[发明专利]隧洞大变形的气压致裂高应力阻断方法

摘要

本发明涉及隧洞大变形的气压致裂高应力阻断方法及其装置，尤其适用于高地应力、深埋隧洞工程的围岩大变形防治。该方法包括：确定需进行大变形处理的隧洞区段、布孔、孔内空腔注浆封闭、脉冲气压压裂围岩。该方法通过气压压裂形成应力阻断层，促使隧洞围岩应力重新分布，降低高地应力隧洞围岩的应力，有效防治围岩大变形，而且脉冲气压比高压气压或水压压裂所需要的压力要低，可降低对设备的供压要求，减小设备体积，更有利于在狭小的隧洞空间开展施工作业，并且所用为清洁能源，无任何污染，节约能源，施工快捷，有利于提高施工速度，脉冲式气压也更利于压裂缝的贯通和碎屑的清除，成缝效果更好，能从根本上消除隧洞高地应力的危害。

主权项

1.隧洞大变形的气压致裂高应力阻断方法，采用脉冲气压压裂装置，包括压裂管路，压裂管路从上到下依次包括压裂区管路(2)、注浆区管路(6)和主管路(10)；压裂区管路(2)顶端封闭，管壁开孔压裂孔(1)；注浆区管路(6)两端分别有突出的圆形钢板(5)，所述的圆形钢板(5)直径大于注浆区管路(6)的直径，圆形钢板(5)边缘安装用热缩材料制作的热缩密封圈(4)，所述的热缩密封圈(4)一侧有凹槽，另外一侧为平面，热缩密封圈(4)凹槽卡在突出的圆形钢板(5)边缘上并与圆形钢板(5)紧密连接在一起，在注浆区管路(6)下端的圆形钢板(5)上预留的注浆孔(7)，接入注浆管(9)，注浆管(9)的另一端为注浆输入口(12)；压裂区管路(2)与注浆区管路(6)固定连接，注浆区管路(6)与主管路(10)通过第一螺纹口(8)连接，主管路(10)下端通过第二螺纹口(14)有脉冲气压输出设备(15)连接，主管路(10)下端设置一对凸出的边耳(13)；其特征在于，包括以下步骤：(1)运用地质勘查技术，定位需进行围岩大变形处置的区段，查明该区段的主应力方向，在开挖掌子面到达围岩大变形处置区段的起始点位置时，停止开挖掘进作业，进行初期支护后，开始钻孔作业；(2)第一圈孔的钻孔作业在距掌子面0.5D处开始，D为隧洞直径，沿隧洞径向钻孔，孔径为100mm，钻孔沿隧洞横截面呈闭合圆周形分布，钻孔深度和孔距按以下方式确定：以最大主应力方向为X轴方向，最小主应力方向为Y轴方向，建立如下椭圆：其中σ1为围岩最大主应力，σ3为围岩最小主应力，RC为围岩饱和单轴抗压强度；每个钻孔孔底位置按照在最大主应力处相邻孔深相差2m递减至最小主应力处相邻孔深相差0m，以椭圆圆周线为孔深基准线布置；钻孔按照从最大主应力处孔间距2m递增至最小主应力处孔间距4m的方式布孔；每个钻孔完成后用气枪清孔，清孔完成后把孔口严密堵塞，防止二次污染；(3)第一圈孔完成后，间隔3～5m，按同样的方法开始后面各圈的钻孔作业，钻孔作业和隧洞掘进作业按间距D交替进行，钻孔区的轴向范围超出围岩大变形处置区段终点位置0.5D时，停止钻孔，钻孔作业结束；(4)孔内空腔注浆封闭作业在每一圈钻孔结束后跟进进行；用所述的脉冲气压压裂装置作业，将压裂管路放入钻孔中，压裂管路顶端与钻孔底接触，安装固定完成后，开始向注浆区注入高强速凝水泥浆液，达到设定注浆量后，停止注浆，待达到要求强度后方可进行气压压裂作业；阻断区厚度从最大主应力方向的Dmax逐渐递减至最小主应力方向的Dmin，Dmax和Dmin可按下列公式确定：其中，Dmax为最大主应力方向阻断区厚度，Dmin为最小主应力方向阻断区厚度，K为围岩完整程度系数，PM为脉冲气压最大值，RC为围岩饱和单轴抗压强度；(5)注浆区达到要求强度后，将压裂管路与脉冲气压输出设备(15)连接，初始值设定为20MPa，并以5MPa/min的速率升压，达到使压裂区围岩压裂的强度后，停止加压，维持压力3min后，降低压力，关闭脉冲气压输出设备(15)，并断开与压裂管路的连接；一孔压裂完毕，间隔一孔，沿圆周顺时针或逆时针方向进行下一孔的压裂作业，直至此圈钻孔全部压裂完毕；(6)如果围岩应力达到则判定围岩应力处于极高应力，此时应进行第二层次的应力阻断圈的施工，施工程序与第一层次的应力阻断圈相同，钻孔底部定位的椭圆变更如下：其中σ1为围岩最大主应力，σ3为围岩最小主应力，RC为围岩饱和单轴抗压强度；(7)按照同样的方法，进行后面各圈的压裂作业，直至压裂区超出大变形区段终点位置0.5D，可不再进行钻孔压裂作业；至此，脉冲气压压裂围岩防治大变形施工作业完成。