CN115510527A - 基于安全度指标的隧洞围岩稳定性判别和量化评估方法 - Google Patents

基于安全度指标的隧洞围岩稳定性判别和量化评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于安全度指标的隧洞围岩稳定性判别和量化评估方法，通过采用掌子面持续推进的模拟方法，实现不同条件下的隧洞开挖支护三维数值仿真，获得围岩塑性区深度、掌子面后方围岩变形、锚杆最大拉应力和钢拱架最大压应力，并分别计算这些指标与最大允许值的比值，从而得到对应指标的安全度，实现隧洞围岩稳定性的判别。然后，计算表征围岩稳定程度的综合量化指标，从而实现不同条件下的围岩稳定性量化评估。该方法计算及评估结果准确度高，能快速、准确地评估出隧洞围岩综合安全度。

Description

基于安全度指标的隧洞围岩稳定性判别和量化评估方法
技术领域
本发明属于水利水电工程隧洞施工领域，具体涉及一种基于安全度指标的隧洞围岩稳定性判别和量化评估方法。
背景技术
隧洞是在山岭地区修建引调水工程、公路、铁路等线路工程的重要建筑物，具有线路长、埋深大、地质条件复杂多变的特点，其设计一般包括选线、体型比选、支护参数和开挖方法等工作内容，常采用经验或理论公式分析、工程案例类比和数值模拟等方法。其中，数值模拟能够考虑隧洞地质条件和设计方案的差异，获得不同方案的围岩稳定量化结果，是复杂条件下隧洞工程设计经常采用的分析方法。一般地，基于弹塑性本构关系的数值分析，可获得围岩塑性区、变形和应力和支护受力等指标，进而评价围岩稳定。例如：陈锐等采用数值计算方法，对引水隧洞不同断面型式，采用塑性区、围岩变形、锚杆应力等指标进行对比研究(陈锐,李娇娜,孙海清,等.高地应力条件下德罗电站软岩引水隧洞洞型与支护设计[J].中国水利,2016(20):44-47.)；汤天彩等利用围岩位移，应力和塑性区等指标研究衬砌厚度对围岩稳定的影响(汤天彩,王瑞红,李建林,等.洞型及衬砌厚度对软岩隧洞围岩稳定性的影响[J].水力发电,2015,41(3):29-32.)。
然而，目前对围岩稳定的判别和评价，多为计算指标层面的描述，缺少表征围岩稳定程度的量化指标和判别标准。目前采用数值计算方法，可以获得不同支护措施、不同施工方法和不同隧洞尺寸等多方案、多参数条件下的表征隧洞围岩稳定性的计算结果。计算结果一般包括了围岩塑性区、围岩变形、支护受力等指标，但目前还缺少如何利用这些指标，实现围岩稳定性判别和量化评估的具体方法。
发明内容
为了克服上述现有背景技术的不足之处，本发明目的在于提供一种基于安全度指标的隧洞围岩稳定性判别和量化评估方法。本发明提出基于塑性区、围岩变形和支护受力指标的围岩稳定性控制标准，从而实现基于安全度概念的围岩稳定判别；提出表征隧洞围岩总体稳定程度的围岩稳定综合安全度计算方法，从而实现不同隧洞体型方案条件下围岩稳定性量化分析。
为实现上述目的，本发明通过下述技术方案实现：
本发明提供一种基于安全度指标的隧洞围岩稳定性判别和量化评估方法，包括：
根据隧洞设计资料，建立计算分析模型；根据地质资料，确定岩体力学参数和初始地应力场；
采用掌子面持续推进的模拟方法对隧洞开挖支护的三维数值进行仿真，获取掌子面后方围岩变形，以及围岩塑性区最大深度、锚杆最大拉应力和钢拱架最大压应力指标；
根据获得的掌子面后方围岩变形、围岩塑性区最大深度、锚杆最大拉应力和钢拱架最大压应力指标，获取塑性区安全度Fplas、围岩变形安全度Fdisp、锚杆安全度F1和钢拱架受力安全度F2；
判断min(Fplas,Fdisp,F1,F2)≥1是否成立，若成立，则隧洞围岩稳定性可以得到保证，进入下一步；若不成立，则当前隧洞设计方案不能满足围岩稳定性要求，应调整设计方案后，重新计算分析评价；
根据获得的锚杆安全度F1和钢拱架受力安全度F2，获取支护受力安全度Fsupp；
根据获得的塑性区安全度Fplas、围岩变形安全度Fdisp和支护受力安全度Fsupp，取均值作为表征隧洞方案总体围岩稳定程度的综合安全度；
根据获得的围岩稳定的综合安全度指标，量化评价当前设计方案条件下的隧洞围岩稳定性。
优选的，掌子面持续推进的模拟方法为：在计算分析模型中设置监测断面，每次开挖计算仅移除施工进尺范围内的围岩单元，计算平衡后再进行下一施工进尺的计算，直至完成计算分析模型覆盖范围内的围岩单元开挖。
进一步优选的，掌子面推进过程中的围岩变形分为掌子面前方围岩变形和掌子面后方围岩变形。
优选的，塑性区安全度Fplas根据下式计算得到：
Figure BDA0003842692810000021
式中：Lmax为洞周塑性区最大深度，[L]为Lmax所在区域的锚固支护长度。
优选的，围岩变形安全度Fdisp根据下式计算得到：
Figure BDA0003842692810000022
式中：ε＝δ/D为隧洞相对收敛，δ为围岩开挖出露后及时起测所获得的收敛变形，可累加隧洞两侧边墙的掌子面后方围岩变形得到，D为隧洞直径或跨度，[ε]为隧洞允许相对收敛变形。
优选的，锚杆安全度F1和钢拱架受力安全度F2根据下式计算得到：
Figure BDA0003842692810000031
Figure BDA0003842692810000032
式中：f1为锚杆最大拉应力，[f1]为锚杆强度设计值；f2为钢拱架最大压应力，[f2]为钢材强度设计值。
进一步优选的，将锚杆和钢拱架的受力安全度指标均值定义为支护受力安全度Fsupp，支护受力安全度Fsupp根据下式计算得到：
Figure BDA0003842692810000033
若初期支护措施仅有锚杆，则取Fsupp＝F1。
优选的，综合安全度根据下式计算得到：
F＝(Fplas+Fdisp+Fsupp)/3。
与现有技术相比，本发明取得以下有益效果：
针对目前存在的缺少利用围岩塑性区、围岩变形、支护受力等指标实现围岩稳定性判别和量化评估的问题，本发明提出一种基于安全度指标的隧洞围岩稳定性判别和量化评估方法。通过采用掌子面持续推进的模拟方法，实现不同条件下的隧洞开挖支护三维数值仿真，获得围岩塑性区深度、掌子面后方围岩变形、锚杆最大拉应力和钢拱架最大压应力，并分别计算这些指标与最大允许值的比值，从而得到对应指标的安全度，实现隧洞围岩稳定性的判别。然后，计算表征围岩稳定程度的综合量化指标，从而实现不同条件下的围岩稳定性量化评估。该方法计算及评估结果准确度高，能快速、准确地评估出隧洞围岩综合安全度。
附图说明
图1为基于安全度指标的隧洞围岩稳定性判别和量化评估流程图；
图2为掌子面与监测断面的关系图，其中，图2(a)为掌子面未到监测断面时；图2(b)为掌子面通过监测断面时；
图3为掌子面推进过程中的围岩变形曲线图；
图4为不同体型隧洞的设计方案图；其中，图4(a)为圆形隧洞的设计方案图，图4(b)为马蹄形隧洞的设计方案图，图4(c)为城门洞形隧洞的设计方案图；
图5为不同体型隧洞的计算分析模型图；其中，5(a)为圆形隧洞的计算分析模型图，图5(b)为马蹄形隧洞的计算分析模型图，图5(c)为城门洞形隧洞的计算分析模型图；
图6为千枚岩洞段开挖完成主要计算结果图；其中，图6(a)为塑性区的计算结果图，图6(b)为围岩变形的计算结果图，图6(c)为锚杆应力的计算结果图，图6(d)为围岩压应力的计算结果图；
图7为泥质板岩洞段开挖完成主要计算结果图；其中，图7(a)为塑性区的计算结果图，图7(b)为围岩变形的计算结果图，图7(c)为锚杆应力的计算结果图，图7(d)为围岩压应力的计算结果图。
附图标记：1-监测断面；2-掌子面；3-开挖洞段、4-掌子面前方围岩变形；5-掌子面后方围岩变形。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是不能理解为对本发明的限制，仅作举例而已。
如图1所示，本发明所涉及的基于安全度指标的隧洞围岩稳定性判别和量化评估方法，包括如下步骤：
步骤1：根据隧洞设计资料，建立计算分析模型；根据地质资料，确定岩体力学参数和初始地应力场。
步骤2：采用掌子面持续推进的模拟方法实现隧洞开挖支护的三维数值仿真。见图2，在计算分析模型中设置监测断面1，每次开挖计算仅移除施工进尺范围内的围岩单元，计算平衡后再进行下一施工进尺的计算，直至完成计算分析模型覆盖范围内的围岩单元开挖。见图3，把掌子面2推进过程中的围岩变形分为掌子面前方围岩变形4和掌子面后方围岩变形5。其中，掌子面前方围岩变形是指围岩在开挖出露前因隧洞变形的空间效应影响而发生的变形，对应于图2(a)中掌子面尚未到达监测断面时，该断面已经发生的变形；掌子面后方围岩变形是指围岩在临空面出露后产生的变形，对应于图2(b)中掌子面通过监测断面后，该断面发生的增量变形。
步骤3：根据三维数值计算获得的塑性区最大深度，根据式(1)计算塑性区安全度Fplas：
Figure BDA0003842692810000041
式中：Lmax为洞周塑性区最大深度，[L]为Lmax所在区域的锚固支护长度。
根据三维数值计算获得的掌子面后方围岩变形(图3)，根据式(2)计算围岩变形安全度Fdisp：
Figure BDA0003842692810000051
式中：ε＝δ/D为隧洞相对收敛，δ为围岩开挖出露后及时起测所获得的收敛变形，可累加隧洞两侧边墙的掌子面后方围岩变形得到，D为隧洞直径或跨度；[ε]为隧洞允许相对收敛变形，根据《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范GB50086》建议的隧洞周边允许相对收敛值，作为围岩变形的控制标准，见表1。例如埋深大于300m时，控制标准为III类围岩0.4％～1.2％；IV类围岩0.8％～2.0％；V类围岩1.0％～3.0％。其中，对于硬质岩，取允许相对收敛值的低值；对于软质岩，取允许相对收敛值的高值。
表1隧洞、洞室周边允许相对收敛值(％)
Figure BDA0003842692810000052
注：1.洞周相对收敛量是指两测点间实测位移值与两测点间距之比，或拱顶位移实测值与隧道宽度之比。2.脆性围岩取小值，塑性围岩取大值。3.本表适用于高跨比0.8～1.2、埋深小于500m，且其跨度分别不大于20m(III级围岩)、15m(IV级围岩)和10m(V级围岩)的隧洞洞室工程。否则应根据工程类比，对隧洞、洞室周边允许相对收敛值进行修正。
根据三维数值计算获得的锚杆受力和钢拱架应力，根据式(3)和式(4)分别计算锚杆安全度F1和钢拱架受力安全度F2：
Figure BDA0003842692810000053
Figure BDA0003842692810000054
式中：f1为锚杆最大拉应力，[f1]为锚杆强度设计值；f2为钢拱架最大压应力，[f2]为钢材强度设计值。
步骤4：判断min(Fplas,Fdisp,F1,F2)≥1是否成立，若成立，则隧洞围岩稳定性可以得到保证，进入下一步；若不成立，则当前隧洞设计方案不能满足围岩稳定性要求，应调整设计方案后，重新计算分析评价。
步骤5：将锚杆和钢拱架的受力安全度指标均值定义为支护受力安全度Fsupp，即：
Figure BDA0003842692810000061
若初期支护措施仅有锚杆，则取Fsupp＝F1。
步骤6：根据计算获得的各项安全度，根据式(6)其均值作为表征隧洞方案总体围岩稳定程度的综合安全度：
F＝(Fplas+Fdisp+Fsupp)/3 (6)
步骤7：根据获得的围岩稳定的综合安全度指标，量化评价当前设计方案条件下的隧洞围岩稳定性。
本实施例以某引调水工程输水隧洞的隧洞洞型比选为例，说明本方法用于隧洞围岩稳定性判别和量化评估的实施效果。
该输水隧洞长22.8km，最大埋深为1236m。隧洞穿越的地层基岩包括千枚岩、大理岩、砂岩、泥质板岩等。其中，千枚岩地层洞段总长12.21km，占隧洞总长的53.6％，最大埋深约1200m，岩石饱和单轴抗压强度为28MP(a)～38MP(a)；泥质板岩地层洞段总长7.68km，占隧洞总长的33.7％，最大埋深约600m，岩石饱和单轴抗压强度为10MP(a)～15MP(a)。
初拟了隧洞体型比选方案包括圆形、马蹄形和城门洞形，各方案的详细体型见图4。以输水隧洞围岩稳定性问题最为突出的千枚岩1200m埋深洞段和泥质板岩600m埋深洞段为例，进行选型计算分析。
根据地质建议及相关资料，选取千枚岩洞段的围岩力学参数为：重度27kN/m3，变形模量4GP(a)，泊松比0.27，内摩擦系数0.75；泥质板岩洞段的围岩力学参数为：重度28kN/m3，变形模量0.75GP(a)，泊松比0.32，内摩擦系数0.35。
见图5，分别建立3个隧洞的体型比选模型，长×宽×高均为200m×200m×200m。其中，圆形断面的计算模型共剖分155680个单元和159657个节点；马蹄形断面的计算模型共剖分154396个单元和158179个节点；城门洞形断面的计算模型共剖分了151872个单元和157662个节点。3模型均以隧洞纵轴线方向为Y轴，以垂直纵轴线方向为X轴。
根据初始地应力实测数据，以及主应力矢量与计算模型坐标系的相对关系，获得在计算模型中以应力分量形式表征的初始地应力场，分别为：千枚岩洞段σx＝28.72MP(a)，σy＝38.88MP(a)，σz＝31.75MP(a)，τxy＝6.05MP(a)；泥质板岩洞段σx＝14.36MP(a)，σy＝19.64MP(a)，σz＝15.88MP(a)，τxy＝3.14MP(a)。
表2不同隧洞体型条件下的围岩安全评估(千枚岩洞段)
Figure BDA0003842692810000071
表3不同隧洞体型条件下的围岩全评估(泥质板岩洞段)
Figure BDA0003842692810000072
图6和图7分别针对千枚岩洞段和泥质板岩洞段，基于马蹄形断面方案采用掌子面推进式模拟方法，完成整个计算模型开挖后的围岩和支护力学响应主要计算结果。表2和表3汇总了基于安全度指标的围岩安全评估结果。可见，对于千枚岩洞段，圆形和马蹄形体型方案的安全度指标均大于1，满足围岩稳定要求；但城门洞方案的围岩变形和支护受力安全度均小于1，不满足围岩稳定要求，需要调整支护方案以改善围岩稳定性。对于泥质板岩洞段，3种隧洞体型方案的安全度指标均大于1，全部满足围岩稳定要求。
采用围岩稳定综合安全度指标量化分析不同隧洞体型方案条件下的围岩稳定程度。可见，对于千枚岩洞段和泥质板岩洞段，均是圆形方案的围岩稳定性最好，马蹄形方案次之，城门洞方案最差。因此，从保障围岩稳定的角度，应首选圆形方案。进一步分析，可知马蹄形方案和圆形方案的围岩稳定程度总体接近，且均满足围岩稳定要求，也是可行的。上述体型优化比选分析结论，可直接应用于实际工程的输水隧洞设计。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于安全度指标的隧洞围岩稳定性判别和量化评估方法，其特征在于，包括：
根据隧洞设计资料，建立计算分析模型；根据地质资料，确定岩体力学参数和初始地应力场；
采用掌子面持续推进的模拟方法对隧洞开挖支护的三维数值进行仿真，获取掌子面后方围岩变形，以及围岩塑性区最大深度、锚杆最大拉应力和钢拱架最大压应力指标；
根据获得的掌子面后方围岩变形、围岩塑性区最大深度、锚杆最大拉应力和钢拱架最大压应力指标，获取塑性区安全度Fplas、围岩变形安全度Fdisp、锚杆安全度F1和钢拱架受力安全度F2；
判断min(Fplas，Fdisp，F1，F2)≥1是否成立，若成立，则隧洞围岩稳定性可以得到保证，进入下一步；若不成立，则当前隧洞设计方案不能满足围岩稳定性要求，应调整设计方案后，重新计算分析评价；
根据获得的锚杆安全度F1和钢拱架受力安全度F2，获取支护受力安全度Fsupp；
根据获得的塑性区安全度Fplas、围岩变形安全度Fdisp和支护受力安全度Fsupp，取均值作为表征隧洞方案总体围岩稳定程度的综合安全度；
根据获得的围岩稳定的综合安全度指标，量化评价当前设计方案条件下的隧洞围岩稳定性。
2.根据权利要求1所述的基于安全度指标的隧洞围岩稳定性判别和量化评估方法，其特征在于，掌子面持续推进的模拟方法为：在计算分析模型中设置监测断面，每次开挖计算仅移除施工进尺范围内的围岩单元，计算平衡后再进行下一施工进尺的计算，直至完成计算分析模型覆盖范围内的围岩单元开挖。
3.根据权利要求2所述的基于安全度指标的隧洞围岩稳定性判别和量化评估方法，其特征在于，掌子面推进过程中的围岩变形分为掌子面前方围岩变形和掌子面后方围岩变形。
4.根据权利要求1所述的基于安全度指标的隧洞围岩稳定性判别和量化评估方法，其特征在于，塑性区安全度Fplas根据下式计算得到：
Figure FDA0003842692800000011
式中：Lmax为洞周塑性区最大深度，[L]为Lmax所在区域的锚固支护长度。
5.根据权利要求1所述的基于安全度指标的隧洞围岩稳定性判别和量化评估方法，其特征在于，围岩变形安全度Fdisp根据下式计算得到：
Figure FDA0003842692800000021
式中：ε＝δ/D为隧洞相对收敛，δ为围岩开挖出露后及时起测所获得的收敛变形，可累加隧洞两侧边墙的掌子面后方围岩变形得到，D为隧洞直径或跨度，[ε]为隧洞允许相对收敛变形。
6.根据权利要求1所述的基于安全度指标的隧洞围岩稳定性判别和量化评估方法，其特征在于，锚杆安全度F1和钢拱架受力安全度F2根据下式计算得到：
Figure FDA0003842692800000022
Figure FDA0003842692800000023
式中：f1为锚杆最大拉应力，[f1]为锚杆强度设计值；f2为钢拱架最大压应力，[f2]为钢材强度设计值。
7.根据权利要求6所述的基于安全度指标的隧洞围岩稳定性判别和量化评估方法，其特征在于，将锚杆和钢拱架的受力安全度指标均值定义为支护受力安全度Fsupp，支护受力安全度Fsupp根据下式计算得到：
Figure FDA0003842692800000024
若初期支护措施仅有锚杆，则取Fsupp＝F1。
8.根据权利要求1所述的基于安全度指标的隧洞围岩稳定性判别和量化评估方法，其特征在于，综合安全度根据下式计算得到：
F＝(Fplas+Fdisp+Fsupp)/3。
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