CN114961776A - 一种高原铁路高地应力软岩隧道超前支护设计方法 - Google Patents

一种高原铁路高地应力软岩隧道超前支护设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高原铁路高地应力软岩隧道超前支护设计方法，包括以下步骤：S1：构建软岩隧道无加固掌子面挤出变形计算模型；S2：基于软岩隧道无加固掌子面挤出变形计算模型，对高原铁路高地应力软岩隧道进行加固，完成超前支护设计。本发明基于弹塑性理论，考虑掌子面超前加固措施，推导建立了高地应力软弱围岩超前支护设计方法，对掌子面稳定进行分析判断，及时对软岩隧道进行加固，保证隧道稳定性。本发明为高原铁路高能环境隧道超前支护设计提供理论基础，进一步提升我国高能地质环境隧道变形主动控制技术水平。

Description

一种高原铁路高地应力软岩隧道超前支护设计方法
技术领域
本发明属于隧道支护技术领域，具体涉及一种高原铁路高地应力软岩隧道超前支护设计方法。
背景技术
目前高能地质环境隧道支护结构的设计仍是隧道领域一大难题，主要包括高地应力软岩与高地应力硬岩支护结构设计问题，而支护结构设计的合理与否是保证隧道稳定性的关键，加之川藏铁路高能地质环境隧道段占比较大，故需对高能地质环境隧道设计问题进行深入研究。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种高原铁路高地应力软岩隧道超前支护设计方法。
本发明的技术方案是：一种高原铁路高地应力软岩隧道超前支护设计方法包括以下步骤：
S1：构建软岩隧道无加固掌子面挤出变形计算模型；
S2：基于软岩隧道无加固掌子面挤出变形计算模型，对高原铁路高地应力软岩隧道进行加固，完成超前支护设计。
进一步地，步骤S1中，软岩隧道无加固掌子面挤出变形计算模型的计算公式为：
Figure BDA0003637203820000011
Figure BDA0003637203820000012
Figure BDA0003637203820000013
Figure BDA0003637203820000014
式中，
Figure BDA0003637203820000015
Figure BDA0003637203820000021
C＝2Nr+k+1，
Figure BDA0003637203820000022
表示第一应力，
Figure BDA0003637203820000023
表示第二应力，Rp表示塑性区半径，ur表示挤出变形量，Mp表示第一系数，Np表示第二系数，Mr表示第三系数，Nr表示第四系数，A表示第五系数，B表示第六系数，C表示第七系数，T表示第八系数，R表示隧道半径，r表示距隧道中轴线距离，Pi表示支护压力，P0表示原岩应力，k表示剪胀系数，v表示围岩泊松比，E表示围岩弹性模量，cp表示岩石的峰值粘聚力，cr表示岩石的残余粘聚力，
Figure BDA0003637203820000024
表示岩石的峰值内摩擦角，
Figure BDA0003637203820000025
表示岩石的残余内摩擦角。
进一步地，步骤S2包括以下子步骤：
S21：根据软岩隧道无加固掌子面挤出变形计算模型，判断软岩隧道掌子面是否稳定，若是则结束超前支护设计，否则进行掌子面加固，并进入步骤S22；
S22：计算掌子面加固后围岩力学参数；
S23：基于掌子面加固后围岩力学参数，构建软岩隧道掌子面加固后挤出变形计算模型；
S24：利用软岩隧道掌子面加固后挤出变形计算模型确定掌子面加固后稳定性系数，根据掌子面加固后稳定性系数判断软岩隧道掌子面是否稳定，若是则结束超前支护设计，否则进行掌子面加固，并返回步骤S22。
进一步地，步骤S21中，判断软岩隧道掌子面是否稳定的具体方法为：根据软岩隧道无加固掌子面挤出变形计算模型，计算掌子面挤出变形量u0，并根据掌子面挤出变形量u0确定掌子面稳定性系数K，若掌子面稳定性系数K大于等于预设的掌子面稳定性控制安全系数[K]，则软岩隧道掌子面稳定，否则软岩隧道掌子面不稳定，其中，掌子面稳定性系数K的计算公式为：
Figure BDA0003637203820000026
式中，uk表示掌子面挤出变形控制基准。
进一步地，步骤S22中，掌子面加固后围岩力学参数包括掌子面锚杆加固后第一强度参数
Figure BDA0003637203820000027
掌子面锚杆加固后第二强度参数c*、掌子面注浆加固后围岩粘聚力cg *和掌子面注浆加固后弹性模量Eg *，其计算公式分别为：
Figure BDA0003637203820000028
Figure BDA0003637203820000031
Figure BDA0003637203820000032
Figure BDA0003637203820000033
式中，α表示锚杆密度因子，
Figure BDA0003637203820000034
表示围岩摩擦角，
Figure BDA0003637203820000035
表示加固后围岩摩擦角，c表示围岩粘聚力，cr表示岩石的残余粘聚力，cg表示灌浆体凝固后的粘聚力，Er表示岩石的弹性模量，Eg表示灌浆体凝固后的弹性模量，ζ表示注浆填充率。
进一步地，步骤S23中，软岩隧道掌子面挤出变形计算模型包括第一模式、第二模式和第三模式。
进一步地，步骤S23中，若Pi＞Pi c，则围岩发生弹性变形，软岩隧道掌子面挤出变形计算模型采用第一模式，其计算公式为：
Figure BDA0003637203820000036
式中，u'0表示采用第一模式的加固后掌子面挤出变形量，Pi表示支护压力，P0表示原岩应力，Pi c表示掌子面临界支护力，v表示围岩泊松比，E表示围岩弹性模量，E*表示加固后围岩弹性模量，RL表示加固区半径，R表示隧道半径。
进一步地，步骤S23中，若Pi<Pi c且RL＞Rp，则围岩发生弹塑性变形，软岩隧道掌子面挤出变形计算模型采用第二模式，其计算公式为：
Figure BDA0003637203820000037
式中，u″0表示采用第二模式的加固后掌子面挤出变形量，R表示隧道半径，Rp表示塑性区半径，RL表示加固区半径，P0表示原岩应力，Pi表示支护压力，Pi c表示掌子面临界支护力，E*表示加固后围岩弹性模量，
Figure BDA0003637203820000038
表示加固后掌子面塑性区半径，σr表示围岩径向应力，
Figure BDA0003637203820000039
表示加固后围岩径向应力，v表示围压泊松比。
进一步地，步骤S23中，若Pi<Pi c且RL<Rp，则围岩发生弹塑性变形，软岩隧道掌子面挤出变形计算模型采用第三模式，其计算公式为：
Figure BDA0003637203820000041
式中，u″′0表示采用第三模式的加固后掌子面挤出变形量，R表示隧道半径，RL表示加固区半径，Rp表示塑性区半径，Pi表示支护压力，k表示剪胀系数，A表示第五系数，B表示第六系数，C表示第七系数，T表示第八系数，Pi c表示掌子面临界支护力，A*，B*，C*，T*含义与上述A、B、C、T一致，计算时只将其中的围岩力学改为加固后围岩力学参数，RL表示加固区半径，
Figure BDA0003637203820000042
表示掌子面加固后塑性区半径。
本发明的有益效果是：本发明基于弹塑性理论，考虑掌子面超前加固措施，推导建立了高地应力软弱围岩超前支护设计方法，对掌子面稳定进行分析判断，及时对软岩隧道进行加固，保证隧道稳定性。本发明为高原铁路高能环境隧道超前支护设计提供理论基础，进一步提升我国高能地质环境隧道变形主动控制技术水平。
附图说明
图1为软岩隧道超前支护设计方法的流程图；
图2为掌子面锚杆布置示意图；
图3为掌子面注浆加固示意图；
图4为加固范围大于塑性区半径RL＞Rp的示意图；
图5为加固范围小于塑性区半径RL＜Rp的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
如图1所示，本发明提供了一种高原铁路高地应力软岩隧道超前支护设计方法，包括以下步骤：
S1：构建软岩隧道无加固掌子面挤出变形计算模型；
S2：基于软岩隧道无加固掌子面挤出变形计算模型，对高原铁路高地应力软岩隧道进行加固，完成超前支护设计。
在本发明实施例中，软岩隧道变形主动支护设计理念主要是通过主动提高围岩力学参数或降低施工对围岩力学参数的损伤影响，并且主动及时的提供有效支护力，调动围岩的自稳能力，实现围岩在支护中的主体地位，形成围岩-支护协同承载体系，进而达到控制隧道变形的目的。软弱围岩隧道变形控制的总原则为隧道开挖后围岩变形控制在容许范围之内，即u≤us，式中，u表示隧道开挖后围岩的总变形量；us表示围岩容许变形量，即围岩变形的控制标准。
在本发明实施例中，步骤S1中，本发明采用弹脆塑性材料模型，利用球形对称条件下的弹性理论，基于Mohr-Coulomb屈服准则，可以得到塑性区中的应力和位移(即r>Ri区域)，软岩隧道无加固掌子面挤出变形计算模型的计算公式为：
Figure BDA0003637203820000051
Figure BDA0003637203820000052
Figure BDA0003637203820000053
Figure BDA0003637203820000054
式中，
Figure BDA0003637203820000055
Figure BDA0003637203820000056
C＝2Nr+k+1，
Figure BDA0003637203820000057
表示第一应力，
Figure BDA0003637203820000058
表示第二应力，Rp表示塑性区半径，ur表示挤出变形量，Mp表示第一系数，Np表示第二系数，Mr表示第三系数，Nr表示第四系数，A表示第五系数，B表示第六系数，C表示第七系数，T表示第八系数，R表示隧道半径，r表示距隧道中轴线距离，Pi表示支护压力，P0表示原岩应力，k表示剪胀系数，v表示围岩泊松比，E表示围岩弹性模量，cp表示岩石的峰值粘聚力，cr表示岩石的残余粘聚力，
Figure BDA0003637203820000059
表示岩石的峰值内摩擦角，
Figure BDA00036372038200000510
表示岩石的残余内摩擦角。
在本发明实施例中，步骤S2包括以下子步骤：
S21：根据软岩隧道无加固掌子面挤出变形计算模型，判断软岩隧道掌子面是否稳定，若是则结束超前支护设计，否则进行掌子面加固，并进入步骤S22；
S22：计算掌子面加固后围岩力学参数；
S23：基于掌子面加固后围岩力学参数，构建软岩隧道掌子面加固后挤出变形计算模型；
S24：利用软岩隧道掌子面加固后挤出变形计算模型确定掌子面加固后稳定性系数，根据掌子面加固后稳定性系数判断软岩隧道掌子面是否稳定，若是则结束超前支护设计，否则进行掌子面加固，并返回步骤S22。
在本发明实施例中，步骤S21中，判断软岩隧道掌子面是否稳定的具体方法为：根据软岩隧道无加固掌子面挤出变形计算模型，计算掌子面挤出变形量u0，并根据掌子面挤出变形量u0确定掌子面稳定性系数K，若掌子面稳定性系数K大于等于预设的掌子面稳定性控制安全系数[K]，则软岩隧道掌子面稳定，否则软岩隧道掌子面不稳定，其中，掌子面稳定性系数K的计算公式为：
Figure BDA0003637203820000061
式中，uk表示掌子面挤出变形控制基准。表1为铁路隧道掌子面挤出变形控制基准说明。
表1
Figure BDA0003637203820000062
在本发明实施例中，步骤S22中，掌子面加固后围岩力学参数包括掌子面锚杆加固后第一强度参数
Figure BDA0003637203820000063
掌子面锚杆加固后第二强度参数c*、掌子面注浆加固后围岩粘聚力cg *和掌子面注浆加固后弹性模量Eg *，其计算公式分别为：
Figure BDA0003637203820000064
Figure BDA0003637203820000065
Figure BDA0003637203820000066
Figure BDA0003637203820000067
式中，α表示锚杆密度因子，
Figure BDA0003637203820000068
表示围岩摩擦角，
Figure BDA0003637203820000069
表示加固后围岩摩擦角，c表示围岩粘聚力，cr表示岩石的残余粘聚力，cg表示灌浆体凝固后的粘聚力，Er表示岩石的弹性模量，Eg表示灌浆体凝固后的弹性模量，ζ表示注浆填充率。
在本发明实施例中，对于掌子面锚杆设计方法，本发明使用均匀化方法研究掌子面锚杆对掌子面的加强作用。均匀化方法中等效材料的强度参数受围岩参数和锚杆参数的共同影响，假设掌子面锚杆呈梅花形布置，见图2。锚杆间距为sl，锚杆半径rb，本发明定义锚杆密度因子α为：
Figure BDA0003637203820000071
式中：η为锚杆和岩石之间的摩阻系数。
同理，等效材料的弹性模量受岩体弹性模量和锚杆弹性模量的共同影响，根据图3中的截面积所占比重得出等效材料的弹性模量为：
Figure BDA0003637203820000072
式中，Eb *为锚杆加固后围岩的弹性模量；Er为锚杆加固前围岩的弹性模量，GPa；Eb为锚杆的弹性模量，MPa；Eg为灌浆体的弹性模量，MPa；rb表示锚杆半径，m；rg表示灌浆体半径，m；sl表示锚杆间距，m。
在本发明实施例中，对于掌子面注浆设计方法，掌子面预注浆后，通过增强围岩力学参数可有效提高掌子面稳定性。注浆对围岩的粘聚力和弹性模量有所提高，而对围岩内摩擦角影响较小，掌子面注浆加固如图3所示。采用体积等效法，可得出注浆加固后围岩粘聚力和弹性模量。《铁路工程设计技术手册(隧道)》中对各地层注浆填充率进行了规定，见表2，计算时可参考进行选取。
表2
Figure BDA0003637203820000073
Figure BDA0003637203820000081
在本发明实施例中，步骤S23中，根据掌子面开挖后围岩所处状态、塑性区范围、加固区范围的不同，软岩隧道掌子面挤出变形计算模型包括第一模式、第二模式和第三模式。
在本发明实施例中，步骤S23中，若Pi＞Pi c，则围岩发生弹性变形，软岩隧道掌子面挤出变形计算模型采用第一模式，其计算公式为：
Figure BDA0003637203820000082
式中，u'0表示采用第一模式的加固后掌子面挤出变形量，Pi表示支护压力，P0表示原岩应力，Pi c表示掌子面临界支护力，v表示围岩泊松比，E表示围岩弹性模量，E*表示加固后围岩弹性模量，RL表示加固区半径，R表示隧道半径。
在本发明实施例中，如图4所示，步骤S23中，若Pi<Pi c且RL＞Rp，则围岩发生弹塑性变形，软岩隧道掌子面挤出变形计算模型采用第二模式，其计算公式为：
Figure BDA0003637203820000083
式中，u″0表示采用第二模式的加固后掌子面挤出变形量，R表示隧道半径，Rp表示塑性区半径，RL表示加固区半径，P0表示原岩应力，Pi表示支护压力，Pi c表示掌子面临界支护力，E*表示加固后围岩弹性模量，
Figure BDA0003637203820000084
表示加固后掌子面塑性区半径，σr表示围岩径向应力，
Figure BDA0003637203820000085
表示加固后围岩径向应力，v表示围压泊松比。
在本发明实施例中，如图5所示，步骤S23中，若Pi<Pi c且RL<Rp，则围岩发生弹塑性变形，软岩隧道掌子面挤出变形计算模型采用第三模式，其计算公式为：
Figure BDA0003637203820000091
式中，u″′0表示采用第三模式的加固后掌子面挤出变形量，R表示隧道半径，RL表示加固区半径，Rp表示塑性区半径，Pi表示支护压力，k表示剪胀系数，A表示第五系数，B表示第六系数，C表示第七系数，T表示第八系数，Pi c表示掌子面临界支护力，A*，B*，C*，T*含义与上述A、B、C、T一致，计算时只将其中的围岩力学改为加固后围岩力学参数，RL表示加固区半径，
Figure BDA0003637203820000092
表示掌子面加固后塑性区半径。
下面结合具体实施例对本发明进行说明。
以V级围岩为例，隧道半径为7.5m，原岩应力为15MPa，对掌子面稳定性进行评价并进行相关超前支护设计，相关力学参数见表3。
表3
Figure BDA0003637203820000093
第一，初始开挖掌子面稳定性评价。
利用掌子面挤出变形计算式
Figure BDA0003637203820000094
计算掌子面挤出变形量为119mm，结合
Figure BDA0003637203820000095
和
Figure BDA0003637203820000096
判断掌子面无超前支护时掌子面安全系数为0.84，K＜[K]，则掌子面不稳定，需要采用超前支护措施。
第二，掌子面加固措施及参数选取。
根据工程经验初步选择超前支护措施组合及参数，根据超前支护加固围岩力学参数等效计算式
Figure BDA0003637203820000097
和
Figure BDA0003637203820000101
计算加固后围岩力学参数值，超前支护参数(掌子面锚杆)见表4。
表4
Figure BDA0003637203820000102
第三，加固掌子面稳定性评价。
利用加固掌子面挤出变形计算式
Figure BDA0003637203820000103
和
Figure BDA0003637203820000104
计算掌子面挤出变形量为82mm，结合
Figure BDA0003637203820000105
判断掌子面超前支护加固后掌子面安全系数为1.22，K＞[K]，则掌子面稳定，支护参数合理。
本发明的有益效果为：本发明基于弹塑性理论，考虑掌子面超前加固措施，推导建立了高地应力软弱围岩超前支护设计方法，对掌子面稳定进行分析判断，及时对软岩隧道进行加固，保证隧道稳定性。本发明为高原铁路高能环境隧道超前支护设计提供理论基础，进一步提升我国高能地质环境隧道变形主动控制技术水平。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种高原铁路高地应力软岩隧道超前支护设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：构建软岩隧道无加固掌子面挤出变形计算模型；
S2：基于软岩隧道无加固掌子面挤出变形计算模型，对高原铁路高地应力软岩隧道进行加固，完成超前支护设计。
2.根据权利要求1所述的高原铁路高地应力软岩隧道超前支护设计方法，其特征在于，所述步骤S1中，软岩隧道无加固掌子面挤出变形计算模型的计算公式为：
Figure FDA0003637203810000011
Figure FDA0003637203810000012
Figure FDA0003637203810000013
Figure FDA0003637203810000014
式中，
Figure FDA0003637203810000015
Figure FDA0003637203810000016
C＝2Nr+k+1，
Figure FDA0003637203810000017
Figure FDA0003637203810000018
表示第一应力，
Figure FDA00036372038100000111
表示第二应力，Rp表示塑性区半径，ur表示挤出变形量，Mp表示第一系数，Np表示第二系数，Mr表示第三系数，Nr表示第四系数，A表示第五系数，B表示第六系数，C表示第七系数，T表示第八系数，R表示隧道半径，r表示距隧道中轴线距离，Pi表示支护压力，P0表示原岩应力，k表示剪胀系数，v表示围岩泊松比，E表示围岩弹性模量，cp表示岩石的峰值粘聚力，cr表示岩石的残余粘聚力，
Figure FDA0003637203810000019
表示岩石的峰值内摩擦角，
Figure FDA00036372038100000110
表示岩石的残余内摩擦角。
3.根据权利要求1所述的高原铁路高地应力软岩隧道超前支护设计方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下子步骤：
S21：根据软岩隧道无加固掌子面挤出变形计算模型，判断软岩隧道掌子面是否稳定，若是则结束超前支护设计，否则进行掌子面加固，并进入步骤S22；
S22：计算掌子面加固后围岩力学参数；
S23：基于掌子面加固后围岩力学参数，构建软岩隧道掌子面加固后挤出变形计算模型；
S24：利用软岩隧道掌子面加固后挤出变形计算模型确定掌子面加固后稳定性系数，根据掌子面加固后稳定性系数判断软岩隧道掌子面是否稳定，若是则结束超前支护设计，否则进行掌子面加固，并返回步骤S22。
4.根据权利要求3所述的高原铁路高地应力软岩隧道超前支护设计方法，其特征在于，所述步骤S21中，判断软岩隧道掌子面是否稳定的具体方法为：根据软岩隧道无加固掌子面挤出变形计算模型，计算掌子面挤出变形量u0，并根据掌子面挤出变形量u0确定掌子面稳定性系数K，若掌子面稳定性系数K大于等于预设的掌子面稳定性控制安全系数[K]，则软岩隧道掌子面稳定，否则软岩隧道掌子面不稳定，其中，掌子面稳定性系数K的计算公式为：
Figure FDA0003637203810000021
式中，uk表示掌子面挤出变形控制基准。
5.根据权利要求3所述的高原铁路高地应力软岩隧道超前支护设计方法，其特征在于，所述步骤S22中，掌子面加固后围岩力学参数包括掌子面锚杆加固后第一强度参数
Figure FDA0003637203810000022
掌子面锚杆加固后第二强度参数c*、掌子面注浆加固后围岩粘聚力cg *和掌子面注浆加固后弹性模量Eg *，其计算公式分别为：
Figure FDA0003637203810000023
Figure FDA0003637203810000024
Figure FDA0003637203810000025
Figure FDA0003637203810000026
式中，α表示锚杆密度因子，
Figure FDA0003637203810000027
表示围岩摩擦角，
Figure FDA0003637203810000028
表示加固后围岩摩擦角，c表示围岩粘聚力，cr表示岩石的残余粘聚力，cg表示灌浆体凝固后的粘聚力，Er表示岩石的弹性模量，Eg表示灌浆体凝固后的弹性模量，ζ表示注浆填充率。
6.根据权利要求3所述的高原铁路高地应力软岩隧道超前支护设计方法，其特征在于，所述步骤S23中，软岩隧道掌子面挤出变形计算模型包括第一模式、第二模式和第三模式。
7.根据权利要求6所述的高原铁路高地应力软岩隧道超前支护设计方法，其特征在于，所述步骤S23中，若Pi＞Pi c，则围岩发生弹性变形，软岩隧道掌子面挤出变形计算模型采用第一模式，其计算公式为：
Figure FDA0003637203810000031
式中，u'0表示采用第一模式的加固后掌子面挤出变形量，Pi表示支护压力，P0表示原岩应力，Pi c表示掌子面临界支护力，v表示围岩泊松比，E表示围岩弹性模量，E*表示加固后围岩弹性模量，RL表示加固区半径，R表示隧道半径。
8.根据权利要求6所述的高原铁路高地应力软岩隧道超前支护设计方法，其特征在于，所述步骤S23中，若Pi<Pi c且RL＞Rp，则围岩发生弹塑性变形，软岩隧道掌子面挤出变形计算模型采用第二模式，其计算公式为：
Figure FDA0003637203810000032
式中，u”0表示采用第二模式的加固后掌子面挤出变形量，R表示隧道半径，Rp表示塑性区半径，RL表示加固区半径，P0表示原岩应力，Pi表示支护压力，Pi c表示掌子面临界支护力，E*表示加固后围岩弹性模量，
Figure FDA0003637203810000033
表示加固后掌子面塑性区半径，σr表示围岩径向应力，
Figure FDA0003637203810000035
表示加固后围岩径向应力，v表示围压泊松比。
9.根据权利要求6所述的高原铁路高地应力软岩隧道超前支护设计方法，其特征在于，所述步骤S23中，若Pi<Pi c且RL<Rp，则围岩发生弹塑性变形，软岩隧道掌子面挤出变形计算模型采用第三模式，其计算公式为：
Figure FDA0003637203810000034
式中，u”'0表示采用第三模式的加固后掌子面挤出变形量，R表示隧道半径，RL表示加固区半径，Rp表示塑性区半径，Pi表示支护压力，k表示剪胀系数，A表示第五系数，B表示第六系数，C表示第七系数，T表示第八系数，Pi c表示掌子面临界支护力，A*，B*，C*，T*含义与上述A、B、C、T一致，计算时只将其中的围岩力学改为加固后围岩力学参数，RL表示加固区半径，
Figure FDA0003637203810000041
表示掌子面加固后塑性区半径。
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