CN114991807B - 一种隧道进出口边坡耦合双补偿施工方法 - Google Patents

一种隧道进出口边坡耦合双补偿施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种隧道进出口边坡耦合双补偿施工方法，施工方法包括以下步骤：步骤1，地质勘测，确定隧道进出口的地质条件；步骤2，对隧道围岩及边坡的稳定性进行分析，并得到隧道及边坡的稳定性评价；步骤3，利用上述结果对边坡稳定和隧道稳定的耦合问题进行分析，得到隧道口及边坡锚杆或锚索的最大作用范围；步骤4，根据步骤1‑3中得出的结论，设计得到双补偿技术初步方案；步骤5，采用经验校核、理论校核以及利用分析软件进行数值模拟分析方式，对步骤4中形成的初步方案进行验证分析并进行设计优化，从而最终确定隧道施工与边坡施工的双补偿技术方案；步骤6，基于最终双补偿技术方案，进行现场隧道施工与边坡施工，并进行数据实时监测。

Description

一种隧道进出口边坡耦合双补偿施工方法
技术领域
本发明属于隧道工程和边坡工程技术领域，具体涉及一种隧道进出口边坡耦合双补偿施工方法。
背景技术
随着经济的快速发展，我国交通运输网络也不断完善，但同时也面临着许多新的问题，主要是会受到地质条件等因素的影响，如西部地区多山脉且地形复杂，为此也使得出现了许多隧道工程。一般情况下会在浅埋地带设置隧道洞口，这使得隧道洞口大多数情况都处于受地表水侵蚀严重、风化裂隙发育的不良地段，开挖后难以形成承载体系，洞口边仰坡坡面容易受拉裂，其稳定性很难得到保证。
因此，大部分隧道开挖之前都需要对其边坡采取加固措施。此外，由于洞口覆盖层相对比较薄，且周围岩层较为破碎并含有土层，加之在开挖隧道时会对岩土体产生扰动及自然环境条件等因素的影响，所以在隧道工程中，隧道洞口的稳定性问题一直备受关注。但是在现有技术中并没有针对隧道洞口边坡进行系统有效的加固方法。
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隧道进出口边坡耦合双补偿施工方法，以至少解决目前现有技术中没有针对隧道洞口边坡进行系统且有效的加固方法等问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种隧道进出口边坡耦合双补偿施工方法，所述施工方法包括以下步骤：
步骤1，通过文献查阅、地质勘测，确定隧道进出口的地质条件；
步骤2，根据上一步中得到的地质条件情况，选定分析方法，对隧道围岩及边坡的稳定性进行分析，并得到隧道及边坡的稳定性评价；
步骤3，利用步骤1中的地质勘测结果，与步骤2中的隧道及边坡的稳定性评价，对边坡稳定和隧道稳定的耦合问题进行分析，并确定隧道开挖补偿后，隧道口及边坡锚杆或锚索的最大作用范围；
步骤4，根据步骤1-3中得出的结论，设计得到双补偿技术初步方案；
步骤5，采用经验校核、理论校核以及利用分析软件进行数值模拟分析方式，对步骤4中形成的初步方案进行验证分析并进行设计优化，从而最终确定隧道施工与边坡施工的双补偿技术方案；
步骤6，基于最终双补偿技术方案，进行现场隧道施工与边坡施工，并进行数据实时监测。
如上所述的隧道进出口边坡耦合双补偿施工方法，优选地，在步骤2中，采用极限平衡法、数值分析法、工程类比法及灰色系统分析评价法中的一种或者多种相互结合的方式对隧道围岩及边坡的稳定性进行分析，得到隧道及边坡的破坏形式及破坏机理、边坡临界破坏面的位置及破坏角度、开挖后隧道围岩的应力状态。
如上所述的隧道进出口边坡耦合双补偿施工方法，优选地，在步骤3中，边坡锚杆或锚索的最大作用范围为Y1；
Y1＝aX1+bX2+cX3+dX4+eX5+fX6
其中：X1——边坡锚杆/索锚固长度；X2——边坡锚杆/索锚固角度；X3——边坡土体粘聚力；X4——边坡土体摩擦角X5——边坡滑动面角度；X6——锚杆/索预应力大小。
如上所述的隧道进出口边坡耦合双补偿施工方法，优选地，隧道口锚杆或锚索的最大作用范围为Y2；
Y2＝gZ1+hZ2+iZ3+jZ4+kZ5
其中Z1——隧道锚杆/索锚固长度；Z2——隧道锚杆/索锚固角度；Z3——隧道围岩结构类型；Z4——开挖方法；Z5——锚杆/索预应力大小。
如上所述的隧道进出口边坡耦合双补偿施工方法，优选地，a、b、c、d、e、f、g、h、i、j分别代表影响因素的系数，有利为正，不利为负。
如上所述的隧道进出口边坡耦合双补偿施工方法，优选地，在步骤4中，根据隧道进出口地质条件、隧道及边坡的稳定性评价与锚杆或锚索的基本作用范围，拟定隧道断面形状及尺寸，设计选择隧道开挖方式与支护方式、边坡支护方式；
进一步设计确定锚杆或锚索的长度、直径、间排距、锚固角度、锚固段长度以及预应力施加大小数据，使隧道支护作用范围与边坡支护作用范围出现重合，进而使隧道补偿与边坡补偿作用效果出现耦合范围。
如上所述的隧道进出口边坡耦合双补偿施工方法，优选地，边坡施工过程为：测量施工以确定施工范围及施工位置、清理场地并搭设施工平台、钻孔并安装边坡锚杆或锚索及监测装置、铺设保护层。
如上所述的隧道进出口边坡耦合双补偿施工方法，优选地，隧道施工过程为：测量施工以布置测量点、超前加固、使用台阶法开挖隧道、打设隧道锚杆或锚索并挂设钢筋网片、砌筑二次衬砌。
如上所述的隧道进出口边坡耦合双补偿施工方法，优选地，边坡锚杆或锚索的底部与隧道锚杆或锚索的底部相互靠近，边坡锚杆或锚索与隧道锚杆或锚索均伸入到耦合范围内。
如上所述的隧道进出口边坡耦合双补偿施工方法，优选地，在所述锚杆或锚索上均安装有光纤光栅锚索测力计，光纤光栅锚索测力计与光纤光栅解调仪相连接，所述光纤光栅解调仪用于计算出光纤光栅锚索测力计测到的载荷值。
有益效果：在隧道进出口边坡耦合双补偿施工方法的技术方案中，设计边坡与隧道补偿锚杆或锚索作用范围重合，使其作用效果出现耦合，实现隧道开挖补偿与边坡开挖补偿相结合的双补偿技术；有效控制工程开挖对隧道和边坡的危害作用，有效对岩体地质灾害进行控制与预测。
附图说明
图1为本发明实施例中双补偿施工方法的工艺流程图；
图2为本发明实施例中双补偿技术原理主视图；
图3为本发明实施例中双补偿技术原理侧视图；
图4为本发明实施例中双补偿技术原理三维图。
图中：1、边坡锚杆或锚索；2、隧道锚杆或锚索；3、托盘；4、锚固段；5、边坡滑体；6、边坡临界破坏面；7、隧道；8、边坡锚索或锚索作用范围；9、隧道锚杆或锚索作用范围；10、耦合范围。
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1-4所示，本发明提供一种隧道进出口边坡耦合双补偿施工方法，该施工方法包括以下步骤：
步骤1，通过文献查阅、地质勘测，确定隧道进出口的地质条件。具体的，通过收集地质文献、地质测绘、物理勘探、钻探和试验测试等方法对工程所处地质概况进行水文地质、地形地貌、地层岩性、地质构造、节理裂隙、气象水文等地质条件进行勘测调查，以便在确定项目位置、方案和隧道及边坡稳定性分析提供具体可靠的依据。
步骤2，根据上一步中得到的地质条件情况，选定分析方法，对隧道围岩及边坡的稳定性进行分析，并得到隧道及边坡的稳定性评价。在本实施例中，采用极限平衡法、数值分析法、工程类比法及灰色系统分析评价法中的一种或者多种相互结合的方式对隧道围岩及边坡的稳定性进行分析，得到隧道及边坡的破坏形式及破坏机理、边坡临界破坏面6(即边坡滑动面)的位置及破坏角度、开挖后隧道围岩的应力状态，以实现对隧道及边坡的稳定性评价。
其中，极限平衡法是根据静力平衡关系求解边坡安全系数及滑动时的破坏荷载、最危险滑动面。其力学模型简单直观、计算简洁，并且很容易处理工程中各种复杂的土层剖面与外部荷载等问题，可以定量地对隧道与边坡进行稳定性分析评价，极限平衡法是目前相对成熟且应用较多的稳定分析方法。但它也存在一定的局限性。例如没有考虑岩土体的应力应变关系，只注重土体在破坏瞬间的变形机制，无法分析边坡破坏的发生和发展过程，且需要提前知道滑动面的位置和形状等。
数值分析方法可以处理非均质、非线性、复杂边界隧道与边坡，通过计算机处理获得岩土体应力应变关系，且能模拟隧道与边坡的开挖、支护及地下水渗流等，逐渐弥补了传统方法的一些不足。但是前期数据准备工作量大，计算效率较低，边界条件的确定复杂等问题。
工程类比法主要应用于工程地质条件复杂且缺乏详细资料的隧道与边坡稳定性分析，该方法通过全面分析、对比待研究隧道和边坡与已有隧道和边坡间可能存在的相似点和差别点，把已有边坡的稳定性状况及其影响因素等方面的经验应用到类似隧道和边坡的稳定性分析和设计中，从而分析和判断研究对象的稳定性状况、发展趋势和加固处理设计等。
灰色预测系统法是将隧道和边坡视为一个灰色系统，根据影响隧道与边坡稳定性的不确定性因素之间发展状态的相似或相异程度来衡量各因素间的关联程度，确定它们对隧道和边坡稳定性影响的主次关系，从而对其稳定性进行分析。
步骤3，利用步骤1中的地质勘测结果，与步骤2中的隧道及边坡的稳定性评价，对边坡稳定和隧道稳定的耦合问题进行分析，并确定隧道开挖补偿后，隧道锚杆或锚索的最大作用范围及边坡锚杆或锚索的最大作用范围，为下一步设计双补偿(支护)施工方案提供可靠的数据支持。
在本实施例中，边坡锚杆或锚索1的最大作用范围为Y1；
Y1＝aX1+bX2+cX3+dX4+eX5+fX6
其中：X1——边坡锚杆/索锚固长度；X2——边坡锚杆/索锚固角度；X3——边坡土体粘聚力；X4——边坡土体摩擦角X5——边坡滑动面角度；X6——锚杆/索预应力大小。
隧道口锚杆或锚索2的最大作用范围为Y2；
Y2＝gZ1+hZ2+iZ3+jZ4+kZ5
其中Z1——隧道锚杆/索锚固长度；Z2——隧道锚杆/索锚固角度；Z3——隧道围岩结构类型；Z4——开挖方法；Z5——锚杆/索预应力大小。
a、b、c、d、e、f、g、h、i、j分别代表影响因素的系数，有利为正，不利为负。在本实施例中，系数数值根据具体情况而定，如系数a、g随着锚固长度增大而降低，但是降低速率会越来越满；锚固角度为锚杆或锚索与水平面夹角，锚固角度一般不会超过45°，随着锚固角度增加，锚杆或锚索作用范围先降低再增大，也即系数b、h会先为负后为正，数值逐渐增大；边坡土体的粘聚力于系数c呈正比；锚杆或锚索预应力与系数f、k呈正比，但是考虑实际情况，预应力不会过大；开挖会产生扰动，不同的方法扰动大小不同，作用范围也会不同，如扰动较大，产生力较大，作用范围就会增加。同时，这些系数也是相互有影响的，如边坡滑动面的角度变化时，锚杆/索锚固角度对锚杆/索的作用范围的拐点也是变化的。
步骤4，根据步骤1-3中得出的结论，设计得到双补偿技术初步方案，即隧道施工初步方案与边坡施工初步方案。具体的，根据隧道进出口地质条件、隧道及边坡的稳定性评价与锚杆或锚索的基本作用范围，拟定隧道断面形状及尺寸，设计选择隧道开挖方式与支护方式、边坡支护方式；进一步设计确定锚杆或锚索的长度、直径、间排距、锚固角度、锚固段长度以及预应力施加大小数据，使隧道支护作用范围与边坡支护作用范围出现重合，进而使隧道补偿与边坡补偿作用效果出现耦合范围；从而得到隧道进出口边坡双补偿技术初步施工方案，也即是隧道施工初步方案与边坡施工初步方案，提高了隧道与边坡的稳定性。
步骤5，采用经验校核、理论校核以及利用分析软件进行数值模拟分析方式，对步骤4中形成的初步方案进行验证分析并进行设计优化，实现效果最优及经济效益最大化；从而最终确定隧道施工与边坡施工的双补偿技术方案。在本实施例中，分析软件可以采用MIDAS/GTS、FLAC、ANSYS等软件。
步骤6，基于最终双补偿技术方案，进行现场隧道施工与边坡施工，并进行数据实时监测，以保障施工安全。
在本实施例中，双补偿技术方案分为边坡施工和隧道施工两个部分。
边坡施工过程为：
1、测量施工以确定施工范围及施工位置；使用全站仪对施工的范围及施工位置进行确定。
2、清理场地并搭设施工平台；按照自上而下、先边后中间的原则使用挖掘机与人工结合的方法对边坡上的碎石与围岩进行凿除清理；为锚杆或锚索和喷射混凝土搭建5m～8m宽的施工平台，在搭建条件不足的施工地点搭建平台承重至少超过15KN/m2的脚手架。
3、钻孔并安装边坡锚杆或锚索1及监测装置；确定钻孔位置，使用钻孔机按照30°仰角方向(即与水平面夹角30°)钻取28～30m、间距为3m的钻孔，其中锚杆钻孔直径为锚索钻孔直径为/>安装边坡锚杆或锚索1及监测装置并使用2455锚固剂进行锚固，锚固段4为8m，安装300mm×300mm×20mm的托盘3、2300mm×250mm×5mm的W钢带和恒阻器，锚杆或锚索分级加载荷次序为(0.1，0.25，0.75，1.0)倍预应力对锚杆或锚索进行预应力张拉并使用锁具锁定，进行现场清理。
4、铺设保护层；使用C20普通硅酸盐水泥喷射7.5mm厚保护层，挂上使用圆钢绑成的200mm×200mm钢筋网片，再次喷射7.5mm厚混凝土形成钢筋保护层。
隧道施工过程为：
1、测量施工以布置测量点；具体的，根据设计布置测量点，形成精测布置网络。
2、超前加固；为确保隧道7与岩石的整体稳定性，配置超细水泥浆对隧道7的掌子面外轮廓5m左右进行超前注浆，加固段范围在40-60m(可取40-60中任意数值)。
3、使用台阶法开挖隧道7；使用台阶法分为上中下三台阶进行开挖，从上到下依次开挖，开挖进尺不超过1榀框架距离(在本实施例中，1榀框架距离为0.8m)，开挖后喷射至少4cm厚C30硅酸盐混凝土并架设I20b型钢拱架作为临时支护。
4、打设隧道锚杆或锚索2并挂设钢筋网片，紧接临时支护布置(隧道出洞口)、(隧道进洞口)绑成的200mm×200mm的钢筋网片和/>×2800mm的预应力锚杆进行永久支护，钻孔角度分别为0°、45°、90°对称打孔，钻孔间排距为1600mm，并进行锚杆的安装，安装过程与边坡相同，复喷混凝土至10cm厚，完成支护并清理现场。
5、砌筑二次衬砌；采用钢筋混凝土拱墙一次性整体灌注施工。
在上述施工过程中，边坡锚杆或锚索的底部与隧道锚杆或锚索的底部相互靠近，其中，边坡锚杆或锚索的作用范围8及隧道锚杆或锚索的作用范围9具有相互重叠的部分，这一重叠的部分即是边坡与隧道锚杆或锚索作用的耦合范围10，边坡锚杆或锚索与隧道锚杆或锚索均有一部分伸入到耦合范围10内，从而使得边坡锚杆或锚索与隧道锚杆或锚索通过耦合作用连接为一个支护整体，使得隧道口位置的边坡得到更好的支护，使得边坡与隧道均得到较好的保护。
在本实施例中，所有锚杆或锚索均使用NPR锚杆或NPR锚索，由于NPR锚杆或NPR锚索具有高恒阻、大变形、吸收能量等超强特性，相较于普通锚杆/索，安全性高、经济效益好、适用范围广等优点。
在锚杆或锚索上均安装有光纤光栅锚索测力计，光纤光栅锚索测力计与光纤光栅解调仪相连接，光纤光栅解调仪用于计算出光纤光栅锚索测力计测到的载荷值。具体的，锚杆或锚索的实时监测使用光纤光栅锚索测力计进行受力监测与变形监测，光纤光栅锚索测力计包括承压缸筒与光纤光栅，在承压钢筒上安装高稳定性、高灵敏度的应变光纤光栅，当锚杆或锚索受力变形时，荷载使钢筒产生轴向变形，光纤光栅与钢筒产生同步变形，从而使光纤光栅的反射波长发生改变。通过光纤光栅解调仪即可测出引起受力钢筒变形的波长读数，代入标定系数可算出光纤光栅锚索测力计所感测到的荷载值。同时，监测数据可以通过网络上传，实现隧道、边坡的同时监测，从而实现隧道与边坡的耦合控制。
综上所述，本发明提供的一种隧道进出口边坡耦合双补偿施工方法的技术方案中，充分考虑到开挖过程中隧道稳定与边坡稳定的耦合问题，设计边坡与隧道补偿锚杆或锚索作用范围重合，使其作用效果出现耦合，实现隧道开挖补偿与边坡开挖补偿相结合的双补偿技术；有效控制工程开挖对隧道和边坡的危害作用，有效对岩体地质灾害进行控制与预测；为隧道边坡工程支护方案设计提供一种新思路。
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)

1.一种隧道进出口边坡耦合双补偿施工方法，其特征在于，所述施工方法包括以下步骤：
步骤1，通过文献查阅、地质勘测，确定隧道进出口的地质条件；
步骤2，根据上一步中得到的地质条件情况，选定分析方法，对隧道围岩及边坡的稳定性进行分析，并得到隧道及边坡的稳定性评价；
步骤3，利用步骤1中的地质勘测结果，与步骤2中的隧道及边坡的稳定性评价，对边坡稳定和隧道稳定的耦合问题进行分析，并确定隧道开挖补偿后，隧道口及边坡锚杆或锚索的最大作用范围；
步骤4，根据步骤1-3中得出的结论，设计得到双补偿技术初步方案；
步骤5，采用经验校核、理论校核以及利用分析软件进行数值模拟分析方式，对步骤4中形成的初步方案进行验证分析并进行设计优化，从而最终确定隧道施工与边坡施工的双补偿技术方案；
步骤6，基于最终双补偿技术方案，进行现场隧道施工与边坡施工，并进行数据实时监测；
在步骤3中，边坡锚杆或锚索的最大作用范围为Y1；
Y1＝aX1+bX2+cX3+dX4+eX5+fX6
其中：X1——边坡锚杆/索锚固长度；X2——边坡锚杆/索锚固角度；X3——边坡土体粘聚力；X4——边坡土体摩擦角X5——边坡滑动面角度；X6——锚杆/索预应力大小；
隧道口锚杆或锚索的最大作用范围为Y2；
Y2＝gZ1+hZ2+iZ3+jZ4+kZ5
其中Z1——隧道锚杆/索锚固长度；Z2——隧道锚杆/索锚固角度；Z3——隧道围岩结构类型；Z4——开挖方法；Z5——锚杆/索预应力大小；
在步骤4中，根据隧道进出口地质条件、隧道及边坡的稳定性评价与锚杆或锚索的基本作用范围，拟定隧道断面形状及尺寸，设计选择隧道开挖方式与支护方式、边坡支护方式；
进一步设计确定锚杆或锚索的长度、直径、间排距、锚固角度、锚固段长度以及预应力施加大小数据，使隧道支护作用范围与边坡支护作用范围出现重合，进而使隧道补偿与边坡补偿作用效果出现耦合范围；
边坡锚杆或锚索的底部与隧道锚杆或锚索的底部相互靠近，边坡锚杆或锚索与隧道锚杆或锚索均伸入到耦合范围内。
2.根据权利要求1所述的隧道进出口边坡耦合双补偿施工方法，其特征在于，在步骤2中，采用极限平衡法、数值分析法、工程类比法及灰色系统分析评价法中的一种或者多种相互结合的方式对隧道围岩及边坡的稳定性进行分析，得到隧道及边坡的破坏形式及破坏机理、边坡临界破坏面的位置及破坏角度、开挖后隧道围岩的应力状态。
3.根据权利要求1所述的隧道进出口边坡耦合双补偿施工方法，其特征在于，a、b、c、d、e、f、g、h、i、j分别代表影响因素的系数，有利为正，不利为负。
4.根据权利要求1所述的隧道进出口边坡耦合双补偿施工方法，其特征在于，边坡施工过程为：测量施工以确定施工范围及施工位置、清理场地并搭设施工平台、钻孔并安装边坡锚杆或锚索及监测装置、铺设保护层。
5.根据权利要求4所述的隧道进出口边坡耦合双补偿施工方法，其特征在于，隧道施工过程为：测量施工以布置测量点、超前加固、使用台阶法开挖隧道、打设隧道锚杆或锚索并挂设钢筋网片、砌筑二次衬砌。
6.根据权利要求1-5任一所述的隧道进出口边坡耦合双补偿施工方法，其特征在于，在所述锚杆或锚索上均安装有光纤光栅锚索测力计，光纤光栅锚索测力计与光纤光栅解调仪相连接，所述光纤光栅解调仪用于计算出光纤光栅锚索测力计测到的载荷值。
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