CN106499398B - 基于锚杆受力分析的软岩隧道开挖方法 - Google Patents

基于锚杆受力分析的软岩隧道开挖方法 Download PDF

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CN106499398B CN201611001317.2A CN201611001317A CN106499398B CN 106499398 B CN106499398 B CN 106499398B CN 201611001317 A CN201611001317 A CN 201611001317A CN 106499398 B CN106499398 B CN 106499398B
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Abstract

本发明公开了一种基于锚杆受力分析的软岩隧道开挖方法,沿隧道纵向延伸方向由后向前分多个节段对软岩隧道进行开挖;对任一节段开挖时,包括步骤:一、围岩基本力学参数确定;二、隧道预留开挖量确定:根据支护完成后软岩隧道的围岩向内位移理论值S确定当前所施工节段的预留开挖量,S为软岩隧道表面围岩的塑性位移量与软岩隧道表面围岩碎胀变形后的位移量之和;三、隧道开挖;四、下一节段开挖;五、多次重复步骤四,直至完成软岩隧道的全部开挖过程。本发明方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好,根据软岩隧道的围岩变形情况对预留开挖量进行确定,能解决软岩隧道的预留变形量确定难题,并避免了软岩隧道的返修工作且施工成本低。

Description

基于锚杆受力分析的软岩隧道开挖方法
技术领域
[0001] 本发明属于隧道施工技术领域,尤其是涉及一种基于锚杆受力分析的软岩隧道开 挖方法。
背景技术
[0002] 近年来,随着我国公路、铁路建设的飞跃发展,在大埋深、高地应力条件下进行软 岩隧道施工成为交通领域发展的必然趋势之一,如国内著名的南昆线家竹箐隧道、乌鞘岭 隧道、终南山隧道及峡口隧道等。由于工程地质条件恶劣,围岩自承能力较差,软岩隧道变 形剧烈,若支护不及时或方案不合理,极易出现围岩大变形和衬砌结构的破坏。为此,大量 专家学者和现场工程技术人员对软岩隧道的施工工法及其支护技术进行了深入研究。李晓 红等以石龙隧道为工程背景,根据隧道围岩位移的解析解和现场位移监测,分析了初期支 护对软岩隧道稳定性和位移的影响;李丹等将与软岩工程支护设计方法相对应的物理模型 置入大型真三轴模型试验机,研究了模型边界相同条件下软岩隧道的支护方法;李鸿博等 通过现场测试,分析了峡口高应力软岩公路隧道围岩变形规律及结构的受力特点,提出了 高应力软岩隧道大变形的支护设计对策;张德华等分析了型钢支架及格栅钢架在高地应力 软岩隧道中的支护机理及其适应性,探索了不同刚度条件下支护结构的力学响应过程;王 树仁等分析了乌鞘岭隧道围岩的变形力学机制,提出了刚隙柔层支护技术;陈卫忠等分析 了泡沫混凝土吸收软岩隧道变形能和改善二次衬砌结构的受力效果;田洪铭等优化了宜昌 至巴东峡口高地应力软岩隧道的断面形态及其支护方案;杨建辉等基于有限元探讨了锚杆 及钢架对隧道围岩稳定性的影响。
[0003] 综上所述,尽管目前针对软岩隧道围岩变形及支护技术取得了较多的研究成果, 并在相关规范中强调需要在初期支护和二次衬砌之间预留80mm〜120_的变形量,以避免 软岩变形后造成隧道侵限。事实上,对于特定地质条件下的大变形软岩隧道,即使是规范所 允许的120mm上限预留变形量也不能满足初期支护后软岩持续变形的要求,围岩应变能不 能得到充分释放,最终导致钢拱架破坏和围岩失稳。
发明内容
[0004] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足,提供一种基于锚杆 受力分析的软岩隧道开挖方法,其方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好,根据 软岩隧道的围岩变形情况对预留开挖量进行确定,能有效解决软岩隧道的预留变形量确定 难题,并避免了软岩隧道的返修工作,且施工成本低。
[0005] 为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:一种基于锚杆受力分析的软岩 隧道开挖方法,其特征在于:沿隧道纵向延伸方向由后向前分多个节段对所施工软岩隧道 进行开挖,多个所述节段的开挖方法均相同;对软岩隧道的任一节段进行开挖时,包括以下 步骤:
[0006] 步骤一、围岩基本力学参数确定:通过对现场所取岩样进行室内试验,对当前所施 工节段的围岩基本力学参数进行测试,并对测试结果进行同步记录;
[0007] 步骤二、隧道预留开挖量确定:根据步骤一中所确定的围岩基本力学参数,对当前 所施工节段的预留开挖量进行确定;
[0008] 对当前所施工节段的预留开挖量进行确定时,根据支护完成后软岩隧道的围岩向 内位移理论值S进行确定;其中,S = Si+S2 (1);
[0009] 公式⑴中,S1为软岩隧道表面围岩的塑性位移量
Figure CN106499398BD00061
公式(2)中,Po为开挖前当前所施工节段的隧道围岩岩体的原岩应力;ξ为当前所施工节段 的隧道围岩强度参数ϋ
Figure CN106499398BD00062
为当前所施工节段的隧道围岩岩体的内摩擦角;〇。 为当前所施工节段的隧道围岩岩体的单轴抗压强度;Π)为当前所施工节段的隧道等效开挖 半径,E为当前所施工节段的隧道围岩岩体的综合弹性模量,μ为当前所施工节段的隧道围 岩岩体的泊松比,%为支护完成后当前所施工节段的隧道围岩塑性区等效半径,Ρ〇、σ。和E 的单位均为Pa,r〇和$的单位均为m;
Figure CN106499398BD00063
公式(3)中,P1为对软岩隧道(1)进行初期支护时所采用 锚杆的支护阻力且其单位为Pa;c为当前所施工节段的隧道围岩岩体的粘聚力且其单位为 Pa,A和t均为系数
Figure CN106499398BD00064
:公式⑷中,G为 当前所施工节段的隧道围岩岩体的岩体剪切模量且其单位为ρε
Figure CN106499398BD00065
为所述锚 杆的弹性模量且其单位为Pa,As为所述锚杆的横截面积且其单位为m2,rb为所述锚杆的内端 至当前所施工节段的隧道中心点的距离且其单位m,k为支护系数且k = 0.8,《e6为支护前当 前所施工节段的隧道表面围岩的位移值且其单位为m;Pmax为所述锚杆杆体上的轴向拉力最 大值且其单位为N;
[0010] 公式⑴中,&为软岩隧道表面围岩碎胀变形后的位移量,
Figure CN106499398BD00066
丨公式(5)中,Kp为当前所施工节段的隧道围岩岩体 的碎胀系数,<为支护完成后当前所施工节段的隧道围岩破裂区等效半径,
Figure CN106499398BD00067
[0011] 步骤三、隧道开挖:根据步骤二中所确定的当前所施工节段的预留开挖量,由后向 前对当前所施工节段进行开挖;
[0012] 步骤四、下一节段开挖:重复步骤一至步骤三,对下一节段进行开挖;
[0013] 步骤五、多次重复步骤四,直至完成软岩隧道的全部开挖过程。
[0014] 上述基于锚杆受力分析的软岩隧道开挖方法,其特征是:多个所述节段的纵向长 度均为IOm〜50m。
[0015] 上述基于锚杆受力分析的软岩隧道开挖方法,其特征是:步骤二中根据开挖完成 后当前所施工节段的围岩向内位移理论值S,对当前所施工节段的预留开挖量进行确定时, 根据公式Δ d = S+ Δ dl ⑺进行确定;公式⑺中,Δ d为当前所施工节段的预留开挖量,Δ dl =0 〜0.2m。
[0016] 上述基于锚杆受力分析的软岩隧道开挖方法,其特征是:步骤三中进行隧道开挖 之前,先根据步骤二中所确定的当前所施工节段的预留开挖量,并结合当前所施工节段的 设计开挖轮廓线,对当前所施工节段的实际开挖轮廓线进行确定;
[0017] 当前所施工节段的实际开挖轮廓线位于当前所施工节段的设计开挖轮廓线外侧 且二者之间的间距为Ad;
[0018] 步骤三中由后向前对当前所施工节段进行开挖时,按照所确定的当前所施工节段 的实际开挖轮廓线进行开挖。
[0019] 上述基于锚杆受力分析的软岩隧道开挖方法,其特征是:步骤三中由后向前对当 前所施工节段进行开挖时,采用全断面开挖法或台阶法进行开挖。
[0020] 上述基于锚杆受力分析的软岩隧道开挖方法,其特征是:步骤三中由后向前对当 前所施工节段进行开挖过程中,由后向前对已开挖完成的隧道洞进行初期支护。
[0021] 上述基于锚杆受力分析的软岩隧道开挖方法,其特征是:步骤二中所述的
Figure CN106499398BD00071
公式(8)中,K为所述锚杆杆体单位长度上的剪切刚度 系数且其单位为Pa/m,D为所述锚杆的横截面周长且其单位为m,
Figure CN106499398BD00072
_ B的单位为m2; 为所述锚杆的中性点至当前 所施工节段的隧道中心点之间的距离且其单位为m
Figure CN106499398BD00073
公式 (9-1)中,1为所述锚杆的有效长度且其单位)
Figure CN106499398BD00074
且1多1.5m;所述 锚杆的长度I ’ =Ii’+1+12’,其中Ii ’ = IOcm〜20cm,12’ = 30cm〜50cm;.^为未支护时当前所 施工节段的隧道围岩塑性区等效半径且其单位为II
Figure CN106499398BD00075
⑽。
[0022] 上述基于锚杆受力分析的软岩隧道开挖方法,其特征是:步骤二中所述锚杆为砂 浆锚杆,剪切刚度系数K = 2MPa/m = 2 X 106Pa/m;
[0023] 步骤二中所述的Pmax为支护完成后所述锚杆中性点位置处的轴向拉力。
[0024] 上述基于锚杆受力分析的软岩隧道开挖方法,其特征是:步骤二中所述的
Figure CN106499398BD00076
Is为预先设计的当前所施工节段的隧道横断面的外边缘线长度;
[0025] 步骤二中所述的
Figure CN106499398BD00081
[0026] 当前所施工节段的隧道中心点为当前所施工节段的隧道横断面等效圆的圆心,η = l+r〇〇
[0027] 上述基于锚杆受力分析的软岩隧道开挖方法,其特征是:步骤二中当前所施工节 段的隧道围岩为当前所施工节段的隧道拱部或左右两侧边墙所处位置的围岩。
[0028] 本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0029] 1、方法步骤简单、实现方便且投入成本低。
[0030] 2、设计合理且实现方便,为确保开挖效果,沿隧道纵向延伸方向由后向前分多个 节段对软岩隧道进行开挖;并且,对软岩的任一个节段进行开挖时,先确定围岩基本力学参 数,再根据所确定的围岩基本力学参数对当前所施工节段的预留开挖量进行确定,最后根 据所确定的当前施工节段的预留开挖量由后向前对当前所施工节段进行开挖,施工简便且 施工过程易于控制,可操性强。
[0031] 3、针对软岩隧道开挖支护一段时间后围岩变形才趋于稳定的特点,从隧道初期支 护施工中采用的全长锚固锚杆的受力分析入手,通过确定锚杆的中性点半径(即锚杆的中 性点至当前所施工节段的隧道中心点之间的距离rm)及其最大轴力(即支护完成后锚杆中 性点位置处的轴向拉力Pmax),推导出隧道围岩变形稳定后的塑性区范围(即支护完成后当 前所施工节段的隧道围岩塑性区等效半径<)与破裂区范围(即支护完成后当前所施工节 段的隧道围岩破裂区等效半径,并考虑破裂区岩体的扩容碎胀特性,推导出隧道表面围 岩隧道空间内发生的位移(即支护完成后软岩隧道的围岩向内位移理论值S),并根据S对隧 道预留开挖量进行确定。
[0032] 4、所采用的当前所施工节段的预留开挖量的确定方法简单、实现简便且使用效果 好,所确定的预留开挖量合理、准确,能有效保证确保成型后的隧道内部空间符合设计要 求,并且确保隧道初期支护结构与隧道二次衬砌的结构稳定性和支护效果。所确定的预留 开挖量根据支护完成后软岩隧道的围岩向内位移理论值S进行确定,其中S为软岩隧道表面 围岩的塑性位移量S1与隧道表面围岩碎胀变形后位移量S2之和,并且考虑到实际施工中软 岩隧道的复杂变形因素,对计算得出的支护完成后软岩隧道的围岩向内位移理论值S叠加 一定的调整量(即Adi)。同时,本发明采用的软岩隧道表面围岩的塑性位移量5:与隧道表 面围岩碎胀变形后位移量S2确定方法简单、合理且精度高,根据预先确定的围岩基本力学 参数,并结合隧道实际结构参数,能简便、快速且准确地对&amp;和&amp;进行确定。
[0033] 5、使用效果好且实用价值高,针对软岩隧道开挖支护一段时间后围岩变形才趋于 稳定的特点,先计算得出支护完成后软岩隧道的围岩向内位移理论值S,并根据计算得出的 围岩向内位移理论值S对隧道预留开挖量进行确定,能有效解决因隧道实际预留开挖量小 于围岩向内位移理论值S导致隧道初期支护结构在纵向与环向均出现严重开裂、严重影响 隧道支护结构的支护效果、需对软岩隧道进行返修、投入成本高、施工风险大灯问题,并能 有效解决软岩隧道内围岩变形后侵入隧道净空并影响隧道正常使用的问题。由上述内容可 知,本发明针对因软岩隧道开挖支护一段时间后围岩变形才趋于稳定这一特点直接影响隧 道开挖方案及其支护效果的问题,并针对现有软岩隧道变形稳定后的塑性区范围与破裂区 范围确定方面理论研究的不足和现场实测的客观困难,采用合理的软岩隧道变形稳定后的 塑性区范围与破裂区范围确定方法,对支护完成后软岩隧道的围岩向内位移理论值S进行 计算,并相应确定合理、准确的隧道预留开挖量。
[0034] 综上所述,本发明方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好,根据软岩隧 道的围岩变形情况对预留开挖量进行确定,能有效解决软岩隧道的预留变形量确定难题, 并避免了软岩隧道的返修工作,且施工成本低。
[0035] 下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0036] 图1为本发明的施工方法流程框图。
[0037] 图2为本发明所施工软岩隧道的结构示意图。
[0038] 附图标记说明:
[0039] 1 一软岩隧道。
具体实施方式
[0040] 如图1所示的一种基于锚杆受力分析的软岩隧道开挖方法,沿隧道纵向延伸方向 由后向前分多个节段对所施工软岩隧道1进行开挖,多个所述节段的开挖方法均相同;对软 岩隧道1的任一节段进行开挖时,包括以下步骤:
[0041] 步骤一、围岩基本力学参数确定:通过对现场所取岩样进行室内试验,对当前所施 工节段的围岩基本力学参数进行测试,并对测试结果进行同步记录;
[0042] 步骤二、隧道预留开挖量确定:根据步骤一中所确定的围岩基本力学参数,对当前 所施工节段的预留开挖量进行确定;
[0043] 对当前所施工节段的预留开挖量进行确定时,根据支护完成后软岩隧道的围岩向 内位移理论值S进行确定;其中,S = Si+S2 (1);
[0044] 公式⑴中,S1为软岩隧道表面围岩的塑性位移量
Figure CN106499398BD00091
公式(2)中,Po为开挖前当前所施工节段的隧道围岩岩体的原岩应力;ξ为当前所施工节段 的隧道围岩强度参数且
Figure CN106499398BD00092
%当前所施工节段的隧道围岩岩体的内摩擦角;〇。为 当前所施工节段的隧道围岩岩体的单轴抗压强度;rQ为当前所施工节段的隧道等效开挖半 径,E为当前所施工节段的隧道围岩岩体的综合弹性模量,μ为当前所施工节段的隧道围岩 岩体的泊松比为支护完成后当前所施工节段的隧道围岩塑性区等效半径,Ρ〇、σ。和E的 单位均为Pa,r〇和β的单位均为m;
Figure CN106499398BD00093
丨公式(3)中,Pi为对软 岩隧道1进行初期支护时所采用锚杆的支护阻力且其单位为Pa;c为当前所施工节段的隧道 围岩岩体的粘聚力且其单位为Pa,A和t均为系数
Figure CN106499398BD00094
Figure CN106499398BD00101
公式(4)中,G为当前所施工节段的隧道围岩岩 体的岩体剪切模量且其单位为P
Figure CN106499398BD00102
为所述锚杆的弹性模量且其单位为Pa,As 为所述锚杆的横截面积且其单位为m2,n为所述锚杆的内端至当前所施工节段的隧道中心 点的距离且其单位m,k为支护系数且k = 0.8,<为支护(即隧道初期支护)前当前所施工节 段的隧道表面围岩的位移值且其单位为m;Pmax为所述锚杆杆体上的轴向拉力最大值且其单 位为N;
[0045] 公式⑴中,S2为软岩隧道表面围岩碎胀变形后的位移量,
Figure CN106499398BD00103
;公式(5)中,Kp为当前所施工节段的隧道围岩岩体 的碎胀系数,< 为支护完成后当前所施工节段的隧道围岩破裂区等效半径,
Figure CN106499398BD00104
[0046] 步骤三、隧道开挖:根据步骤二中所确定的当前所施工节段的预留开挖量,由后向 前对当前所施工节段进行开挖;
[0047] 步骤四、下一节段开挖:重复步骤一至步骤三,对下一节段进行开挖;
[0048] 步骤五、多次重复步骤四,直至完成软岩隧道1的全部开挖过程。
[0049] 其中,S、S1、S#P ^的单位均为m。
[0050] 地壳中没有受到人类工程活动(如矿井中开掘隧道等)影响的岩体称为原岩体,简 称原岩。步骤二中所述的原岩应力是指存在于地层中未受工程扰动的天然应力,也称为岩 体初始应力、绝对应力或地应力。
[0051] 其中,碎胀系数,也称为松散系数,是指岩石破碎后体积与破碎前体积之比值。
[0052] 根据本领域公知常识,软岩隧道(即软弱围岩隧道)开挖后,由于围岩应力重分布 及其显著的流变特性,围岩变形破坏在初期支护一段时间后才趋于稳定,研究支护状态下 围岩变形范围及其位移量将为合理地确定大埋深软岩隧道预留变形量及其支护方案提供 重要的理论依据。为充分发挥围岩自承作用,容许初期支护和围岩有一定的变形,而将设计 开挖线作适当扩大的预留量,称之为隧道预留变形量。预留变形量是指从隧道初期支护施 工开始,到隧道周边位移基本稳定时,周边位移的累计值。
[0053] 对支护完成后软岩隧道围岩位移(即围岩向内位移理论值S,指考虑扩容碎胀的隧 道围岩位移)进行分析时,假设围岩塑性区体积不变,由弹塑性状态下深埋圆形硐室围岩径 向位移的几何方程及塑性应力应变关系可知:隧道表面围岩的塑性位移为S1;工程实际中, 当隧道围岩强度低于围岩应力时,隧道周边表面围岩必然由塑性变形进入破碎状态,出现 扩容碎胀变形,围岩将在原有塑性位移的基础上进一步向隧道空间产生位移,
Figure CN106499398BD00111
进而可得:
Figure CN106499398BD00112
其中<为隧道表 面围岩碎胀变形后的等效半径,由此可得隧道表面围岩碎胀变形后的位移量
Figure CN106499398BD00113
。由此可以看出,对于一个确定的隧道断面,其围岩变形引起的 位移取决于其等效开挖半径、围岩剪切模量与弹塑性界面上的应力差及初期支护后围岩的 塑性区与破裂区半径。
[0054] 其中,支护完成后指的是隧道初期支护施工完成后,支护前指的是隧道初期支护 之前。
[0055] 长期以来,全长锚固锚杆在公路隧道围岩支护中被广泛采用。设隧道开挖初期围 岩处于弹塑性状态,表面围岩在垂直压力作用下向隧道空间内持续变形后形成破裂区。为 便于讨论,假设:第一、将隧道断面等效为圆形,其纵向长度远大于横向宽度,属于平面应变 问题;第二、将锚杆周围岩体简化为均质、连续且各向同性的弹塑性体;第三、锚杆表面任一 点与其周围岩体之间不产生相对滑动;第四、锚杆抗拉强度远大于周围岩体的抗拉强度,其 长度为围岩表面至弹性区外边界。本发明中通过将隧道围岩简化为理想弹塑性介质,在隧 道围岩中布设全长锚固锚杆。
[0056] 软岩隧道开挖后,沿锚杆长度方向上由内至外依次为围岩破碎区、塑性区及弹性 区,由于各区岩体具有不同的径向变形量,越靠近隧道表面,围岩径向位移速率越大。靠近 隧道表面的一段杆体具有阻止破碎区岩体向隧道内产生变形的趋势,其表面产生指向隧道 内的正摩阻力;由于弹塑性区岩体的位移速率较破碎区偏小,其余一段杆体则在靠近隧道 表面杆体的拉拔作用下产生指向深部围岩的负摩阻力。杆体所受正负摩阻力的分界面即为 锚杆的中性点,该点杆体与其周围岩体的相对位移及表面摩阻力为零,但其轴向拉力却达 到最大值。因而,所述锚杆上存在一个表面摩阻力指向相反的分界点,该分界点为所述锚杆 与其周围岩体相对位移为零的中性点,该点摩阻力为零。但该分界点处,所述锚杆的轴向拉 力达到最大且由该分界点向所述锚杆的两端轴向拉力逐渐减少并趋于零。
[0057] 这样,本发明基于锚杆与围岩的协调变形原理,且通过建立锚杆杆体与其周围岩 体相互作用的力学模型,分析出锚杆表面摩阻力及轴力的分布规律,并根据杆体的静力平 衡条件,推导锚杆杆体与岩体相对位移为零的中性点位置及其最大轴向拉力值,并分析得 出初期支护条件下隧道围岩的塑性区和破裂区的等效半径计算公式,详见公式(3)和公式 (6)。根据公式⑶和公式⑹能简便、直接看出:所述锚杆的支护阻力(即锚杆作用于表面围 岩上的阻力,具体是锚杆作用于软岩隧道表面围岩单位面积上的阻力,也称锚杆支护反力) 对隧道围岩塑性区和破裂区范围的影响均不大,表明围岩变形是一种当围岩强度低于围岩 应力时隧道周边客观存在的物理状态,人为支护并不能彻底避免围岩发生变形破坏。同时, 能直接看出,隧道等效开挖半径r〇对隧道围岩塑性区和破裂区范围的影响显著,支护完成 后当前所施工节段的隧道围岩塑性区等效半径巧和支护完成后当前所施工节段的隧道围 岩破裂区等效半径^?均随隧道等效开挖半径rQ的增加而近似呈线性增长,且i?〗受开挖半径 的影响较显著。
[0058] 根据公式(3)和公式(6),能简便、快速得出支护完成后隧道围岩的变形厚度,即
[0059]由上述内容可知,当隧道壁由塑性状态进入破碎状态后,洞壁岩体卸载,围岩所受 集中压力的峰值向深部岩体转移,开挖初期所形成的围岩弹塑性区将进一步扩展,围岩支 护后的塑性区等效半径$,详见公式(3);当隧道表面围岩所受垂直支承压力大于其强度 时将出现塑性滑移而破坏,形成破裂区,其范围与塑性区等效半径K存在一定的关联,围岩 支护后的破裂区等效半径β,详见公式(6)。
[0000] 本实施例中,多个所述节段的纵向长度均为IOm〜50m。
[0061] 实际施工时,可根据具体需要,对多个所述节段的纵向长度分别进行相应调整。
[0062] 步骤二中根据开挖完成后当前所施工节段的围岩向内位移理论值S,对当前所施 工节段的预留开挖量进行确定时,根据公式A d = S+ Δ dl ⑺进行确定;公式⑺中,Δ d为 当前所施工节段的预留开挖量,Adl=O〜0.2m。
[0063] 本实施例中,Δ dl=0。因而,Δ d = S。
[0064] 本实施例中,步骤三中进行隧道开挖之前,先根据步骤二中所确定的当前所施工 节段的预留开挖量,并结合当前所施工节段的设计开挖轮廓线,对当前所施工节段的实际 开挖轮廓线进行确定;
[0065] 当前所施工节段的实际开挖轮廓线位于当前所施工节段的设计开挖轮廓线外侧 且二者之间的间距为Ad;
[0066] 步骤三中由后向前对当前所施工节段进行开挖时,按照所确定的当前所施工节段 的实际开挖轮廓线进行开挖。
[0067] 本实施例中,步骤一中进行围岩基本力学参数确定之前,先从当前所施工节段中 选取一个节段作为测试段,所述测试段位于当前所施工节段后端且其长度为lm。
[0068] 步骤一中进行围岩基本力学参数确定时,从所述测试段取岩样进行室内试验,且 所获得的试验结果为开挖后当前所施工节段的围岩基本力学参数。
[0069] 并且,鉴于软岩隧道1的隧道围岩的非均质、非连续及各向异性等特性,其力学参 数必须在试验的基础上来确定,以确保数据准确可靠,减小计算误差。
[0070] 本实施例中,步骤三中由后向前对当前所施工节段进行开挖时,采用全断面开挖 法或台阶法进行开挖。
[0071] 并且,所采用的全断面开挖法或台阶法均为常规的隧道开挖方法。
[0072] 本实施例中,步骤三中由后向前对当前所施工节段进行开挖过程中,由后向前对 已开挖完成的隧道洞进行初期支护。
[0073] 对已开挖完成的隧道洞进行初期支护时,常用常规的隧道初期支护方法进行施 工。
[0074] 本实施例中,步骤二中所述的
Figure CN106499398BD00121
;公式(8)中,K为 所述锚杆杆体单位长度上的剪切刚度系数且其单位为Pa/m,D为所述锚杆的横截面周长且 其单位为r
Figure CN106499398BD00122
:,B的单位为m2;rm为所述锚杆的中性点 至当前所施工节段的隧道中心点之间的距离且其单位关
Figure CN106499398BD00123
公式(9-1)中,1为所述锚杆的有效长度且其单位为
Figure CN106499398BD00131
且1多1.5m。 为未支护时当前所施工节段的隧道围岩塑性区等效半径且其单位为m,
Figure CN106499398BD00132
[0075] 所述锚杆的长度I ’ = Ii ’+I+I2 ’,其中 Ii ’ = IOcm〜20cm,I2 ’ =30cm〜50cm。
[0076] 由于
Figure CN106499398BD00133
,因而所述锚杆的有效长度根据C和Π)进行确 定,所述锚杆的有效长度确定方法简单且所确定的锚杆有效长度1合理且准确,能有效保证 锚杆的支护效果。
[0077] 本实施例中,步骤二中所述锚杆为砂浆锚杆,剪切刚度系数K = 2 M P a / m = 2 X 106Pa/m。
[0078] 其中,剪切刚度系数是指岩石试件在一定的法向应力和剪应力作用下,相应的剪 应力与剪切位移之比值。
[0079] 本实施例中,步骤二中所述的Pmax为支护完成后所述锚杆中性点位置处的轴向拉 力,因而Pmax也可以通过试验测试得出。
[0080] 本实施例中,步骤二中所述的
Figure CN106499398BD00134
为预先设计的当前所施工节段的隧道横断 面的外边缘线长度。
[0081] 并且,步骤二中所述的
Figure CN106499398BD00135
:。实际使用时,σ。也可以采用试验测试得出的 测试值。
[0082] 本实施例中,当前所施工节段的隧道中心点为当前所施工节段的隧道横断面等效 圆的圆心,rb = l+rQ。因而,当前所施工节段的隧道中心点为当前所施工节段的隧道横断面 等效圆的圆心,η为所述锚杆的等效长度1与当前所施工节段的隧道横断面等效圆半径(BP 当前所施工节段的隧道等效开挖半径)ro之和。
[0083] 本实施例中,步骤二中当前所施工节段的隧道围岩为当前所施工节段的隧道拱部 或左右两侧边墙所处位置的围岩。
[0084] 本实施例弓
Figure CN106499398BD00136
为预先设计的当前所施工节段的隧道横断面的外边缘线长 度。
[0085] 本实施例中,所施工的软岩隧道1为位于茂县至龙塘区间的榴桐寨隧道,是新建成 都至兰州铁路线的关键性控制工程,左线全长16262m,最大埋深约1400m,右线全长 16257.5m,最大埋深约1410m,左右线间距30m〜40m。隧道围岩以炭质千枚岩、千枚岩夹石英 岩、灰岩、砂岩及石英岩为主。隧址区位于板块边缘构造带,具有地形切割极为强烈、构造条 件极为复杂活跃、岩性条件极为软弱破碎、汶川地震效应极为显著以及高地壳应力、高地震 烈度、高地质灾害风险的“四极三高”的显著特点,软岩大变形问题十分突出,隧道左线大变 形预测段落累计6850m,隧道右线大变形预测段落累计6810m。该隧道设计开挖高度7.65m, 最大跨度8.0m,原设计初期支护采用直径为Φ22πιπι的全长粘结砂浆锚杆,所述砂浆锚杆的 间排距1.2mX 1.2m且其长度为3. Om。在地质条件较差段采用锚网喷及钢拱架联合支护,二 次衬砌为模筑混凝土,开挖过程中涉及预留变形量为15cm。
[0086] 本实施例中,步骤一中进行围岩基本力学参数确定时,所确定的围岩基本力学参 数至少应包括开挖前所施工软岩隧道1中当前所施工节段的隧道围岩岩体的原岩应力Po、 当前所施工节段的隧道围岩岩体的内摩擦角貧、当前所施工节段的隧道围岩岩体的综合弹 性模量E、当前所施工节段的隧道围岩岩体的泊松比μ、对软岩隧道1进行初期支护时所采用 锚杆的支护阻力?:、当前所施工节段的隧道围岩岩体的粘聚力C、支护前当前所施工节段的 隧道表面围岩的位移值
[0087] 并且,还需对当前所施工节段的隧道等效开挖半径Π)、所述锚杆的弹性模量Ea、所 述锚杆的横截面积As、所述锚杆的内端至当前所施工节段的隧道中心点的距离η和所述锚 杆杆体上的轴向拉力最大值Pmax分别进行确定。
[0088] 本实施例中,所施工软岩隧道1的埋深H=912m,上覆岩层平均容重γ =25kN/m3, 原岩垂直地应力(即原岩应力)Po = 22 · 8MPa = 22 · 8 X IO6Pa,隧道开挖半高a = 3 · 5m,半宽b = 4.0m,隧道等效开挖半径r〇 = 5.3m,粘聚力c = 8.0MPa = 8.0X 106Pa,内摩擦角炉=25°,t = 1.464,泊松比μ = 0.25,综合弹性模量(也称为变形模量)E = 9.8GPa = 9.8 X IO9Pa,岩体剪 切模量G = 3.92GPa = 3.92 X IO9Pa,支护前(具体指开挖完成后且隧道初期支护之前)当前 所施工节段的隧道表面围岩的位移值< = 〇. 06m,原设计锚杆的有效长度l = 3m、直径为Φ 22mm且锚杆间排距为0.8m,所述锚杆杆体表面单位长度上的剪切刚度系数K = 2MPa/m= 2 X 106Pa/m,所述锚杆的弹性模量Ea = 200GPa = 200 X I O9Pa,所述锚杆的横截面积As = 4.91 cm2 = 4.91 X l(T4m2,所述锚杆的直径(即杆体直径)为25_,所述锚杆的横截面周长D = 0.08m, 隧道表面围岩支护反IO3Pa (具体是指隧道边墙表面围岩支护反力), 所述锚杆的内端至当前所施工节段的隧道中心点的距离n = 8.3m,当前所施工节段的隧道 围岩岩体的碎胀系数Kp=I .05。
[0089] 根据公式(10),得出未支护时当前所施工节段的隧道围岩塑性区等效半径
Figure CN106499398BD00141
[0090] 根据公式⑼,得吐
Figure CN106499398BD00142
Figure CN106499398BD00143
[0091] 根据公式(9-1),得吐
Figure CN106499398BD00144
[0092] 根据公式⑻,得吐
Figure CN106499398BD00145
Figure CN106499398BD00146
[0093] 根据公式⑷,得出-
Figure CN106499398BD00151
Figure CN106499398BD00152
[0094] 根据公式⑶,得出
Figure CN106499398BD00153
Figure CN106499398BD00154
[0095] 根据公式⑹,得吐
Figure CN106499398BD00155
Figure CN106499398BD00156
[0096] 同时,计算得出隧道围岩强度参1
Figure CN106499398BD00157
Figure CN106499398BD00158
[0097] 根据公式⑵,得tl
Figure CN106499398BD00159
Figure CN106499398BD001510
[0098] 根据隧道表面围岩碎胀变形后的等效半径< 的计算公式,得出
Figure CN106499398BD001511
[0099] 根据公式⑸,得出
Figure CN106499398BD001512
Figure CN106499398BD001513
[0100] 根据公式(1),得出S = Si+S2 = 0.068+0.113 = 0.181m。
[0101] 由于目前进行隧道施工过程中,为避免软岩变形后造成隧道侵限,一般在初期支 护和二次衬砌之间预留80mm〜120mm的变形量,S卩与原先设计的开挖预留量(S卩施工开挖设 计预留量)最大值为120mm。
[0102] 而根据公式(1),计算得出支护完成后软岩隧道的围岩向内位移理论值S = 0.181m,并且根据现场测试得出围岩向内位移理论值S与现场围岩实际位移量基本吻合,但 计算得出的围岩向内位移理论值S大于施工开挖设计预留量,最终导致隧道初期支护结构 在纵向与环向均出现严重开裂,并威胁后期隧道二次衬砌结构的稳定,因而需要对所施工 软岩隧道1开挖时的预留开挖量进行重新确定,并且根据计算得出的围岩向内位移理论值S 进行确定。
[0103] 以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何限制,凡是根据本发明 技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化,均仍属于本发明技 术方案的保护范围内。

Claims (10)

  1. I. 一种基于锚杆受力分析的软岩隧道开挖方法,其特征在于:沿隧道纵向延伸方向由 后向前分多个节段对所施工软岩隧道⑴进行开挖,多个所述节段的开挖方法均相同;对软 岩隧道⑴的任一节段进行开挖时,包括以下步骤: 步骤一、围岩基本力学参数确定:通过对现场所取岩样进行室内试验,对当前所施工节 段的围岩基本力学参数进行测试,并对测试结果进行同步记录; 步骤二、隧道预留开挖量确定:根据步骤一中所确定的围岩基本力学参数,对当前所施 工节段的预留开挖量进行确定; 对当前所施工节段的预留开挖量进行确定时,根据支护完成后软岩隧道的围岩向内位 移理论值S进行确定;其中,S = SdS2 (1); 公式(1)中,S1S软岩隧道表面围岩的塑性位移量,
    Figure CN106499398BC00021
    公式(2)中,Po为开挖前当前所施工节段的隧道围岩岩体的原岩应力;ξ为当前所施工节段 的隧道围岩强度参数且
    Figure CN106499398BC00022
    为当前所施工节段的隧道围岩岩体的内摩擦角;σ。为 当前所施工节段的隧道围岩岩体的单轴抗压强度;rQ为当前所施工节段的隧道等效开挖半 径,E为当前所施工节段的隧道围岩岩体的综合弹性模量,μ为当前所施工节段的隧道围岩 岩体的泊松比
    Figure CN106499398BC00023
    为支护完成后当前所施工节段的隧道围岩塑性区等效半径,Ρ〇、σ。和E的 单位均为Pa,r〇和
    Figure CN106499398BC00024
    的单位均为m_
    Figure CN106499398BC00025
    公式(3)中,Pi为对软岩隧道 (1)进行初期支护时所采用锚杆的支护阻力且其单位为Pa; c为当前所施工节段的隧道围岩 岩体的粘聚力且其单位为Pa,A和t均为系数
    Figure CN106499398BC00026
    ; 公式(4)中,G为当前所施工节段的隧道围岩岩体的岩体剪切模量且其单位为Pa,
    Figure CN106499398BC00027
    $Ea为所述锚杆的弹性模量且其单位为Pa,As为所述锚杆的横截面积且其单位
    Figure CN106499398BC00028
    为m2,rb为所述锚杆的内端至当前所施工节段的隧道中心点的距离且其单位m,k为支护系数 且k = 0.8,i4为支护前当前所施工节段的隧道表面围岩的位移值且其单位为m;Pmax为所述 锚杆杆体上的轴向拉力最大值且其单位为N; 公式(1)中,S2*软岩隧道表面围岩碎胀变形后的位移量, 公式⑸中,Kp为当前所施工节段的隧道围岩岩体的碎胀系数,
    Figure CN106499398BC00029
    为支护完成后当前所施工 节段的隧道围岩破裂区等效半径
    Figure CN106499398BC000210
    步骤三、隧道开挖:根据步骤二中所确定的当前所施工节段的预留开挖量,由后向前对 当前所施工节段进行开挖; 步骤四、下一节段开挖:重复步骤一至步骤三,对下一节段进行开挖; 步骤五、多次重复步骤四,直至完成软岩隧道⑴的全部开挖过程。
  2. 2. 按照权利要求1所述的基于锚杆受力分析的软岩隧道开挖方法,其特征在于:多个所 述节段的纵向长度均为IOm〜50m。
  3. 3. 按照权利要求1或2所述的基于锚杆受力分析的软岩隧道开挖方法,其特征在于:步 骤二中根据支护完成后软岩隧道的围岩向内位移理论值S,对当前所施工节段的预留开挖 量进行确定时,根据公式A d = S+ Δ dl⑺进行确定;公式⑺中,Δ d为当前所施工节段的预 留开挖量,Adl=O〜0.2m。
  4. 4. 按照权利要求3所述的基于锚杆受力分析的软岩隧道开挖方法,其特征在于:步骤三 中进行隧道开挖之前,先根据步骤二中所确定的当前所施工节段的预留开挖量,并结合当 前所施工节段的设计开挖轮廓线,对当前所施工节段的实际开挖轮廓线进行确定; 当前所施工节段的实际开挖轮廓线位于当前所施工节段的设计开挖轮廓线外侧且二 者之间的间距为Ad; 步骤三中由后向前对当前所施工节段进行开挖时,按照所确定的当前所施工节段的实 际开挖轮廓线进行开挖。
  5. 5. 按照权利要求1或2所述的基于锚杆受力分析的软岩隧道开挖方法,其特征在于:步 骤三中由后向前对当前所施工节段进行开挖时,采用全断面开挖法或台阶法进行开挖。
  6. 6. 按照权利要求1或2所述的基于锚杆受力分析的软岩隧道开挖方法,其特征在于:步 骤三中由后向前对当前所施工节段进行开挖过程中,由后向前对已开挖完成的隧道洞进行 初期支护。
  7. 7. 按照权利要求1或2所述的基于锚杆受力分析的软岩隧道开挖方法,其特征在于:步 骤二中所述的
    Figure CN106499398BC00031
    ;公式(8)中,K为所述锚杆杆体单位长度 上的剪切刚度系数且其单位为Pa/m,D为所述锚杆的横截面周长且其单位为m,
    Figure CN106499398BC00032
    ,8的单位为m2; rm为所述锚杆的中性点至当前所施 工节段的隧道中心点之间的距离且其单位为m,
    Figure CN106499398BC00033
    ;公式(9-1)中,1 为所述锚杆的有效长度且其单位为m,
    Figure CN106499398BC00034
    且1多1.5m;所述锚杆的长度 1’ =1ι’+1+ΐ2’,其中li’ = IOcm〜20cm,l2’ =30cm〜50cm;
    Figure CN106499398BC00035
    为未支护时当前所施工节段的 隧道围岩塑性区等效半径且其单位为m
    Figure CN106499398BC00036
  8. 8. 按照权利要求7所述的基于锚杆受力分析的软岩隧道开挖方法,其特征在于:步骤二 中所述锚杆为砂浆锚杆,剪切刚度系数K = 2MPa/m = 2 X IO6PaAi; 步骤二中所述的Pmax为支护完成后所述锚杆中性点位置处的轴向拉力。
  9. 9. 按照权利要求1或2所述的基于锚杆受力分析的软岩隧道开挖方法,其特征在于:步 骤二中所述的
    Figure CN106499398BC00041
    ,Is为预先设计的当前所施工节段的隧道横断面的外边缘线长度; 步骤二中所述的
    Figure CN106499398BC00042
    当前所施工节段的隧道中心点为当前所施工节段的隧道横断面等效圆的圆心,η = 1+ r〇〇
  10. 10.按照权利要求1或2所述的基于锚杆受力分析的软岩隧道开挖方法,其特征在于:步 骤二中当前所施工节段的隧道围岩为当前所施工节段的隧道拱部或左右两侧边墙所处位 置的围岩。
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