CN115758524A - 岩溶地区隧道加固方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及建筑施工技术领域，提供了岩溶地区隧道加固方法，包括：获取隧道结构及其周边土层和溶洞的定量特征参数；构建岩溶隧道施工模型；获取隧道围岩的应力和变形特征；将隧道围岩的加固区域划分为第一加固区和第二加固区；模拟出第一加固结构和第二加固结构；再次获取隧道围岩的应力和变形特征，修正第一加固区和第二加固区的划分区域，并再次模拟出第一加固结构和第二加固结构，直至隧道围岩在加固后的应力和变形特征满足要求，得到目标加固方案；基于目标加固方案，进行岩溶地区隧道加固施工。本发明既保证了隧道围岩的加固效果，又避免了对不必要加固范围过度加固，降低了施工成本。

Description

岩溶地区隧道加固方法

技术领域

本发明属于建筑施工技术领域，具体涉及岩溶地区隧道加固方法。

背景技术

随着全国各地的隧道工程建设蓬勃发展，隧道建设遇到的复杂工况越来越多，隧道加固的措施需求越来越多。由于地层水文条件的影响，对于隧道施工具有更多要求，其中岩溶地区尤为突出，在这些地区修建隧道，有可能会造成溶洞坍塌等事故，为此有时采用洞室注浆加固的方式进行地层加固，但是该加固方式既需要大量成本，同时还可能存在漏液等情况，而对于锚杆与注浆支护等加固方式，也有可能存在大面积支护过当，从而浪费支护成本。另外，现有加固方式中仅通过验算安全系数是否满足规范要求来判定加固后隧道结构是否安全。良好的加固效果和较低的施工成本无法兼顾。

发明内容

针对上述现有技术中的问题，本发明提出了一种岩溶地区隧道加固方法，相比现有加固方式而言，既保证了加固效果，又降低了施工成本。

本发明提出一种岩溶地区隧道加固方法，包括以下步骤：

获取隧道结构及其周边土层和溶洞的定量特征参数；

基于所述定量特征参数，构建模拟有所述隧道结构及其周边土层和溶洞的岩溶隧道施工模型；获取所述岩溶隧道施工模型的隧道围岩承受施工荷载作用时的应力和变形特征；

基于所述隧道围岩的应力与变形特征，将所述隧道围岩的加固区域划分为第一加固区和第二加固区；其中，第一加固区位于模拟的溶洞和隧道结构之间，第二加固区位于模拟的隧道结构的周围；

所述岩溶隧道施工模型在所述第一加固区模拟出第一加固结构，在所述第二加固区模拟出第二加固结构；再次获取所述岩溶隧道施工模型的隧道围岩承受施工荷载作用时的应力和变形特征，得到隧道围岩加固后的应力和变形特征，基于加固后的应力和变形特征，修正所述第一加固区和第二加固区的划分区域，并再次模拟出第一加固结构和第二加固结构，直至所述隧道围岩在加固后的应力和变形特征满足要求，得到目标加固方案；

基于所述目标加固方案，进行岩溶地区隧道加固施工。

进一步地，所述的将所述隧道围岩的加固区域划分为第一加固区的步骤包括：

以模拟的隧道结构的中心为坐标原点，以隧道结构的径向截面为平面建立直角坐标系；其中，模拟的溶洞位于该直角坐标系所在平面；

将直角坐标系中，位于模拟的溶洞和隧道结构之间的以坐标原点为圆心的第一扇形区域预设为所述第一加固区；预设所述第一扇形区域的圆心角为a，半径为d；

所述修正所述第一加固区的划分区域的步骤包括：调整所述圆心角a和半径d的值。

进一步地，所述修正所述第一加固区的划分区域的步骤还包括：调整所述直角坐标系所在平面中所述第一扇形区域与模拟的溶洞的相对位置，使所述第一扇形区域的过圆心的中心线指向所述模拟的溶洞。

进一步地，所述第一加固区包括设置在所述直角坐标系所在平面上的多个第一扇形区域。

进一步地，所述的将所述隧道围岩的加固区域划分为第一加固区的步骤还包括：

沿模拟的隧道结构的长度方向建立多个所述直角坐标系；

将所述多个直角坐标系的所述第一扇形区域合并后形成的第一扇形块区域预设为所述第一加固区。

进一步地，所述的将所述隧道围岩的加固区域划分为第二加固区的步骤包括：

将所述直角坐标系中，以所述坐标原点为圆心的第二扇形区域预设为所述第二加固区，所述第二扇形区域与所述第一扇形区域沿所述模拟的隧道结构的周向分散设置，所述第二扇形区域的半径小于所述第一扇形区域的半径。

进一步地，所述定量特征参数包括所述隧道结构的数量和埋深、所述溶洞的数量、形状、大小和相对于隧道结构的位置以及所述周边土层的土层性质参数。

进一步地，

所述岩溶隧道施工模型包括隧道衬砌模型、土层模型和支护模型；

所述基于所述定量特征参数，构建模拟有所述隧道结构及其周边土层和溶洞的岩溶隧道施工模型的步骤包括：

基于所述定量特征参数，构建所述土层模型，通过内嵌壳体与挖空壳体内的土体模拟溶洞，基于溶洞施加地应力平衡，利用定量特征参数在隧道围岩承受施工荷载作用时构建所述隧道衬砌模型和支护模型；

其中，所述隧道结构包括隧道本体以及设置在所述隧道本体周围的隧道衬砌结构；所述土层模型采用摩尔库伦本构模型，用于模拟所述隧道本体及其周边土层和溶洞；所述隧道衬砌模型采用混凝土损伤塑性模型，用于模拟所述隧道衬砌结构；所述支护模型采用理想弹塑性模型，用于模拟所述第一加固结构和第二加固结构。

进一步地，所述第一加固结构包括注浆层以及多个第一注浆管；多个第一注浆管沿所述隧道衬砌模型模拟的隧道衬砌结构的周向分布；注浆层设置在所述多个第一注浆管远离所述隧道衬砌结构的一端，所述注浆层正对所述土层模型模拟的溶洞的端面为弧面。

进一步地，所述第二加固结构包括沿所述隧道衬砌模型模拟的隧道衬砌结构的周向分布的多个第二注浆管，所述第二注浆管的长度短于所述第一注浆管的长度

本发明的有益效果包括：本发明基于隧道结构与地勘报告等水文地质信息获取隧道结构及其周边土层和溶洞的定量特征参数，通过数值模拟对施工过程(隧道围岩承受施工荷载作用)隧道围岩应力与变形特征进行定量分析，初步确定最不利的隧道围岩范围(即第一加固区)，并在初步确定第一加固区和第二加固区的划分区域后，采用数值模拟对比施加第一加固结构和第二加固结构前后的应力和变形特征，以修正优化第一加固区和第二加固区的划分区域，以此来获得可靠性更高，更适用的目标加固方案，相较于现实常用的隧道围岩加固方法，本发明减少了过分依赖经验与定性化分析的弊端，从而提高加固效果，具有适用于复杂岩溶地区支护的优势。另外，通过将隧道围岩的加固区域划分为第一加固区和第二加固区，将第一加固区设为最不利的隧道围岩范围，采用与第二加固区不同的加固结构，既保证了隧道围岩的加固效果，又避免了对不必要加固范围过度加固，降低了施工成本。

附图说明

图1为本发明的岩溶地区隧道加固方法的流程图。

图2为本发明的岩溶地区隧道加固方法的以隧道结构的径向截面为平面建立的直角坐标系及其所在平面上模拟的溶洞和隧道结构的位置关系示意图。

图3为图2中的直角坐标系所在平面上将隧道围岩的加固区域划分为第一加固区和第二加固区，并相应设置有第一加固结构和第二加固结构的示意图。

图4为图3中直角坐标系所在平面上模拟的隧道结构为双向隧道的示意图。

图中：10-溶洞；20-隧道结构；30-第一加固区；40-第二加固区；50-注浆层；60-第一注浆管；70-第二注浆管。

具体实施方式

以下结合附图1至附图4和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明提出的岩溶地区隧道加固方法，实际上是一种基于施工荷载下的隧道围岩加固方法，针对岩溶地区存在的溶洞的问题，基于该地区的地质水文条件，明确对应具体的定量特征参数，在此基础上，分析施工过程的隧道围岩的应力和变形特性，确定最不利的隧道围岩范围，选择不同的进一步加固程度，对比分析不同加固程度方案的优缺点，结合隧道加结构安全系数分级标准，对隧道加固结构安全状态进行评价，从而确定最优的加固方案，根据确定的最优加固方案(即目标加固方案)，实现隧道加固。

本发明提出的岩溶地区隧道加固方法，是先根据岩溶隧道施工模型模拟出隧道围岩承受施工荷载作用时的应力和变形特征，再初步确定加固区域，将加固区域划分为第一加固区和第二加固区，将第一加固区视为最不利的隧道围岩范围，再进行加固模拟，即在第一加固区模拟出第一加固结构，在第二加固区模拟出第二加固结构，使第一加固区和第二加固区有不同的加固程度，基于隧道围岩加固后的应力和变形特征，修正所述第一加固区和第二加固区的划分区域，并再次模拟出第一加固结构和第二加固结构，直至岩溶隧道施工模型模拟的隧道围岩在加固后的应力和变形特征满足要求，得到目标加固方案，目标加固方案包括第一加固区和第二加固区的划分区域以及第一加固结构和第二加固结构的具体加固方案。通过上述岩溶隧道施工模型的模拟，得到目标加固方案后，将该目标加固方案作为岩溶地区隧道实际加固施工的具体施工方案。

如图1所示，本发明提出的岩溶地区隧道加固方法，包括以下步骤：

获取隧道结构20及其周边土层和溶洞10的定量特征参数。其中，定量特征参数包括所述隧道结构20的数量和埋深、所述溶洞10的数量、形状、大小和相对于隧道结构20的位置以及所述周边土层的土层性质参数。上述定量特征参数中，隧道结构20的数量和埋深由设计文件确定，土层性质参数、溶洞10的大小、形状由地勘报告等文件确定，溶洞10相对于隧道结构20的位置(距离、角度)由设计文件与地勘报告等文件共同确定。

初步的数值模拟，确定隧道围岩的应力和变形特征。包括：基于所述定量特征参数，采用数值模拟法，构建模拟有所述隧道结构20及其周边土层和溶洞10的岩溶隧道施工模型；获取所述岩溶隧道施工模型的隧道围岩承受施工荷载作用时的应力和变形特征。从而对不同部位隧道围岩变形情况与应力进行分级。

确定隧道结构20中心，以隧道结构20的径向截面为平面建立直角坐标系，确定隧道围岩的加固区域，给出初步的加固方案。包括：基于所述隧道围岩的应力与变形特征，将所述隧道围岩的加固区域划分为第一加固区30和第二加固区40；其中，第一加固区30位于模拟的溶洞10和隧道结构20之间，第二加固区40位于模拟的隧道结构20的周围。

模拟初步的加固方案，对比分析，优化加固方案，得到目标加固方案。包括：所述岩溶隧道施工模型在所述第一加固区30模拟出第一加固结构，在所述第二加固区40模拟出第二加固结构；再次获取所述岩溶隧道施工模型的隧道围岩承受施工荷载作用时的应力和变形特征，得到隧道围岩加固后的应力和变形特征，基于加固后的应力和变形特征，修正所述第一加固区30和第二加固区40的划分区域，并再次模拟出第一加固结构和第二加固结构，直至所述隧道围岩在加固后的应力和变形特征满足要求，得到目标加固方案。

基于所述目标加固方案，进行岩溶地区隧道加固施工。

具体的，将所述隧道围岩的加固区域划分为第一加固区30的步骤包括：

如图2所示，以模拟的隧道结构20的中心为坐标原点，以隧道结构20的径向截面为平面建立直角坐标系；其中，模拟的溶洞10位于该直角坐标系所在平面；

将直角坐标系中，位于模拟的溶洞10和隧道结构20之间的以坐标原点为圆心的第一扇形区域预设为所述第一加固区30；预设所述第一扇形区域的圆心角为a，半径为d；

所述修正所述第一加固区30的划分区域的步骤包括：调整所述圆心角a和半径d的值。比如，增大或减小圆心角a的值，增大或减小半径d的值。

所述的将所述隧道围岩的加固区域划分为第二加固区40的步骤包括：

将所述直角坐标系中，以所述坐标原点为圆心的第二扇形区域预设为所述第二加固区40，所述第二扇形区域与所述第一扇形区域沿所述模拟的隧道结构20的周向分散设置，所述第二扇形区域的半径小于所述第一扇形区域的半径。

在一些实施例中，修正所述第一加固区30的划分区域的步骤还包括：调整所述直角坐标系所在平面中所述第一扇形区域与模拟的溶洞10的相对位置，使所述第一扇形区域的过圆心的中心线指向所述模拟的溶洞10。换言之，第一加固区30的划分区域虽然被确定，但其与模拟的溶洞10和直角坐标系的坐标原点的相对位置并没有确定，可通过调整第一加固区30的绕坐标原点转动的角度实现第一加固区30与模拟的溶洞10的相对位置的调整。当然，在优选实施例中，在如图2所示的直角坐标系所在平面中，表示第一加固区30的第一扇形区域的过圆心的中心线同时过模拟的溶洞10的中心和直角坐标系的坐标原点。换言之，第一扇形区域的过圆心的中心线将第一扇形区域的圆心角为a均分为两个a/2的夹角。

在一些实施例中，所述第一加固区30包括设置在所述直角坐标系所在平面上的多个第一扇形区域。附图2中虽然只示意出了一个第一加固区30，但实际中，若隧道结构20的同一个径向横截面的周围存在多个溶洞10时，在该径向横截面(或称为直角坐标系所在平面上)上设置多个第一扇形区域，该多个第一扇形区域构成该直角坐标系所在平面上的第一加固区30。或者，在一些实施例中，第一加固区30有多个，每个第一加固区30包括一个第一扇形区域，当隧道结构20的同一个径向横截面的周围存在多个溶洞10时，在该径向横截面(或称为直角坐标系所在平面上)上设置多个第一加固区30。另外，同一个径向横截面的周围存在多个溶洞10时，在该径向横截面上设置的多个第一加固区30或多个第一扇形区域的划分区域可以不同，这是由于，同一个径向横截面的多个溶洞10并不是都与隧道结构20的距离相同。

所述的将所述隧道围岩的加固区域划分为第一加固区30的步骤还包括：

沿模拟的隧道结构20的长度方向建立多个所述直角坐标系；将所述多个直角坐标系的所述第一扇形区域合并后形成的第一扇形块区域预设为所述第一加固区30。

为了便于展示和理解，附图3中仅示意出了一个直角坐标系的第一加固区30和第二加固区40的划分区域。但在实际施工中，隧道结构20具有长度，故实际上，沿隧道结构20的长度方向，存在多个附图3中展示的直角坐标系。将这些直角坐标系中沿隧道结构20长度方向分布的第一扇形区域合并后，形成第一扇形块区域，该第一扇形块区域为前述中提及的第一加固区30。由于溶洞10并非在每个直角坐标系中的形状都是附图3中所示的圆形，与隧道结构20的中心的距离并非都是相同的，因此，这些直角坐标系中的第一扇形区域合并后，并非一定是形成扇形块区域，也可以是其他的异形区域，将该异形区域预设为第一加固区30即可。

所述岩溶隧道施工模型包括隧道衬砌模型、土层模型和支护模型。

所述基于所述定量特征参数，构建模拟有所述隧道结构20及其周边土层和溶洞10的岩溶隧道施工模型的步骤包括：

基于所述定量特征参数，采用数值模拟法，构建所述土层模型，通过内嵌壳体与挖空壳体内的土体模拟溶洞10，基于溶洞10施加地应力平衡，利用定量特征参数在隧道围岩承受施工荷载作用时构建所述隧道衬砌模型和支护模型；

其中，所述隧道结构20包括隧道本体以及设置在所述隧道本体周围的隧道衬砌结构。

所述土层模型采用摩尔库伦本构模型，用于模拟所述隧道本体及其周边土层和溶洞10。其中，溶洞10通过中空壳体来模拟，基于地勘报告对隧道本体周边土体分层，设定各个土层参数。

所述隧道衬砌模型采用混凝土损伤塑性模型，用于模拟所述隧道衬砌结构。隧道衬砌结构与土层采用摩擦硬接触。

所述支护模型采用理想弹塑性模型，用于模拟所述第一加固结构和第二加固结构。第一加固结构和第二加固结构采用内置区域的方式加固在土层中。

所述第一加固结构包括注浆层50以及多个第一注浆管60；多个第一注浆管60沿所述隧道衬砌模型模拟的隧道衬砌结构的周向分布；注浆层50设置在所述多个第一注浆管60远离所述隧道衬砌结构的一端，所述注浆层50正对所述土层模型模拟的溶洞10的端面为弧面。第一加固结构通过多个第一注浆管60形成注浆层50。如附图3中所示，弧面的注浆层50的圆弧角即第一扇形区域的圆心角a。注浆层50与土体采用硬摩擦接触。

所述第二加固结构包括沿所述隧道衬砌模型模拟的隧道衬砌结构的周向分布的多个第二注浆管70，所述第二注浆管70的长度短于所述第一注浆管60的长度。

附图3可知，第一加固结构的加固效果要好于第二加固结构的加固效果，通过修正第一加固区30的划分区域，实现了利用尽可能小的第一加固区30获得了尽可能好的加固效果，降低了施工成本。

上述的在岩溶隧道施工模型中模拟的第一加固结构和第二加固结构，同样可适用于现场实际施工中，即得到目标加固方案后，按照该目标加固方案，直接运用在岩溶地区隧道加固施工，使岩溶地区的实体隧道结构20的隧道围岩设置有上述的第一加固区30、第二加固区40、设置在第一加固区30上的第一加固结构和设置在第二加固区40上的第二加固结构。

附图3中仅示意出了单向隧道的加固施工的示意图。如图4所示，本发明的方法还可适用于双向隧道的加固施工，施工方法与单向隧道的加固施工方法相同。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，同样也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种岩溶地区隧道加固方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取隧道结构及其周边土层和溶洞的定量特征参数；

基于所述定量特征参数，构建模拟有所述隧道结构及其周边土层和溶洞的岩溶隧道施工模型；获取所述岩溶隧道施工模型的隧道围岩承受施工荷载作用时的应力和变形特征；

基于所述隧道围岩的应力与变形特征，将所述隧道围岩的加固区域划分为第一加固区和第二加固区；其中，第一加固区位于模拟的溶洞和隧道结构之间，第二加固区位于模拟的隧道结构的周围；

所述岩溶隧道施工模型在所述第一加固区模拟出第一加固结构，在所述第二加固区模拟出第二加固结构；再次获取所述岩溶隧道施工模型的隧道围岩承受施工荷载作用时的应力和变形特征，得到隧道围岩加固后的应力和变形特征，基于加固后的应力和变形特征，修正所述第一加固区和第二加固区的划分区域，并再次模拟出第一加固结构和第二加固结构，直至所述隧道围岩在加固后的应力和变形特征满足要求，得到目标加固方案；

基于所述目标加固方案，进行岩溶地区隧道加固施工。

2.根据权利要求1所述的岩溶地区隧道加固方法，其特征在于，所述的将所述隧道围岩的加固区域划分为第一加固区的步骤包括：

以模拟的隧道结构的中心为坐标原点，以隧道结构的径向截面为平面建立直角坐标系；其中，模拟的溶洞位于该直角坐标系所在平面；

将直角坐标系中，位于模拟的溶洞和隧道结构之间的以坐标原点为圆心的第一扇形区域预设为所述第一加固区；预设所述第一扇形区域的圆心角为a，半径为d；

所述修正所述第一加固区的划分区域的步骤包括：调整所述圆心角a和半径d的值。

3.根据权利要求2所述的岩溶地区隧道加固方法，其特征在于，所述修正所述第一加固区的划分区域的步骤还包括：调整所述直角坐标系所在平面中所述第一扇形区域与模拟的溶洞的相对位置，使所述第一扇形区域的过圆心的中心线指向所述模拟的溶洞。

4.根据权利要求2所述的岩溶地区隧道加固方法，其特征在于，所述第一加固区包括设置在所述直角坐标系所在平面上的多个第一扇形区域。

5.根据权利要求2所述的岩溶地区隧道加固方法，其特征在于，所述的将所述隧道围岩的加固区域划分为第一加固区的步骤还包括：

沿模拟的隧道结构的长度方向建立多个所述直角坐标系；

将所述多个直角坐标系的所述第一扇形区域合并后形成的第一扇形块区域预设为所述第一加固区。

6.根据权利要求2所述的岩溶地区隧道加固方法，其特征在于，所述的将所述隧道围岩的加固区域划分为第二加固区的步骤包括：

将所述直角坐标系中，以所述坐标原点为圆心的第二扇形区域预设为所述第二加固区，所述第二扇形区域与所述第一扇形区域沿所述模拟的隧道结构的周向分散设置，所述第二扇形区域的半径小于所述第一扇形区域的半径。

7.根据权利要求1所述的岩溶地区隧道加固方法，其特征在于，所述定量特征参数包括所述隧道结构的数量和埋深、所述溶洞的数量、形状、大小和相对于隧道结构的位置以及所述周边土层的土层性质参数。

8.根据权利要求1所述的岩溶地区隧道加固方法，其特征在于，

所述岩溶隧道施工模型包括隧道衬砌模型、土层模型和支护模型；

所述基于所述定量特征参数，构建模拟有所述隧道结构及其周边土层和溶洞的岩溶隧道施工模型的步骤包括：

基于所述定量特征参数，构建所述土层模型，通过内嵌壳体与挖空壳体内的土体模拟溶洞，基于溶洞施加地应力平衡，利用定量特征参数在隧道围岩承受施工荷载作用时构建所述隧道衬砌模型和支护模型；

其中，所述隧道结构包括隧道本体以及设置在所述隧道本体周围的隧道衬砌结构；所述土层模型采用摩尔库伦本构模型，用于模拟所述隧道本体及其周边土层和溶洞；所述隧道衬砌模型采用混凝土损伤塑性模型，用于模拟所述隧道衬砌结构；所述支护模型采用理想弹塑性模型，用于模拟所述第一加固结构和第二加固结构。

9.根据权利要求8所述的岩溶地区隧道加固方法，其特征在于，所述第一加固结构包括注浆层以及多个第一注浆管；多个第一注浆管沿所述隧道衬砌模型模拟的隧道衬砌结构的周向分布；注浆层设置在所述多个第一注浆管远离所述隧道衬砌结构的一端，所述注浆层正对所述土层模型模拟的溶洞的端面为弧面。

10.根据权利要求8所述的岩溶地区隧道加固方法，其特征在于，所述第二加固结构包括沿所述隧道衬砌模型模拟的隧道衬砌结构的周向分布的多个第二注浆管，所述第二注浆管的长度短于所述第一注浆管的长度。

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