CN109083655B - 一种高地应力环境层状围岩隧道定向支护加固方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高地应力环境层状围岩隧道定向支护加固方法,获取必要的岩石力学参数,建立数值计算模型并将实验参数带入进行计算;建立围岩层面产状与隧道轴向在实际交角下的离散单元数值模型,计算开挖后的围岩变形特征;根据隧道断面位移场数值确定开挖后断面的径向位移等值线;根据等值线的分布特征,确定实际工程中的定向支护关键部位;确定关键部位定向支护的范围、深度、支护范围;根据模拟结果的破坏特征有针对性地选择锚固手段。本发明可以有效地阻止层片状围岩由于层间开裂和剪切滑移产生的非均匀挤压变形,减少施工过程中的设计变更,加快施工进度,有效节约工程投资,适用于各类型层状隧道围岩的设计和施工。
Description
技术领域
本发明涉及工程地质与岩土工程领域,具体涉及一种高地应力环境层状围岩隧道定向支护加固方法。
背景技术
隧道工程中常见层状结构围岩,开挖过程中围岩的变形破坏多受到岩体结构面的强度,产状与断面开挖方向间的空间位置关系控制表现出形变的各向异性,即断面周围会产生局部过大的变形,
现有设计规范对交通隧道围岩的初期支护设计主要采用新奥法施工的锚喷支护技术,即系统锚杆应沿隧道周边径向均匀布置,根据围岩性质及状态等确定锚杆的类型、锚固方式、长度。对于初期变形大的围岩则考虑采用均匀布设钢筋网喷射混凝土以及钢拱架作初期支护,混凝土的喷射厚度在拱顶和边墙一般相等。根据围岩等级确定钢拱架的施工间距以及混凝土喷浆的厚度。
高地应力条件下,层状岩体强度的各向异性导致开挖过程中围岩大变形的显著不均匀。被动、各向同性的加固手段不仅不能有效地阻止层片状围岩发生层间开裂和非均匀挤压变形,引发工程事故,在加固范围和加固力上由于参数取值过大造成不必要的消耗。从而导致隧道施工过程中出现大量设计变更,工程投资产生不必要的浪费,严重影响施工进度。
发明内容
为解决上述问题,本发明提供了一种高地应力环境层状围岩隧道定向支护加固方法,可以有效控制高地应力环境下隧道层状围岩频繁出现的不对称大变形,提高隧道的安全施工,加快施工进度,有效降低设计变更费用。
为实现上述目的,本发明采取的技术方案为:
一种高地应力环境层状围岩隧道定向支护加固方法,包括如下步骤:
步骤一、对待加固隧道开展现场地质编录,获取结构面原位强度特征,采集围岩样品制作多组圆柱形标准试件,每组中不少于3个样品,利用三轴试验分别获取每组样品的岩体力学参数,将多组样品的物理力学参数平均值作为围岩力学参数值;所述岩体力学参数包括弹性模量、泊松比、抗压强度、粘聚力和内摩擦角。
建立隧道数值计算模型,建模过程中,岩层层面的厚度须与实际岩层的厚度一致;将所采集到的围岩力学参数输入模型中进行计算,得到隧道变形大小量值和变形方向数据;
步骤二、建立围岩层面产状与隧道轴向在实际交角下的离散单元数值模型,计算层状围岩与隧道轴向在实际夹角下掌子面的位移场,并且提取每个质点的位移值;
步骤三、根据隧道断面位移场数值计算确定开挖后断面的径向位移等值线;并根据等值线的分布特征,分析隧道围岩不均匀变形的集中位置,即由分布特征提取位移等值线最为突出的断面位置,从而确定实际工程中隧道围岩形变最不均匀区域即定向支护关键部位;
步骤四、根据定向支护流程,在确定定向支护关键部位基础上,根据隧道断面上每个质点的位移特征,以使断面收敛变形在空间上均匀分布为目的确定关键部位定向支护的范围和深度;
根据变形位移等值线突出区域的周向分布大小确定定向支护范围;
根据等值线突出区域的径向分布大小确定定向支护深度,以满足全断面围岩均匀变形;
步骤五、针对显著非均匀变形的关键部位进行定向锚固,根据模拟结果的破坏特征有针对性地选择锚固手段:
对弯折破坏集中部分宜采用压力型预应力锚杆进行穿层锚固,锚杆必须与岩层层面平行,须施加预应力防止岩层在开挖卸荷的作用下开裂,锚固力可根据规范,直接用于工程设计;
对剪切滑移破坏集中部分宜采用拉力型预应力锚杆对滑移变形集中区进行加固;水平锚杆设计为拉力型预应力锚杆,这种类型的锚杆可以有效防止层间的剪切滑移,避免锚杆沿掌子面径向打入中不能控制岩体顺层滑移的弊端。另外,水平锚杆施工不需要考虑岩层产状,便于开挖后剪切变形产生之前及时支护,有利于实际施工;
步骤六、完成定向锚固后,隧道断面基本呈现均匀形变的状态;此时可根据围岩等级需要进行格栅钢架、钢筋网及混凝土喷射的布置,格栅钢架结构轻便易于施工,结构受力条件优越,有利用开挖之后掌子面的及时支护且迅速承担变形。
对弯折破坏集中部位采取定向穿层锚固支护,锚杆施做方位须与岩层层面平行并施加预应力,防止岩层在开挖卸荷的作用下开裂,定向穿层锚固支护具体设计步骤如下:
S1、选择穿层锚杆设计为压力型预应力锚杆,这种类型的锚杆有助于维持层面的闭合状态,防止层面在卸荷过程中岩层层面张开;
S2、穿层锚杆垂直于层面进行施工设计,当隧道内空间不允许垂直于层面进行施工时,依据锚固力垂直于层面的分量进行加固方向设计,克服单纯沿断面径向布置锚杆支护效率低下的缺陷;
S3、由于岩层的非均匀变形和强裂的各向异性,以及由于层间结合力的差异性,穿层锚杆的锚固力大小由现场拉拔实验确定。
所述步骤四中的定向支护流程为:层片状围岩变形特征数值计算-获取锚固关键部位-关键部位锚固力、锚固范围以及锚固深度的确定-定向穿层锚固。
本发明可以有效地阻止层片状围岩由于层间开裂和剪切滑移产生的非均匀挤压变形,减少施工过程中的设计变更,加快施工进度,有效节约工程投资,适用于各类型层状隧道围岩的设计和施工。
附图说明
图1为本发明中层状围岩与洞轴的夹角关系的8种类型的变形特征示意图。
图2为本发明实施例中的定向支护设计流程图。
图3为层状岩体的弯折破坏与层间的剪切滑移两种模式的定向支护措施设计图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白,以下结合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。
本发明实施例提供了一种高地应力环境层状围岩隧道定向支护加固方法,包括如下步骤:
步骤一、对待加固隧道开展现场地质编录获取结构面原位强度特征,采集围岩样品制作多组圆柱形标准试件,每组中不少于3个样品,利用三轴试验分别获取每组样品的以下岩体力学参数:弹性模量、泊松比、抗压强度、粘聚力和内摩擦角,将多组样品的物理力学参数平均值作为围岩力学参数值。
(1)隧道围岩的形变数据是本发明的基础资料,该数据可通过已被广泛使用的数值计算技术得到。首先需要进行岩石实验获取必要的岩石力学参数,其次需要建立数值计算模型并将实验参数带入进行计算。
(2)采集隧道围岩实验样品,测定围岩的弹性模量、泊松比、抗压强度。实验过程和步骤按照国家规范《GB/T 50266-2013工程岩体试验方法标准》进行。
(3)建立隧道数值计算模型,建模过程中,岩层层面的厚度须与实际岩层的厚度一致。将实验得到的岩石力学参数输入模型中进行计算,得到隧道变形大小量值和变形方向数据。计算过程使用离散元计算方法,如UDEC,3DEC等。具体步骤参考各计算方法使用手册。
步骤二、建立围岩层面产状与隧道轴向在实际交角下的离散单元数值模型,计算开挖后的围岩变形特征。由于围岩产状与隧道轴向有无数种排列组合关系,因此根据实际工程的现场地质编录情况进行建模计算。通过离散单元法数值方法计算层状围岩与隧道轴向在实际夹角下掌子面的位移场,并且提取每个质点的位移值。
根据排列组合,层状围岩与洞轴的夹角关系有无数种可能性,但总的来说可以分为下面的8种类型,这8种类型的变形特征如图1所示:
(1)图1中的第1种情况,即岩层倾向为0度时:拱顶弯折下沉、左右两拱肩的剪切滑移变形。
(2)图1中的第2种情况,即岩层倾向为0~90度时:右侧拱肩部位的弯折与滑移。
(3)图1中的第3种情况,即岩层倾向为90度时:右侧拱肩和左侧拱脚部位的弯折与滑移变形、左侧拱肩和右侧拱脚部位的剪切滑移和挤出变形。
(4)图1中的第4种情况,即岩层倾向为90~180度时:左侧拱脚部位的弯折与滑移。
(5)图1中的第5种情况,即岩层倾向为180度时:底鼓变形。
(6)图1中的第6种情况,即岩层倾向为180~270度时:右侧拱脚部位的弯折与滑移。
(7)第7种情况,即岩层倾向为270度时:左侧拱肩和右侧拱脚部位的弯折与滑移变形、右侧拱肩和左侧拱脚部位的剪切滑移和挤出变形。
(8)第8种情况,即岩层倾向为270~360度时:变形主要集中在左侧拱肩部位的弯折与滑移。
在以上8种典型情况下,显著非均匀变形潜在位置依次为隧道的:情况1,左右拱肩;情况2,右拱肩;情况3,右拱肩和左拱脚;情况4,左侧拱脚;情况5,隧道底部;情况6,右侧拱脚;情况7,左拱肩和右拱脚;情况8,左侧拱肩。
步骤三、根据隧道断面位移场数值计算确定开挖后断面的径向位移等值线。根据等值线的分布特征,分析隧道围岩不均匀变形的集中位置,即由分布特征提取位移等值线最为突出的断面位置,从而确定实际工程中隧道围岩形变最不均匀区域即定向支护关键部位。
步骤四、根据图2中的定向支护设计流程,在确定定向支护关键部位基础上,本专利根据隧道断面上每个质点的位移特征,以使断面收敛变形在空间上均匀分布为目的确定关键部位定向支护的范围和深度。根据变形位移等值线突出区域的周向分布大小确定定向支护范围,根据等值线突出区域的径向分布大小确定定向支护深度,以满足全断面围岩均匀变形。
步骤五、针对显著非均匀变形的关键部位进行定向锚固。根据模拟结果的破坏特征有针对性地选择锚固手段:对弯折破坏集中部分宜采用压力型预应力锚杆进行穿层锚固,锚杆必须与岩层层面平行,须施加预应力防止岩层在开挖卸荷的作用下开裂,锚固力可根据规范,直接用于工程设计;对剪切滑移破坏集中部分宜采用拉力型预应力锚杆对滑移变形集中区进行加固。
依据计算得到的围岩非均匀变形特征,变形集中部位产生的原因主要为层状岩体的弯折破坏与层间的剪切滑移两种模式,因此需针对两种破坏模式分别采取定向支护措施。具体设计如图3所示:
(1)对弯折破坏集中部位采取定向穿层锚固支护,锚杆施做方位须与岩层层面平行并施加预应力,防止岩层在开挖卸荷的作用下开裂,定向穿层锚固支护具体设计步骤如下:
1)选择穿层锚杆设计为压力型预应力锚杆,这种类型的锚杆有助于维持层面的闭合状态,防止层面在卸荷过程中岩层层面张开。
2)穿层锚杆垂直于层面进行施工设计,当隧道内空间不允许垂直于层面进行施工时,依据锚固力垂直于层面的分量进行加固方向设计,克服单纯沿断面径向布置锚杆支护效率低下的缺陷。
3)由于岩层的非均匀变形和强裂的各向异性,以及由于层间结合力的差异性,穿层锚杆的锚固力大小由现场拉拔实验确定。
(2)对剪切滑移破坏集中部分宜采用水平穿层锚杆加固并喷射混凝土对滑移变形集中区进行加固。水平锚杆设计为拉力型预应力锚杆,这种类型的锚杆可以有效防止层间的剪切滑移,避免锚杆沿掌子面径向打入中不能控制岩体顺层滑移的弊端。另外,水平锚杆施工不需要考虑岩层产状,便于开挖后剪切变形产生之前及时支护,有利于实际施工。
步骤六、完成定向锚固后,隧道断面基本呈现均匀形变的状态。此时可根据围岩等级需要进行格栅钢架、钢筋网及混凝土喷射的布置,格栅钢架结构轻便易于施工,结构受力条件优越,有利用开挖之后掌子面的及时支护且迅速承担变形。格栅钢架相对钢使用量较小,更加经济。同时格栅钢架布设后喷射混凝土更易于闭合与围岩之间的空隙,提高初期支护的整体性,有效控制变形。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以作出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种高地应力环境层状围岩隧道定向支护加固方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤一、对待加固隧道开展现场地质编录,获取结构面原位强度特征,采集围岩样品制作多组圆柱形标准试件,每组中不少于3个样品,利用三轴试验分别获取每组样品的岩体力学参数,将多组样品的物理力学参数平均值作为围岩力学参数值;建立隧道数值计算模型,建模过程中,岩层层面的厚度须与实际岩层的厚度一致;将所采集到的围岩力学参数输入模型中进行计算,得到隧道变形大小量值和变形方向数据;步骤二、建立围岩层面产状与隧道轴向在实际交角下的离散单元数值模型,计算层状围岩与隧道轴向在实际夹角下掌子面的位移场,并且提取每个质点的位移值;步骤三、根据隧道断面位移场数值计算确定开挖后断面的径向位移等值线;并根据等值线的分布特征,分析隧道围岩不均匀变形的集中位置,即由分布特征提取位移等值线最为突出的断面位置,从而确定实际工程中隧道围岩形变最不均匀区域即定向支护关键部位;步骤四、根据定向支护流程,在确定定向支护关键部位基础上,根据隧道断面上每个质点的位移特征,以使断面收敛变形在空间上均匀分布为目的确定关键部位定向支护的范围和深度;根据变形位移等值线突出区域的周向分布大小确定定向支护范围;根据等值线突出区域的径向分布大小确定定向支护深度,以满足全断面围岩均匀变形;步骤五、针对显著非均匀变形的关键部位进行定向锚固,根据模拟结果的破坏特征有针对性地选择锚固手段:对弯折破坏集中部分宜采用压力型预应力锚杆进行穿层锚固,锚杆必须与岩层层面平行,须施加预应力防止岩层在开挖卸荷的作用下开裂,锚固力可根据规范,直接用于工程设计;对剪切滑移破坏集中部分宜采用拉力型预应力锚杆对滑移变形集中区进行加固;水平锚杆设计为拉力型预应力锚杆,这种类型的锚杆可以有效防止层间的剪切滑移,避免锚杆沿掌子面径向打入中不能控制岩体顺层滑移的弊端;另外,水平锚杆施工不需要考虑岩层产状,便于开挖后剪切变形产生之前及时支护,有利于实际施工;步骤六、完成定向锚固后,隧道断面基本呈现均匀形变的状态;此时可根据围岩等级需要进行格栅钢架、钢筋网及混凝土喷射的布置,格栅钢架结构轻便易于施工,结构受力条件优越,有利用开挖之后掌子面的及时支护且迅速承担变形;
对弯折破坏集中部位采取定向穿层锚固支护,锚杆施做方位须与岩层层面平行并施加预应力,防止岩层在开挖卸荷的作用下开裂,定向穿层锚固支护具体设计步骤如下:S1、选择穿层锚杆设计为压力型预应力锚杆,这种类型的锚杆有助于维持层面的闭合状态,防止层面在卸荷过程中岩层层面张开;S2、穿层锚杆垂直于层面进行施工设计,当隧道内空间不允许垂直于层面进行施工时,依据锚固力垂直于层面的分量进行加固方向设计,克服单纯沿断面径向布置锚杆支护效率低下的缺陷;S3、由于岩层的非均匀变形和强裂的各向异性,以及由于层间结合力的差异性,穿层锚杆的锚固力大小由现场拉拔实验确定。
2.如权利要求1所述的一种高地应力环境层状围岩隧道定向支护加固方法,其特征在于,所述岩体力学参数包括弹性模量、泊松比、抗压强度、粘聚力和内摩擦角。
3.如权利要求1所述的一种高地应力环境层状围岩隧道定向支护加固方法,其特征在于,所述步骤四中的定向支护流程为:层片状围岩变形特征数值计算-获取锚固关键部位-关键部位锚固力、锚固范围以及锚固深度的确定-定向穿层锚固。
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CN109083655A (zh) | 2018-12-25 |
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Legal Events
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