CN111911165A - 一种软岩单线铁路隧道大变形控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软岩单线铁路隧道大变形控制方法，包括以下步骤：一、地应力参数的获取；二、岩体物理力学参数的获取；三、侧压力系数的获取与隧道大变形判断；四、建立隧道开挖断面模型及隧道开挖断面模型的加载力分析；五、隧道开挖断面轮廓的确定；六、隧道台阶法开挖及初期支护施工；七、隧道衬砌结构施工；八、循环掘进直至软岩大变形段施工完成。本发明方法步骤简单，通过单线铁路隧道开挖断面轮廓的优化，提高隧道初期支护结构的承载性能和抵抗变形能力，实现软岩单线铁路隧道大变形的控制，实用性强。

Description

一种软岩单线铁路隧道大变形控制方法

技术领域

本发明属于单线铁路隧道施工技术领域，尤其是涉及一种软岩单线铁路隧道大变形控制方法。

背景技术

地球的地心引力和自转惯性离心力引起岩体介质内部相互作用，长期地质构造运动影响，邻近块地间形成由板块传递荷载和构造残留应力等多组复杂作用组合而成的构造应力。单线铁路隧道“瘦高式”断面设计形式的拱脚边墙位置曲率较小，常规应力作用下能够保证初期支护结构安全，但当软弱围岩并含较高挤压构造应力作用时支护结构容易发生挠曲变形，拱腰边墙的拱架接头等薄弱环节更易发生断裂破坏现象，造成初期支护变形侵限，承载力不足，安全性降低等问题。

隧道圆形断面结构受力更均匀，能够有效改善隧道结构受力形式，但一味采用圆形断面将造成人工、材料等不必要的经济耗损，因此针对构造应力软岩变形问题，适当增大单线铁路隧道断面的拱腰和边墙曲率，既能保证结构承载力要求，又能降低经济成本。因此，现如今缺少一种设计合理的软岩单线铁路隧道大变形控制方法，通过单线铁路隧道开挖断面轮廓的优化，提高隧道初期支护结构的承载性能和抵抗变形能力，实现软岩单线铁路隧道大变形的控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种软岩单线铁路隧道大变形控制方法，该方法通过单线铁路隧道开挖断面轮廓的优化，提高隧道初期支护结构的承载性能和抵抗变形能力，实现软岩单线铁路隧道大变形的控制，实用性强。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种软岩单线铁路隧道大变形控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、地应力参数的获取：

在待施工隧道段设选隧道探测区域，采用套孔应力解除法对隧道探测区域进行地应力测试,得到第一主应力σ₁、第二主应力σ₂、第三主应力σ₃；其中，第一主应力σ₁大于第二主应力σ₂，第一主应力σ₁的方向、第二主应力σ₂的方向和第三主应力σ₃的方向相互垂直，第一主应力σ₁在地平面上的投影与正北方向的夹角为第一主应力σ₁的方位角α₁，第一主应力σ₁和第一主应力σ₁在地平面上的投影之间的夹角为第一主应力σ₁的倾角θ₁，第二主应力σ₂在地平面上的投影与正北方向的夹角为第二主应力σ₂的方位角α₂，第二主应力σ₂和第二主应力σ₂在地平面上的投影之间的夹角为第二主应力σ₂的倾角θ₂，第三主应力σ₃和第三主应力σ₃在地平面上的投影之间的夹角为第三主应力σ₃的倾角θ₃，|θ₁|＜|θ₃|，且|θ₂|＜|θ₃|；

步骤二、岩体物理力学参数的获取：

步骤201、通过岩石单轴压缩实验，得到隧道探测区域的岩石单轴抗压强度σ_c；

步骤202、根据广义Hoek-Brown屈服准则，得到岩体抗压强度σ_r；

步骤203、在隧道探测区域选择多个岩体试样，得到多个岩体试样的天然容重，然后将多个岩体试样的天然容重进行平均值处理，得到隧道探测区域的岩石的容重γ_r；

步骤三、侧压力系数的获取与隧道大变形判断:

步骤301、采用计算机根据公式σ_max＝σ₁·cos(|θ₁|)·sin(α₁-β)+σ₂·cos(|θ₂|)·sin(α₂-β)，得到水平主应力叠加值σ_max；其中，β表示待施工隧道段的隧道轴线的方位角；

步骤302、根据公式

得到侧压力系数K；

步骤303、根据公式

得到判断系数P_d，当判断系数P_d不大于0.5，则待施工隧道段为大变形施工隧道段；

步骤四、建立隧道开挖断面模型及隧道开挖断面模型的加载力分析：

步骤401、采用计算机利用ANSYS有限元分析软件，建立多个隧道开挖断面模型；

步骤402、采用计算机设定第j个隧道开挖断面模型中拱顶的曲率为ρ_d,j，设定第j个隧道开挖断面模型中拱腰的曲率为ρ_c,j，设定第j个隧道开挖断面模型中仰拱的曲率为ρ_x,j，第j个隧道开挖断面模型的最大跨度为B_t,j，第j个隧道开挖断面模型的最大高度为H_j；其中，j为正整数，且j≥1，第j个隧道开挖断面模型中拱腰的曲率和边墙的曲率相同；

步骤403、当j＝1时设定第1个隧道开挖断面模型中拱顶的曲率为ρ_d,1，第1个隧道开挖断面模型中拱顶的曲率ρ_d,1的取值为0.3/m～0.35/m，设定第1个隧道开挖断面模型中拱腰的曲率ρ_c,1的取值0.13/m～0.15/m，设定第1个隧道开挖断面模型中仰拱的曲率为ρ_x,1，且第1个隧道开挖断面模型中仰拱的曲率ρ_x,1的取值为0.15/m～0.16/m；

步骤404、采用计算机根据公式

得到第j个隧道开挖断面模型的加载高度h_j；其中，B_m,j表示第j个隧道开挖断面模型中上部形成自然平衡拱的跨度；

表示岩体内摩擦角；

步骤405、采用计算机根据公式q_c,j＝γ_rh_j，得到第j个隧道开挖断面模型的垂直方向加载力q_c,j；其中，垂直方向加载力q_c,j覆盖第j个隧道开挖断面模型的最大跨度；

步骤406、采用计算机根据公式e_j＝K·q_c,j，得到第j个隧道开挖断面模型的水平方向加载力e_j；其中，水平方向加载力e_j覆盖第j个隧道开挖断面模型的最大高度；

步骤407、采用计算机利用ANSYS有限元分析软件，在第j个隧道开挖断面模型上建立初期支护结构模型，得到第j个隧道断面模型；其中，初期支护结构模型为钢拱架和喷射混凝土模型；

步骤五、隧道开挖断面轮廓的确定：

步骤501、采用计算机利用ANSYS有限元分析软件，对第j个隧道断面模型施加垂直方向加载力q_c,j和水平方向加载力e_j，得到第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大应力、第j个隧道断面模型中钢拱架内侧壁的最大应力和第j个隧道断面模型内侧壁沿水平方向的最大变形量x_c,max,j；

步骤502、采用计算机将第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大应力和第一屈服强度的设定值进行比较，第j个隧道断面模型中钢拱架内侧壁的最大应力和第二屈服强度的设定值进行比较，第j个隧道断面模型内侧壁沿水平方向的最大变形量x_c,max,j和第j个开挖断面轮廓的变形量设定值

进行比较，当第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大应力小于第一屈服强度的设定值，第j个隧道断面模型中钢拱架内侧壁的最大应力小于第二屈服强度的设定值，且

则说明第j个隧道开挖断面模型为待施工隧道段的开挖断面轮廓；否则，执行步骤503；

步骤503、设定第j+1个隧道开挖断面模型中拱腰的曲率为ρ_c,j+1，且ρ_c,j+1＝ρ_c,j+A×ρ_c,j，A表示曲率调整系数，且A的取值范围为0.1～0.3，则设定第j+1个隧道开挖断面模型的最大跨度为B_t,j+1，第j+1个隧道开挖断面模型的最大高度为H_j+1；

步骤504、按照步骤501至步骤502所述的方法，对第j+1个隧道开挖断面模型进行判断，直至满足待施工隧道的第一屈服强度的设定值、第二屈服强度的设定值和第j+1个开挖断面轮廓的变形量设定值

则获得待施工隧道段的开挖断面轮廓；

步骤六、隧道台阶法开挖及初期支护施工：

按照待施工隧道段的开挖断面轮廓，采用隧道台阶法对待施工隧道段开挖，并完成隧道初期支护施工；

步骤七、隧道衬砌结构施工：

隧道初期支护施工后进行二次衬砌，直至到下一段隧道施工区域；

步骤八、循环掘进直至软岩大变形段施工完成：

重复步骤一至步骤七，得到下一段隧道施工区域的开挖断面轮廓并进行施工。

上述的一种软岩单线铁路隧道大变形控制方法，其特征在于：步骤202中根据广义Hoek-Brown屈服准则，得到岩体抗压强度σ_r，具体过程如下：

步骤2021、采用计算机根据公式

得到Hoek-Brown屈服准则的第一常数s；其中，D表示岩体扰动系数，且D的取值范围为0～1；

采用计算机根据公式

得到Hoek-Brown屈服准则的第二常数a；其中，GSI表示地质强度常数，且GSI的取值范围为0～100；

步骤2022、采用计算机根据公式σ_r＝σ_cs^a，得到岩体抗压强度σ_r。

上述的一种软岩单线铁路隧道大变形控制方法，其特征在于：步骤303中当待施工隧道段为大变形施工隧道段时，待施工隧道段的大变形等级的判断，如下：

当判断系数P_d满足0.25≤P_d＜0.5，说明待施工隧道段的大变形等级为Ⅰ级；

当判断系数P_d满足0.15≤P_d＜0.25，说明待施工隧道段的大变形等级为Ⅱ级；

当判断系数P_d小于0.15，说明待施工隧道段的大变形等级为Ⅲ级。

上述的一种软岩单线铁路隧道大变形控制方法，其特征在于：当待施工隧道段的大变形等级为Ⅰ级，初期支护结构中钢拱架采用I20b钢拱架，喷射混凝土采用C25喷射混凝土；

当待施工隧道段的大变形等级为Ⅱ级，初期支护结构中钢拱架采用HW175钢拱架，喷射混凝土采用C25喷射混凝土；

当待施工隧道段的大变形等级为Ⅲ级，初期支护结构中钢拱架采用HW175钢拱架，喷射混凝土采用C30喷射混凝土；

第j个开挖断面轮廓的变形量设定值

为

其中，

表示第j个隧道开挖断面模型中隧道断面的等代圆半径，且

上述的一种软岩单线铁路隧道大变形控制方法，其特征在于：步骤502中第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大应力和第一屈服强度的设定值进行比较，以使第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大应力小于第一屈服强度的设定值，具体过程如下：

当第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁仅存在压应力，则第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大应力记作第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大压应力，第一屈服强度的设定值为喷射混凝土的抗压强度，则第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大压应力小于喷射混凝土的抗压强度；

当第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁存在压应力和拉应力时，则第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大应力包括第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大压应力和第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大拉应力，第一屈服强度的设定值包括喷射混凝土的抗压强度和喷射混凝土的抗拉强度，则第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大压应力小于喷射混凝土的抗压强度，且第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大拉应力小于喷射混凝土的抗拉强度。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明利用ANSYS有限元分析软件通过对隧道开挖断面模型中拱腰的曲率的优化，进而改变仰拱的曲率、拱顶的曲率、最大跨度和最大高度，实现隧道开挖断面的优化，以提高最后施工形成的隧道的承载性能和抵抗变形能力。

2、本发明隧道开挖断面模型建立初期支护结构模型，得到隧道断面模型，并在隧道断面模型上施加垂直方向加载力和水平方向加载力，获取隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大应力、钢拱架内侧壁的最大应力和隧道断面模型内侧壁沿水平方向的最大变形量，便于将隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大应力和第一屈服强度的设定值、隧道断面模型中钢拱架内侧壁的最大应力和第二屈服强度的设定值，以及隧道断面模型内侧壁沿水平方向的最大变形量和开挖断面轮廓的变形量设定值进行比较，以获取待施工隧道段的开挖断面轮廓，提高了待施工隧道段的开挖断面轮廓的准确度。

3、所采用的软岩单线铁路隧道大变形控制方法步骤简单、实现方便且操作简便，确保单线铁路隧道的变形满足单线铁路隧道大变形要求，且适应软岩区域的构造应力。

4、所采用的软岩单线铁路隧道大变形控制方法操作简便且使用效果好，首先是地应力参数的获取；接着是岩体物理力学参数的获取；然后进行侧压力系数的获取与隧道大变形判断，之后进行隧道开挖断面承载性能分析，以确定隧道开挖断面轮廓，按照待施工隧道段的开挖断面轮廓采用隧道台阶法开挖，并完成初期支护施工和隧道衬砌结构施工；最后循环掘进直至软岩大变形段施工完成，以使单线铁路隧道的断面持续优化，提高隧道初期支护结构的承载性能和抵抗变形能力，实现复杂构造应力区域软岩大变形的控制，实用性强。

综上所述，本发明方法步骤简单，设计合理且成本低，通过单线铁路隧道开挖断面轮廓的优化，提高隧道初期支护结构的承载性能和抵抗变形能力，实现软岩单线铁路隧道大变形的控制，实用性强。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明第j个隧道开挖断面模型的结构示意图。

图2为本发明的流程框图。

附图标记说明:

1—仰拱； 2—边墙； 3—拱腰；

4-拱顶。

具体实施方式

如图1和图2所示的一种软岩单线铁路隧道大变形控制方法，包括以下步骤：

步骤一、地应力参数的获取：

在待施工隧道段设选隧道探测区域，采用套孔应力解除法对隧道探测区域进行地应力测试,得到第一主应力σ₁、第二主应力σ₂、第三主应力σ₃；其中，第一主应力σ₁大于第二主应力σ₂，第一主应力σ₁的方向、第二主应力σ₂的方向和第三主应力σ₃的方向相互垂直，第一主应力σ₁在地平面上的投影与正北方向的夹角为第一主应力σ₁的方位角α₁，第一主应力σ₁和第一主应力σ₁在地平面上的投影之间的夹角为第一主应力σ₁的倾角θ₁，第二主应力σ₂在地平面上的投影与正北方向的夹角为第二主应力σ₂的方位角α₂，第二主应力σ₂和第二主应力σ₂在地平面上的投影之间的夹角为第二主应力σ₂的倾角θ₂，第三主应力σ₃和第三主应力σ₃在地平面上的投影之间的夹角为第三主应力σ₃的倾角θ₃，|θ₁|＜|θ₃|，且|θ₂|＜|θ₃|；

步骤二、岩体物理力学参数的获取：

步骤201、通过岩石单轴压缩实验，得到隧道探测区域的岩石单轴抗压强度σ_c；

步骤202、根据广义Hoek-Brown屈服准则，得到岩体抗压强度σ_r；

步骤203、在隧道探测区域选择多个岩体试样，得到多个岩体试样的天然容重，然后将多个岩体试样的天然容重进行平均值处理，得到隧道探测区域的岩石的容重γ_r；

步骤三、侧压力系数的获取与隧道大变形判断:

步骤301、采用计算机根据公式σ_max＝σ₁·cos(|θ₁|)·sin(α₁-β)+σ₂·cos(|θ₂|)·sin(α₂-β)，得到水平主应力叠加值σ_max；其中，β表示待施工隧道段的隧道轴线的方位角；

步骤302、根据公式

得到侧压力系数K；

步骤303、根据公式

得到判断系数P_d，当判断系数P_d不大于0.5，则待施工隧道段为大变形施工隧道段；

步骤四、建立隧道开挖断面模型及隧道开挖断面模型的加载力分析：

步骤401、采用计算机利用ANSYS有限元分析软件，建立多个隧道开挖断面模型；

步骤402、采用计算机设定第j个隧道开挖断面模型中拱顶4的曲率为ρ_d,j，设定第j个隧道开挖断面模型中拱腰3的曲率为ρ_c,j，设定第j个隧道开挖断面模型中仰拱1的曲率为ρ_x,j，第j个隧道开挖断面模型的最大跨度为B_t,j，第j个隧道开挖断面模型的最大高度为H_j；其中，j为正整数，且j≥1，第j个隧道开挖断面模型中拱腰3的曲率和边墙2的曲率相同；

步骤403、当j＝1时设定第1个隧道开挖断面模型中拱顶4的曲率为ρ_d,1，第1个隧道开挖断面模型中拱顶4的曲率ρ_d,1的取值为0.3/m～0.35/m，设定第1个隧道开挖断面模型中拱腰3的曲率ρ_c,1的取值0.13/m～0.15/m，设定第1个隧道开挖断面模型中仰拱1的曲率为ρ_x,1，且第1个隧道开挖断面模型中仰拱1的曲率ρ_x,1的取值为0.15/m～0.16/m；

步骤404、采用计算机根据公式

得到第j个隧道开挖断面模型的加载高度h_j；其中，B_m,j表示第j个隧道开挖断面模型中上部形成自然平衡拱的跨度；

表示岩体内摩擦角；

步骤405、采用计算机根据公式q_c,j＝γ_rh_j，得到第j个隧道开挖断面模型的垂直方向加载力q_c,j；其中，垂直方向加载力q_c,j覆盖第j个隧道开挖断面模型的最大跨度；

步骤406、采用计算机根据公式e_j＝K·q_c,j，得到第j个隧道开挖断面模型的水平方向加载力e_j；其中，水平方向加载力e_j覆盖第j个隧道开挖断面模型的最大高度；

步骤407、采用计算机利用ANSYS有限元分析软件，在第j个隧道开挖断面模型上建立初期支护结构模型，得到第j个隧道断面模型；其中，初期支护结构模型为钢拱架和喷射混凝土模型；

步骤五、隧道开挖断面轮廓的确定：

步骤501、采用计算机利用ANSYS有限元分析软件，对第j个隧道断面模型施加垂直方向加载力q_c,j和水平方向加载力e_j，得到第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大应力、第j个隧道断面模型中钢拱架内侧壁的最大应力和第j个隧道断面模型内侧壁沿水平方向的最大变形量x_c,max,j；

步骤502、采用计算机将第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大应力和第一屈服强度的设定值进行比较，第j个隧道断面模型中钢拱架内侧壁的最大应力和第二屈服强度的设定值进行比较，第j个隧道断面模型内侧壁沿水平方向的最大变形量x_c,max,j和第j个开挖断面轮廓的变形量设定值

进行比较，当第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大应力小于第一屈服强度的设定值，第j个隧道断面模型中钢拱架内侧壁的最大应力小于第二屈服强度的设定值，且

则说明第j个隧道开挖断面模型为待施工隧道段的开挖断面轮廓；否则，执行步骤503；

步骤503、设定第j+1个隧道开挖断面模型中拱腰3的曲率为ρ_c,j+1，且ρ_c,j+1＝ρ_c,j+A×ρ_c,j，A表示曲率调整系数，且A的取值范围为0.1～0.3，则设定第j+1个隧道开挖断面模型的最大跨度为B_t,j+1，第j+1个隧道开挖断面模型的最大高度为H_j+1；

步骤504、按照步骤501至步骤502所述的方法，对第j+1个隧道开挖断面模型进行判断，直至满足待施工隧道的第一屈服强度的设定值、第二屈服强度的设定值和第j+1个开挖断面轮廓的变形量设定值

则获得待施工隧道段的开挖断面轮廓；

步骤六、隧道台阶法开挖及初期支护施工：

按照待施工隧道段的开挖断面轮廓，采用隧道台阶法对待施工隧道段开挖，并完成隧道初期支护施工；

步骤七、隧道衬砌结构施工：

隧道初期支护施工后进行二次衬砌，直至到下一段隧道施工区域；

步骤八、循环掘进直至软岩大变形段施工完成：

重复步骤一至步骤七，得到下一段隧道施工区域的开挖断面轮廓并进行施工。

本实施例中，步骤202中根据广义Hoek-Brown屈服准则，得到岩体抗压强度σ_r，具体过程如下：

步骤2021、采用计算机根据公式

得到Hoek-Brown屈服准则的第一常数s；其中，D表示岩体扰动系数，且D的取值范围为0～1；

采用计算机根据公式

得到Hoek-Brown屈服准则的第二常数a；其中，GSI表示地质强度常数，且GSI的取值范围为0～100；

步骤2022、采用计算机根据公式σ_r＝σ_cs^a，得到岩体抗压强度σ_r。

本实施例中，步骤303中当待施工隧道段为大变形施工隧道段时，待施工隧道段的大变形等级的判断，如下：

当判断系数P_d满足0.25≤P_d＜0.5，说明待施工隧道段的大变形等级为Ⅰ级；

当判断系数P_d满足0.15≤P_d＜0.25，说明待施工隧道段的大变形等级为Ⅱ级；

当判断系数P_d小于0.15，说明待施工隧道段的大变形等级为Ⅲ级。

本实施例中，当待施工隧道段的大变形等级为Ⅰ级，初期支护结构中钢拱架采用I20b钢拱架，喷射混凝土采用C25喷射混凝土；

当待施工隧道段的大变形等级为Ⅱ级，初期支护结构中钢拱架采用HW175钢拱架，喷射混凝土采用C25喷射混凝土；

当待施工隧道段的大变形等级为Ⅲ级，初期支护结构中钢拱架采用HW175钢拱架，喷射混凝土采用C30喷射混凝土；

第j个开挖断面轮廓的变形量设定值

为

其中，

表示第j个隧道开挖断面模型中隧道断面的等代圆半径，且

本实施例中，步骤502中第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大应力和第一屈服强度的设定值进行比较，以使第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大应力小于第一屈服强度的设定值，具体过程如下：

当第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁仅存在压应力，则第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大应力记作第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大压应力，第一屈服强度的设定值为喷射混凝土的抗压强度，则第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大压应力小于喷射混凝土的抗压强度；

当第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁存在压应力和拉应力时，则第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大应力包括第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大压应力和第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大拉应力，第一屈服强度的设定值包括喷射混凝土的抗压强度和喷射混凝土的抗拉强度，则第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大压应力小于喷射混凝土的抗压强度，且第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大拉应力小于喷射混凝土的抗拉强度。

本实施例中，当钢拱架采用I20b钢拱架或者HW175钢拱架时，第二屈服强度的设定值为235MPa。

本实施例中，当喷射混凝土采用C25喷射混凝土时，喷射混凝土的抗压强度为25MPa，喷射混凝土的抗拉强度为1.27MPa；当喷射混凝土采用C30喷射混凝土时，喷射混凝土的抗压强度为30MPa，喷射混凝土的抗拉强度为1.43MPa。

本实施例中，需要说明的是，当第一主应力σ₁、第二主应力σ₂、第三主应力σ₃位于地平面下方时，第一主应力σ₁的倾角θ₁、第二主应力σ₂的倾角θ₂和第三主应力σ₃的倾角θ₃均取负值，当第一主应力σ₁、第二主应力σ₂和第三主应力σ₃位于地平面上方时，第一主应力σ₁的倾角θ₁、第二主应力σ₂的倾角θ₂和第三主应力σ₃的倾角θ₃均取正值。

本实施例中，需要说明的是，待施工隧道段的隧道轴线的方位角β即为待施工隧道段的隧道轴线在地平面上的投影与正北方向的夹角。

本实施例中，根据待施工隧道段的大变形等级来设定开挖断面轮廓的变形量设定值，从而能有效地适应待施工隧道段的大变形不同等级，不仅能够有效确保隧道结构受力特性，而且降低了成人工、材料等经济耗损。本实施例中，利用ANSYS有限元分析软件通过隧道开挖断面模型中拱腰的曲率的优化，进而改变仰拱的曲率、拱顶的曲率、最大跨度和最大高度，实现隧道开挖断面的优化，以提高最后施工形成的隧道的承载性能和抵抗变形能力。

本实施例中，隧道开挖断面模型建立初期支护结构模型，得到隧道断面模型，并在隧道断面模型上施加垂直方向加载力和水平方向加载力，获取隧道断面模型喷射混凝土内侧壁的最大应力、钢拱架内侧壁的最大应力和隧道断面模型内侧壁沿水平方向的最大变形量，便于将隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大应力第一屈服强度的设定值、隧道断面模型中钢拱架内侧壁的最大应力和第二屈服强度的设定值，以及隧道断面模型内侧壁沿水平方向的最大变形量和开挖断面轮廓的变形量设定值进行比较，以获取待施工隧道段的开挖断面轮廓，提高了待施工隧道段的开挖断面轮廓的准确度。

本实施例中，软岩单线铁路隧道大变形控制方法步骤简单、实现方便且操作简便，确保单线铁路隧道的变形满足变形要求，且适应软岩区域构造应力。

综上所述，本发明方法步骤简单，设计合理且成本低，通过单线铁路隧道开挖断面轮廓的优化，提高隧道初期支护结构的承载性能和抵抗变形能力，实现软岩单线铁路隧道大变形的控制，实用性强。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种软岩单线铁路隧道大变形控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、地应力参数的获取：

在待施工隧道段的隧道探测区域，采用套孔应力解除法对隧道探测区域进行地应力测试,得到第一主应力σ₁、第二主应力σ₂、第三主应力σ₃；其中，第一主应力σ₁大于第二主应力σ₂，第一主应力σ₁的方向、第二主应力σ₂的方向和第三主应力σ₃的方向相互垂直，第一主应力σ₁在地平面上的投影与正北方向的夹角为第一主应力σ₁的方位角α₁，第一主应力σ₁和第一主应力σ₁在地平面上的投影之间的夹角为第一主应力σ₁的倾角θ₁，第二主应力σ₂在地平面上的投影与正北方向的夹角为第二主应力σ₂的方位角α₂，第二主应力σ₂和第二主应力σ₂在地平面上的投影之间的夹角为第二主应力σ₂的倾角θ₂，第三主应力σ₃和第三主应力σ₃在地平面上的投影之间的夹角为第三主应力σ₃的倾角θ₃，|θ₁|＜|θ₃|，且|θ₂|＜|θ₃|；

步骤二、岩体物理力学参数的获取：

步骤201、通过岩石单轴压缩实验，得到隧道探测区域的岩石单轴抗压强度σ_c；

步骤202、根据广义Hoek-Brown屈服准则，得到岩体抗压强度σ_r；

步骤203、在隧道探测区域选择多个岩体试样，得到多个岩体试样的天然容重，然后将多个岩体试样的天然容重进行平均值处理，得到隧道探测区域的岩石的容重γ_r；

步骤三、侧压力系数的获取与隧道大变形判断:

步骤301、采用计算机根据公式σ_max＝σ₁·cos(|θ₁|)·sin(α₁-β)+σ₂·cos(|θ₂|)·sin(α₂-β)，得到水平主应力叠加值σ_max；其中，β表示待施工隧道段的隧道轴线的方位角；

步骤302、根据公式

得到侧压力系数K；

步骤303、根据公式

得到判断系数P_d，当判断系数P_d不大于0.5，则待施工隧道段为大变形施工隧道段；

步骤四、建立隧道开挖断面模型及隧道开挖断面模型的加载力分析：

步骤401、采用计算机利用ANSYS有限元分析软件，建立多个隧道开挖断面模型；

步骤402、采用计算机设定第j个隧道开挖断面模型中拱顶(4)的曲率为ρ_d,j，设定第j个隧道开挖断面模型中拱腰(3)的曲率为ρ_c,j，设定第j个隧道开挖断面模型中仰拱(1)的曲率为ρ_x,j，第j个隧道开挖断面模型的最大跨度为B_t,j，第j个隧道开挖断面模型的最大高度为H_j；其中，j为正整数，且j≥1，第j个隧道开挖断面模型中拱腰(3)的曲率和边墙(2)的曲率相同；

步骤403、当j＝1时设定第1个隧道开挖断面模型中拱顶(4)的曲率为ρ_d,1，第1个隧道开挖断面模型中拱顶(4)的曲率ρ_d,1的取值为0.3/m～0.35/m，设定第1个隧道开挖断面模型中拱腰(3)的曲率ρ_c,1的取值0.13/m～0.15/m，设定第1个隧道开挖断面模型中仰拱(1)的曲率为ρ_x,1，且第1个隧道开挖断面模型中仰拱(1)的曲率ρ_x,1的取值为0.15/m～0.16/m；

步骤404、采用计算机根据公式

得到第j个隧道开挖断面模型的加载高度h_j；其中，B_m,j表示第j个隧道开挖断面模型中上部形成自然平衡拱的跨度；

表示岩体内摩擦角；

步骤405、采用计算机根据公式q_c,j＝γ_rh_j，得到第j个隧道开挖断面模型的垂直方向加载力q_c,j；其中，垂直方向加载力q_c,j覆盖第j个隧道开挖断面模型的最大跨度；

步骤406、采用计算机根据公式e_j＝K·q_c,j，得到第j个隧道开挖断面模型的水平方向加载力e_j；其中，水平方向加载力e_j覆盖第j个隧道开挖断面模型的最大高度；

步骤407、采用计算机利用ANSYS有限元分析软件，在第j个隧道开挖断面模型上建立初期支护结构模型，得到第j个隧道断面模型；其中，初期支护结构模型为钢拱架和喷射混凝土模型；

步骤五、隧道开挖断面轮廓的确定：

步骤501、采用计算机利用ANSYS有限元分析软件，对第j个隧道断面模型施加垂直方向加载力q_c,j和水平方向加载力e_j，得到第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大应力、第j个隧道断面模型中钢拱架内侧壁的最大应力和第j个隧道断面模型内侧壁沿水平方向的最大变形量x_c,max,j；

步骤502、采用计算机将第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大应力和第一屈服强度的设定值进行比较，第j个隧道断面模型中钢拱架内侧壁的最大应力和第二屈服强度的设定值进行比较，第j个隧道断面模型内侧壁沿水平方向的最大变形量x_c,max,j和第j个开挖断面轮廓的变形量设定值

进行比较，当第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大应力小于第一屈服强度的设定值，第j个隧道断面模型中钢拱架内侧壁的最大应力小于第二屈服强度的设定值，且

则说明第j个隧道开挖断面模型为待施工隧道段的开挖断面轮廓；否则，执行步骤503；

步骤503、设定第j+1个隧道开挖断面模型中拱腰(3)的曲率为ρ_c,j+1，且ρ_c,j+1＝ρ_c,j+A×ρ_c,j，A表示曲率调整系数，且A的取值范围为0.1～0.3，则设定第j+1个隧道开挖断面模型的最大跨度为B_t,j+1，第j+1个隧道开挖断面模型的最大高度为H_j+1；

步骤504、按照步骤501至步骤502所述的方法，对第j+1个隧道开挖断面模型进行判断，直至满足待施工隧道的第一屈服强度的设定值、第二屈服强度的设定值和第j+1个开挖断面轮廓的变形量设定值

则获得待施工隧道段的开挖断面轮廓；

步骤六、隧道台阶法开挖及初期支护施工：

按照待施工隧道段的开挖断面轮廓，采用隧道台阶法对待施工隧道段开挖，并完成隧道初期支护施工；

步骤七、隧道衬砌结构施工：

隧道初期支护施工后进行二次衬砌，直至到下一段隧道施工区域；

步骤八、循环掘进直至软岩大变形段施工完成：

重复步骤一至步骤七，得到下一段隧道施工区域的开挖断面轮廓并进行施工。

2.按照权利要求1所述的一种软岩单线铁路隧道大变形控制方法，其特征在于：步骤202中根据广义Hoek-Brown屈服准则，得到岩体抗压强度σ_r，具体过程如下：

步骤2021、采用计算机根据公式

得到Hoek-Brown屈服准则的第一常数s；其中，D表示岩体扰动系数，且D的取值范围为0～1；GSI表示地质强度常数，且GSI的取值范围为0～100；

采用计算机根据公式

得到Hoek-Brown屈服准则的第二常数a；

步骤2022、采用计算机根据公式σ_r＝σ_cs^a，得到岩体抗压强度σ_r。

3.按照权利要求1所述的一种软岩单线铁路隧道大变形控制方法，其特征在于：步骤303中当待施工隧道段为大变形施工隧道段时，待施工隧道段的大变形等级的判断，如下：

当判断系数P_d满足0.25≤P_d＜0.5，说明待施工隧道段的大变形等级为Ⅰ级；

当判断系数P_d满足0.15≤P_d＜0.25，说明待施工隧道段的大变形等级为Ⅱ级；

当判断系数P_d小于0.15，说明待施工隧道段的大变形等级为Ⅲ级。

4.按照权利要求3所述的一种软岩单线铁路隧道大变形控制方法，其特征在于：当待施工隧道段的大变形等级为Ⅰ级，初期支护结构中钢拱架采用I20b钢拱架，喷射混凝土采用C25喷射混凝土；

当待施工隧道段的大变形等级为Ⅱ级，初期支护结构中钢拱架采用HW175钢拱架，喷射混凝土采用C25喷射混凝土；

当待施工隧道段的大变形等级为Ⅲ级，初期支护结构中钢拱架采用HW175钢拱架，喷射混凝土采用C30喷射混凝土；

第j个开挖断面轮廓的变形量设定值

为

其中，

表示第j个隧道开挖断面模型中隧道断面的等代圆半径，且

5.按照权利要求1所述的一种软岩单线铁路隧道大变形控制方法，其特征在于：步骤502中第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大应力和第一屈服强度的设定值进行比较，以使第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大应力小于第一屈服强度的设定值，具体过程如下：

当第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁仅存在压应力，则第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大应力记作第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大压应力，第一屈服强度的设定值为喷射混凝土的抗压强度，则第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大压应力小于喷射混凝土的抗压强度；

当第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁存在压应力和拉应力时，则第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大应力包括第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大压应力和第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大拉应力，第一屈服强度的设定值包括喷射混凝土的抗压强度和喷射混凝土的抗拉强度，则第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大压应力小于喷射混凝土的抗压强度，且第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大拉应力小于喷射混凝土的抗拉强度。

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