CN115163125B - 适用于非对称挤压性软岩隧道的差异分级控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于非对称挤压性软岩隧道的差异分级控制方法及系统，确定了非对称挤压性软岩隧道断面不同位置的变形等级，明确了非对称挤压性软岩隧道关键变形部位的差异化控制方法，本发明提出的差异分级方法既能预测挤压大变形的程度，又能预测非对称局部大变形的位置，能提高隧道围岩和支护结构适应非对称挤压变形的能力。

Description

适用于非对称挤压性软岩隧道的差异分级控制方法及系统

技术领域

本发明涉及隧道工程领域，特别是一种适用于非对称挤压性软岩隧道的差异分级控制方法及系统。

背景技术

深部岩体岩性多变、结构复杂、地应力高。目前由高地应力引发的非对称挤压大变形灾害在国内外的隧道工程施工中愈发的普遍和严重，给施工带来了极大的困难。非对称挤压大变形是指非均质的软弱围岩在高地应力作用下，其自承载能力部分丧失导致隧道断面整体变形不均匀、局部变形难收敛的现象。非对称挤压大变形的变形程度和破坏部位主要取决于隧址的地应力大小和非均质的围岩强度，围岩强度的不均匀性又受地层岩性和软弱结构面的控制。隧道穿越不同的岩性组合、地层产状和岩体结构时，呈现出不同的非对称变形特征。

《铁路挤压性围岩隧道技术规范》(Q/CR9512-2019)指出，挤压性软岩隧道的施工应根据大变形的等级，采用具备针对性的施工方法和控制措施，以实现围岩与支护结构的刚度匹配、变形协调。对挤压性软岩隧道的变形等级预测是指导隧道施工支护的前提。既有研究已涉及较多挤压性软岩隧道的大变形分级方法。然而这些方法由于未考虑非对称大变形的影响因素，无法有效预测隧道穿越深部非均质软弱地层时的变形程度和破坏位置。且目前对于非对称挤压性软岩隧道的变形控制措施，也以常规的对称施工和等强支护为主，对变形等级较大的隧道，实行全断面扩挖和全环加强支护。若等强支护的刚度设计不足，很难对围岩局部的大变形实现有效的控制；若等强支护的刚度设计达到了局部大变形的强度要求，又会导致隧道其他部位过于保守，造成支护成本的增加，缺乏经济性。因此，针对非对称挤压性软岩隧道，既有的大变形分级方法和控制措施不具备针对性和经济性，很难达到理想的控制效果。

CN114352358A公开了一种高地应力深埋软岩隧道大变形动态分级控制方法及系统，该方案明确了高地应力深埋软岩隧道的大变形分级方法和控制方法。然而该方案的大变形分级方法只能得到单一的变形等级评价结果，不能预测非对称挤压性软岩隧道的不均匀变形程度和局部大变形部位。现有技术的大变形控制方法未考虑围岩最不利位置的局部变形趋势，相应提出的变形控制措施难以适应围岩的非对称挤压变形。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种适用于非对称挤压性软岩隧道的差异分级控制方法及系统，有效预测隧道穿越深部非均质软弱地层时的变形程度和破坏位置，准确地反映不同部位围岩的变形趋势，提高围岩及支护结构适应非对称变形的能力。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种适用于非对称挤压性软岩隧道的差异分级控制方法，包括以下步骤：

获取隧道断面不同位置的围岩强度应力比R_i/P；其中，R_i为测试岩体的单轴抗压强度，P为隧道掌子面位置的地应力大小；

根据隧道断面不同位置的强度应力比R_i/P、相对变形量ε_i和相对变形速率η_i，确定隧道断面不同位置的大变形等级Q_i；将出现频次最多的大变形等级定义为基本变形等级Q_m，将量值最大的大变形等级定义为关键变形等级Q_n，关键变形等级Q_n所在的部位定义为隧道的关键变形部位；

根据隧道的基本变形等级Q_m，确定隧道断面的整体预留变形量U_m；根据隧道的关键变形等级Q_n，确定隧道断面的局部预留变形量U_n，计算关键变形部位的局部扩挖量ΔU，得到非对称挤压性软岩隧道优化的开挖轮廓面；ΔU＝U_n-U_m；

根据隧道的基本变形等级Q_m，确定隧道开挖前整体的围岩超前加固方案；根据隧道的关键变形等级Q_n，确定关键变形部位围岩的局部超前加固方案，通过提高超前预支护的刚度对关键变形部位的围岩进行差异化补强；

根据隧道的基本变形等级Q_m，确定隧道的整体开挖工法；根据隧道的关键变形等级Q_n，调整缩短关键变形部位所在台阶的台阶高度和进尺长度；

根据隧道的基本变形等级Q_m，确定开挖后隧道的整体初期支护方案；根据隧道的关键变形等级Q_n，确定关键变形部位的局部支护补强方案，通过局部加密加长系统锚杆、增加喷射混凝土厚度、增加钢拱架单元刚度，对关键变形部位的围岩和支护进行差异化补强。

本发明提出的大变形差异分级方法既能预测挤压大变形的程度，又能预测非对称局部大变形的位置。受软硬不均的岩性组合和层理面软化作用的影响，隧道断面不同位置的围岩强度不同，在高地应力作用下对应的变形等级也不同。本发明提出的分级方法通过现场实测隧道断面不同位置的岩体强度，确定隧道断面不同位置的变形等级，能更准确地反映不同部位围岩的变形趋势，判定非对称挤压大变形的关键变形部位。相比于现有挤压性软岩隧道单一的等级评价结果，本发明提出的大变形分级方法能同时预测非对称挤压变形程度和变形方位，对非对称挤压变形的施工控制更具备指导意义。

本发明中，通过钻取隧道断面不同位置的标准岩样，测试岩体的单轴抗压强度R_i；钻取位置包括隧道断面的拱顶、左拱肩、右拱肩、左边墙、右边墙、左拱脚、右拱脚和仰拱。

所述相对变形量ε_i的计算公式为：其中，u_i为掌子面后方已施工大变形段隧道断面不同位置的累计最大变形量，R₀为隧道的等效半径。

所述相对变形速率η_i的计算公式为：其中，v_i为掌子面后方已施工大变形段隧道断面不同位置的最大变形速率，R₀为隧道的等效半径。

所述大变形等级Q_i包括Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级，分别对应轻微大变形、中等大变形、强烈大变形和极强大变形；

其中，

Ⅰ级对应的标准为：围岩强度应力比为0.40～0.60，相对变形量为3％～5％，相对变形速率为0.3～0.5％·d^-1；

Ⅱ级对应的标准为：围岩强度应力比为0.20～0.40，相对变形量为5％～8％，相对变形速率为0.5～0.8％·d^-1；

Ⅲ级对应的标准为：围岩强度应力比为0.10～0.20，相对变形量为8％～12％，相对变形速率为0.8～0.12％·d^-1；

Ⅳ级对应的指标为：围岩强度应力比<0.10，相对变形量>12％，相对变形速率>0.12％·d^-1。

与现有的大变形分级指标相比，本发明提出的大变形分级指标增加了隧道开挖后围岩的相对变形速率，该项指标是反映隧道开挖后掌子面围岩自稳能力的重要依据。此外，本发明提出的围岩强度应力比分级标准与现有的大变形分级标准相比相对较大，以考虑层理结构面对软弱围岩强度的劣化作用。本发明提出的分级方法可以有效预测隧道穿越深部非均质软弱地层时的变形程度和破坏位置，准确地反映不同部位围岩的变形趋势，提高了围岩及支护结构适应非对称变形的能力。

当基本变形等级Q_m为Ⅰ、Ⅱ级时，断面整体的超前预加固以拱部超前小导管为主；当关键变形等级Q_n达到Ⅲ、Ⅳ级时，关键变形部位的围岩采用管棚加固。超前管棚的整体刚度大于超前小导管，对关键变形部位施做超前管棚能抑制围岩的非对称挤压变形。

当变形等级为Ⅰ级时，所述开挖工法为二台阶法；当变形等级为Ⅱ～Ⅲ级时，所述开挖工法为三台阶法；当变形等级达到Ⅳ级时，所述开挖工法为三台阶预留核心土法。对于变形等级较大的隧道，采用三台阶法或三台阶预留核心土法能减少开挖过程的施工扰动。此外，根据隧道的关键变形等级缩短关键变形部位所在台阶的台阶高度和进尺长度，可以减小开挖对隧道最不利位置的扰动，降低开挖扰动过大引起局部变形难以控制的风险。

当断面的基本变形等级Q_m为Ⅰ、Ⅱ级时，系统锚杆采用短锚杆，喷射混凝土采用25cm厚的C30早强喷射混凝土，钢拱架选用I18或I20b型钢拱架，拱架间距0.8m/榀；当断面的关键变形等级Q_n达到Ⅲ、Ⅳ级时，关键变形部位的系统锚杆采用长、短锚杆组合，喷射混凝土采用27cm厚的C30早强喷射混凝土，钢拱架选用I22b或H175型钢拱架单元。本发明以关键变形等级为依据，对关键变形部位局部加长系统锚杆、增加喷射混凝土厚度、增加钢拱架单元刚度，从而对关键变形部位的围岩和支护进行差异化补强，能提高隧道支护结构适应非对称挤压变形的能力。

本发明还提供了一种终端设备，其包括处理器和存储器；所述存储器存储有计算机程序/指令；所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序/指令；所述计算机程序/指令被配置为实现本发明所述方法的步骤。

本发明还提供了一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序/指令；所述计算机程序/指令被处理器执行时实现本发明所述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

(1)本发明提出的大变形差异分级方法既能预测挤压大变形的程度，又能预测非对称局部大变形的位置。受软硬不均的岩性组合和层理面软化作用的影响，隧道断面不同位置的围岩强度不同，在高地应力作用下对应的变形等级也不同。本发明提出的分级方法通过现场实测隧道断面不同位置的岩体强度，确定隧道断面不同位置的变形等级，能更准确地反映不同部位围岩的变形趋势，判定非对称挤压大变形的关键变形部位。相比于既有挤压性软岩隧道单一的等级评价结果，本发明提出的大变形分级方法能同时预测非对称挤压变形程度和变形方位，对非对称挤压变形的施工控制更具备指导意义。

(2)本发明提出的大变形差异控制方法能提高隧道围岩和支护结构适应非对称挤压变形的能力。本发明分别以基本变形等级和关键变形等级为依据，确定了隧道整体施工方法和局部有针对性的控制措施。本发明提出的隧道优化断面对关键变形部位进行局部扩挖加大预留变形，能更好地适应围岩的非对称挤压变形；提出的开挖工法以关键变形等级为依据调整关键变形部位所在台阶的台阶高度和进尺参数，能有效降低开挖扰动引起局部变形难以控制的风险；提出的超前加固和支护方法对关键变形部位的围岩和支护结构进行差异化补强，能提高围岩和支护结构适应非对称挤压变形的能力。

附图说明

图1是本发明实施例非对称挤压性软岩隧道大变形分级控制方法流程图；

图2是本发明实施例标准岩样的钻取位置，其中1—拱顶、2—左拱肩、3—右拱肩、4—左边墙、5—右边墙、6—左拱脚、7—右拱脚、8—仰拱；

图3是本发明实施例非对称挤压性软岩隧道优化的开挖轮廓面，其中①—整体预留变形量、②—局部预留变形量；

图4是本发明实施例非对称挤压性软岩隧道关键变形部位超前加固方案，其中③—超前小导管、④——的超前管棚；

图5是本发明实施例非对称挤压性软岩隧道的开挖工法；

图6是本发明实施例非对称挤压性软岩隧道关键变形部位的初期支护加固方案，其中⑤—整体初期支护，⑥—局部加强支护。

具体实施方式

本发明实施例提出了非对称挤压性软岩隧道大变形差异分级控制方法，下面结合说明书附图和具体的控制实例对本发明实施例的控制方法及步骤进行说明。

本发明实施例方法流程如图1所示。

步骤S1，测试隧道掌子面位置的地应力大小P，钻取隧道断面不同位置的标准岩样测试岩体的单轴抗压强度R_i，得到隧道断面不同位置的围岩强度应力比R_i/P。某深埋铁路隧道在施工过程中发生严重的非对称挤压大变形。隧道穿越顺层围岩，断面围岩呈现出软硬程度不同的两种岩性，其中砂质板岩占比80％，碳质千枚岩占比20％。岩样的钻取位置如图2所示，钻取位置包括断面的的拱顶1、左拱肩2、右拱肩3、左边墙4、右边墙5、左拱脚6、右拱脚7和仰拱8，测试隧道断面不同位置的岩体单轴抗压强度为R_i(i＝1～8)；

步骤S2，测试掌子面后方已施工大变形段隧道断面不同位置的累积最大变形量u_i和最大变形速率v_i，根据式(1)和式(2)计算隧道断面不同位置的相对变形量ε_i(i＝1～8)和相对变形速率η_i(i＝1～8)，以出现频次最多的变形等级定义为基本变形等级Q_m，以量值最大的变形等级定义为关键变形等级Q_n，其所在的部位定义为隧道的关键变形部位。由围岩强度应力比R_i/P、相对变形量ε_i和相对变形速率η_i确定隧道断面不同位置的大变形等级Q_i。大变形等级的确定方法如表1所示，根据这三项分级指标的测试结果，将变形分为Ⅰ级(轻微大变形)、Ⅱ(中等大变形)、Ⅲ(强烈大变形)、Ⅳ(极强大变形)四个等级。

隧道断面不同位置的相对变形量ε_i(i＝1～8)根据掌子面后方已施工大变形段隧道断面不同位置的累计最大变形量u_i获得，计算公式如下：

式(1)中，R₀指隧道的等效半径，等于隧道高度h和跨度b之和的1/4。隧道断面不同位置的相对变形速率η_i(i＝1～8)，通过掌子面后方已施工大变形段隧道断面不同位置的最大变形速率v_i获得，计算公式如下：

表1非对称挤压性软岩隧道大变形分级指标及分级标准

本发明实施例中，以出现频次最多的变形等级为基本变形等级Q_m，以量值最大的变形等级为关键变形等级Q_n，关键变形等级Q_n所在的部位定义为隧道的关键变形部位。基本变形等级和关键变形等级的计算公式如式(3)和式(4)。本实施例隧道的分级评价结果如表2所示。

Q_m＝mode{Q_i} (3)

Q_n＝max{Q_i} (4)

表2非对称挤压性软岩隧道大变形差异分级评价结果

步骤S3，根据隧道的基本变形等级Q_m，确定断面的整体预留变形量U_m；根据隧道的关键变形等级Q_n，确定断面的局部预留变形量U_n，进一步计算关键变形部位的局部扩挖量ΔU，从而得到非对称挤压性软岩隧道优化的开挖轮廓面。不同变形等级预留变形量的确定方法如表2所示。根据式(5)计算关键变形部位的局部扩挖量ΔU。本发明实施例的隧道基本变形等级Q_m为Ⅱ级，确定断面的整体预留变形量U_m＝40cm，隧道的关键变形等级Q_n为Ⅲ级，关键变形部位为断面左拱肩，确定断面左拱肩的局部预留变形量U_n＝60cm，则局部扩挖量ΔU＝20cm。如图3所示，首先根据隧道设计限界和整体预留变形量U_m，确定隧道初步的对称开挖轮廓①，然后根据局部预留变形量U_n，通过增大断面轮廓的曲率实现对断面左拱肩关键变形部位的局部非均匀扩挖，得到非对称挤压性软岩隧道的优化开挖轮廓面②。

ΔU＝U_n-U_m (5)

步骤S4，根据隧道的基本变形等级Q_m，确定隧道开挖前整体围岩的超前加固方案，根据隧道的关键变形等级Q_n，确定关键变形部位围岩的局部超前加固方案，不同变形等级的围岩超前加固方案如表2所示。本实施例的隧道基本变形等级为Ⅱ级，关键变形等级为Ⅲ级，关键变形部位为断面左拱肩。由此，如图4所示，确定在开挖工作面的左侧拱部施做超前管棚③，在右侧拱部施做超前小导管④。超前管棚参数选用Φ60，壁厚s＝6mm，单根长度9m的热轧无缝钢管，施工时使用液压管棚钻机呈扇形向地层中钻一排孔眼，孔眼直径比钢管管径大20～30cm，钻孔外插角约为1°～2°，孔眼间距为40cm。随后将钢管插入钻孔内形成管棚，前后两排管棚的搭接长度为3.6m，最后通过管壁上的注浆孔向地层内注入水泥浆以加固钢管和地层。超前小导管选用Φ38，壁厚s＝5mm，单根长度3m的热轧无缝钢管，施工时沿拱部右侧打入小导管，小导管的外插角宜控制在10°～15°，两组小导管的前后纵向搭接长度不小于1m，导管间距40cm。

步骤S5，根据隧道的基本变形等级Q_m，确定隧道的整体开挖工法。不同变形等级的开挖工法如表2所示。如图5所示，当变形等级为Ⅰ级时，采用二台阶法；当变形等级为Ⅱ～Ⅲ级时，采用三台阶法；当变形等级达到Ⅳ级时，采用三台阶预留核心土法。进一步根据隧道的关键变形等级Q_n，调整缩短关键变形部位所在台阶的台阶高度和进尺长度，以减小开挖对隧道最不利位置的扰动。本实施例的隧道基本变形等级为Ⅱ级，确定隧道的开挖工法为三台阶法。本实施例的关键变形部位为左拱肩，关键变形等级Q_n为Ⅲ级，调整缩短关键变形部位中台阶的台阶高度和进尺长度分别为2.4m和2.0m，以减小开挖对隧道最不利位置的扰动。

步骤S6，根据隧道的基本变形等级Q_m，确定开挖后隧道的整体支护方案，包括系统锚杆、喷射混凝土和钢拱架的支护方案。根据隧道的关键变形等级Q_n，确定关键变形部位的局部支护方案，通过局部加密加长系统锚杆、增加喷射混凝土厚度、增加钢拱架单元刚度对关键变形部位的围岩和支护进行差异化补强。不同变形等级的支护方案如表3所示。本实施例的隧道基本变形等级为Ⅱ级，如图6所示，确定隧道的整体初期支护⑤为系统锚杆采用短锚杆，锚杆长度为5m，喷射混凝土采用25cm厚的C30早强喷射混凝土，钢拱架选用I18或I20b型钢拱架，拱架间距0.8m/榀。进一步地，本实施例的隧道左拱肩为关键变形部位，关键变形等级为Ⅲ级，通过局部加长系统锚杆、增加喷射混凝土厚度、增加钢拱架单元刚度对关键变形部位的围岩和支护进行差异化补强。本实施例在断面左拱肩的局部加强支护⑥为长短结合的系统锚杆，锚杆长度分别为8m和5m，喷射混凝土采用27cm厚的C30早强喷射混凝土，钢拱架选用I22b型钢拱架单元。

表3非对称挤压性软岩隧道大变形分级控制方法

Claims (4)

1.一种适用于非对称挤压性软岩隧道的差异分级控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取隧道断面不同位置的围岩强度应力比R_i/P；其中，R_i为测试岩体的单轴抗压强度，P为隧道掌子面位置的地应力大小；

根据隧道断面不同位置的强度应力比R_i/P、相对变形量ε_i和相对变形速率η_i，确定隧道断面不同位置的大变形等级Q_i；将出现频次最多的大变形等级定义为基本变形等级Q_m，将量值最大的大变形等级定义为关键变形等级Q_n，关键变形等级Q_n所在的部位定义为隧道的关键变形部位；

根据隧道的基本变形等级Q_m，确定隧道断面的整体预留变形量U_m；根据隧道的关键变形等级Q_n，确定隧道断面的局部预留变形量U_n，

计算关键变形部位的局部扩挖量ΔU，得到非对称挤压性软岩隧道优化的开挖轮廓面；ΔU＝U_n-U_m；

根据隧道的基本变形等级Q_m，确定隧道开挖前整体的围岩超前加固方案；根据隧道的关键变形等级Q_n，确定关键变形部位围岩的局部超前加固方案，通过提高超前预支护的刚度对关键变形部位的围岩进行差异化补强；

根据隧道的基本变形等级Q_m，确定隧道的整体开挖工法；根据隧道的关键变形等级Q_n，调整缩短关键变形部位所在台阶的台阶高度和进尺长度；

根据隧道的基本变形等级Q_m，确定开挖后隧道的整体支护方案；根据隧道的关键变形等级Q_n，确定关键变形部位的局部支护方案，通过局部加密加长系统锚杆、增加喷射混凝土厚度、增加钢拱架单元刚度，对关键变形部位的围岩和支护进行差异化补强；

通过钻取隧道断面不同位置的标准岩样，测试岩体的单轴抗压强度R_i；钻取位置包括隧道断面的拱顶、左拱肩、右拱肩、左边墙、右边墙、左拱脚、右拱脚和仰拱；

所述相对变形量ε_i的计算公式为：其中，u_i为掌子面后方已施工大变形段隧道断面不同位置的累计最大变形量，R₀为隧道的等效半径；

所述相对变形速率η_i的计算公式为：其中，v_i为掌子面后方已施工大变形段隧道断面不同位置的最大变形速率，R₀为隧道的等效半径；

所述大变形等级Q_i包括Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级，分别对应轻微大变形、中等大变形、强烈大变形和极强大变形；

其中，

Ⅰ级对应的指标为：围岩强度应力比为0.40～0.60，相对变形量为3％～5％，相对变形速率为0.3～0.5％·d^-1；

Ⅱ级对应的指标为：围岩强度应力比为0.20～0.40，相对变形量为5％～8％，相对变形速率为0.5～0.8％·d^-1；

Ⅲ级对应的指标为：围岩强度应力比为0.10～0.20，相对变形量为8％～12％，相对变形速率为0.8～0.12％·d^-1；

Ⅳ级对应的指标为：围岩强度应力比<0.10，相对变形量>12％，相对变形速率>0.12％·d^-1；

当基本变形等级Q_m为Ⅰ、Ⅱ级时，断面整体的超前预加固以拱部超前小导管为主；当关键变形等级Q_n达到Ⅲ、Ⅳ级时，关键变形部位的围岩采用管棚加固；

当变形等级为Ⅰ级时，所述开挖工法为二台阶法；当变形等级为Ⅱ～Ⅲ级时，所述开挖工法为三台阶法；当变形等级达到Ⅳ级时，

所述开挖工法为三台阶预留核心土法。

2.根据权利要求1所述的适用于非对称挤压性软岩隧道的差异分级控制方法，其特征在于，当断面的基本变形等级Q_m为Ⅰ、Ⅱ级时，系统锚杆采用短锚杆，喷射混凝土采用25cm厚的C30早强喷射混凝土，钢拱架选用I18或I20b型钢拱架，拱架间距0.8m/榀；当断面的关键变形等级Q_n达到Ⅲ、Ⅳ级时，关键变形部位的系统锚杆采用长、短锚杆组合，喷射混凝土采用27cm厚的C30早强喷射混凝土，钢拱架选用I22b或H175型钢拱架单元。

3.一种适用于非对称挤压性软岩隧道的差异分级控制系统，其特征在于，包括处理器和存储器；所述存储器存储有计算机程序/指令；所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序/指令；所述计算机程序/指令被配置为实现权利要求1或2所述方法的步骤。

4.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序/指令；其特征在于，所述计算机程序/指令被处理器执行时实现权利要求1或2所述方法的步骤。