一种深埋高应力隧道应力解除爆破新方法与流程

本申请涉及岩石爆破领域，尤其涉及一种深埋高应力隧道应力解除爆破新方法。

背景技术：

1、岩爆是矿山、交通、水利等领域深埋高地应力隧道开挖过程常见的一种地质灾害。处于高地应力的岩体受开挖扰动导致其应力路径发生变化，高地应力突然得到释放并使围岩产生破坏，岩爆过程中往往伴随着岩石坍塌和抛掷现象，其主要特点是剧烈性和突然性。随着公路、铁路、水利隧道工程由丘陵走向深山，大埋深、构造复杂等地质环境越来越极端，高地应力区隧道工程建造面临了更为复杂的地质环境条件，当围岩满足岩爆发生条件时，岩爆灾害发生会对施工人员、设备产生严重危害，降低施工效率，增加安全风险。

2、为降低高地应力引发的岩爆风险，国内外众多学者对此进行大量研究，目前解除岩爆的方法主要有被动和主动两种，被动方法是提高围岩在高地应力环境下的自稳能力，多采用支护结构提高围岩抗冲击能力，如喷钢纤维混凝土、预应力锚杆等，但此方法多用于低岩爆等级情况；对于强岩爆等级情况需采用主动防治方法，该方法主要是降低围岩中能量集中水平，如优化开挖方法、应力解除爆破等，但实施技术难度较大。随着岩爆灾害对隧道工程建造安全的影响越来越突出，应力解除爆破成为主动防治岩爆的有效技术手段之一。该方法通过钻孔装药爆破方式改变围岩力学特性，使围岩局部刚度降低，通过爆破使围岩产生的松动可调整岩体内部能量分布状态，使应力集中区向深部转移，从而实现降压泄压的效果。

3、但传统应力解除爆破法多着眼于使用爆破能量对围岩应力集中区的岩体造成损伤或松动，局部释放应力，需要在常规钻爆开挖方案基础上重新钻孔，增加工作量，且轮廓线上钻孔一般为倾斜孔，操作难度较大，对周围岩体损伤范围较大。

技术实现思路

1、本申请提供一种深埋高应力隧道应力解除爆破新方法，旨在解决现有的应力解除爆破开挖方法工作量较大的问题。

2、本申请的技术方案是：

3、一种深埋高应力隧道应力解除爆破新方法，包括以下步骤：

4、s1，以隧道地应力现场测试手段得到初始地应力为基础，建立计算区域的三维地质模型，对计算区域全长范围内隧道轴线上的初始应力分布开展反演分析得出隧道高地应力区段，计算所述隧道高地应力区段的掌子面大主应力与隧道中线之间的夹角；

5、s2，在步骤s1中所确定的所述隧道高地应力区段的掌子面爆破开挖之前，在所述掌子面的中心预先布设一个大口径爆破空孔，并将所述大口径爆破空孔作为第一应力释放孔；

6、s3，在所述掌子面上布设炮孔，预设计所述炮孔的爆破参数；

7、s4，对步骤s1中所确定的大主应力方向的所述炮孔中的光爆孔的参数进行优化，并将优化之后的所述光爆孔作为第二应力释放孔；

8、s5，除步骤s4中所优化的所述炮孔中的光爆孔的参数外，将所述第二应力释放孔的其他爆破参数和其他所述炮孔的爆破参数均采用预设计炮孔爆破参数；根据所述第二应力释放孔优化后的爆破参数和预设计炮孔参数在所述掌子面上的钻孔和装药情况，对所述掌子面的炮孔进行联网，且在联网起爆时，将所述第二应力释放孔优先起爆。

9、作为本申请的一种技术方案，在步骤s1中，通过有限元软件flac3d建立计算区域的三维地质模型。

10、作为本申请的一种技术方案，在步骤s1中，根据计算区域全长范围内隧道轴线上的初始应力分布，通过以下公式计算所述掌子面的大主应力与所述隧道中线之间的夹角：

11、

12、

13、式中：σ1为大主应力值，σ3为小主应力值，σx为所述隧道轴线某点处的水平应力，σy为所述隧道轴线某点处的竖直应力，τx为所述隧道轴线某点处的剪切应力，α0为单元体主平面与水平方向之间的夹角；

14、由以下判断得到所述掌子面的大主应力与所述隧道中线之间的夹角：

15、当σx>σy时，α0为σx分别与两个主应力σ1、σ3中绝对值较大者之间的夹角，此时所述掌子面的大主应力与所述隧道中线之间的夹角β＝90°-α0；

16、当σx<σy时，α0为σx分别与两个主应力σ1、σ3中绝对值较小者之间的夹角，此时所述掌子面的大主应力与所述隧道中线之间的夹角β＝α0；

17、当σx＝σy时，α0＝45°，所述掌子面的大主应力方向由单元体主平面上的应力情况直观判定。

18、作为本申请的一种技术方案，在步骤s2中，在所述掌子面的中心预先布设一个500mm的所述大口径爆破空孔，且所述大口径爆破空孔与所述掌子面相垂直并垂直进入所述掌子面，所述大口径爆破空孔的孔深为循环进尺的3.5-4倍。

19、作为本申请的一种技术方案，在步骤s3中，根据以单响药量控制为核心的钻爆掘进方案在所述掌子面上布设所述炮孔。

20、作为本申请的一种技术方案，在步骤s3中，所述炮孔包括辅助孔、光爆孔。

21、作为本申请的一种技术方案，在步骤s4中，对大主应力方向的所述炮孔中的光爆孔的参数进行优化的过程包括：

22、将大主应力方向的所述光爆孔的孔深增至所述光爆孔的预设计孔深的2-2.5倍，并将大主应力方向的所述光爆孔的加长段的线装药密度增至所述光爆孔的预设计线装药密度的1.5倍。

23、作为本申请的一种技术方案，在步骤s4中，大主应力方向的所述光爆孔包括相邻两个光爆孔之间的中心连线与大主应力方向之间的夹角为60°～90°的光爆孔。

24、作为本申请的一种技术方案，在步骤s5中，采用掘进爆破联网法对所述掌子面的所述炮孔进行联网。

25、本申请的有益效果：

26、本申请提供了一种深埋高应力隧道应力解除爆破新方法，其在原来的掘进爆破方案的基础上，根据隧洞地应力分布特征，首先在高地应力区段预先布设第一应力释放孔，不仅为布设常规掘进方案炮孔时提供足够的临空面，减小工作量，同时能够提前释放应力，有效减小隧道施工过程中由于高地应力而产生的岩爆现象。同时，该方法通过隧道围岩的大主应力方向，利用常规掘进方案中位于大主应力方向的炮孔作为第二应力释放孔，可以减小工作量，加快施工进度，增加应力释放的可控性，降低围岩损伤范围，便于保护围岩稳定。此外，该方法中采用两种不同的第一应力释放孔、第二应力释放孔，一前一后，分别在隧道开挖前与开挖过程中进行应力释放，降低了整个隧道开挖全过程岩爆发生的可能。

技术特征：

1.一种深埋高应力隧道应力解除爆破新方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的深埋高应力隧道应力解除爆破新方法，其特征在于，在步骤s1中，通过有限元软件flac3d建立计算区域的三维地质模型。

3.根据权利要求1所述的深埋高应力隧道应力解除爆破新方法，其特征在于，在步骤s1中，根据计算区域全长范围内所述隧道轴线上的初始应力分布，通过以下公式计算所述掌子面的大主应力与所述隧道中线之间的夹角：

4.根据权利要求1所述的深埋高应力隧道应力解除爆破新方法，其特征在于，在步骤s2中，在所述掌子面的中心预先布设一个500mm的所述大口径爆破空孔，且所述大口径爆破空孔与所述掌子面相垂直并垂直进入所述掌子面，所述大口径爆破空孔的孔深为循环进尺的3.5-4倍。

5.根据权利要求1所述的深埋高应力隧道应力解除爆破新方法，其特征在于，在步骤s3中，根据以单响药量控制为核心的钻爆掘进方案在所述掌子面上布设所述炮孔。

6.根据权利要求1所述的深埋高应力隧道应力解除爆破新方法，其特征在于，在步骤s3中，所述炮孔包括辅助孔、光爆孔。

7.根据权利要求1所述的深埋高应力隧道应力解除爆破新方法，其特征在于，在步骤s4中，对大主应力方向的所述炮孔中的光爆孔的参数进行优化的过程包括：

8.根据权利要求1所述的深埋高应力隧道应力解除爆破新方法，其特征在于，在步骤s4中，大主应力方向的所述光爆孔包括相邻两个光爆孔之间的中心连线与大主应力方向之间的夹角为60°～90°的光爆孔。

9.根据权利要求1所述的深埋高应力隧道应力解除爆破新方法，其特征在于，在步骤s5中，采用掘进爆破联网法对所述掌子面的所述炮孔进行联网。

技术总结本申请提供一种深埋高应力隧道应力解除爆破新方法，其基于隧道工程地质勘察报告，采用数值模拟方法估算出隧道高地应力段，在高地应力段开挖前掌子面中心预先布设大口径爆破空孔作为第一应力释放孔；基于围岩初始地应力和开挖扰动应力场分布，确定掌子面大小主应力方向，对大主应力方向上的炮孔进行参数优化并将其作为第二应力释放孔，起爆时优先起爆。该方法降低了实际工程中由于隧道开挖高地应力突然释放致使围岩产生破坏的不良影响，可以减小工作量，加快施工进度，增加应力释放的可控性，降低围岩损伤范围，便于保护围岩稳定，最终实现岩爆发生率的大幅降低。技术研发人员：徐剑波,姜平,周子康,宋建军,罗学东,任若微,许文军,韩爱国受保护的技术使用者：中国一冶集团有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/18