【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种高压膨胀装置，尤其是涉及一种用于隧道岩爆防控的高压膨胀装置，属于隧道施工工艺装备及施工工艺。本专利技术还涉及一种用于所述隧道岩爆防控的高压膨胀装置的施工方法。
技术介绍
1、在隧道施工过程中，由于岩体的开挖导致原岩应力平衡状态破坏，在围岩应力的重分布过程中极易发生岩爆灾害，这是一种严重的地质灾害，对施工安全和隧道结构的稳定性构成威胁。由于目前对岩爆发生机理的认识还不完全明晰，现场对岩爆灾害的防控治理仍存在很大局限。传统的岩爆防控方法主要包括注浆加固、爆破卸压等，甚至为了抑制岩爆，会采用专门的抗岩爆锚杆来加固岩层，但这些方法在某些情况下效果有限，且十分被动。岩爆发生是一个难以确定且又非常迅速的过程，目前，这些方式极为耗费时间，并且花费较大，使岩爆治理成本高而效率低。因此，开发一种在隧道应力重新分布过程中能够对岩爆进行自动防控的装置和方法，对于提高隧道施工的安全性和效率具有重要意义。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种结构相对较为简单，能有效的对隧道岩爆高危区域进行卸压处理，减少甚至防止岩爆发生的用于隧道岩爆防控的高压膨胀装置，以及一种用于所述用于隧道岩爆防控的高压膨胀装置的施工方法。
2、为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于隧道岩爆防控的高压膨胀装置，所述的高压膨胀装置包括壳体结构、控制组件和膨胀反应发生器，控制组件和膨胀反应发生器均布置在壳体结构中，膨胀反应发生器在控制组件获取的隧道岩体随隧道掘进产生变形信息的控制下起
3、进一步的是，所述的高压膨胀装置还包括钻设在隧道相应岩体中的锚杆孔和封堵材料，控制组件和膨胀反应发生器通过壳体结构在封堵材料的配合下与锚杆孔孔底的隧道岩体偶接。
4、上述方案的优选方式是，封堵材料为可固结的水泥砂浆或可固结的凝胶材料，在锚杆孔孔底的隧道岩体上还设置有至少两条预割缝。
5、进一步的是，壳体结构包括支撑定形外壳和封闭容纳内壳，支撑定形外壳由强度与岩体强度相适应的耐腐蚀材料制成，在支撑定形外壳上设置有排气孔，封闭容纳内壳由柔性易裂的耐腐蚀材料制成，控制组件和膨胀反应发生器均布置在封闭容纳内壳中，封闭容纳内壳套接在支撑定形外壳内，支撑定形外壳的内壁与封闭容纳内壳的外壁粘接连接。
6、上述方案的优选方式是，膨胀反应发生器包括膨胀剂、反应剂和封装隔离组件，在封装隔离组件上设置有连通口，分类的布置在封闭容纳内壳中的膨胀剂和反应剂通过封装隔离组件隔开，连通口在控制组件依据其获得的隧道岩体随隧道掘进产生变形信息的控制下开启连通。
7、进一步的是，膨胀剂为水溶反应式粉末或水溶反应式颗粒，反应剂为水，膨胀剂的用量按产生气体的压力控制，其推导公式为，
8、，
9、其中，p是气体压力，单位为pa；n是气体摩尔数，单位为mol；r是理想气体常数按8.314 j/(mol·k)取值；t是绝对温度，单位为k；v是气体体积，单位为m³。
10、上述方案的优选方式是，控制组件包括电磁阀和压电传感器，封装隔离组件包括反应隔板和密封隔板，连通口布置在反应隔板上，膨胀剂和反应剂通过反应隔板分隔开，电磁阀布置在连通口上，布置在封闭容纳内壳中的压电传感器通过密封隔板与膨胀剂和/或反应剂隔开，电磁阀在压电传感器获得的隧道岩体随隧道掘进产生变形信息的控制下开启。
11、进一步的是，压电传感器预设的启动压力值为岩爆应力值的0.8倍，膨胀剂为铝粉与氧化铁粉或为铝颗粒与氧化铁颗粒。
12、上述方案的优选方式是，壳体结构的外径与锚杆孔的孔径相适应，壳体结构的长度在20～30cm之间；通过壳体结构布置有控制组件和膨胀反应发生器的锚杆孔的深度不低于锚杆长度的1.5倍，至少在隧道的拱顶和拱肩上设置有布置壳体结构的锚杆孔；通过封堵材料填充完成壳体结构的锚杆孔的深度与需要安装的锚杆的长度相适应。
13、用于所述隧道岩爆防控的高压膨胀装置的施工方法，所述的施工方法先在厂内制作高压膨胀装置，然后按逐段开挖隧道、逐段钻设锚杆孔并布置高压膨胀装置和安装锚杆，完成后再进入下一个隧道段施工的顺序依次进行直到完成整个隧道开挖以及高压膨胀装置布设的施工工作。
14、本专利技术的有益效果是：本申请提供的技术方案通过设置一个包括壳体结构、控制组件和膨胀反应发生器的高压膨胀装置，并将控制组件和膨胀反应发生器均布置在壳体结构中，然后使膨胀反应发生器在控制组件获取的隧道岩体随隧道掘进产生变形信息的控制下起动反应产生高压气体，通过该高压气体按设定的爆破压力破裂隧道岩体释放应力控制岩爆，解决了现有技术中采用被动治理岩爆的结构和方法耗费时间时，成本高，在某些情况下效果十分有限的技术问题。采用本申请的高压膨胀装置通过膨胀反应发生器在控制组件获取的隧道岩体随隧道掘进产生变形信息的控制下起动反应产生高压气体破裂隧道岩体释放应力来控制岩爆，不仅能有效的对隧道岩爆高危区域进行卸压处理，减少甚至防止岩爆发生，而且由于本申请的高压膨胀装置是布置在隧道岩体中的，其结构仅包括壳体结构、控制组件和膨胀反应发生器，所以在结构上就变得相对较为简单，事前不需要预测哪些地方存在岩爆，而且是通过布置在锚杆孔的孔底来实现的，不再需要单独的钻设布置孔，只需要在钻设锚杆孔时将需要布设高压膨胀装置的锚杆孔钻到更深即可，然后根据控制组件获取的隧道岩体变形信息，达到规定值后即可启动膨胀反应发生器反应产生高压气体破裂隧道岩体释放应力来控制岩爆，提高了隧道施工的安全性，减少隧道施工的成本。
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1.用于隧道岩爆防控的高压膨胀装置，其特征在于：所述的高压膨胀装置包括壳体结构、控制组件和膨胀反应发生器，控制组件和膨胀反应发生器均布置在壳体结构中，膨胀反应发生器在控制组件获取的隧道岩体随隧道掘进产生变形信息的控制下起动反应产生高压气体，通过该高压气体按设定的爆破压力破裂隧道岩体（1）释放应力控制岩爆。
2.根据权利要求1所述的用于隧道岩爆防控的高压膨胀装置，其特征在于：所述的高压膨胀装置还包括钻设在隧道相应岩体中的锚杆孔（2）和封堵材料（3），控制组件和膨胀反应发生器通过壳体结构在封堵材料（3）的配合下与锚杆孔孔底的隧道岩体（1）偶接。
3.根据权利要求2所述的用于隧道岩爆防控的高压膨胀装置，其特征在于：封堵材料为可固结的水泥砂浆或可固结的凝胶材料，在锚杆孔孔底的隧道岩体（1）上还设置有至少两条预割缝。
4.根据权利要求1、2或3所述的用于隧道岩爆防控的高压膨胀装置，其特征在于：壳体结构包括支撑定形外壳（4）和封闭容纳内壳（5），支撑定形外壳由强度与岩体强度相适应的耐腐蚀材料制成，在支撑定形外壳（4）上设置有排气孔（6），封闭容纳内壳（5）
5.根据权利要求4所述的用于隧道岩爆防控的高压膨胀装置，其特征在于：膨胀反应发生器包括膨胀剂（7）、反应剂（8）和封装隔离组件，在封装隔离组件上设置有连通口，分类的布置在封闭容纳内壳（5）中的膨胀剂（7）和反应剂（8）通过封装隔离组件隔开，连通口在控制组件依据其获得的隧道岩体（1）随隧道掘进产生变形信息的控制下开启连通。
6.根据权利要求5所述的用于隧道岩爆防控的高压膨胀装置，其特征在于：膨胀剂（7）为水溶反应式粉末或水溶反应式颗粒，反应剂（8）为水，膨胀剂（7）的用量按产生气体的压力控制，其推导公式为，
7.根据权利要求6所述的用于隧道岩爆防控的高压膨胀装置，其特征在于：控制组件包括电磁阀（9）和压电传感器（10），封装隔离组件包括反应隔板（11）和密封隔板（12），连通口布置在反应隔板（11）上，膨胀剂（7）和反应剂（8）通过反应隔板（11）分隔开，电磁阀（9）布置在连通口上，布置在封闭容纳内壳（5）中的压电传感器（10）通过密封隔板（12）与膨胀剂（7）和/或反应剂（8）隔开，电磁阀（9）在压电传感器（10）获得的隧道岩体（1）随隧道掘进产生变形信息的控制下开启。
8.根据权利要求7所述的用于隧道岩爆防控的高压膨胀装置，其特征在于：压电传感器（10）预设的启动压力值为岩爆应力值的0.8倍，膨胀剂（7）为铝粉与氧化铁粉或为铝颗粒与氧化铁颗粒。
9.根据权利要求3所述的用于隧道岩爆防控的高压膨胀装置，其特征在于：壳体结构的外径与锚杆孔（2）的孔径相适应，壳体结构的长度在20～30cm之间；通过壳体结构布置有控制组件和膨胀反应发生器的锚杆孔（2）的深度不低于锚杆长度的1.5倍，至少在隧道（13）的拱顶和拱肩上设置有布置壳体结构的锚杆孔（2）；通过封堵材料（3）填充完成壳体结构的锚杆孔（2）的深度与需要安装的锚杆（14）的长度相适应。
10.用于权利要求9所述用于隧道岩爆防控的高压膨胀装置的施工方法，其特征在于：所述的施工方法先在厂内制作高压膨胀装置，然后按逐段开挖隧道、逐段钻设锚杆孔并布置高压膨胀装置和安装锚杆，完成后再进入下一个隧道段施工的顺序依次进行直到完成整个隧道开挖以及高压膨胀装置布设的施工工作。
...【技术特征摘要】
1.用于隧道岩爆防控的高压膨胀装置，其特征在于：所述的高压膨胀装置包括壳体结构、控制组件和膨胀反应发生器，控制组件和膨胀反应发生器均布置在壳体结构中，膨胀反应发生器在控制组件获取的隧道岩体随隧道掘进产生变形信息的控制下起动反应产生高压气体，通过该高压气体按设定的爆破压力破裂隧道岩体（1）释放应力控制岩爆。
2.根据权利要求1所述的用于隧道岩爆防控的高压膨胀装置，其特征在于：所述的高压膨胀装置还包括钻设在隧道相应岩体中的锚杆孔（2）和封堵材料（3），控制组件和膨胀反应发生器通过壳体结构在封堵材料（3）的配合下与锚杆孔孔底的隧道岩体（1）偶接。
3.根据权利要求2所述的用于隧道岩爆防控的高压膨胀装置，其特征在于：封堵材料为可固结的水泥砂浆或可固结的凝胶材料，在锚杆孔孔底的隧道岩体（1）上还设置有至少两条预割缝。
4.根据权利要求1、2或3所述的用于隧道岩爆防控的高压膨胀装置，其特征在于：壳体结构包括支撑定形外壳（4）和封闭容纳内壳（5），支撑定形外壳由强度与岩体强度相适应的耐腐蚀材料制成，在支撑定形外壳（4）上设置有排气孔（6），封闭容纳内壳（5）由柔性易裂的耐腐蚀材料制成，控制组件和膨胀反应发生器均布置在封闭容纳内壳（5）中，封闭容纳内壳（5）套接在支撑定形外壳（4）内，支撑定形外壳（4）的内壁与封闭容纳内壳（5）的外壁粘接连接。
5.根据权利要求4所述的用于隧道岩爆防控的高压膨胀装置，其特征在于：膨胀反应发生器包括膨胀剂（7）、反应剂（8）和封装隔离组件，在封装隔离组件上设置有连通口，分类的布置在封闭容纳内壳（5）中的膨胀剂（7）和反应剂（8）通过封装隔离组件隔开，连通口在控制组件依据其获得的隧道岩体（1）随隧道掘进产生变形信息的控制下开启连通。
6.根据权利要...
【专利技术属性】
技术研发人员：姚茂宏，张伟锋，张世殊，陈炜韬，罗春，赵小平，冉从彦，幸新涪，
申请(专利权)人：中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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