CN112434357B - 基于全断面施工软弱破碎围岩工作面加固方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于全断面施工软弱破碎围岩工作面加固方法，包括以下步骤：S100根据软弱破碎围岩的地质资料和地质调查情况，针对不同的围岩等级制订相应的加固方案，加固方案包括开挖前的超前预加固和开挖后的二次加固；S200对施工工作面的围岩进行预测，评估围岩等级，根据围岩等级选择对应的加固方案，并先实施超前预加固；所述超前预加固包括设置管棚，安装小导管，进行注浆；S300进行隧道全断面施工，出渣后实施二次加固；所述二次加固包括设置锚杆，进行二次注浆，喷混凝土。本发明通过制订包括开挖前超前预加固和开挖后二次加固两步加固方式的加固方案，先增强围岩稳定性，再实施开挖，开挖后又加固，可以提高施工安全性，有效保障施工的进行。

Description

基于全断面施工软弱破碎围岩工作面加固方法

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，特别涉及一种基于全断面施工软弱破碎围岩工作面加固方法。

背景技术

全断面施工法又称全断面掘进法，是指在整个断面上向前推进的隧道施工方法，即按巷(隧)道设计开挖断面，一次开挖到位的施工方法。全断面开挖主要有三种方式：新奥地利全断面开挖法、护板全断面开挖法和掘进机护板全断面开挖法。全断面开挖法施工操作比较简单，主要工序为：使用移动式钻孔台车，首先全断面一次钻孔，并进行装药连线，然后将钻孔台车后退到50m以外的安全地点，再起爆，一次爆破成型，出渣后钻孔台车再推移至开挖面就位，开始下一个钻爆作业循环。同时，进行初期支护，铺设防水隔离层(或不铺设)，进行二次筑模衬砌。这种方法作业集中，便于管理，通风条件好，轨道管线可一次铺成，对提高施工机械化程度和工效有利，优点是施工场地开阔、出渣方便、掘进速度快。该方法一般适用于围岩稳定、节理不发育、不需临时支护、高度不大的硐室掘进施工；可用于I级、Ⅱ级围岩岩巷施工，或Ⅲ级围岩的中小跨度岩巷；对于Ⅳ级围岩中跨度岩巷和Ⅲ级围岩大跨度岩巷，在采用了有效的预加固措施后，也可以采用全断面法掘进。

目前，由于岩土控制变形分析法施工技术的应用和施工机械的开发，选择施工方法已不完全取决于地质条件，即使在地质条件较弱的岩土进行隧道施工，也有向采用全断面法发展趋势。

对于软弱破碎围岩的隧道工程，具有围岩多风化破碎，具有稳定性差、受力复杂等特点，容易形成软弱围岩大变形等地质灾害，隧道修建难度大，风险大，施工中极易塌方和变形，围岩受力复杂偏压普遍存在，围岩和支护结构应力分布及变形情况复杂，设计与施工中均存在着诸多困难，稍有不慎，就会造成塌方等安全事故发生，直接导致耗费大量人力、物力，拖延工期，给工程建设造成极大的困难。如果选择采用全断面法施工，必须进行相应的工作面加固，控制风险，预防发生安全事故，才能保障隧道施工的顺利进行和作业人员的人身安全，为此，本发明提供了一种基于全断面施工软弱破碎围岩工作面加固方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于全断面施工软弱破碎围岩工作面加固方法，包括以下步骤：

S100根据软弱破碎围岩的地质资料和地质调查情况，针对不同的围岩等级制订相应的加固方案，加固方案包括开挖前的超前预加固和开挖后的二次加固；

S200对施工工作面的围岩进行预测，评估围岩等级，根据围岩等级选择对应的加固方案，并先实施超前预加固；所述超前预加固包括设置管棚，安装小导管，进行注浆；

S300进行隧道全断面施工，出渣后实施二次加固；所述二次加固包括设置锚杆，进行二次注浆，喷混凝土。

可选的，在S100步骤中，建立隧道的掌子面水平条分模型，进行加固方案模拟，采用极限平衡理论对掌子面稳定性进行分析，根据分析对加固方案进行优化调整。

可选的，在S100步骤中，建立掌子失稳破坏模型，进行超前预加固模拟，采用极限分析上限定理，进行未支护及超前预加固的稳定性对比和分析，根据分析对超前预加固进行优化调整。

可选的，在S100步骤中，对同一等级围岩制订多个加固方案，建立隧道的掌子面水平条分模型和掌子失稳破坏模型，分别对各加固方案进行模拟，根据模拟进行综合分析，选择最优加固方案。

可选的，所述综合分析包括施工安全性分析、施工进度分析以及工程造价分析。

可选的，所述施工安全性分析，包括对隧道全断面施工的软弱破碎围岩应力分析、变形分析和塑性分析；在分析过程中，

若加固方案的不符合安全性要求，则对加固方案进行调整后再次进行安全性分析；

若经三次调整仍然不符合安全性要求，则剔除该加固方案。

可选的，最优加固方案的选择过程如下：

对每个加固方案，分别就施工安全性分析、施工进度分析以及工程造价分析的结果进行评分；

确定施工安全、施工进度以及工程造价的评价权重，根据以下公式计算各加固方案的分值：

W_i＝S_i*K₁+T_i*K₂+C_i*K₃

上式中，W_i表示第i个加固方案的分值；S_i表示第i个加固方案的施工安全性分析结果的评分；K₁表示施工安全的评价权重；T_i表示第i个加固方案的施工进度分析结果的评分；K₂表示施工进度的评价权重；C_i表示第i个加固方案的工程造价分析结果的评分；K₃表示工程造价的评价权重；

选择计算分值最高的加固方案作为最优加固方案。

可选的，所述超前预加固采用管棚，并以下面公式计算管棚支护能够承受的极限压力：

上式中，P表示管棚支护能够承受的极限压力；γ表示围岩容重；V_a表示模拟的未支护围岩滑塌速率；l表示模拟的未支护围岩滑塌的厚度；r₀表示管棚加固的弧面半径；l_B表示模拟的未支护围岩滑塌长度；c表示粘聚力；tan和cos为三角函数；

表示围岩摩擦角；e表示自然常数；P₁表示未支护段支护力；L表示未支护段长度；μ表示单位高度隧道围岩内管棚支护材料的抗拉强度；

根据计算得到的管棚支护能够承受的极限压力，对管棚超前预加固方式的管材型号选择和设置密度进行优化调整。

可选的，所述二次加固采用锚杆、喷混凝土和注浆结合，并以下面公开计算锚杆的直径：

上式中，D表示锚杆的直径；F表示设计拉拔力；k表示锚杆与混凝土的剪切刚度；d表示锚杆与混凝土界面的相对轴向位移，单位为mm；L_固表示锚杆的锚固长度，单位为mm；

选择锚杆直径不小于上述计算结果。

可选的，隧道开挖从两端相向施工，对两端掌子面距离缩小到设定距离接近贯通时的加固方案进行模拟，引入贯通点安全系数对塑性区做应力分析，并以分析结果对贯通前的加固方案进行优化调整；所述贯通点安全系数采用以下公式计算：

上式中，ξ表示贯通点安全系数；c表示粘聚力；σ₁表示塑性区围岩的最大应力；σ₂表示塑性区围岩的最小应力；sin和cos为三角函数；

表示围岩摩擦角。

本发明的基于全断面施工软弱破碎围岩工作面加固方法，在软弱破碎围岩地质状态中，采用全断面施工方法进行隧道施工，施工场地开阔、出渣方便、掘进速度快；为了保障施工的顺利进行和安全，制订包括开挖前超前预加固和开挖后二次加固两步加固方式的加固方案，利用超前预加固先增强围岩稳定性，再实施开挖，开挖后又进行二次加固，可以提高施工的安全性，有效保障施工的进行。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

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

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例中一种基于全断面施工软弱破碎围岩工作面加固方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于全断面施工软弱破碎围岩工作面加固方法，包括以下步骤：

S100根据软弱破碎围岩的地质资料和地质调查情况，针对不同的围岩等级制订相应的加固方案，加固方案包括开挖前的超前预加固和开挖后的二次加固；

S200对施工工作面的围岩进行预测，评估围岩等级，根据围岩等级选择对应的加固方案，并先实施超前预加固；所述超前预加固包括设置管棚，安装小导管，进行注浆；

S300进行隧道全断面施工，出渣后实施二次加固；所述二次加固包括设置锚杆，进行二次注浆，喷混凝土。

上述技术方案的工作原理为：本方案为了保障施工的顺利进行和安全，根据围岩等级制订包括开挖前超前预加固和开挖后二次加固两步加固方式的加固方案，即针对不同等级的围岩确定不同的加固方案，每一个等级的围岩加固方案都包括超前预加固和二次加固两部分；施工时，先给探测确定开挖前方的围岩等级，选择对应等级的加固方案，以选中的加固方案中的超前预加固，对围岩进行加固，然后对被加固段进行开挖，开挖出渣后再做二次加固，二次加固可以采用掌子面喷混凝土常与掌子面锚杆同时配合，为防止掌子面喷混凝土发生早期开裂，可采用纤维喷射混凝土提高其韧性；二次加固完毕，再未开挖段进行探测，循环执行S200和S300步骤，实现隧道掘进。

上述技术方案的有益效果为：本方案通过超前预加固先增强围岩稳定性，保障围岩在开挖时不会发生坍塌，再实施隧道开挖，开挖后进行二次加固，喷射混凝土以防止掌子面松弛，以增强开挖面的稳定性，可以提高施工的安全性，有效保障施工的进行，可以在软弱破碎围岩地质情况下采用全断面施工方法进行隧道施工，施工场地开阔、出渣方便、掘进速度快。

在一个实施例中，在S100步骤中，建立隧道的掌子面水平条分模型，进行加固方案模拟，采用极限平衡理论对掌子面稳定性进行分析，根据分析对加固方案进行优化调整。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过建立掌子面水平条分模型，采用极限平衡法进行分析，能有效克服垂直划分的条块与加固结构体锚杆等存在交叉的缺点，对维持掌子面稳定所需极限支护力的影响进行研究；可以提高加固方案的安全性和可靠性，避免加固方案设计错误。

在一个实施例中，在S100步骤中，建立掌子失稳破坏模型，进行超前预加固模拟，采用极限分析上限定理，进行未支护及超前预加固的稳定性对比和分析，根据分析对超前预加固进行优化调整。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过建立掌子失稳破坏模型，基于极限分析上限定理，能有效模拟隧道深浅埋不同的破坏模式，并对纵向拱效应进行模拟；可对超前预加固进行验证和优化调整，提高加固方案的安全性和可靠性，避免加固方案设计错误。

在一个实施例中，在S100步骤中，对同一等级围岩制订多个加固方案，建立隧道的掌子面水平条分模型和掌子失稳破坏模型，分别对各加固方案进行模拟，根据模拟进行综合分析，所述综合分析包括施工安全性分析、施工进度分析以及工程造价分析，选择最优加固方案。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案在制订加固方案时，对同一等级的围岩制订多个可选方案，即每一个围岩等级都制订多个方案；通过建立掌子面水平条分模型和掌子失稳破坏模型，利用模型对加固方案进行模拟和综合分析，为每一个围岩等级选定一个最优的加固方案，提高加固方案的安全性和可靠性。

在一个实施例中，所述施工安全性分析，包括对隧道全断面施工的软弱破碎围岩应力分析、变形分析和塑性分析；在分析过程中，

若加固方案的不符合安全性要求，则对加固方案进行调整后再次进行安全性分析；

若经三次调整仍然不符合安全性要求，则剔除该加固方案。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案对采用模型进行施工安全性分析时，从围岩应力、变形和塑性等多个角度，对加固方案进行验证与评估，以切实保障加固方案的加固效果，在分析过程中，还对方案进行调整，但若经多次调整仍然不能达到安全要求，则排除该作为加固方案的可选方案之一，从而保证参与选择的方案都是安全性达到要求的。

在一个实施例中，最优加固方案的选择过程如下：

对每个加固方案，分别就施工安全性分析、施工进度分析以及工程造价分析的结果进行评分；

确定施工安全、施工进度以及工程造价的评价权重，根据以下公式计算各加固方案的分值：

W_i＝S_i*K₁+T_i*K₂+C_i*K₃

上式中，W_i表示第i个加固方案的分值；S_i表示第i个加固方案的施工安全性分析结果的评分；K₁表示施工安全的评价权重；T_i表示第i个加固方案的施工进度分析结果的评分；K₂表示施工进度的评价权重；C_i表示第i个加固方案的工程造价分析结果的评分；K₃表示工程造价的评价权重；

选择计算分值最高的加固方案作为最优加固方案。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过预先确定各指标权重，在对综合分析中的各分项指标分析结果进行打分，以上述公式分别计算不同方案的分值，进行分值对比，选定分值最高的方案作为确定的某一等级围岩的加固方案；把优先过程进行了量化，对影响因素的多样性和复杂性进行了简化，使得分析操作性强，可靠性高。

在一个实施例中，对于采用管棚的超前预加固方式，采用以下公式计算管棚支护能够承受的极限压力：

上式中，P表示管棚支护能够承受的极限压力；γ表示围岩容重；V_a表示模拟的未支护围岩滑塌速率；l表示模拟的未支护围岩滑塌的厚度；r₀表示管棚加固的弧面半径；l_B表示模拟的未支护围岩滑塌长度；c表示粘聚力；tan和cos为三角函数；

表示围岩摩擦角；e表示自然常数；P₁表示未支护段支护力；L表示未支护段长度；μ表示单位高度隧道围岩内管棚支护材料的抗拉强度；

根据计算得到的管棚支护能够承受的极限压力，对管棚超前预加固方式的管材型号选择和设置密度进行优化调整。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案对于采用管棚方式的超前预加固，采用以上公式进行管棚支护能够承受的极限压力计算，该公式充分考虑了已经支护段与未支持段的影响关系，可以精确得到极限承载力，通过该计算结果，结合管棚使用材料的物理特性进行分析计算，可以确定管材的选用型号以及支护时的设置密度和方式，以此对加固方案进行优化，使得选用方案更实用经济，既能保障安全与施工进度，又不浪费材料增加成本。

在一个实施例中，所述二次加固采用锚杆、喷混凝土和注浆结合，采用以下公开计算锚杆的直径：

上式中，D表示锚杆的直径，单位mm；F表示设计拉拔力；k表示锚杆与混凝土的剪切刚度；d表示锚杆与混凝土界面的相对轴向位移，单位为mm；L_固表示锚杆的锚固长度，单位为mm；

选择锚杆直径不小于上述计算结果。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案的二次加固采用锚杆、喷混凝土和注浆结合，采用以上公式计算锚杆直径，可以精确选定锚杆管材型号，使加固方案既能保障安全与施工进度，又不浪费材料增加成本。

在一个实施例中，隧道开挖从两端相向施工，对两端掌子面距离缩小到设定距离接近贯通时的加固方案进行模拟，引入贯通点安全系数对塑性区做应力分析，并以分析结果对贯通前的加固方案进行优化调整；所述贯通点安全系数采用以下公式计算：

上式中，ξ表示贯通点安全系数；c表示粘聚力；σ₁表示塑性区围岩的最大应力；σ₂表示塑性区围岩的最小应力；sin和cos为三角函数；

表示围岩摩擦角。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案采用双向施工，可加快隧道施工进程，缩短施工时间；引入贯通点安全系数是为了满足隧道围岩的Mohr-Coulomb屈服条件，设定距离根据围岩地质和隧道截面大小等因素确定，一般不小于20m；在相向施工贯通前的一定距离段，两个掌子面施工时的塑性区围岩稳定性会产生相互影响，忽略此影响可能发生安全事故，产生严重后果。在隧道相向施工时，若2个掌子面距离较远，隧道掌子面前方岩柱和掌子面后方变形相对稳定区，在开挖范围内形成纵向拱效应；随着2个掌子面之间距离的减小，岩柱因受开挖扰动支撑能力降低，拱效应减弱；当接近贯通时，岩柱承载能力很小，围岩的破坏范围加大，极可能造成掌子面失稳塌方，引入贯通点安全系数，在应力分析时对围岩进行稳定性评估，可有效防止贯通施工的事故发生。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种基于全断面施工软弱破碎围岩工作面加固方法，其特征在于，包括以下步骤：

S100根据软弱破碎围岩的地质资料和地质调查情况，针对不同的围岩等级制订相应的加固方案，加固方案包括开挖前的超前预加固和开挖后的二次加固；

S200对施工工作面的围岩进行预测，评估围岩等级，根据围岩等级选择对应的加固方案，并先实施超前预加固；所述超前预加固包括设置管棚，安装小导管，进行注浆；

S300进行隧道全断面施工，出渣后实施二次加固；所述二次加固包括设置锚杆，进行二次注浆，喷混凝土；

在S100步骤中，建立隧道的掌子面水平条分模型，进行加固方案模拟，采用极限平衡理论对掌子面稳定性进行分析，根据分析对加固方案进行优化调整；

在S100步骤中，建立掌子失稳破坏模型，进行超前预加固模拟，采用极限分析上限定理，进行未支护及超前预加固的稳定性对比和分析，根据分析对超前预加固进行优化调整；

在S100步骤中，对同一等级围岩制订多个加固方案，建立隧道的掌子面水平条分模型和掌子失稳破坏模型，分别对各加固方案进行模拟，根据模拟进行综合分析，选择最优加固方案；

所述综合分析包括施工安全性分析、施工进度分析以及工程造价分析；

最优加固方案的选择过程如下：

对每个加固方案，分别就施工安全性分析、施工进度分析以及工程造价分析的结果进行评分；

确定施工安全、施工进度以及工程造价的评价权重，根据以下公式计算各加固方案的分值：

W_i＝S_i*K₁+T_i*K₂+C_i*K₃

上式中，W_i表示第i个加固方案的分值；S_i表示第i个加固方案的施工安全性分析结果的评分；K₁表示施工安全的评价权重；T_i表示第i个加固方案的施工进度分析结果的评分；K₂表示施工进度的评价权重；C_i表示第i个加固方案的工程造价分析结果的评分；K₃表示工程造价的评价权重；

选择计算分值最高的加固方案作为最优加固方案；

隧道开挖从两端相向施工，对两端掌子面距离缩小到设定距离接近贯通时的加固方案进行模拟，引入贯通点安全系数对塑性区做应力分析，并以分析结果对贯通前的加固方案进行优化调整；所述贯通点安全系数采用以下公式计算：

上式中，ξ表示贯通点安全系数；c表示粘聚力；σ₁表示塑性区围岩的最大应力；σ₂表示塑性区围岩的最小应力；sin和cos为三角函数；

表示围岩摩擦角。

2.根据权利要求1所述的基于全断面施工软弱破碎围岩工作面加固方法，其特征在于，所述施工安全性分析，包括对隧道全断面施工的软弱破碎围岩应力分析、变形分析和塑性分析；在分析过程中，

若加固方案的不符合安全性要求，则对加固方案进行调整后再次进行安全性分析；

若经三次调整仍然不符合安全性要求，则剔除该加固方案。

3.根据权利要求1所述的基于全断面施工软弱破碎围岩工作面加固方法，其特征在于，所述超前预加固采用管棚，并以下面公式计算管棚支护能够承受的极限压力：

上式中，P表示管棚支护能够承受的极限压力；γ表示围岩容重；V_a表示模拟的未支护围岩滑塌速率；l表示模拟的未支护围岩滑塌的厚度；r₀表示管棚加固的弧面半径；l_B表示模拟的未支护围岩滑塌长度；c表示粘聚力；tan和cos为三角函数；

表示围岩摩擦角；e表示自然常数；P₁表示未支护段支护力；L表示未支护段长度；μ表示单位高度隧道围岩内管棚支护材料的抗拉强度；

根据计算得到的管棚支护能够承受的极限压力，对管棚超前预加固方式的管材型号选择和设置密度进行优化调整。

4.根据权利要求1所述的基于全断面施工软弱破碎围岩工作面加固方法，其特征在于，所述二次加固采用锚杆、喷混凝土和注浆结合，并以下面公开计算锚杆的直径：

上式中，D表示锚杆的直径；F表示设计拉拔力；k表示锚杆与混凝土的剪切刚度；d表示锚杆与混凝土界面的相对轴向位移，单位为mm；L_固表示锚杆的锚固长度，单位为mm；

选择锚杆直径不小于上述计算结果。

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