一种主动防治岩爆的超前支护方法技术领域
本发明属于隧道与地下洞室施工技术领域，特别涉及一种隧道及地下洞室施工中岩爆主动防治的超前支护方法，具体为一种主动防治岩爆的超前支护方法。
背景技术
岩爆是在硬脆完整岩体内，由于隧道或地下洞室埋深大或地壳运动在岩体中聚集了大量的应变能，形成很高的初始应力。施工过程中，聚集在岩体中的应变能突然释放，岩体发生猛烈的脆性失稳和弹射现象。它直接威胁施工人员和机具的安全，影响施工进度。采取有效措施避免岩爆发生，减弱岩爆强度，保护施工人员和机具的安全已成为岩石地下工程中亟待解决的主要难题。
隧道和地下洞室施工中的岩爆防治，目前国内外采取的方法大致可归纳为：（1）开挖前的应力解除法；（2）开挖过程中的岩爆控制法；（3）开挖后的支护措施法；（4）综合防治法。开挖前的应力解除法及开挖过程中的岩爆控制法，重点是通过在掌子面钻应力解除孔或在孔内装炸药，采用松动爆破、振动爆破等方法解除围岩的高应力状态，在开挖轮廓形成前主动防治岩爆。开挖后的支护措施和综合防治法，是在开挖轮廓形成后对围岩施作喷射混凝土、锚杆、拱架等对围岩进行支护，或采取其它安全防护措施对岩爆进行被动防治。实践表明，上述方法较难取得满意的效果。
目前主动防治岩爆的技术采用的都是应力解除法。即，开挖前在掌子面或其周边钻应力解除孔，或在孔洞内装炸药，采用爆破方式解除围岩的高应力状态，从而达到主动防治岩爆的目的。近年来在岩爆主动防治方面申请的专利，如申请号201010188993.1（名称：一种岩爆的主动防治方法）、申请号201410845626.2（名称：一种释放隧道高地应力岩爆破坏的超前双导洞施工方法）等采用的都是应力解除法，而不是本专利所述的超前支护方法。
现有防治岩爆的支护措施法，都是在开挖轮廓形成后对掌子面后方已开挖段围岩施作喷射混凝土、锚杆、拱架等进行支护，是一种被动防治岩爆的方法。这种方法只对支护完成后才可能发生的岩爆起防治作用。这种方法的围岩支护需在开挖、出碴结束后，安全的条件下进行。工程实践表明，大多数岩爆都发生在开挖后数小时之内，这一时段内由于正在出碴或正在发生岩爆，支护无法施作，所以，目前防治岩爆的开挖后再支护的方法并不适宜于地下洞室开挖后较短时间即发生岩爆的情况。
本发明的目的是：针对岩爆段开挖后再支护的不足，提供一种易于操作的、在开挖前即对围岩进行超前支护的岩爆主动防治方法。该方法在隧道或地下洞室开挖后便能及时控制岩爆，从而有效减少岩爆出现频次、减弱岩爆强度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种主动防治岩爆的超前支护方法，该方法易于操作，在隧道或地下洞室开挖后便能及时控制岩爆，从而有效减少岩爆出现频次、减弱岩爆强度。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种主动防治岩爆的超前支护方法，包括如下步骤，
步骤S1：分析判断岩爆可能出现部位；
步骤S2：由于大多数岩爆都是临空的、爆裂松脱岩板在高应力挤压下脆性折断后再弹射的，因此，针对步骤S1分析判断的岩爆可能出现部位，进行超前支护，从而减少岩板无支承段长度，同时将松脱岩板串起，提高岩板厚度，进而提高岩板抗折断的能力，避免或减弱岩爆。
在本发明一实施例中，所述步骤S2中，岩板抗折断的能力即岩板折断所需的与岩板厚度方向垂直的临界应力，该临界应力与岩板厚度成正比、与岩板无支承段长度的平方成反比。
在本发明一实施例中，所述步骤S1具体实现方式为：根据隧道或地下洞室所处区域的地应力最大主应力方向进行分析，若地应力最大主应力方向接近水平时，则判断拱顶至拱腰段可能出现岩爆；若地应力最大主应力方向接近垂直时，则判断边墙可能出现岩爆；若地应力最大主应力方向非上述两种方向时，则判断洞室轮廓线与地应力最大主应力方向相切的部位可能出现岩爆。
在本发明一实施例中，所述步骤S1具体实现方式为：对施工期间岩爆在开挖轮廓线上出现的部位进行统计，得出岩爆可能出现的部位。
在本发明一实施例中，所述超前支护的实施过程为：首先，根据步骤S1分析判断结果，在岩爆可能出现部位的开挖轮廓线外侧钻孔；其次，在所钻孔内，插入与钻孔直径相当的无缝钢管，并顶入钻孔中，如此即可提高岩板向临空面折断的临界应力，从而大幅减少临空的、爆裂松脱岩板的折断，进而避免或减弱岩爆。
在本发明一实施例中，所述钻孔的具体实现方式为：在掌子面处，通过钻孔机械在开挖轮廓线外侧10～20cm处，以外插角10～15°钻孔，孔深至少大于爆破进尺长1m，且孔与孔的中心距为30～50cm。
在本发明一实施例中，所述钢管的插入方式为：通过钻孔台车或风钻将钢管顶入钻孔中。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、现有的开挖后再支护的岩爆防治方法，只能对支护完成后才可能发生的岩爆起防治作用，无法对开挖～支护完成前这一时段内可能发生的岩爆起防治作用；工程实践表明，这一时段往往是岩爆出现频次最多、最集中的时段。本发明由于在开挖前即对可能出现岩爆的部位进行了针对性超前支护，因而在开挖后便能及时控制岩爆，克服了现有方法的不足，从而可有效减少岩爆频次和强度；
2、现有的开挖后再支护的方法属岩爆被动防治方法；本发明所述方法，开挖前即进行超前支护，属岩爆的主动防治方法；
3、很多岩爆都是在开挖后不久就发生，这时现场出碴往往还未结束；这种情况下，现有的开挖后再支护的方法，需停工待避（经常需停工待避几个小时），等岩爆结束后再出碴，出碴结束后再支护；停工待避对施工进度产生一定影响；本发明所述方法采用超前支护，在开挖后便能及时控制岩爆，克服了现有方法的不足，可消除或明显减少停工待避时间，加快施工进度；
4、本专利所述方法结合现场实际，无需特殊机具和材料，操作简单，实践证明是行之有效的岩爆防治方法。
附图说明
图1为本发明岩爆发生时折断的岩板示意图。
图2为本发明岩板脆性折断的力学模型示意图，图中t为岩板厚度，L为岩板临空（无支承段）长度，P为岩板受到的高挤压力。
图3为本发明拱顶单根钢管超前支护示意图。
图4为本发明超前支护现场施作示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明的一种主动防治岩爆的超前支护方法，包括如下步骤，
步骤S1：分析判断岩爆可能出现部位；
步骤S2：由于大多数岩爆都是临空的、爆裂松脱岩板在高应力挤压下脆性折断后再弹射的，因此，针对步骤S1分析判断的岩爆可能出现部位，进行超前支护，从而减少岩板无支承段长度，同时将松脱岩板串起，提高岩板厚度，进而提高岩板抗折断的能力，避免或减弱岩爆。
所述步骤S2中，岩板抗折断的能力即岩板折断所需的与岩板厚度方向垂直的临界应力，该临界应力与岩板厚度成正比、与岩板无支承段长度的平方成反比。
所述步骤S1包括以下两种方式：其一、根据隧道或地下洞室所处区域的地应力最大主应力方向进行分析，若地应力最大主应力方向接近水平时，则判断拱顶至拱腰段可能出现岩爆；若地应力最大主应力方向接近垂直时，则判断边墙可能出现岩爆；若地应力最大主应力方向非上述两种方向时，则判断洞室轮廓线与地应力最大主应力方向相切的部位可能出现岩爆；其二、对施工期间岩爆在开挖轮廓线上出现的部位进行统计，得出岩爆可能出现的部位。
所述超前支护的实施过程为：首先，根据步骤S1分析判断结果，在岩爆可能出现部位的开挖轮廓线外侧钻孔；其次，在所钻孔内，插入与钻孔直径相当的无缝钢管，并顶入钻孔中，如此即可提高岩板向临空面折断的临界应力，从而大幅减少岩板折断，进而避免或减弱岩爆。
钻孔实现方式为：在掌子面处，通过钻孔机械在开挖轮廓线外侧10～20cm处，沿外插角10～15°方向钻孔，孔深至少大于爆破进尺长1m，且孔与孔的中心距为30～50cm。
钢管的插入方式为：通过钻孔台车或风钻将钢管顶入钻孔中。
以下通过具体实施例讲述本发明技术方案。
本发明的主动防治岩爆的超前支护方法，其基本原理如下：
1、由岩爆发生过程可看出，大多数岩爆都是临空的、爆裂松脱岩板在高应力挤压下脆性折断后再弹射的的过程。详见附图1—岩爆后折断岩板的照片。
2、如附图2所示，按照弹性力学基本原理，岩板折断所需的临界应力σcr与岩板厚度t成正比、与岩板无支承段长度L的平方（L2）成正比。因此，如果在开挖前就采取措施减少开挖后岩板的临空长度L和岩板厚度t，便可大幅提高岩板向临空面折断的临界应力σcr、从而大幅减少临空爆裂松脱岩板的折断，进而避免或减弱岩爆。
3、本发明的基本原理是：针对岩爆区段，开挖前在可能出现岩爆部位的开挖轮廓线外侧钻孔，孔内插入与钻孔直径相当的无缝钢管，对围岩进行超前预加固，从而减少开挖后岩板的临空长度、提高岩板厚度，达到避免或减弱岩爆的目的。
本发明的技术方案由下列步骤依次构成：
1、分析岩爆可能出现的部位。岩爆可能出现部位的分析可采用下述方法：
（1）根据隧道或地下洞室所处区域的地应力最大主应力方向进行分析。地应力最大主应力方向接近水平时，拱顶～拱腰段最可能出现岩爆；地应力最大主应力方向接近垂直时，边墙最可能出现岩爆；地应力最大主应力方向为其它方向时，洞室轮廓线与地应力最大主应力方向相切的部位最可能出现岩爆。
（2）对施工期间岩爆在开挖轮廓线上出现的部位进行统计，得出岩爆可能出现的部位。
2、在上述可能出现岩爆的开挖轮廓线外侧钻孔。钻孔机械与施工中所用的钻炮孔的相同；钻孔直径与炮孔直径相同，无需更换钻孔机具和钻头。钻孔参数如下：
（1）孔深：比爆破进尺长不小于1.0m。如单次爆破进尺为3.0m，则孔深不少于4.0m。
（2）孔位：掌子面处，钻孔在开挖轮廓线外侧10～20cm，外插角10～15°。见附图3。
（3）孔距：中心距30～50cm。岩爆越强烈，孔间距越小。
3、在孔内插入与钻孔直径相当的无缝钢管，用机械将钢管顶入钻孔中。现场施工时一般用钻孔台车（机械打炮眼时）或风钻（人工打炮眼时）将钢管顶入钻孔中。本专利现场施作时的情况如图4所示。
上述超前支护的钢管一方面给开挖后临空、无支承的岩板增加了支点，减少了无支承段的长度；另一方面，呈小角度外插的钢管将岩板串在一起，间接增加了岩板的厚度。在上述两方面的共同作用下，临空的、爆裂松脱岩板抗折断的能力大幅提高，从而防止或减弱岩爆。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。