[发明专利]利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的方法及系统

说明书

本发明涉及一种利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的方法及系统，通过水力压裂技术使得极硬的完整的岩体产生裂缝从而降低岩体完整度，根据地层条件设计掌子面的钻孔位置以及压裂顺序、钻杆伸出孔洞在掌子面上依次垂直打孔、通过封隔器将钻孔内待压裂段密封、向待压裂段泵入高压水并不断加大水压先使孔壁开裂后使裂缝扩展、裂缝扩张达到预定长度后停止加压并将封隔器连同其余压裂设备从钻孔中取出、隧道掘进机开始掘进。本发明降低了施工范围内岩体的完整性，减少了掘进时的刀具磨损，提高了掘进效率。

技术领域

本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一种利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的方法及系统。

背景技术

隧道掘进机又称TBM（Tunnel Boring Machine），是机、电、液、光、气等系统集成的工厂化流水线隧道施工装备，隧道掘进机掘进时，刀盘上刀具与掌子面直接接触破岩，刀具的检修和更换影响隧道施工的进程，同时，刀具消耗也是隧道掘进机施工成本中所占比例较大的项目之一。

刀具消耗一般用耗刀率来度量，即每米进尺的耗刀数或每 100m 进尺的耗刀数，刀圈是刀具中直接接触岩体进行破岩的部位,因此刀具消耗主要指刀圈的消耗，刀圈滚动破岩时，会逐渐磨损,直径变小，刀顶变宽，当磨损达到一定程度时，刀具因不能继续使用而失效，而岩体的强度越高，磨蚀性越大，刀具磨损越严重这一结论已经被许多研究所证实，因此，在极其坚硬、完整岩石地层中，每把新刀所能掘进的长度很短，需要频繁的停机检修和更换刀具，耗用工时并增加成本，造成隧道掘进机掘进效率低下。

影响隧道掘进机工作效率的主要地质因素为岩石的单轴抗压强度、岩石的硬度和耐磨性以及岩体结构面的发育程度（完整性），一般来说强度、硬度和耐磨性越高，TBM的工作效率越低，岩体越完整，TBM的工作效率越低，这一结论已经被大量的研究和工程实例所证实（例如， 王石春，1998.隧道掘进机与地质因素关系综述.世界隧道，(2):39-43以及 何发亮，谷明成，王石春，2002. TBM施工隧道围岩分级方法研究.岩石力学与工程学报，21（9）：1350-1354.）。

水力压裂技术是通过封隔器将钻孔待压裂段封隔起来，并向该孔段注入高压水，当水压超过一定值后，钻孔壁将发生开裂，孔壁发生初始开裂时所需水压可通过理论计算确定(参照文献: 蔡美峰，2013.岩石力学与工程.北京：科学出版社，126-130.)，钻孔壁发生初始开裂时的水压为由下式表示：

式中为垂直于钻孔平面内的最小主应力、为垂直于钻孔平面内的最大主应力、为岩石抗拉强度。当钻孔方向为一个主应力方向时，基于岩石为连续、均质和各向同性的假设，初始开裂发生在钻孔壁切向应力最小的部位、平行于最大主应力方向（如图1所示），但如果孔壁有天然的裂隙或节理存在，那么初始裂隙很可能发生在这些部位。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的方法及系统，利用水力压裂技术降低了施工范围内岩体的完整性，减少了掘进时的刀具磨损，提高了掘进效率。

本发明所采用的技术方案是：

一种利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的方法，通过水力压裂技术使得极硬的完整的岩体产生裂缝从而降低岩体完整度，包括步骤：

S1、在刀盘面的不同位置上预留孔洞，在孔洞内设置钻杆；

S2、根据地层条件设计掌子面的钻孔位置以及压裂顺序，地层条件包括应力条件和结构面条件；

S3、钻杆伸出孔洞在掌子面上依次垂直打孔直至完成所有钻孔，钻孔的深度和直径根据地层条件确定；