[发明专利]隧道掘进用防岩爆掌子面结构及防岩爆隧道掘进方法

说明书

技术领域

    本发明涉及一种隧道挖掘技术，尤其涉及一种隧道掘进用防岩爆掌子面结构及防岩爆隧道掘进方法。

背景技术

岩爆是一种突发性灾害，在隧道掘进过程中尤为常见；岩爆的破坏性极大，不仅会对开挖工作面造成严重破坏，而且会危及施工人员的生命安全、损坏工程设备；目前，如何在施工过程中有效避免岩爆灾害发生以及有效抵御岩爆灾害、保护施工人员生命安全的问题，已成为岩石地下工程和岩石力学领域中亟待解决的世界性难题。

现有技术中，对于岩爆的防治措施主要有喷水、超前应力解除爆破、喷射钢纤维混凝土以及挂柔性防护网等等；但在工程实践中，前述防护措施所起到的效果不是很理想。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种隧道掘进用防岩爆掌子面结构，包括隧道掘进过程中用于爆破、挖掘作业的掌子面，其创新之处在于：所述掌子面表面形状为球面或椭球面与地面相截所形成的异形面。

前述方案的原理是：岩爆灾害的发生主要取决于两个重要因素，其一是内因，即围岩体必须是高储能岩体，且其所受应力接近岩体强度；其二是外因，高储能岩体受到外加荷载的一次或多次触发；在隧道施工中，前述的外加荷载的主要表现即为隧道掘进爆破时的爆炸作用，当围岩体的内部应力与岩体强度之间的脆弱平衡被爆炸作用打破后，岩爆灾害就发生了；

现有技术中，在进行隧道掘进时，其掌子面结构一般为垂直于地面的平面，导致掌子面边沿存在棱曲线，掌子面周围的围岩体容易在棱曲线附近出现应力集中现象，使掌子面周围的围岩体上的部分区域存在很大的峰值应力，此时如果实施爆破，十分容易诱发岩爆。

采用本发明方案后，可以使掌子面附近的围岩体走势较为缓和、顺滑，掌子面上不存在棱曲线，从而有效避免围岩体的内部应力在掌子面周围出现应力集中现象，由于设置有超前段，除便于施工外，一定程度上还能提前释放掌子面上的应力，进一步，加大了有效自由临空面面积，减轻爆破对围岩的扰动损伤，最终提高围岩体对爆破扰动的抵抗力或承受力，大幅降低岩爆灾害的发生概率，并且，本发明的方案还可以在一定程度上起到与常用的“穹顶”结构相似的支撑作用，提高掌子面内侧围岩体的稳定性。

前述分析是着眼于本发明在防御岩爆灾害上的效果，除此之外，本发明还可以使掌子面周围围岩体的有效自由临空面面积大幅增大，从而起到提高爆破效率、降低单位位置炸药用量的效果，可供参考的如申请号为CN200810046140.7（名称：隧洞开挖中水平V形掌子面的应用方法）的发明专利申请，与之相比，本发明方案所获得的掌子面可供掘进作业使用的自由临空面面积更大，显然，在提高爆破效率方面，本发明的方案具有更好的效果，并且，本发明还同时具备防御岩爆灾害的效果。

在前述方案基础上，为了降低工程难度和作业复杂度，本发明还提出了如下的优选方案：所述掌子面采用球面与地面相截所形成的异形面时，球面的球心高度低于隧道高度的一半、高于地面；所述掌子面采用椭球面与地面相截所形成的异形面时，椭球面所在的椭球体的实轴与隧道掘进方向平行，且实轴的水平高度低于隧道高度的一半、高于地面。

与现有技术相同地，本发明在应用时通过在掌子面上设置爆破眼和掏槽眼来进行爆破掘进，基于本发明方案，爆破眼和掏槽眼可采用如下优选方案来设置：所述掌子面上设置有掏槽眼阵列和多个爆破眼；所述掌子面采用球面与地面相截所形成的异形面时，掏槽眼阵列的轴向中心线与隧道掘进方向平行且与所述球面的球心相交；所述掌子面采用椭球面与地面相截所形成的异形面时，掏槽眼阵列的轴向中心线与椭球面所在的椭球体的实轴重合；所述掌子面在隧道掘进方向上的投影形成一半球形的投影面；所述轴向中心线在投影面上的投影形成原点，多个爆破眼在投影面上以原点为圆心按环形阵列形式分布。其中，掏槽眼阵列可按3×3的矩形阵列形式布置；另外，爆破眼还可按其具体位置区分为辅助眼、附加眼和周边眼。

在前述方案的基础上，本发明还提出了一种防岩爆隧道掘进方法，包括：隧道掘进过程中，围岩体内存在岩爆隐患的区域与预设的隧道路径相互重叠的区段形成岩爆隐患段，预设的隧道路径上的其余区段形成普通隧道段，在普通隧道段的掘进过程中，采用常规手段进行掘进；常规手段进行掘进时，所采用的掌子面定义为常规掌子面；其不同之处在于：当隧道掘进至普通隧道段和岩爆隐患段的交界区域时，按如下方法进行掘进：

1）在常规掌子面上设置多个钻孔，多个钻孔分别形成掏槽眼阵列和爆破眼，多个钻孔的孔底所在的轮廓面形状为：球面或椭球面与地面相截所形成的异形面；