[发明专利]一种降低深埋隧道穿越断层区域岩爆风险的开挖方法

说明书

技术领域

本发明涉及隧道施工领域，具体涉及一种降低深埋隧道穿越断层区域岩爆风险的开挖方法，适用于矿山、交通、水利水电等深埋硬岩隧道工程。

背景技术

岩爆是高应力环境中，在开挖或其他外界扰动下聚积在岩体中的弹性变形势能突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象，是一种复杂的动力地质灾害。它往往以“突然袭击”的方式，使地下工程发生灾害性破坏，不仅严重威胁施工人员及设备的安全，影响施工进度，而且还会造成地下工程超挖、初期支护失效，严重时甚至诱发地震，是深埋隧道工程的主要灾害之一。

许多工程实践表明，岩爆的发生与隧道掌子面穿越断层区域的方向密切相关。研究发现，由于断层破坏了隧道顶板岩体的连续性，当掌子面从下盘向断层推进时，断层影响范围内的隧道上覆岩层将发生移动，从而导致断层“活化”，致使岩体沿断层面发生剪切滑移并突然释放大量弹性变形能；另外，当掌子面靠近断层时，从下盘向断层推进引起的岩体运动较由上盘向断层推进引起的剧烈；再者，从上盘向断层推进过程中，断层面所受正应力有所增加，隧道顶部岩体形成砌体梁式或传递梁式平衡结构，使断层不易“活化”，只有当掌子面推进至断层面附近时，断层才开始“活化”。可见，在深埋隧道开挖过程中，下盘掌子面向断层推进时产生的岩爆灾害要高于上盘掌子面向断层推进过程产生的岩爆灾害，大量岩爆实录也充分说明了这一点。因此，在施工条件允许的条件下，应选择从上盘穿越断层区域的开挖方法，以便于有效地降低或避免隧道掌子面穿越断层时所引发的岩爆灾害。

一般地，为了加快施工进度，深埋长大隧道通常采取长洞短打的掘进方式，由此形成许多相向掘进的洞段，这为断层附近掌子面的掘进方向选择提供了条件。为了正确选择掌子面穿越断层的掘进方向，开挖前预先探测掌子面前方断层产状就显得尤为重要。目前，探测隧道掌子面前方断层的方法主要有超前地质预报如超前钻孔法、物探法（如TSP、地质雷达），由于这些方法每次探测需占用很长的施工时间，往往会影响隧道施工进度；而利用既能实时探测掌子面前方断层情况，又不影响施工进度的微震监测技术来及时确定掌子面穿越断层区域方向的开挖方法尚未见报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种降低深埋隧道穿越断层区域岩爆风险的开挖方法，降低或避免隧道掌子面穿越断层时所引发的岩爆灾害，确保隧道施工安全和加快工程施工进度。

一种降低深埋隧道穿越断层区域岩爆风险的开挖方法，包括以下步骤：

步骤1、分别在同一深埋隧道的两个相向掘进掌子面后方布置三排传感器，监测和采集岩石微破裂过程发出的微震波信号；开始监测时，最前排传感器距掌子面的距离为距离A，后一排与前一排传感器的距离为距离B；当最前排传感器与掌子面的距离达到距离A+距离B时，回收最后一排传感器并将其安装在距掌子面距离A处，随着掌子面的不断推进，重复这一操作，使传感器紧跟掌子面移动；整个监测过程中始终须保持不少于4个传感器处于工作状态；

步骤2、以深埋隧道里程桩号和测量基准点为基础，测量每个传感器安装位置的空间坐标；

步骤3、识别和提取岩石微破裂过程发出的微震波信号得到微震事件的微破裂位置；

步骤4、分析微震事件空间分布规律，当掌子面前方微震事件呈线状分布时，根据微震事件在隧道纵向剖视图上的展布方向判断断层产状；

步骤5、根据断层产状判断上盘掌子面和下盘掌子面，

当前方微震事件揭露断层产状的掌子面为上盘掌子面时，则由上盘掌子面穿越断层；

当前方微震事件揭露断层产状的掌子面为下盘掌子面时，则停止下盘掌子面掘进，改由上盘掌子单向掘进，并穿越断层，直到与停止掘进的下盘掌子面贯通为止。

如上所述的步骤1中布置传感器包括以下步骤：

靠近掌子面的为前排传感器，每排布置2个传感器，其中一个装在隧道边墙，另一个安装在隧道拱顶，后一排与前一排传感器在隧道底面投影上呈错开布置；在围岩完整、洞壁干燥区域布置用于安装传感器的锚杆，锚杆须穿过围岩松弛区并用水泥砂浆锚固剂固定，所有传感器采用可拆卸循环利用的方式安装在锚杆尾部。

如上所述的步骤3包括以下步骤：

步骤3.1、记录微震事件的观测到时，并建立如下微震波走时方程：