丁二烯共聚物10-15、顺式-1,4-聚丁二烯橡胶15-20、聚氟乙烯8-10、密胺5-8、硬质碳黑12-15、四氢化硅3-5、苯二乙烯10-12、1,3-丁二烯10-15、1,2-亚乙基二醇8-12、坡缕缟石12-15、锡灰12-15、氧化铝3-4、硫1-2、氧化锌 12-18、硬皂8-10、n-苯基-n
’‑
环己基对苯二胺8-9、二丁基羟基甲苯8-10、二氧化硅12-15、重晶石8-10、晶形蜡5-8、沉淀碳酸钙3-5。
[0087]
所述缓冲橡胶层的制备方法为：
[0088]
(1)在密炼机中所述重量份加入天然橡胶、聚苯乙烯丁二烯共聚物、顺式-1,4-聚丁二烯橡胶、硬质碳黑、四氢化硅、坡缕缟石、锡灰、氧化铝、氧化锌、二氧化硅、重晶石、晶形蜡、沉淀碳酸钙，炼胶15-18分钟，保持密炼温度110-115℃，停放15-18小时；
[0089]
(2)在上述混炼胶中加入所述重量份的聚氟乙烯、密胺、1,3-丁二烯、 1,2-亚乙基二醇、硫、苯二乙烯、硬皂、二丁基羟基甲苯、n-苯基-n
’‑
环己基对苯二胺，薄通7-8遍，混炼
3-5分钟，混炼温度控制：密炼机排料≤ 130-150℃，密炼出料后在开炼机上返胶混炼3-5分钟，然后在压片机上压成成品。
[0090] 硬度拉伸强度扯断伸长率断裂强度本实施例橡胶层8023mpa00％22mpa现有技术橡胶层6016mpa450％710mpa
[0091]
所述缓冲橡胶层的力学性能、疲劳性能、耐老化等性能强，抗瞬间冲击的能力很强，可以有效防爆。
[0092]
所述泄压层为闭孔聚氨基甲酸酯材料，所述闭孔聚氨基甲酸酯材料由六亚甲基二异氰酸酯、白料和铬粉制成；其中，白料的密度为230kg/m3，闭孔率为97％，铬粉的粒径为80μm，六亚甲基二异氰酸酯、白料和铬粉的重量比为：4:3:3。
[0093]
所述泄压层的孔隙中封有气体，在二氧化碳爆破的冲击下，泄压层被压缩，吸收爆破能量，衰减爆破冲击。
[0094]
本实施例的二氧化碳致裂管可以将二氧化碳相变瞬间产生的膨胀压力沿致裂管释放，避免了传统结构致裂管易从钻孔飞出伤人的问题；并且可以保证良好的爆破卸压效果。
[0095]
该实施例中的其它内容同实施例1。
[0096]
由上述多个实施例可知，本发明使用的二氧化碳致裂爆破具有使岩体内裂隙较发育且对围岩扰动小的特点，满足人为形成破碎带又保证围岩稳定的破岩卸压要求。
[0097]
本发明卸压影响范围广，卸压效果持续时间长，不仅在施工期可以有效防治岩爆灾害，而且在运营期隧道结构也处于稳定状态，避免地应力集中对隧道结构的破坏及由此带来的安全问题。
[0098]
本发明操作简便，现场适用强，可与正常钻爆施工工序同步进行；充分保护承载圈围岩体的整体性，以发挥其支撑能力，使卸压和支护协同作用。
[0099]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。