CN105787206B - 一种公路隧道锚杆支护设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种公路隧道锚杆支护设计方法，其特征在于：所述的公路隧道锚杆支护设计方法是基于岩体节理特征与爆破振动效应设计的，所述的公路隧道锚杆支护设计方法的实施步骤如下：步骤（1）构建三维数字数值一体化模型；步骤（2）提出锚杆支护初步方案；步骤（3）动态确定适合工程的锚杆支护方案与参数；步骤（4）构建公路隧道锚杆支护智能设计数据库；步骤（5）逐步提高设计方案及其所构建的数据库的工程应用性。

Description

一种公路隧道锚杆支护设计方法

技术领域

本发明涉及一种公路隧道的锚杆支护设计，特别是公开一种基于岩体节理特征与爆破振动效应的公路隧道锚杆支护设计方法。

背景技术

锚杆支护是隧道支护体系的重要一环，锚杆设计参数是否合理直接影响着建设阶段与运营阶段的结构安全问题。

当前依据国内公路隧道设计规范进行隧道锚杆支护设计时，仅以围岩级别为重点考虑因素，单纯的依据围岩级别给出推荐的支护形式与支护参数，同时全断面采取均一化参数。而工程经验表明，围岩节理特征（走向、倾向、倾角）、施工工法以及爆破参数对隧道的支护方式和稳定性也存在影响较大，进行锚杆设计时忽略围岩节理特征、施工工法、爆破参数的影响，极易造成过度经济浪费或安全隐患。

国内外部分研究提到了岩体特征对支护参数的影响，但未进行较为系统的研究，且未量化研究爆破振动对裂隙扩展、围岩松动圈的范围、支护参数的影响。现有的公路隧道锚杆支护设计设计周期较长，可操作性较弱。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术的缺陷，提供一种公路隧道锚杆支护设计方法，所述的公路隧道锚杆支护设计方法是基于岩体节理特征与爆破振动效应设计的，通过构建公路隧道锚杆支护智能设计数据库，以有效解决现行规范、标准难以量化分析节理特征及开挖爆破扰动影响的技术难点，从而避免实际工程中出现材料严重浪费、支护结构安全性不足的问题。

本发明是这样实现的：一种公路隧道锚杆支护设计方法，其特征在于：所述的公路隧道锚杆支护设计方法是基于岩体节理特征与爆破振动效应设计的，所述的公路隧道锚杆支护设计方法的实施步骤如下：

A、步骤（1）构建三维数字数值一体化模型：通过节理发育产状精细化描述，重构隧址区三维网络模型，赋予其围岩、节理面关键力学参数，构建三维数字数值一体化模型；

B、步骤（2）提出锚杆支护初步方案：针对三维数字模型，运用块体理论分析方法，开展关键块体检索计算，分析不同锚杆支护方案、参数下围岩稳定安全系数，快速提出合理的锚杆支护初步方案；

C、步骤（3）动态确定适合工程的锚杆支护方案与参数：针对三维数值计算模型，通过现场测试、工程调研，确定爆破参数；随后基于离散元分析，确定隧道开挖、循环爆破条件下围岩节理扩展规律，探明节理裂隙扩展前后的松动圈范围、围岩压力分布特征，提出松动圈范围围岩及节理面强度折减系数；量化分析不同锚杆支护参数下结构受力变形特性与围岩稳定安全系数，动态确定适合工程的锚杆支护方案与参数；

D、步骤（4）构建公路隧道锚杆支护智能设计数据库：为推广应用，通过调研、分析，构建不同地质条件、爆破参数的组合工况，开展步骤（2）和步骤（3）的正交试验，建立不同地质条件、爆破参数下支护参数与结构变形、围岩稳定特性的对应关系，构建公路隧道锚杆支护智能设计数据库，依据勘察资料快速检索最优支护方案，直接指导设计：

（a）若隧道工程勘察资料揭示的地质条件及施工方案在步骤（4）所构建的公路隧道锚杆支护智能设计数据库中找到匹配项，则直接提取对应的锚杆支护方案与参数，形成设计方案；

（b）若隧道工程勘察资料揭示的地质条件及施工方案在步骤（4）所构建的公路隧道锚杆支护智能设计数据库中无法找到匹配项，则应在设计阶段，基于地勘资料初步构建隧址区三维网络模型，按步骤（2）初步确定锚杆设计方案；在施工阶段，依次执行步骤（1）～步骤（3），动态、量化设计锚杆支护参数，指导实际施工；

E、步骤（5）逐步提高设计方案及其所构建的数据库的工程应用性：实际建设阶段，对于上述提出的锚杆支护方案，均应开展现场监测及动态反馈工作，修正、完善提出的设计方案及数据库，逐步提高设计方案及其所构建的数据库的工程应用性。

所述的步骤（1）构建三维数字数值一体化模型中的节理发育产状精细化描述包括优势节理走向、倾向、倾角、组数、贯通度、填充物、节理面粘聚力、节理面内摩擦角及掌子面出水形态；除统计掌子面横向揭露的节理特征外，还必须考虑沿隧道轴向的纵向发育节理：

A、节理物理参数通过掌子面地质素描获取，结合数理统计，确定优势节理及其产状；

B、节理力学参数通过现场或室内力学试验三轴剪切获取；

C、围岩块体力学参数依据地勘资料、工程经验及必要的室内测试点荷载强度试验和三轴剪切获取。

所述的步骤（1）构建三维数字数值一体化模型中重构的隧址区三维网络模型提供围岩及节理面力学参数接口，利用三维可视化平台将数字模型直接导出为数值仿真计算模型，进行结构受力、变形分析，使得三维数字数值模型一体化，分析结果可直接对比、验证。

所述的步骤（2）提出锚杆支护初步方案中将块体理论应用于不同锚杆支护方案的合理性快速分析领域，利用赤平投影解析法探索开挖后临空面关键块体的分布位置，明确重点支护部位；计算不同锚杆支护参数下的关键块体安全系数，结合工程造价、施工进度分析几种推荐方案的合理性，提出初步的锚杆支护方案。

所述的步骤（3）动态确定适合工程的锚杆支护方案与参数中针对三维数值计算模型，将调研、现场测试获取的爆破参数代入三维数值计算模型，分析隧道开挖卸荷以及爆破震动效应下围岩节理扩展过程、松动圈发展趋势，基于应力应变特征，明确爆破扰动后松动圈范围及围岩压力分布形式，提出松动圈范围内围岩及节理面力学强度的折减系数；基于上述提出的松动圈内围岩及节理面力学强度折减系数，调整三维数值计算模型，分析、优化步骤（2）提出的锚杆支护初步方案的结构受力变形特性与围岩稳定安全系数，量化锚杆支护参数对节理裂隙扩展的抑制作用，建立其与围岩稳定性的对应关系，最终提出合理的锚杆支护设计方案；技术要点如下：

A、节理扩展过程模拟：综合考虑裂缝尖端因子与节理面最大拉应力、剪应力准则，形成自主提出的裂缝新生判断及扩展准则，基于fish语言对离散元软件3DEC进行二次开发，通过应力应变分析，实现断续节理扩展及围岩新生裂隙的模拟；

B、提出松动圈内围岩及节理面力学强度折减系数：将折减系数法应用于爆破振动效应分析领域，通过应力分布规律及应力强度比值，以不考虑爆破情况的自重及开挖效应下的围岩变形与考虑爆破扰动的围岩变形基本一致为判据，通过反分析模式，计算松动圈范围内的围岩、节理面力学强度折减系数，为后期支护参数量化分析提供数据支持。

所述的步骤（4）构建公路隧道锚杆支护智能设计数据库中的地质条件包括节理特征、水文因素；所述的步骤（4）构建公路隧道锚杆支护智能设计数据库中的爆破参数为波速、爆破扰动范围和爆破次数；所述的步骤（4）构建公路隧道锚杆支护智能设计数据库中的施工方案为施工工法和爆破参数；所述的步骤（4）构建公路隧道锚杆支护智能设计数据库中对围岩节理特征、施工工法、爆破参数的耦合工况进行科学设定，随优势节理组数、倾角、间距的改变，所匹配的施工工法、爆破参数差异极大，不可随意拟合，干扰规律的提炼：

A、少于1组优势节理、节理间距不大于1.2m、节理倾角介于15°～75°之间时，匹配全断面法、台阶法；

B、1组优势节理、节理间距不大于1.2m、节理倾角0～15°和15°～90°时，或2～3组优势节理、节理间距0.2～1.0m、节理倾角0～90°时，匹配台阶法或分部开挖法；

C、3组以上优势节理时，地质条件极差，节理特征不具备一般规律性，应针对特定工程具体计算分析。

本发明的有益效果是：本发明构建的公路隧道锚杆支护智能设计数据库，重点考虑围岩节理特征、施工工法、爆破参数对围岩裂隙扩展及松动圈范围的影响，量化不同支护参数下结构受力变形特性，使得支护参数的合理性大大提高。本发明构建的公路隧道锚杆支护智能设计数据库可以根据特定的隧道工程，依据初勘、详勘地质资料及施工方案快速自动检索匹配条件与合理支护方案；若无法检测到匹配项，可按照本发明提出的思路开展计算、分析，确定合理的支护参数。本发明可解决现有公路隧道锚杆支护设计周期长、可操作性不强以及公路隧道锚杆支护设计存在严重的经济浪费或安全隐患等问题，其设计方法简单、实用性强，大幅度缩短了公路隧道锚杆支护设计周期，本发明可广泛应用于国内外拟建或在建的公路隧道工程。

附图说明

图1是本发明公路隧道锚杆支护设计方法的实施流程图。

图2是三维数字数值一体化模型的构建流程图。

图3是爆破振动的相似分析流程图。

图4是用于爆破振动分析的爆破荷载时程曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

实施例1：

在特定隧道工程、前期未构建公路隧道锚杆支护智能设计数据库的情况下，根据附图1～4，本发明基于岩体节理特征与爆破振动效应的公路隧道锚杆支护设计方法的实施步骤如下：

A、步骤（1）：采用现场地质素描方法对隧道掌子面地质情况进行精细化描述，统计隧道岩层产状、节理特征和粗糙度等参数，量化节理特征（节理间距、倾角、组数等），分析优势节理面，给出上述指标的分布模型与离散程度；

B、步骤（2）：采用蒙特卡洛方法模拟节理的空间分布特征，构建隧址区三维网络模型；

C、步骤（3）：通过现场调研、资料搜集及室内力学测试，明确岩体及结构面的关键力学参数（粘聚力及内摩擦角），将其赋予步骤（2）构建的三维网络模型，构建三维数字数值一体化模型；

D、步骤（4）：基于块体理论，检索临空面关键块体，快速分析开挖后围岩稳定范围与变化过程，计算关键块体的体积、表面积、安全系数，分析关键块体的滑动形式，计算支护结构承受的围岩压力，提出不同支护形式、参定性，初步明确不同地质条件下的锚杆支护设计方案；

E、步骤（5）：基于裂隙岩体及结构面力学实验，赋予步骤（2）构建的三维网络模型关键力学参数（内摩擦角、粘聚力），建立三维数值仿真计算模型，计算爆破振动效应下断续节理及潜伏裂隙扩展规律，分析围岩松动圈分数对裂隙扩展及松动圈范围（1m、2m、3m）的影响规律，验证、优化上述步骤计算结果，明确特定地质、爆破参数下的合理支护参数(锚杆长度、间距、布设范围)，确定锚杆支护设计方案；

爆破振动的模拟：为避开复杂的岩体破碎过程和缩减计算工作，将爆炸荷载等效施加在开挖轮廓面上，并采用具有线性上升段和下降段的三角形荷载曲线；

计算公式如下：

其中P_max为爆破荷载的应力峰值、Z为比例距离、R为炮眼至荷载作用面的距离(单位：m)、Q为炮眼装药量(单位：kg)、t_r为上升段时间、t_s为总作用时间、r为对比距离、μ为岩体的泊松比、K为岩体的体积压缩模量（单位：10⁵ Pa）；

F、步骤（6）：构建公路隧道锚杆支护智能设计数据库：

（a）通过工程调研、资料搜集与理论分析，整理隧道工程地质勘察资料、设计资料、爆破施工方案，明确围岩岩性、节理发育特征及爆破工艺参数（光面爆破、预裂爆破）、隧道断面尺寸（两车道、三车道）等信息，确定围岩岩性、节理特征、水文因素、施工工法及爆破参数的耦合工况；

（b）改变节理特征、施工工法及爆破参数，基于正交试验，按照步骤（1）～（5）流程，计算分析不同地质、爆破条件耦合模式下的裂隙扩展规律、松动圈范围变化过程、围岩压力分布特征及围岩稳定性，精细化建立地质条件、爆破工艺与锚杆支护参数的对应关系；

围岩节理特征：重点改变围岩岩性、节理产状、节理间距、组数、贯通度；

施工工法：重点考虑上下台阶法、三台阶法、CRD法、CD法；

爆破参数：重点考虑掏槽方式、辅助眼间距、周边眼间距、单位炸药消耗量；

（c）统计分析不同地质条件、爆破工艺下的锚杆支护形式与参数，构建公路隧道锚杆支护智能设计数据库。

实施例2：

在已构建公路隧道锚杆支护智能设计数据库的情况下，根据附图1，本发明基于岩体节理特征与爆破振动效应的公路隧道锚杆支护设计方法的实施步骤如下：

A、步骤（1）：针对给定的隧道工程，依据地勘资料、设计文档，人工提取隧址区的围岩地质条件、水文条件及建设规模，输入已经构建好的公路隧道锚杆支护智能设计数据库进行检索；

B、步骤（2）：若在公路隧道锚杆支护智能设计数据库中检索到匹配项，则直接提取数据库输出的建议锚杆支护参数方案，形成设计文档，指导施工；

C、步骤（3）：若在公路隧道锚杆支护智能设计数据库中无法检索到匹配项，则按实施例1中的步骤（1）～（5）流程逐项实施，直至得到合理的支护参数。

在施工阶段，针对实施例1和2提出的支护方案，选取典型断面，开展现场监测工作，通过围岩变形、围岩压力、锚杆轴力、初期支护内力和初期支护变形等监测数据验证、调整支护参数，完善构建好的公路隧道锚杆支护智能设计数据库。

本发明构建的公路隧道锚杆支护智能设计数据库，重点考虑围岩节理特征、施工工法、爆破参数对围岩裂隙扩展及松动圈范围的影响，量化不同支护参数下结构受力变形特性，使得支护参数的合理性大大提高。本发明构建的公路隧道锚杆支护智能设计数据库可以根据特定的隧道工程，依据初勘、详勘地质资料及施工方案快速自动检索匹配条件与合理支护方案；若无法检测到匹配项，可按照本发明提出的思路开展计算、分析，确定合理的支护参数。本发明可解决现有公路隧道锚杆支护设计周期长、可操作性不强以及公路隧道锚杆支护设计存在严重的经济浪费或安全隐患等问题，其设计方法简单、实用性强，大幅度缩短了公路隧道锚杆支护设计周期，本发明可广泛应用于国内外拟建或在建的公路隧道工程。

Claims (6)

1.一种公路隧道锚杆支护设计方法，其特征在于：所述的公路隧道锚杆支护设计方法是基于岩体节理特征与爆破振动效应设计的，所述的公路隧道锚杆支护设计方法的实施步骤如下：

A、步骤（1）构建三维数字数值一体化模型：通过节理发育产状精细化描述，重构隧址区三维网络模型，赋予其围岩、节理面关键力学参数，构建三维数字数值一体化模型；

B、步骤（2）提出锚杆支护初步方案：针对三维数字模型，运用块体理论分析方法，开展关键块体检索计算，分析不同锚杆支护方案、参数下围岩稳定安全系数，快速提出合理的锚杆支护初步方案；

C、步骤（3）动态确定适合工程的锚杆支护方案与参数：针对三维数值计算模型，通过现场测试、工程调研，确定爆破参数；随后基于离散元分析，确定隧道开挖、循环爆破条件下围岩节理扩展规律，探明节理裂隙扩展前后的松动圈范围、围岩压力分布特征，提出松动圈范围围岩及节理面强度折减系数；量化分析不同锚杆支护参数下结构受力变形特性与围岩稳定安全系数，动态确定适合工程的锚杆支护方案与参数；

D、步骤（4）构建公路隧道锚杆支护智能设计数据库：为推广应用，通过调研、分析，构建不同地质条件、爆破参数的组合工况，开展步骤（2）和步骤（3）的正交试验，建立不同地质条件、爆破参数下支护参数与结构变形、围岩稳定特性的对应关系，构建公路隧道锚杆支护智能设计数据库，依据勘察资料快速检索最优支护方案，直接指导设计：

（a）若隧道工程勘察资料揭示的地质条件及施工方案在步骤（4）所构建的公路隧道锚杆支护智能设计数据库中找到匹配项，则直接提取对应的锚杆支护方案与参数，形成设计方案；

（b）若隧道工程勘察资料揭示的地质条件及施工方案在步骤（4）所构建的公路隧道锚杆支护智能设计数据库中无法找到匹配项，则应在设计阶段，基于地勘资料初步构建隧址区三维网络模型，按步骤（2）初步确定锚杆设计方案；在施工阶段，依次执行步骤（1）～步骤（3），动态、量化设计锚杆支护参数，指导实际施工；

E、步骤（5）逐步提高设计方案及其所构建的数据库的工程应用性：实际建设阶段，对于上述提出的锚杆支护方案，均应开展现场监测及动态反馈工作，修正、完善提出的设计方案及数据库，逐步提高设计方案及其所构建的数据库的工程应用性。

2.根据权利要求 1 所述的一种公路隧道锚杆支护设计方法，其特征在于：所述的步骤（1）构建三维数字数值一体化模型中的节理发育产状精细化描述包括优势节理走向、倾向、倾角、组数、贯通度、填充物、节理面粘聚力、节理面内摩擦角及掌子面出水形态；除统计掌子面横向揭露的节理特征外，还必须考虑沿隧道轴向的纵向发育节理：

A、节理物理参数通过掌子面地质素描获取，结合数理统计，确定优势节理及其产状；

B、节理力学参数通过现场或室内力学试验三轴剪切获取；

C、围岩块体力学参数依据地勘资料、工程经验及必要的室内测试点荷载强度试验和三轴剪切获取。

3.根据权利要求 1 所述的一种公路隧道锚杆支护设计方法，其特征在于：所述的步骤（1）构建三维数字数值一体化模型中重构的隧址区三维网络模型提供围岩及节理面力学参数接口，利用三维可视化平台将数字模型直接导出为数值仿真计算模型，进行结构受力、变形分析，使得三维数字数值模型一体化，分析结果可直接对比、验证。

4.根据权利要求 1 所述的一种公路隧道锚杆支护设计方法，其特征在于：所述的步骤（2）提出锚杆支护初步方案中将块体理论应用于不同锚杆支护方案的合理性快速分析领域，利用赤平投影解析法探索开挖后临空面关键块体的分布位置，明确重点支护部位；计算不同锚杆支护参数下的关键块体安全系数，结合工程造价、施工进度分析几种推荐方案的合理性，提出初步的锚杆支护方案。

5.根据权利要求 1 所述的一种公路隧道锚杆支护设计方法，其特征在于：所述的步骤（3）动态确定适合工程的锚杆支护方案与参数中针对三维数值计算模型，将调研、现场测试获取的爆破参数代入三维数值计算模型，分析隧道开挖卸荷以及爆破震动效应下围岩节理扩展过程、松动圈发展趋势，基于应力应变特征，明确爆破扰动后松动圈范围及围岩压力分布形式，提出松动圈范围内围岩及节理面力学强度的折减系数；基于上述提出的松动圈内围岩及节理面力学强度折减系数，调整三维数值计算模型，分析、优化步骤（2）提出的锚杆支护初步方案的结构受力变形特性与围岩稳定安全系数，量化锚杆支护参数对节理裂隙扩展的抑制作用，建立其与围岩稳定性的对应关系，最终提出合理的锚杆支护设计方案；技术要点如下：

A、节理扩展过程模拟：综合考虑裂缝尖端因子与节理面最大拉应力、剪应力准则，形成自主提出的裂缝新生判断及扩展准则，基于fish语言对离散元软件3DEC进行二次开发，通过应力应变分析，实现断续节理扩展及围岩新生裂隙的模拟；

B、提出松动圈内围岩及节理面力学强度折减系数：将折减系数法应用于爆破振动效应分析领域，通过应力分布规律及应力强度比值，以不考虑爆破情况的自重及开挖效应下的围岩变形与考虑爆破扰动的围岩变形基本一致为判据，通过反分析模式，计算松动圈范围内的围岩、节理面力学强度折减系数，为后期支护参数量化分析提供数据支持。

6.根据权利要求 1 所述的一种公路隧道锚杆支护设计方法，其特征在于：所述的步骤（4）构建公路隧道锚杆支护智能设计数据库中的地质条件包括节理特征、水文因素；所述的步骤（4）构建公路隧道锚杆支护智能设计数据库中的爆破参数为波速、爆破扰动范围和爆破次数；所述的步骤（4）构建公路隧道锚杆支护智能设计数据库中的施工方案为施工工法和爆破参数；所述的步骤（4）构建公路隧道锚杆支护智能设计数据库中对围岩节理特征、施工工法、爆破参数的耦合工况进行科学设定，随优势节理组数、倾角、间距的改变，所匹配的施工工法、爆破参数差异极大，不可随意拟合，干扰规律的提炼：

A、少于1组优势节理、节理间距不大于1.2m、节理倾角介于15°～75°之间时，匹配全断面法、台阶法；

B、1组优势节理、节理间距不大于1.2m、节理倾角0～15°和15°～90°时，或2～3组优势节理、节理间距0.2～1.0m、节理倾角0～90°时，匹配台阶法或分部开挖法；

C、3组以上优势节理时，地质条件极差，节理特征不具备一般规律性，应针对特定工程具体计算分析。