CN111691906B - 一种运营隧道锚杆加固方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种运营隧道锚杆加固方法，具体为：基于有限元正分析法拟合围岩的松动圈拱部半径r₁或塑性区的拱部半径r₂与隧道的衬砌参数和围岩参数的数学模型；采集隧道的围岩岩性、衬砌参数以及围岩参数，将衬砌参数和围岩参数输入数学模型求解r₁或r₂；围岩岩性为节理发育或松散破碎的隧道衬砌拱部和边墙上的载荷量根据松动圈范围岩自重应力进行计算；围岩岩性为膨胀性的隧道衬砌拱部和边墙上的载荷量通过建立与隧道的衬砌参数和围岩参数相同的有限元模型正分析求解；通过载荷量确定隧道衬砌拱部和边墙各自所需加固锚杆的数量N，基于确定的N对运营隧道进行锚杆加固。与现有技术相比，本发明具有定量参数化设计、精确度高等优点。

Description

一种运营隧道锚杆加固方法

技术领域

本发明涉及锚杆加固技术，尤其是涉及一种运营隧道锚杆加固方法。

背景技术

隧道在长期运营过程中承载能力下降，由此带来诸多的安全隐患，为保障运营安全，可以通过锚杆加固技术，提高隧道的承载能力，延长隧道的服役年限。

现有的锚杆加固技术通常在施工期进行，而随着高强混凝土的普及，运营期的隧道在出现承载力不足、服役性能退化的情况下也可通过锚杆加固的方式提高隧道的承载力和使用寿命。

运营隧道实施锚杆加固的关键是确定围岩松动圈或塑性区(膨胀性围岩)的范围以及设计锚杆长度、数量、间距，主要通过经验法、现场钻探法、变形反分析法进行分析。经验法缺乏足够的理论依据；围岩松动圈或塑性区(膨胀性围岩)现场探测方法适用于施工期，需钻孔取样，探测范围有限，也会破坏运营隧道结构的安全；基于变形的反分析方法需要针对每一次检测到的变形数据进行数值反演分析，计算量大，且没有考虑运营隧道存在的衬砌背后空洞、结构裂损病害等，分析结果与实际情况仍存在较大差异。上述问题往往造成膨胀性围岩松动圈或塑性区分析结果偏小，从而造成锚杆加固范围偏小，使得结构处于不安全状态。

现有技术也给出了一些解决方案，中国专利CN201711298427.4公开了一种基于围岩塑性区大小的巷道支护定量设计方法，包括如下步骤：计算确定巷道围岩塑性区半径R的大小；根据计算结果对巷道围岩进行分类；根据巷道围岩分类结果，对不同类型的围岩进行针对性的支护参数设计；根据现场监测反馈信息修改和调整支护参数，该基于塑性区大小设计的支护参数科学合理，是在得到巷道塑性区半径及边界几何特征指标的基础之上，以塑性区半径大小为主要指标进行巷道围岩分类，从而对不同类别的围岩进行针对性的支护参数设计，以保证巷道支护设计的科学性和经济性；但该专利基于公式推导求解围岩塑性区半径，会受到岩土本构关系带来的影响，导致计算量大且结果不精确。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种运营隧道锚杆加固方法，定量参数化设计，精确度高。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种运营隧道锚杆加固方法，用于加固围岩岩性为节理发育、松散破碎或膨胀性的运营隧道，具体为：

基于有限元正分析法分别拟合围岩的松动圈拱部半径r₁和塑性区的拱部半径r₂各自与隧道的衬砌参数和围岩参数的数学模型，所述的衬砌参数包括衬砌变形s、衬砌厚度d、衬砌背后空洞面积T以及隧道断面半径R，所述的围岩参数包括围岩单轴抗压强度R_a和隧道埋深h；

采集隧道的围岩岩性、运营期的衬砌参数以及施工期揭露的围岩参数，通过激光扫描获取s和R，通过无损检测技术获取d和T，无损检测技术包括超声回弹技术或雷达技术，将衬砌参数和围岩参数输入数学模型求解r₁和r₂；

节理发育或松散破碎的隧道衬砌拱部上的载荷量根据松动圈范围围岩自重应力计算，边墙上的载荷量为拱部上的载荷量乘以侧压力系数获得，计算公式如下：

σ_V＝(r-R)γ

σ_H＝λ(r-R)γ

其中，σ_V松动圈拱部作用在衬砌上的载荷量，σ_H为松动圈边墙作用在衬砌上的载荷量，λ为侧压力系数，γ为围岩容重；

膨胀性的隧道衬砌拱部和边墙上的载荷量对应为塑性区的拱部和边墙作用在衬砌上的载荷量，通过建立与隧道的衬砌参数和围岩参数相同的有限元模型正分析求解；

通过载荷量确定隧道衬砌拱部和边墙各自所需加固锚杆的数量N，计算公式为：

其中，α为每根锚杆实际承载拉应力与极限值的比例，σ₁为锚杆的极限抗拉强度，σ为隧道衬砌拱部或边墙的载荷量，锚杆实际所受的拉应力太小会造成大量浪费，太大会影响锚杆的承载能力，因此α的取值范围为40～60％；

所述的加固锚杆的间距取值范围为0.6～1.2m；根据r₁或r₂确定加固锚杆的长度l，所述的隧道围岩岩性为节理发育或松散破碎时l-r₁≥1m，所述的隧道围岩岩性为膨胀性时l-r₂≥1m；

基于确定的N、l以及加固锚杆的间距对运营隧道进行锚杆加固。

进一步地，拟合数学模型的具体过程为：

建立与隧道实际尺寸一致的有限元模型，通过取消部分地层弹簧模拟隧道衬砌背后空洞，地层范围为：上边界取至地面，两侧取2倍洞径，隧道底部取1倍洞高。有限元模型左右两侧施加横向的固定约束，底部施加竖向的固定约束，围岩和衬砌结构采用理想弹塑性模型，施加荷载，通过改变衬砌厚度d、衬砌背后空洞面积T、隧道断面半径R、围岩的单轴抗压强度R_a、隧道埋深h，得到衬砌变形s与r₁或r₂之间的关系，将r₁或r₂描述成关于s、d、R、R_a、h和T这些参数的函数，即r＝f(s,d,R_a,h,T,R)，通过数学模型拟合r₁或r₂与s、d、R、R_a、h以及T之间的关系，从而确定松动圈或塑性区的范围，数学模型如下：

其中r为r₁或r₂，令b₀＝lna₀，b₁＝a₁，b₂＝a₂，b₃＝a₃，b₄＝a₄，b₅＝a₅，b₆＝a₆，y＝lnr，x₁＝lns，x₂＝lnd，x₃＝lnR_a，x₄＝lnh，x₅＝lnT，x₆＝lnR，求得：

y＝b₀+b₁x₁+b₂x₂+b₃x₃+b₄x₄+b₅x₅+b₆x₆

根据最小二乘法有：

b＝(X^TX)^-1X^TY

其中，

依据计算和拟合后可获得b₀、b₁、b₂、b₃、b₄、b₅和b₆，进一步求得a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅和a₆。

进一步地，还通过基于遗传算法的反分析法求解r₁和r₂，所述的反分析法具体为：

以实际检测得到的衬砌变形与计算得到的衬砌变形之差Δs为目标函数，当Δs不超过0.2mm时计算反演的松动圈或塑性区范围即为实际变形状态对应r₁和r₂。

进一步地，当同时满足以下条件时：

1)隧道衬砌厚度介于30～45cm之间；

2)施工期揭露的围岩岩性为节理发育或松散破碎岩体；

3)运营期检测未发现衬砌背后空洞及衬砌厚度不足；

r₁或r₂按照以下公式计算：

其中，r为r₁或r₂。

与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：

(1)本发明获取隧道处于运营期的衬砌参数以及处于施工期的围岩参数，基于有限元正分析法考虑多因素对松动圈或塑性区半径的影响，再经多元函数拟合得到围岩松动圈或塑性区的半径与各个影响因素的定量关系，获得求解围岩松动圈或塑性区的半径的数学模型，快速、直接、有效地得到松动圈或塑性区的半径，根据不同岩体的岩性计算松动圈或塑性区作用在隧道衬砌上的载荷量，据此确定锚杆的数量，提高隧道承载力、延长隧道使用年限，安全性和经济性好，同时避开了理论推导，避免了围岩的本构关系对计算精度的影响，考虑的影响因素更广，适用于不同地质条件、设计参数下的隧道，同时可根据衬砌变形的发展，预测松动圈范围的变化；

(2)本发明考虑了实际存在的衬砌厚度不足、背后空洞对松动圈或塑性区半径以及围岩岩性的影响，计算的结果更准确。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种运营隧道锚杆加固方法，用于加固围岩岩性为节理发育、松散破碎或膨胀性的运营隧道，如图1，具体为：

基于有限元正分析法分别拟合围岩的松动圈拱部半径r₁和塑性区的拱部半径r₂各自与隧道的衬砌参数和围岩参数的数学模型，衬砌参数包括衬砌变形s、衬砌厚度d、衬砌背后空洞面积T以及隧道断面半径R，围岩参数包括围岩单轴抗压强度R_a和隧道埋深h；

采集隧道的围岩岩性、运营期的衬砌参数以及施工期揭露的围岩参数，通过激光扫描获取s和R，通过无损检测技术获取d和T，无损检测技术包括超声回弹技术或雷达技术，将衬砌参数和围岩参数输入数学模型求解r₁和r₂；

或基于遗传算法的反分析法求解r₁和r₂，反分析法具体为：

以实际检测得到的衬砌变形与计算得到的衬砌变形之差Δs为目标函数，当Δs不超过0.2mm时计算反演的松动圈或塑性区范围即为实际变形状态对应r₁和r₂。

节理发育或松散破碎的隧道衬砌拱部上的载荷量根据松动圈范围围岩自重应力计算，边墙上的载荷量为拱部上的载荷量乘以侧压力系数获得，计算公式如下：

σ_V＝(r-R)γ

σ_H＝λ(r-R)γ

其中，σ_V松动圈拱部作用在衬砌上的载荷量，σ_H为松动圈边墙作用在衬砌上的载荷量，λ为侧压力系数，γ为围岩容重；

膨胀性隧道衬砌拱部和边墙上的载荷量对应为塑性区的拱部和边墙作用在衬砌上的载荷量，通过建立与隧道的衬砌参数和围岩参数相同的有限元模型正分析求解，采用现有技术。

通过载荷量确定隧道衬砌拱部和边墙各自所需加固锚杆的数量N，计算公式为：

其中，α为每根锚杆实际承载拉应力与极限值的比例，σ₁为锚杆的极限抗拉强度，σ为隧道衬砌拱部或边墙的载荷量，锚杆实际所受的拉应力太小会造成大量浪费，太大会影响锚杆的承载能力，因此α的取值范围为40～60％；

加固锚杆的间距取值范围为0.6～1.2m；根据r₁或r₂确定加固锚杆的长度l，隧道围岩岩性为节理发育或松散破碎时l-r₁≥1m，隧道围岩岩性为膨胀性时l-r₂≥1m；

基于确定的N、l以及加固锚杆的间距对运营隧道进行锚杆加固。

拟合数学模型的具体过程为：

建立与隧道实际尺寸一致的有限元模型，通过取消部分地层弹簧模拟隧道衬砌背后空洞，地层范围为：上边界取至地面，两侧取2倍洞径，隧道底部取1倍洞高。有限元模型左右两侧施加横向的固定约束，底部施加竖向的固定约束，围岩和衬砌结构采用理想弹塑性模型，施加荷载，通过改变衬砌厚度d、衬砌背后空洞面积T、隧道断面半径R、围岩的单轴抗压强度R_a、隧道埋深h，得到衬砌变形s与r₁或r₂之间的关系，将r₁或r₂描述成关于s、d、R、R_a、h和T这些参数的函数，即r＝f(s,d,R_a,h,T,R)，通过数学模型拟合r₁或r₂与s、d、R、R_a、h以及T之间的关系，从而确定松动圈或塑性区的范围，数学模型如下：

其中r为r₁或r₂，令b₀＝lna₀，b₁＝a₁，b₂＝a₂，b₃＝a₃，b₄＝a₄，b₅＝a₅，b₆＝a₆，y＝lnr，x₁＝lns，x₂＝lnd，x₃＝lnR_a，x₄＝lnh，x₅＝lnT，x₆＝lnR，求得：

y＝b₀+b₁x₁+b₂x₂+b₃x₃+b₄x₄+b₅x₅+b₆x₆ (2)

根据最小二乘法有：

b＝(X^TX)^-1X^TY

其中，

依据计算和拟合后可获得b₀、b₁、b₂、b₃、b₄、b₅和b₆，进一步求得a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅和a₆。

当同时满足以下条件时：

1)隧道衬砌厚度介于30～45cm之间；

2)施工期揭露的围岩岩性为节理发育或松散破碎岩体；

3)运营期检测未发现衬砌背后空洞及衬砌厚度不足；

r₁或r₂按照以下公式计算：

其中，r为r₁或r₂。

本实施例提出了一种运营隧道锚杆加固方法，通过建立衬砌变形、隧道设计参数、围岩力学参数与松动圈之间的函数关系，快速、直接、有效的得到松动圈的范围，在确定锚杆加固范围的过程中避开常用理论推导，避免了选择不同岩土本构关系带来结果的影响，同时可根据衬砌变形的发展，预测松动圈范围的变化。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种运营隧道锚杆加固方法，用于加固围岩岩性为节理发育、松散破碎或膨胀性的运营隧道，其特征在于，具体为：

基于有限元正分析法拟合围岩的松动圈拱部半径r₁或塑性区的拱部半径r₂各自与隧道的衬砌参数和围岩参数的数学模型；采集隧道的围岩岩性、运营期的衬砌参数以及施工期的围岩参数，将衬砌参数和围岩参数输入数学模型求解r₁或r₂；

节理发育或松散破碎的隧道衬砌拱部和边墙上的载荷量根据松动圈范围围岩自重应力进行计算，计算公式为：

σ_V＝(r-R)γ

σ_H＝λ(r-R)γ

其中，σ_V为隧道衬砌拱部的载荷量，σ_H为隧道衬砌边墙上的载荷量，λ为侧压力系数，γ为围岩容重；

膨胀性的隧道衬砌拱部和边墙上的载荷量通过建立与隧道的衬砌参数和围岩参数相同的有限元模型正分析求解；

通过载荷量确定隧道衬砌拱部和边墙各自所需加固锚杆的数量N，计算公式为：

其中，α为每根锚杆实际承载拉应力与极限值的比例，σ₁为锚杆的极限抗拉强度，σ为隧道衬砌拱部或边墙的载荷量；

基于确定的N对运营隧道进行锚杆加固；

所述的衬砌参数包括衬砌变形s、衬砌厚度d、衬砌背后空洞面积T以及隧道断面半径R，所述的围岩参数包括围岩单轴抗压强度R_a和隧道埋深h；

拟合数学模型的具体过程为：

建立隧道的有限元模型以及r关于s、d、R、R_a、h和T的数学模型，r为r₁或r₂，该数学模型如下：

令b₀＝lna₀，b₁＝a₁，b₂＝a₂，b₃＝a₃，b₄＝a₄，b₅＝a₅，b₆＝a₆，y＝lnr，x₁＝lns，x₂＝lnd，x₃＝lnR_a，x₄＝lnh，x₅＝lnT，x₆＝lnR，求得：

y＝b₀+b₁x₁+b₂x₂+b₃x₃+b₄x₄+b₅x₅+b₆x₆

根据最小二乘法有：

b＝(X^TX)^-1X^TY

其中，

依据计算和拟合后可获得b₀、b₁、b₂、b₃、b₄、b₅和b₆，进一步求得a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅和a₆。

2.根据权利要求1所述的一种运营隧道锚杆加固方法，其特征在于，根据r₁或r₂确定加固锚杆的长度l，具体为：

所述的隧道围岩岩性为节理发育或松散破碎时l-r₁≥1m；

所述的隧道围岩岩性为膨胀性时l-r₂≥1m。

3.根据权利要求1所述的一种运营隧道锚杆加固方法，其特征在于，通过激光扫描获取s和R。

4.根据权利要求1所述的一种运营隧道锚杆加固方法，其特征在于，通过无损检测技术获取d和T。

5.根据权利要求1所述的一种运营隧道锚杆加固方法，其特征在于，还通过基于遗传算法的反分析法求解r₁和r₂。

6.根据权利要求5所述的一种运营隧道锚杆加固方法，其特征在于，所述的反分析法具体为：

以实际检测得到的衬砌变形与计算得到的衬砌变形之差Δs为目标函数，当Δs不超过0.2mm时计算反演的松动圈或塑性区范围即为实际变形状态对应r₁和r₂。

7.根据权利要求1所述的一种运营隧道锚杆加固方法，其特征在于，当同时满足以下条件时：

1)隧道衬砌厚度介于30～45cm之间；

2)施工期揭露的围岩岩性为节理发育或松散破碎岩体；

3)运营期检测未发现衬砌背后空洞及衬砌厚度不足；

r₁或r₂按照以下公式计算：

其中，r为r₁或r₂。

8.根据权利要求1所述的一种运营隧道锚杆加固方法，其特征在于，所述的α的取值范围为40～60％。

9.根据权利要求1所述的一种运营隧道锚杆加固方法，其特征在于，所述的加固锚杆的间距取值范围为0.6～1.2m。

Images