CN111259486A - 一种超大跨岩石隧道整体稳定性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超大跨岩石隧道整体稳定性评价方法，适用于II～IV级硬岩地层，包括：对围岩强度、支护结构承载力、围岩变形进行评价分析，各评价项目分别包括定量指标或定性指标；若各评价项目的指标均满足要求，判定隧道整体稳定；若存在评价项目的指标不满足要求，判定隧道不满足整体稳定。本发明采取“定性+定量”的方法，通过参数化形式对超大跨岩石隧道进行整体稳定性评价，能够简便、合理地判定隧道整体稳定性状态，极大降低施工风险性。

Description

一种超大跨岩石隧道整体稳定性评价方法

技术领域

本发明涉及建筑结构技术领域，尤其涉及一种超大跨岩石隧道整体稳定性评价方法。

背景技术

近年来，国内外正在大规模修建地下储油库、地下隧道、水电站主厂房等，岩体力学逐渐成为隧道及地下工程研究的重点。国内外建成和在建的典型超大跨度隧道主要有：挪威格乔维克城滑冰场、八达岭长城站等。京张高铁八达岭长城站是亚洲规模最大的山岭地下火车站，也是国内埋深及提升高度最大的高速铁路地下站，八达岭长城站两端渡线段单洞开挖跨度达32.7m，是目前国内已知单拱跨度最大的暗挖铁路隧道，车站大厅的跨度达到45m。为满足日益增长的地下空间使用需求，大跨洞库、大跨公路铁路隧道建设也将会越来越多。

隧道围岩稳定性分析是多学科理论方法、专家经验、监控量测与计算机技术综合集成的研究方向。隧道失稳是一个极其复杂的力学过程，在实际工程中受到许多因素的影响，通常伴随着非均匀性、非连续性的大变形，是一个高度非线性的问题。隧道的稳定性分析可以从定性、定量、可靠度等方面考虑。目前国内外对隧道围岩稳定性研究的主要方法可大体划分为如下几类：定性分类法、解析分析法、物理试验法、数值模拟法、可靠性分析法等。随着隧道跨度在量级上的增大，“CRD法”、“新奥法”等传统设计方法及理念已经不能满足设计要求，无法为隧道稳定性评价提供借鉴与指导，且目前针对大跨度隧道的研究及工程经验都存在不足，对其稳定性的评价没有统一标准。因此如何对超大跨岩石隧道整体稳定性进行科学合理的评价，成为亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超大跨岩石隧道整体稳定性评价方法，通过参数化形式对超大跨岩石隧道进行整体稳定性评价，能够简便、合理地判定隧道整体稳定性状态，极大降低施工风险性。

为实现上述目的，本发明的一种超大跨岩石隧道整体稳定性评价方法的具体技术方案为：

一种超大跨岩石隧道整体稳定性评价方法，适用于II～IV级硬岩地层，包括：对围岩强度、支护结构承载力、围岩变形进行评价分析，各评价项目分别包括定量指标或定性指标；若各评价项目的指标均满足要求，判定隧道整体稳定；若存在评价项目的指标不满足要求，判定隧道不满足整体稳定。

本发明的一种超大跨岩石隧道整体稳定性评价方法的优点在于：

1)通过参数化形式对超大跨岩石隧道进行整体稳定性评价，能够简便、合理地判定隧道整体稳定性状态，为超大跨超扁平隧道安全修建提供理论保障；

2)能够对不同跨度的岩石隧道稳定性进行合理评价，为相关工程提供了理论依据与科学指导，大幅提升了本领域超大跨隧道设计研究水平，使原创理论向前迈出坚实一步；

3)为超大跨隧道安全高效施工提供了理论保障，极大降低施工风险，具有较高的安全性；

4)本发明提出的超大跨岩石隧道整体稳定性评价方法，评价指标全面、明确、合理，具有较好的可实施性；

5)本发明采取“定性+定量”的方法，评价方法科学合理且简便快捷，具有极佳的可推广性。

附图说明

图1为本发明的超大跨岩石隧道整体稳定性的评价分析流程图。

具体实施方式

为了更好的了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的一种超大跨岩石隧道整体稳定性评价方法做进一步详细的描述。

如图1所示，其示为本发明的一种超大跨岩石隧道整体稳定性评价方法，适用于II～IV级硬岩地层，隧道矢跨比小于1/2，跨度可达30m～100m。采用离散元方法对超大跨隧道进行数值模拟，根据隧道实际开挖方案，开展施工全过程数值计算，分析超大跨隧道在各施工步骤下变形及受力情况，计算结果纳入本发明框架下进行围岩整体稳定性评价，包括对围岩强度、支护结构承载力、围岩变形这三个评价项目进行逐条评价分析，以确定隧道整体稳定性。

具体来说，超大跨岩石隧道整体稳定性评价方法中围岩强度、支护结构承载力、围岩变形三个评价项目，每个评价项目又分为若干定量指标或定性指标；若各评价项目的指标均满足要求，判定隧道整体稳定；若存在评价项目的指标不满足要求，判定隧道不满足整体稳定。

进一步，对围岩轻度进行评价分析，围岩强度评价项目包括：

1)围岩剪应力是否达到剪切强度(定量指标)。

围岩是否达到剪切破坏是判断围岩稳定性的主要判据之一。若围岩最大剪应力小于剪切强度值

，判定隧道满足整体稳定强度指标要求；若围岩剪应力达到剪切强度值

，则判定围岩剪切破坏，不满足整体稳定性要求。

其中，τ为剪切强度值；c为岩土粘聚力；σ为法向应力；

为岩土内摩擦角。

2)塑性区是否沿滑移面贯通(定性指标)。

隧道开挖过程中由于施工扰动，围岩将出现一定范围的塑性区。若围岩塑性区无沿滑移面贯通情况，判定围岩满足整体稳定要求；若塑性区沿开挖面或岩体结构面贯通，判定围岩不满足整体稳定性要求。

3)数值计算在给定迭代次数范围内是否收敛(定性指标)。

在采用数值计算模拟隧道开挖过程中，若数值计算在给定迭代次数范围内计算收敛，判定围岩满足整体稳定要求；若在给定迭代次数范围内计算不收敛，排除计算方法错误后，可判定围岩不满足整体稳定性要求。

进一步，支护结构承载力评价项目包括：锚索轴力是否达到承载力设计值(定量指标)。

锚索作为超大跨隧道重要支护措施，轴力锁定值一般为设计值的70％。锚索支护后随即施加一定的预加力，锚索实际轴力随时间不断变化，若轴力突破锚索承载力设计值即为破坏，不满足支护结构承载力指标要求。

进一步，围岩变形评价项目包括：围岩变形量是否满足围岩收敛评价标准(定量指标)。

本发明中的围岩收敛评价标准基于围岩等级、侧压力系数两个重要参数确定，且收敛标准与隧道跨度相关。超大跨岩石隧道围岩收敛评价标准见下表1。

表1超大跨岩石隧道围岩收敛评价标准

注：表中B为隧道跨度，入为侧压力系数。

本发明提出的超大跨岩石隧道整体稳定性评价方法，适用于II～IV级硬岩地层，隧道矢跨比小于1/2，跨度可达30m～100m。

具体来说，本发明通过以下实施例描述了一种超大跨岩石隧道整体稳定性评价方法。

实施例一：

该实施例的超大跨隧道所处II～III级白云岩地层，侧压力系数为1.2，场址无承压水。隧道呈扁平椭圆形，跨度为75m，最大高度21m，矢跨比0.28，纵向长度160m。隧道范围内存在11条贯通裂隙，与隧道轴线基本正交，裂隙倾角60°～80°，均为陡倾角裂隙。隧道通长范围内打设系统锚索支护，环向间隔设置，环距4.8m、纵距4.8m，长度25m，锚索承载力设计值1500kN，现场预加轴力1000kN。

本发明采用离散元方法对实施例一的超大跨隧道进行数值模拟，根据隧道实际开挖方案，开展施工全过程数值计算，分析超大跨隧道在各施工步骤下变形及受力情况，计算结果纳入本发明框架下进行围岩整体稳定性评价，分别按围岩强度、支护结构承载力、围岩变形三个评价项目逐条评价分析：

1.围岩强度评价项目：

1)围岩剪应力是否达到剪切强度(定量指标)。

根据最大主应力云图，围岩最大主应力出现在拱脚位置，为7.5MPa，本实施例围岩c＝1.5MPa，

，围岩剪切强度

，而围岩最大剪应力计算结果为5.98MPa，小于剪切强度，满足整体稳定强度指标要求。

2)塑性区是否沿滑移面贯通(定性指标)。

通过离散元数值计算，围岩塑性区无沿滑移面贯通情况，满足整体稳定强度指标要求。

3)数值计算在给定迭代次数范围内是否收敛(定性指标)。

数值计算在给定迭代次数范围内计算收敛，满足整体稳定强度指标要求。

2.支护结构承载力评价项目包含：锚索轴力是否达到承载力设计值(定量指标)。

实施例一采用承载力设计值为1500kN的系统锚索，锚索轴力锁定值为设计值的70％，即预加力1000kN。经离散元计算，隧道开挖支护完成后，锚索最大轴力为1226kN，小于承载力设计值，满足整体稳定支护结构承载力指标要求。

3.围岩变形评价项目包含：围岩变形量是否满足围岩收敛评价标准(定量指标)。

实施例一的围岩等级主要为II级，局部III级，侧压力系数2＞λ≥0.8，对应围岩收敛评价标准为0.8‰B，隧道跨度30m～100m情况下，围岩变形收敛评价标准为40mm。隧道开挖完成最大位移29.7mm，满足整体稳定变形指标要求。

本发明的实施例一中超大跨岩石隧道计算结果满足本发明关于整体稳定性的相关评价指标，隧道在设计支护条件下处于整体稳定状态。

实施例二：

该实施例超大跨隧道所处III～IV级花岗岩地层，侧压力系数为1.8，场址无承压水。隧道呈扁平椭圆形，跨度为60m，最大高度15m，矢跨比0.25，纵向长度120m。隧道范围内存在16条贯通裂隙，与隧道轴线基本正交，裂隙倾角65°～90°，均为陡倾角裂隙。隧道通长范围内打设系统锚索支护，环向间隔设置，环距4.8m、纵距4.8m，长度30m，锚索承载力设计值2200kN，现场预加轴力1500kN。

采用离散元方法对实施例二的超大跨隧道进行数值模拟，根据隧道实际开挖方案，开展施工全过程数值计算，分析超大跨隧道在各施工步骤下变形及受力情况，计算结果纳入本发明框架下进行围岩整体稳定性评价，分别按围岩强度、支护结构承载力、围岩变形三个评价项目逐条评价分析：

1.围岩强度评价项目

1)围岩剪应力是否达到剪切强度(定量指标)。

根据最大主应力云图，围岩最大主应力出现在拱脚位置，为6.2MPa，本实施例围岩c＝1.2MPa，

，围岩剪切强度

，而围岩最大剪应力为5.82MPa，小于剪切强度，满足整体稳定强度指标要求。

2)塑性区是否沿滑移面贯通(定性指标)。

通过离散元数值计算，围岩塑性区无沿滑移面贯通情况，满足整体稳定强度指标要求。

3)数值计算在给定迭代次数范围内是否收敛(定性指标)。

数值计算在给定迭代次数范围内计算收敛，满足整体稳定强度指标要求。

2.支护结构承载力评价项目包含：锚索轴力是否达到承载力设计值(定量指标)。

本实施例采用承载力设计值为2200kN的系统锚索，锚索轴力锁定值为设计值的70％，即预加力1500kN。经离散元计算，隧道开挖支护完成后，锚索最大轴力为2014kN，小于承载力设计值，满足整体稳定支护结构承载力指标要求。

3.本发明所述围岩变形评价项目包含：围岩变形量是否满足围岩收敛评价标准(定量指标)。

本实施例围岩等级主要为III级，局部IV级，侧压力系数2＞λ≥0.8，对应围岩收敛评价标准为1.5‰B，隧道跨度30m～100m情况下，围岩变形收敛评价标准为75mm。隧道开挖完成最大位移41mm，满足整体稳定变形指标要求。

实施例二中超大跨岩石隧道计算结果满足本发明关于整体稳定性的相关评价指标，隧道在设计支护条件下处于整体稳定状态。

本发明的一种超大跨岩石隧道整体稳定性评价方法，通过参数化形式对超大跨岩石隧道进行整体稳定性评价，能够简便、合理地判定隧道整体稳定性状态，为超大跨超扁平隧道安全修建提供理论保障；能够对不同跨度的岩石隧道稳定性进行合理评价，为相关工程提供了理论依据与科学指导，大幅提升了本领域超大跨隧道设计研究水平，使原创理论向前迈出坚实一步；为超大跨隧道安全高效施工提供了理论保障，极大降低施工风险，具有较高的安全性；本发明提出的超大跨岩石隧道整体稳定性评价方法，评价指标全面、明确、合理，具有较好的可实施性；本发明采取“定性+定量”的方法，评价方法科学合理且简便快捷，具有极佳的可推广性。

以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。

Claims (7)

1.一种超大跨岩石隧道整体稳定性评价方法，适用于II～IV级硬岩地层，其特征在于，包括：对围岩强度、支护结构承载力、围岩变形进行评价分析，各评价项目分别包括定量指标或定性指标；若各评价项目的指标均满足要求，判定隧道整体稳定；若存在评价项目的指标不满足要求，判定隧道不满足整体稳定。

2.根据权利要求1所述的超大跨岩石隧道整体稳定性评价方法，其特征在于，对围岩强度进行评价分析，评价项目包括以下定量指标、定性指标：

判断围岩剪应力是否达到剪切强度；

判断塑性区是否沿滑移面贯通；

判断数值计算在给定迭代次数范围内是否收敛。

3.根据权利要求2所述的超大跨岩石隧道整体稳定性评价方法，其特征在于，判断围岩剪应力是否达到剪切强度包括：

若围岩最大剪应力小于剪切强度值

判定隧道满足整体稳定强度指标要求；

若围岩剪应力达到剪切强度值

判定围岩剪切破坏，不满足整体稳定性要求；

其中，τ为剪切强度值；c为岩土粘聚力；σ为法向应力；

为岩土内摩擦角。

4.根据权利要求2所述的超大跨岩石隧道整体稳定性评价方法，其特征在于，判断塑性区是否沿滑移面贯通包括：

若围岩塑性区无沿滑移面贯通情况，判定围岩整体稳定强度指标要求；

若塑性区沿开挖面或岩体结构面贯通，判定围岩不满足整体稳定性要求。

5.根据权利要求2所述的超大跨岩石隧道整体稳定性评价方法，其特征在于，判断数值计算在给定迭代次数范围内是否收敛包括：

若数值计算在给定迭代次数范围内计算收敛，判定围岩满足整体稳定强度指标要求；

若数值计算在给定迭代次数范围内计算不收敛，排除计算方法错误后，判定围岩不满足整体稳定性要求。

6.根据权利要求1所述的超大跨岩石隧道整体稳定性评价方法，其特征在于，对支护结构承载力进行评价分析，评价项目包括以下定量指标：判断锚索轴力是否达到承载力设计值；其中：

经离散元计算，隧道开挖支护完成后，若锚索最大轴力小于锚索承载力设计值，判定围岩满足支护结构承载力指标要求；

若轴力突破锚索承载力设计值，判定为破坏，不满足支护结构承载力指标要求。

7.根据权利要求1所述的超大跨岩石隧道整体稳定性评价方法，其特征在于，对围岩变形进行评价分析，评价项目包括以下定量指标：判断围岩变形量是否满足围岩收敛评价标准；其中，围岩收敛评价标准基于围岩等级、侧压力系数确定，且收敛标准与隧道跨度相关。

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