CN102733817A - 一种确定隧道洞室施工尺寸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定隧道洞室施工尺寸的方法，首先确定隧道所处位置的岩体天然水平应力σ_hav及铅垂应力σ_h，确定天然应力比值系数；确定隧道所处位置的岩体天然水平应力σ_hav及铅垂应力σ_h，确定天然应力比值系数μ＝σ_hav/σ_h；查隧道施工尺寸包络线曲线图，获得施工尺寸比值η范围；初步确定施工隧洞的竖直向半轴尺寸n；计算施工隧洞水平向半轴尺寸m。本发明所获得的隧道洞室施工尺寸，能使围岩结构最大限度的适应由于地下洞室开挖造成的天然应力重分布变化，使围岩结构在重分布过程中受力合理，积极发挥围岩自身的承载能力。该方法简单、经济、实用，在体现围岩结构受力特性理论依据的同时，也大大降低了对设计、施工人员素质的要求，并且能大大的降低隧道洞室开挖支护成本。

Description

一种确定隧道洞室施工尺寸的方法

技术领域

本发明属于隧道施工技术领域，尤其涉及一种确定隧道洞室施工尺寸的方法。

背景技术

随着我国公路隧道、铁路隧道建设事业的发展，新奥法建设隧道的理念已越来越被隧道设计和施工技术人员所接受。其精髓是要合理利用围岩的自承载能力，利用监控量测，进行适时支护，以节省造价。大家知道，隧道及地下洞室施工的核心技术可以归结在开挖和支护两个关键工序，即如何开挖，才能更有利于洞室的稳定；如何支护才能更有效的保证洞室稳定和便于下一步开挖。然而，现有隧道施工虽然在思想上在贯彻新奥法的精髓，但在实际操作上并没有根据实际围岩的特点来进行，如针对不同的地质条件，隧道洞室施工尺寸确定的随意性、支护结构的过于保守，出于安全角度，有时完全忽略了围岩的承载能力，虽表面遵从新奥法理念，但实际上与新奥法理念相背离，造成了人力和财力的浪费。因此，针对不同的地质条件，理清围岩在不同洞形条件下的受力破坏机理，采取不同措施，确定洞室的施工尺寸，合理利用围岩结构的承载能力，是当前隧道建设与科研工作者急需解决的问题。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺少一种方法来针对不同的地质条件，理清围岩在不同洞形条件下的受力破坏机理，采取不同措施，确定洞室的施工尺寸，合理利用围岩结构的承载能力等缺点，提出一种确定隧道洞室施工尺寸的实用方法。

本发明实施例是这样实现的，一种确定隧道洞室施工尺寸的方法，该方法包括以下步骤：

采用空芯包体三轴地应力计测量天然应力，确定隧道所穿越地层的岩体天然水平应力σ_hav及铅垂应力σ_h，按公式μ＝σ_hav/σ_h计算天然应力比值系数；

结合天然应力比值系数，查阅天然应力比值系数与地下洞室轴比的关系曲线，即隧道施工尺寸包络线曲线图(详见图2)，获得施工尺寸比值η范围；

结合隧道所在位置处围岩的质量、隧道设计断面的净空、隧道施工所用工法以及所用的装渣机械，初步确定施工隧洞的竖直向半轴尺寸n；

根据施工隧洞竖直向半轴尺寸，按下列方式计算施工隧洞水平向半轴尺寸m。

进一步，采用空芯包体三轴地应力计测量天然应力首先是测点布置问题：(1)尽量选择在完整或较完整的岩体内，远离断层、破碎带以及裂隙发育带；(2)远离或避免布置在采空区大空洞位置处；(3)尽量避免布置在岩体受到扰动的区域，即应力集中区或应力释放区。

进一步，采用空芯包体三轴地应力计测量天然应力的测试过程：(1)在岩体中打打孔至待测区，然后在大孔孔底中心钻一同轴小孔；(2)在小孔中安装空芯包体三轴地应力计；(3)用岩石套钻套取岩芯，记录应力计探头读数；(4)取出岩芯测取岩石弹性模量和泊松比；(5)将测点位置参数，钻孔方位、泊松比、弹性模量输入地应力计算软件，计算天然应力的大小和方向。

进一步，通过隧道施工尺寸包络线图确定的隧道施工尺寸，使得围岩在应力重分布过程中始终处于一个合理的受力状态，即围岩不受或少受拉力和弯矩，充分利用围岩的承载力。

进一步，按下式计算施工隧洞水平向半轴尺寸m：

$m=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{k\&eta;n}& \mathrm{\&mu;}>1\\ n& \mathrm{\&mu;}=1\\ \mathrm{\&eta;n}/k& \mathrm{\&mu;}<1\end{array}\right.$

式中k为考虑隧道所处位置初始应力状态分布及岩体质量好坏的一个量，可取1.05～1.5，岩体质量好时可取低值，差时可取高值。

进一步，据地质勘察资料及现场天然应力量测，可确定隧道所处的天然应力比值系数μ。

进一步，结合隧道所在位置处围岩的质量、隧道设计断面的净空、隧道施工所用工法以及所用的装渣机械，初步确定施工隧洞的竖直向半轴尺寸n具体实现步骤为：

(1)对于采用台阶法施工的隧道，上台阶施工的高度不小于其跨度的0.3倍，其竖直向半轴尺寸n可取2.5～4.5m，其中，围岩好时取大值，围岩差时取低值；(2)对于单侧壁导坑法施工的隧道，侧壁导坑初步尺寸确定原则：高度以设计断面到边墙起拱线为宜，宽度不超过0.5倍的隧洞设计宽度；(3)对于双侧壁导坑法，两侧导坑尺寸确定原则：高度以设计断面到边墙起拱线为宜，宽度不超过0.4倍的隧洞设计宽度。

本发明提供的确定隧道洞室施工尺寸的实用方法，针对当前隧道设计、施工存在的问题，基于快速、安全、经济的理念，结合现有大量隧道监控量测数据库资料，利用经典力学理论及大型有限元对不同地质条件下隧道围岩力学性质进行研究分析的基础上提出针对我国不同的天然应力状态及不同地质条件下隧道洞室施工尺寸的图表曲线法。用本发明所获得的隧道洞室施工尺寸，能使围岩结构最大限度的适应由于地下洞室开挖造成的天然应力重分布变化，使围岩结构在重分布过程中受力合理，积极发挥围岩自身的承载能力，减少人为支护，降低施工成本，也充分体现了新奥法理念的精髓。本发明因其简单、经济、实用，与当前实际工程中确定尺寸的经验法相比，在体现围岩结构受力特性理论依据的同时，也大大降低了对设计、施工人员素质的要求，并且能大大的降低隧道洞室开挖支护成本。

附图说明

图1是本发明实施例提供的确定隧道洞室施工尺寸的方法的实现流程图；

图2是本发明实施例提供的隧道洞室施工尺寸比值的包络线曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明实施例提供的确定隧道洞室施工尺寸的方法的实现流程。该方法步骤如下：

S101：采用空芯包体三轴地应力计测量天然应力，确定隧道所穿越地层的岩体天然水平应力σ_hav及铅垂应力σ_h；按公式μ＝σ_hav/σ_h计算隧道穿越地层的天然应力比值系数；

现场天然应力的测量可采用空芯包体三轴地应力计进行测量。

此方法的特点首先是测点布置问题：(1)尽量选择在完整或较完整的岩体内，远离断层、破碎带以及裂隙发育带；(2)远离或避免布置在采空区大空洞位置处；(3)尽量避免布置在岩体受到扰动的区域，即应力集中区或应力释放区。

其次是测试过程：(1)在岩体中打打孔至待测区，然后在大孔孔底中心钻一同轴小孔；(2)在小孔中安装空芯包体三轴地应力计；(3)用岩石套钻套取岩芯，记录应力计探头读数；(4)取出岩芯测取岩石弹性模量和泊松比；(5)将测点位置参数，钻孔方位、泊松比、弹性模量输入地应力计算软件，计算天然应力的大小和方向、

S102：查隧道施工尺寸包络线曲线图，获得施工尺寸比值η范围；

通过隧道施工尺寸包络线图确定的隧道施工尺寸，使得围岩在应力重分布过程中始终处于一个合理的受力状态，即围岩不受或少受拉力和弯矩，充分利用围岩的承载力。

图2为隧道洞室施工尺寸比值的包络线曲线，其中1——围岩结构中不出现拉应力时的曲线，2——围岩结构中不出现弯矩时的曲线。

S103：初步确定施工隧洞的竖直向半轴尺寸n；

S104：按下式计算施工隧洞水平向半轴尺寸m：

$m=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{k\&eta;n}& \mathrm{\&mu;}>1\\ n& \mathrm{\&mu;}=1\\ \mathrm{\&eta;n}/k& \mathrm{\&mu;}<1\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：k为考虑隧道所处位置初始应力状态分布及岩体质量好坏的一个量，可取1.05～1.5，岩体质量好时可取低值，差时可取高值。

在本发明实施例中，以目前隧道工程施工中比较常用的台阶法施工为例来说明本发明实施例提供的方法。

第一步、据地质勘察资料及现场天然应力量测，可确定隧道所处的天然应力比值系数μ，例如：μ＝1.25。

第二步、查隧道施工尺寸包络线曲线图(图2)获得施工尺寸比值η范围，即1.118≤η≤1.25。

根据隧道地质勘察资料，隧道所在位置处围岩为IV级围岩，隧道为三车道公路隧道，其跨度为16.46m，高度为11.68m，采用上下台阶法开挖。

第三步、采用上下台阶进行施工，确定上台阶施工高度为6.0m，则其施工洞室的竖向半轴为n＝3.0m。

第四步、由隧道所在地围岩为IV级围岩，相对较差，故初步取k＝1.15，由此根据式(1)可确定上台阶开挖洞室水平半轴范围3.86≤m≤4.31，即水平向可开挖的合理跨度范围为7.72m～8.62m，这时开挖洞室围岩受力比较合理，可在很大程度上充分利用围岩自身的承载能力，减少人为支护，降低施工成本。

本发明提供的确定隧道洞室施工尺寸的实用方法，针对当前隧道设计、施工存在的问题，基于快速、安全、经济的理念，结合现有大量隧道监控量测数据库资料，利用经典力学理论及大型有限元对不同地质条件下隧道围岩力学性质进行研究分析的基础上提出针对我国不同的天然应力状态及不同地质条件下隧道洞室施工尺寸的图表曲线法。用本发明所获得的隧道洞室施工尺寸，能使围岩结构最大限度的适应由于地下洞室开挖造成的天然应力重分布变化，使围岩结构在重分布过程中受力合理，积极发挥围岩自身的承载能力，减少人为支护，降低施工成本，也充分体现了新奥法理念的精髓。本发明因其简单、经济、实用，与当前实际工程中确定尺寸的经验法相比，在体现围岩结构受力特性理论依据的同时，也大大降低了对设计、施工人员素质的要求，并且能大大的降低隧道洞室开挖支护成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种确定隧道洞室施工尺寸的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

采用空芯包体三轴地应力计测量天然应力，确定隧道所穿越地层的岩体天然水平应力σ_hav及铅垂应力σ_h，按公式μ＝σ_hav/σh计算隧道穿越地层的天然应力比值系数；

结合天然应力比值系数，查阅天然应力比值系数与地下洞室轴比的关系曲线，即隧道施工尺寸包络线曲线图，获得施工尺寸比值η范围；

结合隧道所在位置处围岩的质量、隧道设计断面的净空、隧道施工所用工法以及所用的装渣机械，初步确定施工隧洞的竖直向半轴尺寸n；

初步确定的施工隧洞竖直向半轴尺寸n，计算施工隧洞水平向半轴尺寸m，确定施工断面的合理尺寸。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用空芯包体三轴地应力计测量天然应力首先是测点布置问题：(1)尽量选择在完整或较完整的岩体内，远离断层、破碎带以及裂隙发育带；(2)远离或避免布置在采空区大空洞位置处；(3)尽量避免布置在岩体受到扰动的区域，即应力集中区或应力释放区。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用空芯包体三轴地应力计测量天然应力的测试过程：(1)在岩体中打打孔至待测区，然后在大孔孔底中心钻一同轴小孔；(2)在小孔中安装空芯包体三轴地应力计；(3)用岩石套钻套取岩芯，记录应力计探头读数；(4)取出岩芯测取岩石弹性模量和泊松比；(5)将测点位置参数，钻孔方位、泊松比、弹性模量输入地应力计算软件，计算天然应力的大小和方向。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过隧道施工尺寸包络线图确定的隧道施工尺寸，使得围岩在应力重分布过程中始终处于一个合理的受力状态，即围岩不受或少受拉力和弯矩，充分利用围岩的承载力。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，按下式计算施工隧洞水平向半轴尺寸m：

$m=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{k\&eta;n}& \mathrm{\&mu;}>1\\ n& \mathrm{\&mu;}=1\\ \mathrm{\&eta;n}/k& \mathrm{\&mu;}<1\end{array}\right.$

式中k为考虑隧道所处位置初始应力状态分布及岩体质量好坏的一个量，可取1.05～1.5，岩体质量好时可取低值，差时可取高值。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，据地质勘察资料及现场天然应力量测，可确定隧道所穿越地层的天然应力比值系数μ。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，结合隧道所在位置处围岩的质量、隧道设计断面的净空、隧道施工所用工法以及所用的装渣机械，初步确定施工隧洞的竖直向半轴尺寸n具体实现步骤为：

(1)对于采用台阶法施工的隧道，上台阶施工的高度不小于其跨度的0.3倍，其竖直向半轴尺寸n可取2.5～4.5m，其中，围岩好时取大值，围岩差时取低值；(2)对于单侧壁导坑法施工的隧道，侧壁导坑初步尺寸确定原则：高度以设计断面到边墙起拱线为宜，宽度不超过0.5倍的隧洞设计宽度；(3)对于双侧壁导坑法，两侧导坑尺寸确定原则：高度以设计断面到边墙起拱线为宜，宽度不超过0.4倍的隧洞设计宽度。

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