[发明专利]一种利用NPR材料的隧道岩爆分级防治方法

说明书

本发明公开了一种利用NPR材料的隧道岩爆分级防治方法。针对弱岩爆区域，采用喷混凝土、钻设小孔径卸压孔、安装NPR锚杆及钢筋网的防治方案；针对中等岩爆区域，采用喷钢纤维混凝土、钻设大小孔径卸压孔、安装NPR锚杆/索及钢筋网、向锚索钻孔内注水、钻设掌子面卸压孔的防治方案；针对强岩爆区域，采用喷NPR钢纤维混凝土、钻设大小孔径卸压孔、铺设柔性缓冲层及钢筋网、安装NPR锚杆/索、架设NPR钢拱架、向锚索钻孔内注水、钻设掌子面卸压孔及掌子面爆破孔的防治方案；大小孔径卸压孔的存在，使得围岩沿隧道切向存在自由面，从而能够在压力作用下产生切向变形，并释放弹性应变能。向锚索钻孔内注水弱化隧道围岩内部岩体的强度，降低岩爆发生概率。

技术领域

本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一种利用NPR材料的隧道岩爆分级防治方法。

背景技术

随着人们对资源、能源及基础设施的需求日益增加，水工、矿山、公路、铁路等领域的地下工程均向深部发展。例如，锦屏二级水电站引水隧洞最大埋深达2525m，南非的Witwatersrand金矿开采深度已接近5000m，规划的川藏铁路含35座高埋深隧洞，最大埋深达2600m。随着地下工程深度的不断增加，工程灾害日趋增多，其中最重要的问题就是高地应力诱发的岩爆灾害。岩爆是地下工程中的一种特殊现象，具有围岩突然、猛烈地向开挖空间弹射、抛掷、喷出的特征，往往会造成严重的人身伤亡、设备损坏以及巨大的经济损失，已成为制约深部工程施工安全的关键性问题之一。

近几十年来，国内外学者在岩爆控制方面开展了大量的研究工作，提出了各种各样的岩爆控制技术。主要分为两类：第一类为围岩改性法。即通过改善围岩力学性质的方法来防治岩爆，如钻孔卸压、注水、松动爆破等；第二类为围岩加固法。即通过加固巷道围岩的方法来防治岩爆，如喷射混凝土、锚网支护、注浆加固以及架设钢拱架等。围岩改性法能够在一定程度上降低隧道围岩存储的弹性应变能从而降低岩爆发生的可能性，但是不能有效控制岩爆灾害的发生，也就不能在岩爆发生时对人员和设备起到保护作用；而围岩加固法多采用常规的支护材料进行围岩加固，不具备大变形特性，采用这些材料加固后的巷道围岩更容易集聚弹性应变能，不利于岩爆的预防；并且这类材料在冲击载荷作用下容易发生突然断裂，从而导致支护失效，岩爆控制效果不理想。

如中国专利CN108518232A公开了一种对应不同岩爆烈度等级的单线铁路隧道防岩爆支护方法，分别针对轻微岩爆、中等岩爆和强烈岩爆下单线铁路隧道采用不同的支护方法；轻微岩爆段采用岩面喷洒高压水、初喷混凝土、设置砂浆锚杆和钢筋网支护；中等岩爆段，采用岩面喷洒高压水、初喷钢纤维混凝土、设置涨壳式预应力中空锚杆和钢筋网支护；强烈岩爆段采用设置超前预应力释放孔和超前锚杆、岩面喷洒并注入高压水、初喷钢纤维混凝土、设置涨壳式预应力中空锚杆及钢筋网和架设钢拱架支护；该专利根据不同的岩爆烈度等级，系统的提出了针对单线铁路隧道防岩爆的支护方法。但是所使用的支护材料均为常规的锚杆、锚索，不具备大变形特性，当岩爆发生时，常规的支护材料在冲击荷载作用下容易发生断裂；此外，当隧道开挖完成后喷射混凝土进行早期支护，混凝土覆盖于隧道围岩表面，导致高压喷水软化效果不明显，岩爆控制效果不理想。

现有的隧道岩爆防控方法主要采用基于常规材料的锚杆、锚索和钢筋网等进行组合支护。除此之外，一些具有吸能作用的锚杆也逐渐应用于隧道岩爆防控。如中国专利CN112983470A公开了一种软岩隧道TBM支护系统和支护方法，管片中部设有通孔，通孔中均设有NPR锚固件，其对围岩进行锚固约束，形成强大的NPR锚固件和管片组合为核心的临时支护系统。支护方法具体如下：第一步：掌子面掘进后在隧道壁面铺设钢筋网；第二步：在钢筋网上将管片拼装成环形管道；第三步：在管片的通孔中安装NPR锚固件；第四步，待围岩稳定后拆除管片，进行二次衬砌的施工。围岩发生大变形释放围岩变形能的同时，NPR锚杆和/或NPR锚索发生结构大变形，提供一定的围岩变形空间，且依然保持高恒阻力，这个过程中将吸收大量的围岩变形能。但是上述支护系统中缺乏对隧道围岩的有效卸压措施，锚杆和/或锚索吸收能量有限，不能实现能量的缓慢释放，容易造成隧道围岩能量的集聚从而导致岩爆的发生。因此，急需一种兼顾卸压、支护和软化的一体化隧道岩爆防治方法，从而解决现有技术防控效果不理想的问题，实现对隧道岩爆的有效防控。