CN113653506B - 一种高应力软岩隧道底板控制方法 - Google Patents

一种高应力软岩隧道底板控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高应力软岩隧道底板控制方法，包括以下步骤：步骤1，建立隧道数值模型，得到隧道的底板围岩变形分布规律；步骤2，根据底板围岩变形分布规律，定量划分底板零点位移曲线、拉应变范围和底板塑性区范围；根据上述数据，确定底板爆破卸压支护阶段中的爆破参数、锚固参数与施工参数；步骤3，监测底板围岩的破坏程度和围岩应力分布，得到底板形变数据；步骤4，根据底板形变数据，确定二次锚注支护阶段的锚注参数与注浆时机；步骤5，监测底板的位移程度，得到底板形变的时变数据；步骤6，根据底板形变的时变数据，确定三次拱架封闭支护阶段支护参数。该控制方法具有更好的底板主动支护效果。

Description

一种高应力软岩隧道底板控制方法
技术领域
本发明属于隧道工程支护技术领域，具体涉及一种高应力软岩隧道底板控制方法。
背景技术
近年来，随着国民经济快速发展，交通需求量剧增，以高速公路、高速铁路为代表的交通基础建设大量涌现，隧道在相应工程中的比重日益突出。隧道施工会遇到高应力、极软岩、断层破碎带、空洞以及暗河等不良地质条件，对隧道的稳定性危害极大，冒顶、支护构件失效、底鼓等现象极易发生。特别是隧道穿越高应力软岩情况下底鼓问题尤为突出，一方面高应力条件下隧道底鼓量较大，另一方面软岩的流变性导致隧道底鼓持续发生，严重危害隧道的安全运营。
目前针对隧道底鼓的治理主要以料石反底拱配合拱架支护为主，但是料石反底拱施工工艺复杂且费时费力，属于被动性的抵御外力，不能调动围岩自身的承载能力，尤其当反底拱失效后翻修十分复杂，进一步加大了隧道施工难度，因此急需一种简单高效的隧道底板控制方法。
现行的高应力软岩隧道底板控制方法主要具有以下缺点：
1、料石反底拱施工工艺复杂，若底板超限后翻修极为困难，耗费人力物力较大；2、料石反底拱对于高应力软岩隧道应力分布影响较弱，无法有效改善隧道应力环境；3、料石反底拱属于被动支护，对围岩提供径向作用力有限，无法维持高应力软岩隧道底板的长期稳定性。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高应力软岩隧道底板控制方法，以至少解决目前使用料石反底拱被动支护，工艺复杂且支护效果有限等问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高应力软岩隧道底板控制方法，包括以下步骤：
步骤1，建立隧道数值模型，得到隧道的底板围岩变形分布规律；
步骤2，根据底板围岩变形分布规律，定量划分底板零点位移曲线、拉应变范围和底板塑性区范围；
根据底板零点位移曲线、拉应变范围和底板塑性区范围，确定底板爆破卸压支护阶段中的爆破参数、锚固参数与施工参数；
步骤3，监测底板围岩的破坏程度和围岩应力分布，得到底板形变数据；
步骤4，根据底板形变数据，确定二次锚注支护阶段的锚注参数与注浆时机；
步骤5，监测底板的位移程度，得到底板形变的时变数据；
步骤6，根据底板形变的时变数据，确定三次拱架封闭支护阶段的支护参数。
如上所述的隧道底板控制方法，优选地，在所述步骤1中，在隧道数值模型的基础上，通过分析围岩应力参数、岩层分布参数、隧道几何参数，以及岩体力学参数、岩体流变参数、隧道支护参数，得到底板围岩变形分布规律；
优选地，隧道为三心圆结构，建立三心圆结构的隧道数值模型，将围岩应力参数、岩层分布参数、隧道几何参数，以及岩体力学参数、岩体流变参数、隧道支护参数代入到隧道数值模型中，从而得到底板零点位移方向素描图与拉应变分布素描图；
根据底板零点位移方向素描图与拉应变分布素描图得到最深零点位移深度、最大拉应变深度与底板塑性区最大深度的数值。
如上所述的隧道底板控制方法，优选地，在底板爆破卸压支护阶段中，在底板上钻设爆破支护一体孔；
所述爆破支护一体孔包括爆破段、缓冲段与支护段；所述爆破段位于所述爆破支护一体孔的孔底，所述缓冲段位于所述爆破段与所述支护段之间。
如上所述的隧道底板控制方法，优选地，所述爆破参数包括爆破支护一体孔的深度、缓冲段长度与爆破段的长度；所述锚固参数包括锚杆(索)的杆体长度；
根据底板零点位移曲线、拉应变范围和底板塑性区范围，确定爆破参数中的爆破支护一体孔深度、缓冲段长度、爆破段长度；
确定锚固参数中的锚杆(索)长度。
如上所述的隧道底板控制方法，优选地，爆破段的长度为最大拉应变深度减去最深零点位移深度；
缓冲段为爆破段长度一半，所述缓冲段中主要选用黏土或泡沫混凝土等柔性充填材料；
支护段长度为最深零点位移深度；
锚杆(索)的长度为底板塑性区最大深度。
如上所述的隧道底板控制方法，优选地，若底板围岩变形超过零点位移值，底板爆破卸压支护阶段中的锚固构件采用注浆锚杆(索)；
若底板围岩变形没有超过零点位移值，底板爆破卸压支护阶段中的锚固构件采用锚杆(索)；
二次锚注支护阶段的锚注支护构件采用注浆锚杆(索)。
如上所述的隧道底板控制方法，优选地，在所述步骤3中，底板形变数据为底板爆破卸压支护阶段实施后底板的底鼓量、围岩受应力大小的数据；
采用岩层探测仪探测底板破坏深度，围岩应力主要为底板应力峰值大小，以得到底板变形随时间变化曲线。
如上所述的隧道底板控制方法，优选地，根据底板变形随时间变化曲线，确定二次锚注支护阶段的锚注参数与注浆时机。
如上所述的隧道底板控制方法，优选地，在二次锚注支护阶段施工后，继续监测底板形变，得到底板变形随时间变化曲线；
根据底板变形随时间变化曲线，确定三次拱架封闭支护阶段的拱架选型与支护时机；
优选地，选取底板变形随时间变化曲线拐点，或者是在二次锚注支护阶段施工之后十天进行三次拱架封闭支护阶段施工。
如上所述的隧道底板控制方法，优选地，三次拱架封闭支护阶段中拱架分为6节，分别为拱顶、左右拱肩、左右拱腰、拱底；
在相邻拱架的拱底之间连接纵向连接杆，纵向连接杆设置在三处位置，在拱底部位的左起拱点、右起拱点与拱底中间(即底板正下方)三处位置；以将拱架的拱底连接为一体。
有益效果：本发明属于主、被动支护组合控制方法，克服了现行以料石反底拱配合拱架为主的被动支护形式，简化了施工工艺，提高了施工效率。本发明填补了高应力软岩隧道卸压以及分次支护理念的空白，补充了围岩控制技术体系。本发明侧重于高应力卸压转移和岩体加固抵御流变方面的控制，使得围岩支护设计方法更加科学。
附图说明
图1为本发明实施例中隧道底板控制方法的流程图；
图2为本发明实施例中底板变形分布规律示意图；
图3为本发明实施例中底板支护示意图；
图4为本发明实施例中爆破卸压一体孔示意图；
图5为本发明实施例中底板位移随时间变化示意图。
图中：1、爆破卸压一体孔；1-1、爆破段；1-2、缓冲段；1-3、支护段；2、锚杆(索)。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
根据本发明的具体实施例，如图1-5所示，本发明提供一种高应力软岩隧道底板控制方法，包括以下步骤：
步骤1，建立隧道数值模型，得到隧道的底板围岩变形分布规律。具体的，在隧道数值模型的基础上，通过分析围岩应力参数、岩层分布参数、隧道几何参数，以及岩体力学参数、岩体流变参数、隧道支护参数，得到底板围岩变形分布规律。
在本实施例中，以三心圆隧道为例，建立三心圆结构的隧道数值模型。以隧道跨度14.42m，高度10.38m，埋深600m为例，隧道主要位于灰岩岩层中，岩体弹性模量为4.5GPa，粘聚力为4MPa，内摩擦角为27°。在地应力作用下，将上述数据代入到隧道数值模型中，得到底板零点位移方向素描图，如图2所示，向上为底鼓方向，向下为底板下沉方向，两者方向交界处即为零点位移曲线；拉应变分布素描图类似于底板位移方向素描图。
步骤2，根据底板围岩变形分布规律，定量划分底板零点位移曲线、拉应变范围和底板塑性区范围；根据底板零点位移曲线、拉应变范围和底板塑性区范围，确定底板爆破卸压支护阶段中的爆破参数、锚固参数与施工参数。
在本实施例中，通过上一步中得到的底板零点位移方向素描图，定量划分出底板零点位移曲线、拉应变范围和底板塑性区范围；其中，最深零点位移深度达到底板下方3.1m，最大拉应变深度为最深达到底板下方4.3m，底板塑性区最大深度达到底板下方3.5m。
在底板爆破卸压支护阶段中，在底板上钻设爆破支护一体孔1；爆破支护一体孔1包括爆破段1-1、缓冲段1-2与支护段1-3；爆破段1-1位于爆破支护一体孔1的孔底，缓冲段1-2位于爆破段1-1与支护段1-3之间。
在爆破段1-1与缓冲段1-2之间通过高压水射流设备切出一条切缝，该切缝垂直于爆破支护一体孔的轴线，使得爆破段与缓冲段、支护段形成物理上的隔离，从而能够减小爆破段爆破时对支护段的影响，保证支护段的成孔质量。
爆破参数包括爆破支护一体孔的深度、缓冲段长度与爆破段的长度；锚固参数包括锚杆(索)的杆体长度，锚固长度及间排距。
根据底板零点位移曲线、拉应变范围和底板塑性区范围，确定爆破参数中的爆破支护一体孔深度、缓冲段长度、爆破段长度；确定锚固参数中的锚杆(索)长度，锚固长度及间排距。
在本实施例中，支护段长度为最深零点位移深度，即3.1m；爆破段的长度为最大拉应变深度减去最深零点位移深度，即4.3m-3.1m＝1.2m，本实施例中，爆破段长度为1.2m，在爆破段中装填炸药0.6m，炸药主要选取隧道爆破常用炸药或乳化炸药，分三节装药；缓冲段为爆破段长度一半，也即缓冲段为0.3m；缓冲段中主要选用黏土或泡沫混凝土等柔性充填材料。在本实施例中，锚固构件采用的是砂浆锚杆，砂浆锚杆(索)的长度为底板塑性区最大深度，即砂浆锚杆长度为3.5m。
步骤3，监测底板围岩的破坏程度和围岩应力分布，得到底板形变数据。具体的，底板形变数据为底板爆破卸压支护阶段实施后底板的底鼓量、围岩受应力大小的数据。
在本实施例中，采用岩层探测仪探测底板破坏深度，围岩应力主要为底板应力峰值大小，以得到底板变形随时间变化曲线。
步骤4，根据底板形变数据(底板底鼓量与围岩应力数据)，确定二次锚注支护阶段的锚注参数与注浆时机。
若底板围岩变形超过零点位移值，底板爆破卸压支护阶段中的锚固构件采用注浆锚杆(索)2；若底板围岩变形没有超过零点位移值，底板爆破卸压支护阶段中的锚固构件采用锚杆(索)2；二次锚注支护阶段的锚注支护构件采用注浆锚杆(索)2。
在本实施例中，根据上一步监测得到的数据，确定二次锚注支护阶段中注浆锚杆长度选取为底板破坏深度，注浆浆液的水灰比为0.7:1～1.2:1(可选取两端值之间的任意比值)，根据围岩破碎程度进行选择，若围岩破碎程度轻，则选用注浆浆液的水灰比较小；若围岩破碎程度严重，这选用注浆浆液的水灰比较大。注浆时机则根据底板形变曲线变化规律选取，如图5所示，一般为曲线拐点或爆破卸压支护阶段施工7天后进行注浆。
步骤5，监测底板的位移程度，得到底板形变的时变数据。二次锚注支护阶段施工之后，继续进行底板的变形监测，绘制底板变形随时间变化曲线。
步骤6，根据底板形变数据，确定三次拱架封闭支护阶段的支护参数。具体的，在二次锚注支护阶段施工后，继续监测底板底鼓量与围岩应力数据；根据监测数据，确定三次拱架封闭支护阶段的拱架选型与支护时机。
在本实施例中，根据上一步中底板变形随时间变化曲线特征，确定三次拱架封闭支护阶段施工的时机，选取底板变形随时间变化曲线中曲线上升拐点，或者在二次锚注支护阶段施工之后十天进行三次拱架封闭支护阶段施工，三次拱架封闭支护阶段中拱架一般分为6节，分别为拱顶、左右拱肩、左右拱腰、拱底。为了进一步提高拱底支护效果，在相邻拱架的拱底之间连接纵向连接杆，纵向连接杆设置在三处位置，在拱底部位的左起拱点、右起拱点与拱底中间(即底板正下方)三处位置；使得拱架的拱底连接为一体，拱架能够更好的对底板进行支护，以避免底板发生形变。
综上所述，本发明提供的一种高应力软岩隧道底板控制方法的技术方案中，该控制方法通过爆破卸压支护阶段中爆破与支护对底板进行第一步的卸压与支护，爆破区域形成卸压区，减少了周围岩层受应力变形对隧道底板的影响；在此基础上，在爆破支护一体孔中的支护段进行支护，保证隧道的底板具有足够的结构强度而不会发生变形；二次锚注支护阶段是对隧道底板进行再次的锚注支护，以将破碎的隧道底板形成一个整体，加强隧道底板的抗变形能力；三次拱架封闭支护阶段是在隧道中施工拱架，对隧道整体进行一个加强支护，在此基础上，在相邻拱架的拱底之间连接纵向连接杆，使得拱架的拱底连接为一体，拱架能够更好的对底板进行支护，以避免底板发生形变。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高应力软岩隧道底板控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，建立隧道数值模型，得到隧道的底板围岩变形分布规律；
步骤2，根据底板围岩变形分布规律，定量划分底板零点位移曲线、拉应变范围和底板塑性区范围；
根据底板零点位移曲线、拉应变范围和底板塑性区范围，确定底板爆破卸压支护阶段中的爆破参数、锚固参数与施工参数；
步骤3，监测底板围岩的破坏程度和围岩应力分布，得到底板形变数据；
步骤4，根据底板形变数据，确定二次锚注支护阶段的锚注参数与注浆时机；
步骤5，监测底板的位移程度，得到底板形变的时变数据；
步骤6，根据底板形变的时变数据，确定三次拱架封闭支护阶段的支护参数，在所述步骤1中，在隧道数值模型的基础上，通过分析围岩应力参数、岩层分布参数、隧道几何参数，以及岩体力学参数、岩体流变参数、隧道支护参数，得到底板围岩变形分布规律；
隧道为三心圆结构，建立三心圆结构的隧道数值模型，将围岩应力参数、岩层分布参数、隧道几何参数，以及岩体力学参数、岩体流变参数、隧道支护参数代入到隧道数值模型中，从而得到底板零点位移方向素描图与拉应变分布素描图；
根据底板零点位移方向素描图与拉应变分布素描图得到最深零点位移深度、最大拉应变深度与底板塑性区最大深度的数值，在底板爆破卸压支护阶段中，在底板上钻设爆破支护一体孔；
所述爆破支护一体孔包括爆破段、缓冲段与支护段；所述爆破段位于所述爆破支护一体孔的孔底，所述缓冲段位于所述爆破段与所述支护段之间，所述爆破参数包括爆破支护一体孔的深度、缓冲段长度与爆破段的长度；所述锚固参数包括锚杆的杆体长度；
根据底板零点位移曲线、拉应变范围和底板塑性区范围，确定爆破参数中的爆破支护一体孔深度、缓冲段长度、爆破段长度；
确定锚固参数中的锚杆长度，爆破段的长度为最大拉应变深度减去最深零点位移深度；
缓冲段为爆破段长度一半，所述缓冲段中主要选用黏土或泡沫混凝土柔性充填材料；
支护段长度为最深零点位移深度；
锚杆的长度为底板塑性区最大深度。
2.根据权利要求1所述的隧道底板控制方法，其特征在于，若底板围岩变形超过零点位移值，底板爆破卸压支护阶段中的锚固构件采用注浆锚杆；
若底板围岩变形没有超过零点位移值，底板爆破卸压支护阶段中的锚固构件采用锚杆；
二次锚注支护阶段的锚注支护构件采用注浆锚杆。
3.根据权利要求1所述的隧道底板控制方法，其特征在于，在所述步骤3中，底板形变数据为底板爆破卸压支护阶段实施后底板的底鼓量、围岩受应力大小的数据；
采用岩层探测仪探测底板破坏深度，围岩应力主要为底板应力峰值大小，以得到底板变形随时间变化曲线。
4.根据权利要求3所述的隧道底板控制方法，其特征在于，根据底板变形随时间变化曲线，确定二次锚注支护阶段的锚注参数与注浆时机。
5.根据权利要求4所述的隧道底板控制方法，其特征在于，在二次锚注支护阶段施工后，继续监测底板形变，得到底板变形随时间变化曲线；
根据底板变形随时间变化曲线，确定三次拱架封闭支护阶段的拱架选型与支护时机；
选取底板变形随时间变化曲线拐点，或者是在二次锚注支护阶段施工之后十天进行三次拱架封闭支护阶段施工。
6.根据权利要求5所述的隧道底板控制方法，其特征在于，三次拱架封闭支护阶段中拱架分为6节，分别为拱顶、左右拱肩、左右拱腰、拱底；
在相邻拱架的拱底之间连接纵向连接杆，纵向连接杆设置在三处位置，在拱底部位的左起拱点、右起拱点与拱底中间三处位置；以将拱架的拱底连接为一体。
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