CN110110489B - 一种岩石地层盾构法隧道围岩压力计算方法 - Google Patents

Abstract

一种岩石地层盾构法隧道围岩压力计算方法，包括计算围岩径向位移△i、与开挖面距离L以及支护力Pi三者之间的关系曲线③；计算同步注浆体和管片衬砌作为支护结构体系的特征曲线⑥；若围岩稳定且围岩径向位移小于盾构机锥度，则根据关系曲线③和特征曲线⑥的交点得出围岩压力；若围岩稳定且围岩径向位移大于盾构机锥度，则考虑盾构壳体锥度的围岩的特征曲线⑦，根据特征曲线⑦和特征曲线⑥的交点得出围岩压力；若围岩不稳定，则计算断面设置应力释放率下的围岩是否稳定，如果稳定，则按照围岩稳定地层的方法计算围岩压力；如果断面设置应力释放率下的围岩不稳定，则将塑性区围岩作为坍塌体的荷载与围岩形变压力之和作为最终围岩压力。

Description

一种岩石地层盾构法隧道围岩压力计算方法

技术领域

本发明属隧道工程领域，具体涉及一种岩石地层盾构法隧道围岩压力计算方法。

背景技术

盾构法是隧道暗挖施工的一种全机械化施工方法，它是将盾构机械在地层中推进，通过盾构外壳和管片支承围岩防止发生坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，依靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，进行管片壁后同步注浆，形成隧道结构的一种机械化施工方法。

当盾构隧道位于深埋岩石地层时，盾构隧道施工过程中管片衬砌脱环后围岩与管片衬砌相互作用决定了最终作用在管片衬砌上的围岩压力，现有的隧道相关规范没有岩石地层盾构法隧道围岩压力计算方法，设计时一般采用《铁路隧道设计规范》(TB 10003-2016)或《公路隧道设计规范》(JTG D70-2-2014)中的围岩压力计算公式，但该规范的计算公式仅适用于矿山法隧道。盾构法隧道在围岩压力方面与矿山法隧道有以下不同点：1)矿山法隧道施工时，支护结构包括初期支护和二次衬砌，初期支护可在围岩开挖后及时施作封闭围岩，并通过调整二次衬砌的支护时机来适应不同条件的围岩，而盾构法隧道由于管片只能在盾尾拼装，盾尾至开挖面的距离一般为1～1.5D(D为管片衬砌外径)，无法及时形成支护；2)矿山法隧道支护结构强度、刚度可以根据实际需要进行调整，盾构法隧道管片衬砌由于预制规格，其强度基本为常数，刚度只能通过同步注浆层进行微量调整；3)当围岩变形量较大时，矿山法隧道可以通过增加开挖边界释放围岩变形，以减少围岩压力，而盾构法隧道可调整的开挖量较小。

目前传统的隧道特征曲线法可解释围岩的弹塑性特性并把支护结构作为弹性结构，包括围岩、支护特征曲线。其中，围岩特征曲线亦称为围岩的支护需求曲线，是洞室周边围岩的径向位移与支护力的关系曲线；支护特征曲线是作用在支护结构上的围岩压力与支护结构外缘所产生的径向位移间的关系曲线。特征曲线法常用于矿山法隧道支护结构设计，由于存在前述不同，特征曲线法并不能直接应用于岩石地层盾构隧道。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种岩石地层盾构法隧道围岩压力计算方法，在传统特征曲线法基础上，通过三维数值模拟方法判别围岩开挖后的稳定性状态，并得到围岩的特征曲线和沿隧道纵向变形曲线，根据盾构施工特点修正围岩特性曲线，计算注浆体、管片衬砌和部分围岩共同组成的支护结构体系，根据修正后的特征曲线法确定岩石地层盾构隧道围岩压力。本发明的技术方案如下：

一种岩石地层盾构法隧道围岩压力计算方法，所述方法包括以下步骤：

S1，计算围岩径向位移△i、与开挖面距离L以及支护力Pi三者的关系曲线③；

S2，计算注浆体、管片衬砌和围岩共同组成的支护结构体系的特征曲线⑥；

S3，根据围岩稳定性状态，结合上述得出的关系曲线③和特征曲线⑥计算出最终的围岩压力。

进一步地，S1具体包括：

S11，采用三维数值模拟计算全断面开挖、应力全部释放且无支护条件下断面的围岩径向位移△i与该断面至开挖面距离L的关系曲线①；

S12，根据不同的应力释放率α，采用反转应力释放法对开挖边界面施加支护力Pi，得出支护力Pi与围岩径向位移△i的关系曲线，即围岩的特征曲线②；

S13，根据关系曲线①中开挖面不同距离断面处围岩径向位移与关系曲线②中的围岩径向位移相符合，得出Pi、L以及△i三者的关系曲线③；

进一步地，S2具体包括：

S21，根据盾构施工同步注浆材料凝结时间t、凝结过程中的弹性模量、凝结后的弹性模量等参数，并根据施工平均掘进速度v及关系曲线①，得出与开挖面距离L处同步注浆体的变形与支护力的关系曲线④；

S22，根据管片衬砌的变形与支护力关系，得出管片衬砌的特征曲线⑤；

S23，将步骤S21中同步注浆体和步骤S5中管片衬砌作为支护结构体系，并根据关系曲线④和特征曲线⑤得出支护结构体系的特征曲线⑥。

进一步地，S3中，若所述围岩为稳定地层，且围岩收敛后最终径向位移小于盾构机锥度△1时，则根据关系曲线③和特征曲线⑥的交点得出围岩压力。

进一步地，S3中，若所述围岩为稳定地层，且盾构机体区围岩径向位移大于盾构机锥度△1时，计入盾壳的支护作用，将盾壳视为刚性支撑，对围岩的关系曲线③进行修正，得到考虑盾构壳体锥度的围岩的特征曲线⑦，最后根据特征曲线⑦和支护结构体系的特征曲线⑥的交点得出围岩压力。

进一步地，S3中，若所述围岩为不稳定地层时，计算断面设置不同应力释放率下的围岩是否稳定，如果稳定，则按照该应力释放率的围岩为稳定地层的方法计算围岩压力。

进一步地，如果断面设置应力释放率下的围岩不稳定，则计算围岩刚好达到稳定时的临界应力释放率，根据临界应力释放率计算塑性区范围，并把塑性区边界作为新的开挖断面修正围岩的关系曲线③的后半段，得到考虑塑性区的围岩特征曲线⑧，并将塑性区围岩作为坍塌体，与同步注浆、管片衬砌形成新的支护体系，坍塌围岩的支护力与变形关系为关系曲线⑨，对特征曲线⑥进行修正，得到考虑围岩作为支护结构的支护结构体系特征曲线⑩，新的围岩特征曲线⑧和支护结构体系特征曲线⑩的交点为围岩形变压力，塑性区围岩作为坍塌体的荷载与围岩形变压力之和为最终围岩压力。

进一步地，所述方法还包括：在S1之前，采用三维数值模拟对全断面开挖、应力全部释放且无支护条件下断面的围岩稳定性进行计算，确定围岩稳定性状态。

进一步地，围岩不稳定的判别方法如下：

a，围岩变形不收敛；

b，隧道拱顶塑性区平均高度大于20％隧道洞径；

c，围岩最大应变超过岩体极限应变的2-3倍；

d，浅埋隧道岩层塑性区贯通至地表或上覆土层；

出现上述一或多种情况说明围岩不稳定，未出现上述情况则围岩稳定。

本发明与现有技术的相比，具有以下优点和有益效果：

(1)本发明提供的一种岩石地层盾构法隧道围岩压力计算方法，与传统特征曲线法相比，考虑了盾构机的锥度对围岩变形的影响，并把注浆体、管片衬砌和部分围岩共同作为支护结构体系，根据修正后的特征曲线法确定岩石地层盾构隧道围岩压力，体现了盾构法施工的特点，解决了现行规范缺少盾构法隧道围岩压力计算方法的问题，保证了隧道管片衬砌设计的安全性和可靠性，提升了工程经济性。

(2)本发明提供的一种岩石地层盾构法隧道围岩压力计算方法，根据大量工程的围岩实际情况，提出了计算过程中围岩稳定性的判别方法，解决了一般数值模拟不能处理围岩实际破坏的问题。

(3)本发明提供的一种岩石地层盾构法隧道围岩压力计算方法，提出了发生破坏后的围岩压力主要为松动塌落的围岩荷载和围岩继续变形的形变压力，并把塌落围岩不仅作为隧道结构荷载，也是具有支撑作用的支护结构，相比传统观点只有塌落围岩荷载或围岩形变压力更加符合深埋岩石地层的实际情况，围岩压力计算更加合理。

(4)本发明提供的一种岩石地层盾构法隧道围岩压力计算方法，提出了同步注浆体作为支护结构的一部分，并考虑同步注浆体的凝结过程，在支护结构体系关系曲线中体现了施工中主要通过注浆材料调整支护刚度来释放围岩变形的措施，考虑了盾构法隧道同步注浆体的调节作用，围岩压力计算更加准确。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种岩石地层盾构法隧道围岩压力计算方法原理示意图；

图2为本发明实施例提供的盾构机掘进的开挖面示意图；

图3为本发明实施例提供的断面的围岩径向位移与该断面至开挖面距离L的关系曲线①；

图4为本发明实施例提供的支护力与围岩径向位移的关系曲线即围岩特征曲线②；

图5为本发明实施例提供的由曲线①和②形成开挖面间距L处断面的围岩特征曲线③的示意图；

图6为本发明实施例提供的由曲线④和曲线⑤形成曲线⑥，并通过曲线⑨对曲线⑥进行修正，得到考虑围岩作为支护结构的支护结构体系特征曲线⑩的示意图；

图7为本发明实施例提供的考虑盾构壳体锥度的围岩的特征曲线⑦；

图8为本发明实施例提供的当围岩不稳定时，考虑塑性区的围岩特征曲线⑧；

图9为本发明实施例提供的由关系曲线③和特征曲线⑥的交点得出围岩压力示意图；

图10为本发明实施例提供的由特征曲线⑥和特征曲线⑦的交点得出围岩压力示意图；

图11为本发明实施例提供的由特征曲线⑧和特征曲线⑩的交点得出围岩压力示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

盾构机施工开挖时会扰动地层初始应力场，引起围岩应力的变化，当盾构机通过后，管片衬砌脱环后支护围岩，围岩与管片衬砌相互作用、协调变形，最终达到平衡。在施工过程中，围岩变形会受到盾壳、同步注浆体等的影响，根据不同围岩条件，稳定情况下，一般只需要计算围岩的形变压力，而发生破坏时，对于深埋岩石地层，隧道管片衬砌不仅要承受围岩松动塌落的荷载还要考虑围岩继续变形挤压，因此，需要进一步考虑平衡条件。

图1为本发明实施例一种岩石地层盾构法隧道围岩压力计算方法原理示意图，用于确定岩石地层盾构隧道围岩压力，其步骤如下：

S1：采用三维数值模拟对全断面开挖、应力全部释放且无支护条件下断面的围岩稳定性进行计算，确定围岩稳定性状态。

S2：采用三维数值模拟计算全断面开挖、应力全部释放且无支护条件下断面的围岩径向位移△i与该断面至开挖面距离L的关系曲线①，即与开挖面距离L处围岩径向位移曲线，如图3所示；根据不同的应力释放率α，采用反转应力释放法对开挖边界面施加支护力Pi，得出支护力Pi与围岩径向位移△i的关系曲线，即围岩的特征曲线②，如图4所示，并根据关系曲线①中开挖面不同间距断面处围岩径向位移与关系曲线②中的围岩径向位移相符合，得出Pi、L以及△i三者的关系曲线③，即与开挖面距离L处断面的围岩特征曲线，如图5所示；

其中，如图2所示，盾构机沿掘进方向开挖，断面与开挖面距离为L，开挖后围岩径向位移为△i；如图3所示，关系曲线①体现的是沿隧道纵向开挖边界面的围岩径向位移变化规律，与围岩特性、开挖方式和支护条件等有关；如图4所示，围岩特征曲线②为传统不考虑其他因素影响的围岩特征曲线，特征曲线②包括AB、BC、CD三段，AB段是弹性阶段，BC段是弹塑性阶段，CD是松动段，围岩径向位移为零时对应最大支护力Pimax，△max为围岩允许最大径向位移，此时对应最小支护力Pimin和最大塑性区半径，当支护力小于最小支护力Pimin时，围岩进入松动段；如图5所示，根据关系曲线①中与开挖面不同距离x1、x2、x3断面处围岩径向位移△1、△2、△3与关系曲线②中的围岩径向位移相符合，把关系曲线①开挖面不同距离x1、x2、x3与特征曲线②的围岩径向位移△1、△2、△3相对应，得到支护力Pi、围岩径向位移△i和开挖面间距L的特征曲线③，其表示开挖面间距L处断面的围岩径向位移。

S3：根据盾构施工同步注浆材料凝结时间t、凝结过程中的弹性模量、凝结后的弹性模量等参数，并根据施工平均掘进速度v及关系曲线①，得出开挖面间距L处同步注浆体的变形与支护力的关系曲线④，即与开挖面间距L处同步注浆体特征曲线。

S4：根据管片衬砌的变形与支护力关系，得出管片衬砌的特征曲线⑤。

S5：将步骤S3同步注浆体和步骤S4管片衬砌作为支护结构体系，根据关系曲线④和特征曲线⑤得出支护结构体系的特征曲线⑥，即同步注浆体和管片衬砌的支护特征曲线，如图6所示。

其中，图6为实施例同步注浆体关系曲线④和管片特征曲线⑤形成支护结构体系的特征曲线⑥的示意图，关系曲线④表示同步注浆体的支护力与变形的关系，为简化计算，把注浆体作为弹性结构，假设凝结过程中的弹性模量与其固结强度的关系成正比，由于注浆材料存在凝结过程，施工中主要通过注浆材料的凝结时间和强度调整支护刚度达到释放围岩变形的目的，其支护力与变形曲线为斜率逐渐增大的凹型曲线，数值计算中可将注浆材料简化为与其固结后强度等效的弹性结构。注浆材料等效弹性结构和管片变形在一定范围内均为弹性阶段，由于管片衬砌由环向管片块及环向螺栓连接组成，考虑变形超过一定范围后其提供支护力不再增加，两者形成支护结构体系刚度为同步注浆体和管片的刚度之和。

S6：当所述步骤S1中围岩分析结果为稳定地层，且围岩收敛后最终径向位移小于盾构机锥度△1时，则根据关系曲线③和特征曲线⑥的交点得出围岩压力，如图9所示，根据关系曲线③和特征曲线⑥的交点K得出围岩压力。

S7：当所述步骤S1中围岩分析结果为稳定地层，且盾构机体区围岩径向位移大于盾构机锥度△1时，如图2所示，则应计入盾壳的支护作用，将盾壳视为刚性支撑，对围岩的关系曲线③进行修正，得到考虑盾构壳体锥度的围岩的特征曲线⑦，如图7所示，最后根据特征曲线⑦和支护结构体系的特征曲线⑥的交点得出围岩压力，如图10所示，特征曲线⑦和支护结构体系的特征曲线⑥的交点K得出围岩压力。

S8：当所述步骤S1分析结果为不稳定地层时，应首先计算断面设置不同应力释放率下围岩的稳定性，如果该应力释放率下围岩稳定，则按照所述步骤S6或步骤S7的方法计算围岩压力；如果围岩不稳定，则应计算围岩刚好达到稳定时的临界应力释放率，根据临界应力释放率计算塑性区范围，并把塑性区边界作为新的开挖断面修正围岩的关系曲线③的后半段，得到考虑塑性区的围岩特征曲线⑧，并将塑性区围岩作为坍塌体，与同步注浆、管片衬砌形成新的支护体系，坍塌围岩的支护力与变形关系为曲线⑨，即坍塌围岩支护曲线，对特征曲线⑥进行修正，得到考虑围岩作为支护结构的支护结构体系特征曲线⑩，围岩与同步注浆体、管片结构支护特征曲线，新的围岩特征曲线⑧和支护结构体系特征曲线⑩的交点为围岩形变压力，塑性区围岩作为坍塌体的荷载与围岩形变压力之和为最终围岩压力，如图11所示，特征曲线⑧和支护结构体系特征曲线⑩的交点K为围岩形变压力。

其中，如图8所示，为实施例当围岩不稳定时，考虑塑性区的围岩特征曲线⑧，特征曲线⑧表示在三维数值模拟中通过调整应力释放率得到围岩特征曲线③即图中AB线，但实际围岩在变形一定程度后可能发生破坏，此后特征曲线③不再符合，从破坏G点开始，假设塑性区塌落，把塑性区边界作为新的开挖断面，塌落围岩一方面成为管片衬砌荷载，一方面对新开挖断面围岩形成支撑作用，因此在G点处新开挖断面围岩随着变形增加，支护力有一定提高，新开挖断面围岩的完整特征曲线减去由塌落围岩提供支护对应的径向位移得到曲线HI，曲线AGHI即考虑塑性区的围岩特征曲线⑧。围岩破坏后，将塑性区围岩作为坍塌体，与同步注浆、管片衬砌形成新的支护体系，坍塌围岩的支护力与变形关系为曲线⑨，对特征曲线⑥进行修正，得到考虑围岩作为支护结构的支护结构体系特征曲线⑩。

其中，步骤S1中确定围岩稳定性状态，根据大量工程的围岩实际情况，得到计算过程中围岩不稳定的判别方法：①围岩变形不收敛；②隧道拱顶塑性区平均高度大于20％隧道洞径；③围岩最大应变超过岩体极限应变的2-3倍；④浅埋隧道岩层塑性区贯通至地表或上覆土层，其他情况则围岩稳定。

步骤S2中反转应力释放法主要用来模拟开挖过程的空间效应问题，基本步骤为计算得到开挖边界面上的节点荷载，再通过应力释放率控制反向施加的节点荷载的大小来达到应力释放的目的。

步骤S3中注浆材料在凝结过程中的弹性模量，为简化计算，把注浆体作为弹性结构，假设凝结过程中的弹性模量与其固结强度的关系成正比。

步骤S5中支护结构体系的刚度为同步注浆体和管片衬砌的刚度之和。

步骤S6的盾构机锥度为盾构机壳体沿纵向与开挖边界面形成一定夹角，开挖后围岩变形进入夹角空间。

步骤S8中考虑塑性区的围岩特征曲线⑧由两部分组成，前部分为该断面在临界应力释放率对应的围岩特征曲线段，后半部分为把塑性区边界作为新的开挖断面即开挖半径等于塑性区半径时，临界应力释放率对应的围岩特征曲线段。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种岩石地层盾构法隧道围岩压力计算方法，其特征在于，所述方法包括：

计算围岩径向位移△i、与开挖面距离L以及支护力Pi三者之间的关系曲线③；

计算同步注浆体和管片衬砌作为支护结构体系的特征曲线⑥；

根据围岩稳定性状态，结合所述关系曲线③和特征曲线⑥计算围岩压力，具体为：若所述围岩为稳定地层，且围岩收敛后最终径向位移小于盾构机锥度△1时，则根据关系曲线③和特征曲线⑥的交点得出围岩压力；

其中，计算围岩径向位移△i、与开挖面距离L以及支护力Pi三者的关系曲线③具体包括：

采用三维数值模拟计算全断面开挖、应力全部释放且无支护条件下断面的围岩径向位移△i与该断面至开挖面距离L的关系曲线①；

根据不同的应力释放率α，采用反转应力释放法对开挖边界面施加支护力Pi，得出支护力Pi与围岩径向位移△i的关系曲线，即围岩的特征曲线②；

根据关系曲线①中开挖面不同距离断面处围岩径向位移与关系曲线②中的围岩径向位移相符合，得出Pi、L以及△i三者的关系曲线③；

其中，计算注浆体、管片衬砌和围岩共同组成的支护结构体系的特征曲线⑥具体包括：

根据盾构施工同步注浆材料凝结时间t、凝结过程中的弹性模量、凝结后的弹性模量参数，并根据施工平均掘进速度v及关系曲线①，得出与开挖面距离L处同步注浆体的变形与支护力的关系曲线④；

根据管片衬砌的变形与支护力关系，得出管片衬砌的特征曲线⑤；

将所述同步注浆体和管片衬砌作为支护结构体系，并根据关系曲线④和特征曲线⑤得出支护结构体系的特征曲线⑥。

2.根据权利要求1所述的岩石地层盾构法隧道围岩压力计算方法，其特征在于，若所述围岩为稳定地层，且盾构机体区围岩径向位移大于盾构机锥度△1时，计入盾壳的支护作用，将盾壳视为刚性支撑，对围岩的关系曲线③进行修正，得到考虑盾构壳体锥度的围岩的特征曲线⑦，最后根据特征曲线⑦和支护结构体系的特征曲线⑥的交点得出围岩压力。

3.根据权利要求1所述的岩石地层盾构法隧道围岩压力计算方法，其特征在于，若所述围岩为不稳定地层时，则计算断面设置不同应力释放率下的围岩是否稳定，如果稳定，则按照该应力释放的围岩为稳定地层的方法计算围岩压力。

4.根据权利要求3所述的岩石地层盾构法隧道围岩压力计算方法，其特征在于，如果断面设置应力释放率下的围岩不稳定，则计算围岩刚好达到稳定时的临界应力释放率，根据临界应力释放率计算塑性区范围，并把塑性区边界作为新的开挖断面修正围岩的关系曲线③的后半段，得到考虑塑性区的围岩特征曲线⑧，并将塑性区围岩作为坍塌体，与同步注浆、管片衬砌形成新的支护体系，坍塌围岩的支护力与变形关系为关系曲线⑨，对特征曲线⑥进行修正，得到考虑围岩作为支护结构的支护结构体系特征曲线⑩，新的围岩特征曲线⑧和支护结构体系特征曲线⑩的交点为围岩形变压力，塑性区围岩作为坍塌体的荷载与围岩形变压力之和为最终围岩压力。

5.根据权利要求1所述的岩石地层盾构法隧道围岩压力计算方法，其特征在于，所述方法还包括：采用三维数值模拟对全断面开挖、应力全部释放且无支护条件下断面的围岩稳定性进行计算，确定围岩稳定性状态。

6.根据权利要求5所述的岩石地层盾构法隧道围岩压力计算方法，其特征在于，围岩不稳定的判别方法如下：

a，围岩变形不收敛；

b，隧道拱顶塑性区平均高度大于20%隧道洞径；

c，围岩最大应变超过岩体极限应变的2-3倍；

d，浅埋隧道岩层塑性区贯通至地表或上覆土层；

出现上述一或多种情况说明围岩不稳定，未出现上述情况则围岩稳定。

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