CN110593892A - 隧道初期支护施作的最佳时机判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隧道初期支护施作的最佳时机判别方法，通过数值模拟分析隧道开挖后，在无支护条件下，围岩应力释放过程中围岩位移、应力及拉应变的变化规律，以围岩的拉应变达到岩体极限拉应变，即将开始产生破坏，并即将形成松动圈为判别标准，作为施作初期支护的时机。该方法从松动圈的定义出发，将使隧道初期支护施作的时机判别方法得到补充和完善。

Description

隧道初期支护施作的最佳时机判别方法

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种隧道初期支护施作的最佳时机判别方法。

背景技术

根据新奥法的设计理念，隧道开挖后，围岩应力的释放存在明显的时间效应。随着围岩应力释放的进行，围岩损伤加剧、变形增大、围岩压力减小，支护结构所需提供的支护力也随之减小。但若对围岩应力释放不加约束，将导致围岩变形过大、初支侵限甚至坍塌。因此，研究隧道开挖后合适的初期支护施作时机，将具有重要的现实意义。国内外在对于隧道初期支护施作的最佳时机判别已进行了一些相关研究，对于初期支护施作时机的确定目前主要有围岩自稳时间分析、变形控制、应力控制、支护结构受力分析等方法。

上述方法在理论上分析了初期支护施作时机和围岩自稳时间、围岩位移、围岩应力和支护结构受力之间的关系，但未给出评判标准和定量指标，因此对工程的指导有限。而松动圈是由于隧道开挖时，围岩发生应力重分布，导致局部围岩拉应力超过岩体抗拉强度产生受拉破坏而形成的。可见围岩松动圈的产生标志着岩体开始破坏，因此可把这一时刻作为施作初期支护的最佳时机，提出一种新的隧道初期支护施作时机确定理论。

发明内容

本发明的目的是提供一种隧道初期支护施作的最佳时机判别方法，用于在隧道施工期确定初期支护施作时机。

本发明所采用的技术方案为：

隧道初期支护施作的最佳时机判别方法，其特征在于：

通过数值模拟分析隧道开挖后，在无支护条件下，围岩应力释放过程中围岩位移、应力及拉应变的变化规律，以围岩的拉应变达到岩体极限拉应变，即将开始产生破坏，并即将形成松动圈为判别标准，作为施作初期支护的时机。

围岩应力释放过程是指应力释放系数由0→0.1→0.2→0.4→0.6→0.8→1.0的过程。

具体包括以下步骤：

第一步：基于隧址附近的工程地质和水文地质资料，对隧道内分区段判定围岩等级类别，然后得出隧址区围岩的物理力学特征数据；

第二步：建立隧道开挖后，初期支护尚未施作时，围岩应力释放系数分别为0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0的三维有限元数值计算模型；

第三步：分析不同应力释放系数下拱顶、拱肩、边墙、拱脚关键节点围岩位移、应力、拉应变的变化规律以及松动圈的产生和发展规律，并绘制应力释放系数与围岩位移、应力、拉应变的关系曲线；

第四步：以围岩拉应变达到极限拉应变，即将开始产生松动圈为判别标准，所对应的应力释放系数即为初期支护施作时机。

所述的数值计算模型中划定多个混合四面体单元，并对边界施加相应的约束。

本发明具有以下优点：

本发明可确定隧道初期支护施作时机，通过数值模拟分析隧道开挖后，在无支护条件下围岩应力释放过程中，即应力释放系数由0→0.1→0.2→0.4→0.6→0.8→1.0的过程中，围岩位移、应力及拉应变的变化规律，以围岩的拉应变达到岩体极限拉应变，开始（即将）产生破坏，并形成（即将形成）松动圈为判别标准，作为初期支护施作时机，建立基于松动圈理论的隧道初期支护施作时机理论。该方法从松动圈的定义出发，将使隧道初期支护施作的时机判别方法得到补充和完善。

附图说明

图1 为关键点位置图。

图2 为III级围岩拉应变变化规律。

图3 为IV级围岩拉应变变化规律。

图4为 V级围岩拉应变变化规律。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明涉及的隧道初期支护施作时机判别方法，通过数值模拟分析隧道开挖后，在无支护条件下围岩应力释放过程中，即应力释放系数由0→0.1→0.2→0.4→0.6→0.8→1.0的过程中，围岩位移、应力及拉应变的变化规律，以围岩的拉应变达到岩体极限拉应变，开始（即将）产生破坏，并形成（即将形成）松动圈为判别标准，作为初期支护施作时机，建立基于松动圈理论的隧道初期支护施作时机理论。

具体包括以下步骤：

第一步：基于隧址附近的工程地质和水文地质资料，对隧道内分区段判定围岩等级类别，然后得出隧址区围岩的物理力学特征数据；

第二步：建立隧道开挖后，初期支护尚未施作时，围岩应力释放系数分别为0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0的三维有限元数值计算模型；

第三步：分析不同应力释放系数下拱顶、拱肩、边墙、拱脚等关键节点围岩位移、应力、拉应变的变化规律以及松动圈的产生和发展规律，并绘制应力释放系数与围岩位移、应力、拉应变的关系曲线；

第四步：以围岩拉应变达到极限拉应变，开始（即将）产生松动圈为判别标准，所对应的应力释放系数即为初期支护施作时机。

实施例：

（1）某隧道围岩为片麻岩，采用广义Hoek-Brown准则。隧道围岩级别为III、IV和V级。侧压力系数 III、IV和V级围岩分别取0.14、0.15、0.3，具体物理力学参数由工程实测数据，并结合《工程地质手册》中参考值最终确定，详细的岩体材料参数见表1所示。

（2）采用Midas软件自身所具有的功能，对自重应力状态下的围岩应力释放10%，20%，40%，60%，80%，100%时（即应力释放系数分别设置为0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0时）围岩关键点的位移、应力、拉应变及松动圈厚度分别进行分析计算。隧道横断面关键点提取位置为：拱顶（1点）、拱肩（2点、3点）、边墙（4点、5点）、拱脚（6点、7点）位置，共计7个，具体位置如图1所示。

（3）拱顶下沉取拱顶（1点）的竖向位移；围岩应力取岩体最大主应力；并以岩体的极限拉应变作为判断松动圈厚度的标准。通过查阅相关文献，确定III级围岩的极限拉应变为155，IV级围岩的极限拉应变为135，V级围岩的极限拉应变为115。

（4）III、IV和V级数值模拟结果见表2~表4。由表2~表4可发现随着应力释放系数的增大，III、IV和V级围岩拱顶下沉值不断增加，拉应变不断增加；而拱部压应力逐渐减小，向边墙部方向开始变为递增趋势。

（5）根据不同应力释放系数条件下的拉应变值，绘制III、IV和V级围岩的应力释放系数-拉应变折线图，如图2~图4。

①以岩体的极限拉应变值作为松动圈的判别依据，由此可见当应力释放系数达到0.8时III级围岩开始产生松动圈，且松动圈厚度随着应力释放系数的增加不断增加，沿隧道横断面松动圈呈拱顶大，向边墙逐步减小的趋势。应力释放系数达0.6时，虽未产生松动圈，但岩体的拉应变已非常接近极限拉应变，因此III级围岩在应力释放到60%时是施作初期支护的最佳时机。

②当应力释放系数达到0.6时IV级围岩开始产生松动圈，且松动圈厚度随着应力释放系数的增加不断增加，沿隧道横断面松动圈呈拱顶大，向边墙逐步减小的趋势。应力释放系数达0.4时，虽未产生松动圈，但围岩部分关键点的拉应变已非常接近极限拉应变，因此IV级围岩在应力释放到40%时是施作初期支护的最佳时机。

③当应力释放系数达到0.2时V级围岩开始产生松动圈，且松动圈厚度随着应力释放系数的增加不断增加，沿隧道横断面松动圈呈拱顶大，向边墙逐步减小的趋势。根据拉应变随应力释放系数的变化，可见V级围岩在应力释放到20%时施作初期支护最佳。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.隧道初期支护施作的最佳时机判别方法，其特征在于：

通过数值模拟分析隧道开挖后，在无支护条件下，围岩应力释放过程中围岩位移、应力及拉应变的变化规律，以围岩的拉应变达到岩体极限拉应变，即将开始产生破坏，并即将形成松动圈为判别标准，作为施作初期支护的时机。

2.根据权利要求1所述的隧道初期支护施作的最佳时机判别方法，其特征在于：

围岩应力释放过程是指应力释放系数由0→0.1→0.2→0.4→0.6→0.8→1.0的过程。

3.根据权利要求2所述的隧道初期支护施作的最佳时机判别方法，其特征在于：

具体包括以下步骤：

第一步：基于隧址附近的工程地质和水文地质资料，对隧道内分区段判定围岩等级类别，然后得出隧址区围岩的物理力学特征数据；

第二步：建立隧道开挖后，初期支护尚未施作时，围岩应力释放系数分别为0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0的三维有限元数值计算模型；

第三步：分析不同应力释放系数下拱顶、拱肩、边墙、拱脚关键节点围岩位移、应力、拉应变的变化规律以及松动圈的产生和发展规律，并绘制应力释放系数与围岩位移、应力、拉应变的关系曲线；

第四步：以围岩拉应变达到极限拉应变，即将开始产生松动圈为判别标准，所对应的应力释放系数即为初期支护施作时机。

4.根据权利要求3所述的隧道初期支护施作的最佳时机判别方法，其特征在于：

所述的数值计算模型中划定多个混合四面体单元，并对边界施加相应的约束。