CN111369156A - 一种超大跨洞室岩石隧道开挖围岩局部稳定性评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超大跨洞室岩石隧道开挖围岩局部稳定性评价方法，包括：步骤一，确定超大跨围岩稳定性的影响因素及主要控制性因素；步骤二，明确外部输入条件；步骤三，构建超大跨隧道开挖围岩局部稳定性评价体系及相关指标确定；步骤四，分析潜在不确定块体的破坏形式及计算抗滑移安全系数；步骤五，数值分析不确定块体隧道阶段围岩力学响应；步骤六，对超大跨隧道开挖围岩局部稳定性进行评价。本发明能够对围岩局部稳定性做出可靠评价，确保超大跨隧道在岩石地层采用锚喷支护措施能安全高效成洞。
Description
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洞室岩石隧道开挖围岩局部稳定性评价方法。
背景技术
国内外对地下洞室的跨度暂无明确的划分标准，根据惯例及相关经验，对于单洞三个及以上车道的公路隧道、铁路隧道、地下储油库地下水封洞库等跨度不小于20米的地下洞室，均称之为超大跨隧道，在开挖支护及二衬结构施工上均造成了不容小觑的技术难度。近年来随着地下空间的开发与利用、机械化水平的不断提高及大型装备的出现，为满足不同的使用功能，国内外已建成了或正在修建越来越多的超大断面地下洞室，在跨度上也正逐渐朝着巨型跨度发展，比如挪威格乔维克城滑冰场跨度61m，高25m；八达岭长城站两端渡线段开挖跨度达32.7m，也是目前国内最大跨度的交通隧道。
目前国内外岩质地层中开挖的隧道洞室跨度大多在20米以内，均属于常规洞室，大量常规洞室开挖实践表明，洞室开挖完成后，岩体多以块体的形式发生局部失稳或引发的整体破坏，常规洞室开挖相关的规范标准及相关的围岩稳定性评价体系也日趋成熟。但是针对超大跨或者巨型跨度地下洞室，国内外设计与施工尚无明确适用规范，工程设计主要以类似工程为参考，并在施工中加强信息反馈便于动态设计；这种超大跨隧道多采用分部开挖，考虑地质构造复杂及地层的不连续性，隧道开挖过程中容易受地质构造、层理、断层裂隙、节理等影响，导致不同的结构面切割发生局部掉块，进而引发更大范围的塌方，因此对于超大跨洞室局部稳定性的评价就显得非常重要。同时，对围岩局部稳定性的判断评价也是对隧道的爆破参数、开挖循环进尺、支护措施等设计动态调整的重要参考，所以在目前国内外超大跨洞室理论及技术上的不足的背景下，寻找如何评价超大跨隧道洞室在施工阶段围岩局部稳定性的方法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洞室岩石隧道开挖围岩局部稳定性评价方法，能够对围岩局部稳定性做出可靠评价，确保超大跨隧道在岩石地层采用锚喷支护措施能安全高效成洞。
为实现上述目的，本发明的一种超大跨洞室岩石隧道开挖围岩局部稳定性评价方法的具体技术方案为：
一种超大跨洞室岩石隧道开挖围岩局部稳定性评价方法，包括：
步骤一，确定超大跨围岩稳定性的影响因素及主要控制性因素；
步骤二，明确外部输入条件；
步骤三，构建超大跨隧道开挖围岩局部稳定性评价体系及相关指标确定；
步骤四，分析潜在不确定块体的破坏形式及计算抗滑移安全系数；
步骤五，数值分析不确定块体隧道阶段围岩力学响应；
步骤六，对超大跨隧道开挖围岩局部稳定性进行评价。
本发明的一种超大跨洞室岩石隧道开挖围岩局部稳定性评价方法的优点在于：
1)适用于岩石地层中采用锚喷支护的暗挖洞室，洞室跨度可达30m～100m；
2)合理有效的运用了块体理论和数值分析等手段，利用块体理论的滑移形式、安全系数、围岩强度指标(包含剪切强度与塑性区)、变形指标等对围岩局部稳定性做出可靠评价，以确保超大跨隧道在岩石地层采用锚喷支护措施能安全高效成洞；
3)解决了岩质地层中超大跨度洞室锚喷洞室容易受优势结构面切割影响导致局部失稳等存在的技术难点；
4)为岩质地层超大跨洞室锚喷支护条件下，因受不利岩石结构面影响隧道在不同分步开挖过程中防止围岩局部块体失稳提供了一种安全高效评价方法，可与监控量测手段相结合提前预判，极大降低施工风险，具有较强适用性；
5)本发明采用的评价方法，采用定性与定量相结合，充分利用量化指标除对围岩局部稳定性精准判别外，还可以对设计参数进行动态调整，可以结合实际围岩稳定性状态动态对喷射混凝土厚度、锚杆(索)长度等参数进行优化调整，确保安全的同时，节约造价，具有较好的经济性；
6)指标明确，在超大跨度洞室锚喷支护条件下可实施性较强。
附图说明
图1为本发明的超大跨洞室锚喷支护断面图示意图；
图2为本发明的超大跨洞室岩石隧道局部稳定性评价方法的流程图。
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洞室岩石隧道开挖围岩局部稳定性评价方法做进一步详细的描述。
如图1至图2所示，其示为本发明的一种超大跨洞室岩石隧道开挖围岩局部稳定性评价方法，适用于岩质地层条件下超大跨度洞室的开挖，跨度可达20m～100m。本发明采用定性与定量相结合，将评价指标以参数化形式进行具体量化，在满足相关指标要求下，超大跨锚喷支护洞室能够安全快速修建。
本发明以一种超大跨度洞室为例，采用锚杆与锚索联合支护的锚喷支护结构型式，洞室跨度为50m，最大高度25m，埋深200～300m，洞身范围内存在L1(150°∠50)、L2(28°∠55)、L3(234°∠65)条裂隙形成三角形切割，洞身整体围岩级别II级，局部III级，侧压力系数1.6～2.5，c＝1.5MPa，φ＝50°，地下水在洞室地板下30m，采用系统锚杆、锚索、喷射混凝土相结合进行锚喷支护。
具体来说，本发明的一种超大跨洞室岩石隧道开挖围岩局部稳定性评价方法包括以下步骤：
步骤一，确定超大跨围岩稳定性的影响因素及主要控制性因素。
具体来说，待确定的影响因素包括场区地质构造、岩体性质、结构面产状、地下水、应力状态等，并确定主要控制性因素。
步骤二，明确外部输入条件，收集地质与水文资料，确定影响因素的力学参数等。
具体来说，通过勘察资料、现场原位实验、地质素描等多种手段相结合收集隧道洞室区域的地质信息，划分围岩级别，获取不同围岩级别下岩石物理力学参数、岩体结构面特征(岩体结构面的C、
值)及不同结构面力学参数、结构面倾向和倾角、应力场、地下水埋深等具体信息，辨识最主要的控制因素主要为围岩级别、结构面参数、应力状态。
其中，需要收集的地质与水文资料包括场区地质构造、岩体性质、岩体强度、结构面产状、地下水、地应力状态的力学参数等。
步骤三，构建超大跨隧道开挖围岩局部稳定性评价体系及相关指标确定。
具体来说，基于块体理论及数值分析手段，定量与定性相结合，构建一种超大跨隧道洞室开挖围岩局部稳定性综合评价体系，确定综合评价指标，并量化围岩强度、变形、块体抗滑移安全系数等指标。
其中，综合评价指标包含岩石的强度指标(剪切强度、塑性区等)、变形指标、优势结构面切割楔形块体的的抗滑移系数及安全系数等。
在本发明的实施例中定量评价指标包括：(1)岩石剪切强度指标：
(2)块体的抗滑移安全系数：F≥2.0；(3)变形指标：0.8‰B＝40mm。定性评价指标包括：(1)非双面滑移破坏；(2)塑性区无沿滑移面贯通；(2)变形指标：块体区位移值与邻近围岩变形基本趋于一致，无数量级变化。
步骤四，分析潜在不确定块体的破坏形式及计算抗滑移安全系数。
具体来说，根据实际不同岩石结构面的初露情况，将控制性影响因素外部输入条件，借助块体稳定性分析软件(如Unwedge)精准识别优势结构面组合切割形成的不稳定块体，分析其破坏形式，计算块体抗滑移安全系数。
其中，借助块体稳定性分析软件Unwedge，对不同的结构面的组合方式进行分析，辨识因结构面切割组合可能形成的不同的楔形块体，并进一步筛选出最关键的楔形块体，然后在一定的支护条件下分析其破坏形，即直接垮落、沿单面滑动、沿双面滑动，最后得出关键块体安全系数。
在本发明实施例中采用块体稳定性分析软件Unwedge输入外部边界条件，辨识L1、L2、L3裂隙切割组合成的不稳定块体四面体结构类型为悬臂块体，并分析其破坏形式为非双面滑移破坏形式。
步骤五，数值分析不确定块体隧道阶段围岩力学响应。
具体来说，计算并分析不同阶段隧道洞室开挖后围岩力学响应，分析其塑性区状态、围岩强度与变形趋势。
其中，选取合适的岩石及结构面弹塑性本构、破坏准则，将岩体性质、结构面等参数作为外部输入条件，借助离散元或有限差分等数值计算手段(如3DEC离散元软件)分析超大跨隧道在不同开挖阶段的围岩响应，得出围岩应力状态、塑性区状态及变形趋势。
步骤六，对超大跨隧道开挖围岩局部稳定性进行评价。
具体来说，将计算结果与围岩稳定性评价指标进行对比分析，定量与定性相结合，评价超大跨洞室开挖围岩局部稳定性。其中：
1)局部不稳定块体在一定支护条件下不存在双面滑移等不稳定情况，满足局部稳定抗滑移指标要求。
2)局部不稳定块体在一定支护条件下安全系数大于永久洞室2.0，满足局部稳定安全系数指标要求。
3)局部不稳定块体出现塑性区，塑性区无沿滑移面贯通情况，满足局部稳定围岩强度指标要求。
4)局部不稳定块体位移与周围邻近围岩的位移值基本接近，不存在较大数量级差异，则视为满足局部稳定要求。
在本发明的实施例中定量指标评价结果显示：(1)围岩最大剪应力为5.98MPa，小于剪切强度10.5；(2)块体抗滑移安全系数为1.3＜2.0；(3)块体最大变形值为18mm＜40mm。定性指标评价结果显示：(1)局部不稳定块体破坏形式非双面滑移；(2)洞室开挖后塑性区无滑移面贯通；(3)局部不稳定块体的位移变形与邻近围岩变形变化趋势基本一致，无较大数量级变化。
通过定量与定性指标的综合评价方法，该洞室在开挖过程中虽因不同结构面切割可能存在局部不稳定块体，经过分析洞室开挖后围岩是处于稳定安全状态。
本发明的评价方法适用于超大跨度隧道洞室采用锚喷支护措施，即初期支护采用系统锚杆(锚索)、钢筋网与喷射混凝土相结合的联合支护。
本发明的一种超大跨洞室岩石隧道开挖围岩局部稳定性评价方法，适用于岩石地层中采用锚喷支护的暗挖洞室，洞室跨度可达30m～100m；合理有效的运用了块体理论和数值分析等手段，利用块体理论的滑移形式、安全系数、围岩强度指标(包含剪切强度与塑性区)、变形指标等对围岩局部稳定性做出可靠评价，以确保超大跨隧道在岩石地层采用锚喷支护措施能安全高效成洞；解决了岩质地层中超大跨度洞室锚喷洞室容易受优势结构面切割影响导致局部失稳等存在的技术难点；为岩质地层超大跨洞室锚喷支护条件下，因受不利岩石结构面影响隧道在不同分步开挖过程中防止围岩局部块体失稳提供了一种安全高效评价方法，可与监控量测手段相结合提前预判，极大降低施工风险，具有较强适用性；本发明采用的评价方法，采用定性与定量相结合，充分利用量化指标除对围岩局部稳定性精准判别外，还可以对设计参数进行动态调整，可以结合实际围岩稳定性状态动态对喷射混凝土厚度、锚杆(索)长度等参数进行优化调整，确保安全的同时，节约造价，具有较好的经济性；指标明确，在超大跨度洞室锚喷支护条件下可实施性较强。
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 (10)
1.一种超大跨洞室岩石隧道开挖围岩局部稳定性评价方法，其特征在于，包括：
步骤一，确定超大跨围岩稳定性的影响因素及主要控制性因素；
步骤二，明确外部输入条件；
步骤三，构建超大跨隧道开挖围岩局部稳定性评价体系及相关指标确定；
步骤四，分析潜在不确定块体的破坏形式及计算抗滑移安全系数；
步骤五，数值分析不确定块体隧道阶段围岩力学响应；
步骤六，对超大跨隧道开挖围岩局部稳定性进行评价。
2.根据权利要求1所述的评价方法，其特征在于，在步骤一中，待确定的影响因素包括场区地质构造、岩体性质、结构面产状、地下水、应力状态。
3.根据权利要求1所述的评价方法，其特征在于，在步骤三中，基于块体理论及数值分析手段，定量与定性相结合，确定综合评价指标，并量化围岩强度、变形、块体抗滑移安全系数。
4.根据权利要求3所述的评价方法，其特征在于，在步骤三中，综合评价指标包含岩石的强度指标、变形指标、优势结构面切割楔形块体的抗滑移系数及安全系数。
5.根据权利要求1所述的评价方法，其特征在于，在步骤四中，将控制性影响因素外部输入条件，识别优势结构面组合切割形成的不稳定块体，分析其破坏形式，计算块体抗滑移安全系数。
6.根据权利要求5所述的评价方法，其特征在于，在步骤四中，根据实际不同岩石结构面的初露情况，借助块体稳定性分析软件，对不同的结构面的组合方式进行分析，辨识因结构面切割组合可能形成的不同的楔形块体，并筛选出最关键的楔形块体；在一定的支护条件下分析其破坏形，即直接垮落、沿单面滑动、沿双面滑动；得出关键块体安全系数。
7.根据权利要求1所述的评价方法，其特征在于，在步骤五中，计算并分析不同阶段隧道洞室开挖后围岩力学响应，分析其塑性区状态、围岩强度与变形趋势。
8.根据权利要求7所述的评价方法，其特征在于，在步骤五中，选取合适的岩石及结构面弹塑性本构、破坏准则，将岩体性质、结构面作为外部输入条件，借助离散元或有限差分计算手段分析超大跨隧道在不同开挖阶段的围岩响应，得出围岩应力状态、塑性区状态及变形趋势。
9.根据权利要求1所述的评价方法，其特征在于，在步骤六中，将计算结果与围岩稳定性评价指标进行对比分析，定量与定性相结合，评价超大跨洞室开挖围岩局部稳定性。
10.根据权利要求8所述的评价方法，其特征在于，在步骤六中：
局部不稳定块体在一定支护条件下不存在双面滑移不稳定情况，满足局部稳定抗滑移指标要求；
局部不稳定块体在一定支护条件下安全系数大于永久洞室，满足局部稳定安全系数指标要求；
局部不稳定块体出现塑性区，塑性区无沿滑移面贯通情况，满足局部稳定围岩强度指标要求；
局部不稳定块体位移与周围邻近围岩的位移值基本接近，不存在较大数量级差异，则视为满足局部稳定要求。
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