一种软岩隧道开挖及初期支护方法技术

本发明专利技术公开了一种软岩隧道开挖及初期支护方法，由后向前分多个节段对软岩隧道进行开挖及初期支护施工，对任一节段进行开挖及初期支护施工时，包括步骤：一、围岩基本力学参数确定；二、隧道预留开挖量确定：根据支护完成后软岩隧道的围岩向内位移理论值对当前所施工节段的预留开挖量进行确定；三、隧道开挖；四、隧道初期支护结构确定；五、隧道初期支护施工；六、下一节段开挖及初期支护施工；七、多次重复步骤六，直至完成软岩隧道的全部开挖及初期支护施工过程。本发明专利技术方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，根据软岩隧道的围岩变形情况对预留开挖量进行确定，并采用钢支架与锚网喷初期支护结构配合对隧道进行全断面初期支护。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于隧道施工
，尤其是涉及一种软岩隧道开挖及初期支护方法。
技术介绍
近年来，随着我国公路、铁路建设的飞跃发展，在大埋深、高地应力条件下进行软岩隧道施工成为交通领域发展的必然趋势之一，如国内著名的南昆线家竹箐隧道、乌鞘岭隧道、终南山隧道及峡口隧道等。由于工程地质条件恶劣，围岩自承能力较差，软岩隧道变形剧烈，若支护不及时或方案不合理，极易出现围岩大变形和衬砌结构的破坏。为此，大量专家学者和现场工程技术人员对软岩隧道的施工工法及其支护技术进行了深入研究。李晓红等以石龙隧道为工程背景，根据隧道围岩位移的解析解和现场位移监测，分析了初期支护对软岩隧道稳定性和位移的影响；李丹等将与软岩工程支护设计方法相对应的物理模型置入大型真三轴模型试验机，研究了模型边界相同条件下软岩隧道的支护方法；李鸿博等通过现场测试，分析了峡口高应力软岩公路隧道围岩变形规律及结构的受力特点，提出了高应力软岩隧道大变形的支护设计对策；张德华等分析了型钢支架及格栅钢架在高地应力软岩隧道中的支护机理及其适应性，探索了不同刚度条件下支护结构的力学响应过程；王树仁等分析了乌鞘岭隧道围岩的变形力学机制，提出了刚隙柔层支护技术；陈卫忠等分析了泡沫混凝土吸收软岩隧道变形能和改善二次衬砌结构的受力效果；田洪铭等优化了宜昌至巴东峡口高地应力软岩隧道的断面形态及其支护方案；杨建辉等基于有限元探讨了锚杆及钢架对隧道围岩稳定性的影响。综上所述，尽管目前针对软岩隧道围岩变形及支护技术取得了较多的研究成果，并在相关规范中强调需要在初期支护和二次衬砌之间预留80mm～120mm的变形量，以避免软岩变形后造成隧道侵限。事实上，对于特定地质条件下的大变形软岩隧道，即使是规范所允许的120mm上限预留变形量也不能满足初期支护后软岩持续变形的要求，围岩应变能不能得到充分释放，最终导致钢拱架破坏和围岩失稳。而迄今为止，尚缺乏对大变形软岩隧道开挖预留变形量系统全面的理论研究。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种软岩隧道开挖及初期支护方法，其方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，根据软岩隧道的围岩变形情况对预留开挖量进行确定，并采用钢支架与锚网喷初期支护结构配合对隧道进行全断面初期支护。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种软岩隧道开挖及初期支护方法，其特征在于：沿隧道纵向延伸方向由后向前分多个节段对所施工软岩隧道进行开挖及初期支护施工，多个所述节段的开挖及初期支护施工方法均相同；对软岩隧道的任一节段进行开挖及初期支护施工时，包括以下步骤：步骤一、围岩基本力学参数确定：通过对现场所取岩样进行室内试验，对当前所施工节段的围岩基本力学参数进行测试，并对测试结果进行同步记录；步骤二、隧道预留开挖量确定：根据步骤一中所确定的围岩基本力学参数，对当前所施工节段的预留开挖量进行确定；对当前所施工节段的预留开挖量进行确定时，根据支护完成后软岩隧道的围岩向内位移理论值S进行确定；其中，S＝S1+S2(1)；公式(1)中，S1为软岩隧道表面围岩的塑性位移量，公式(2)中，P0为开挖前当前所施工节段的隧道围岩岩体的原岩应力；ξ为当前所施工节段的隧道围岩强度参数且为当前所施工节段的隧道围岩岩体的内摩擦角；σc为当前所施工节段的隧道围岩岩体的单轴抗压强度；r0为当前所施工节段的隧道等效开挖半径，E为当前所施工节段的隧道围岩岩体的综合弹性模量，μ为当前所施工节段的隧道围岩岩体的泊松比，为支护完成后当前所施工节段的隧道围岩塑性区等效半径，P0、σc和E的单位均为Pa，r0和的单位均为m；公式(3)中，Pi为对软岩隧道进行初期支护时所采用锚杆(2)的支护阻力且其单位为Pa；c为当前所施工节段的隧道围岩岩体的粘聚力且其单位为Pa，A和t均为系数，公式(4)中，G为当前所施工节段的隧道围岩岩体的岩体剪切模量且其单位为Pa，Ea为锚杆的弹性模量且其单位为Pa，As为锚杆的横截面积且其单位为m2，rb为锚杆的内端至当前所施工节段的隧道中心点的距离且其单位m，k为支护系数且k＝0.8，为支护前当前所施工节段的隧道表面围岩的位移值且其单位为m；Pmax为锚杆杆体上的轴向拉力最大值且其单位为N；公式(1)中，S2为软岩隧道表面围岩碎胀变形后的位移量，公式(5)中，Kp为当前所施工节段的隧道围岩岩体的碎胀系数，为支护完成后当前所施工节段的隧道围岩松动圈等效半径，步骤三、隧道开挖：根据步骤二中所确定的当前所施工节段的预留开挖量，由后向前对当前所施工节段进行开挖，获得开挖完成的隧道洞；步骤四、隧道初期支护结构确定：所采用的隧道初期支护结构包括多个由后向前布设且对隧道洞进行全断面支护的全断面钢支架和对隧道洞进行全断面支护的锚网喷初期支护结构，多个所述全断面钢支架的结构和尺寸均相同且其呈均匀布设，所述全断面钢支架的形状与隧道洞的横断面形状相同；所述锚网喷初期支护结构为采用锚网喷支护方法施工成型的初期支护结构，所述锚网喷初期支护结构包括多个由后向前布设的锚杆支护单元，多个所述锚杆支护单元呈均匀布设且其布设位置分别与多个所述全断面钢支架的布设位置一一对应，每个所述全断面钢支架外侧均布设有一个所述锚杆支护单元，每个所述锚杆支护单元均包括多个沿隧道洞的开挖轮廓线由前至后布设的锚杆，每个所述锚杆支护单元均与位于其内侧的所述全断面钢支架布设在隧道洞的同一个横断面上；所述锚杆支护单元中多个所述锚杆的长度均相同，所述锚杆的长度l'＝l1'+l+l2'，其中l1'＝10cm～20cm，l2'＝30cm～50cm，l为锚杆的有效长度且其单位为m，且l≥1.5m；步骤五、隧道初期支护施工：根据步骤四中所确定的隧道初期支护结构，由后向前对当前所施工节段进行隧道初期支护施工；步骤六、下一节段开挖及初期支护施工：重复步骤一至步骤五，对下一节段进行开挖及初期支护施工；步骤七、多次重复步骤六，直至完成软岩隧道的全部开挖及初期支护施工过程。上述一种软岩隧道开挖及初期支护方法，其特征是：多个所述节段的纵向长度均为10m～50m。上述一种软岩隧道开挖及初期支护方法，其特征是：步骤二中根据开挖完成后当前所施工节段的围岩向内位移理论值S，对当前所施工节段的预留开挖量进行确定时，根据公式Δd＝S+Δd1(7)进行确定；公式(7)中，Δd为当前所施工节段的预留开挖量，Δd1＝0～0.2m。上述一种软岩隧道开挖及初期支护方法，其特征是：步骤三中进行隧道开挖之前，先根据步骤二中所确定的当前所施工节段的预留开挖量，并结合当前所施工节段的设计开挖轮廓线，对当前所施工节段的实际开挖轮廓线进行确定；当前所施工节段的实际开挖轮廓线位于当前所施工节段的设计开挖轮廓线外侧且二者之间的间距为Δd；步骤三中由后向前对当前所施工节段进行开挖时，按照所确定的当前所施工节段的实际开挖轮廓线进行开挖。上述一种软岩隧道开挖及初期支护方法，其特征是：步骤三中由后向前对当前所施工节段进行开挖时，采用全断面开挖法或台阶法进行开挖。上述一种软岩隧道开挖及初期支护方法，其特征是：步骤四中所述全断面钢支架为型钢支架，所述全断面钢支架包括对隧道洞的拱墙进行支护的钢拱架和对隧道洞底部进行支护的弧形钢架，所述弧形钢架位于所述钢拱架的正下方，所述弧形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种软岩隧道开挖及初期支护方法，其特征在于：沿隧道纵向延伸方向由后向前分多个节段对所施工软岩隧道(1)进行开挖及初期支护施工，多个所述节段的开挖及初期支护施工方法均相同；对软岩隧道(1)的任一节段进行开挖及初期支护施工时，包括以下步骤：步骤一、围岩基本力学参数确定：通过对现场所取岩样进行室内试验，对当前所施工节段的围岩基本力学参数进行测试，并对测试结果进行同步记录；步骤二、隧道预留开挖量确定：根据步骤一中所确定的围岩基本力学参数，对当前所施工节段的预留开挖量进行确定；对当前所施工节段的预留开挖量进行确定时，根据支护完成后软岩隧道的围岩向内位移理论值S进行确定；其中，S＝S1+S2    (1)；公式(1)中，S1为软岩隧道表面围岩的塑性位移量，公式(2)中，P0为开挖前当前所施工节段的隧道围岩岩体的原岩应力；ξ为当前所施工节段的隧道围岩强度参数且为当前所施工节段的隧道围岩岩体的内摩擦角；σc为当前所施工节段的隧道围岩岩体的单轴抗压强度；r0为当前所施工节段的隧道等效开挖半径，E为当前所施工节段的隧道围岩岩体的综合弹性模量，μ为当前所施工节段的隧道围岩岩体的泊松比，为支护完成后当前所施工节段的隧道围岩塑性区等效半径，P0、σc和E的单位均为Pa，r0和的单位均为m；公式(3)中，Pi为对软岩隧道(1)进行初期支护时所采用锚杆(2)的支护阻力且其单位为Pa；c为当前所施工节段的隧道围岩岩体的粘聚力且其单位为Pa，A和t均为系数，公式(4)中，G为当前所施工节段的隧道围岩岩体的岩体剪切模量且其单位为Pa，Ea为锚杆(2)的弹性模量且其单位为Pa，As为锚杆(2)的横截面积且其单位为m2，rb为锚杆(2)的内端至当前所施工节段的隧道中心点的距离且其单位m，k为支护系数且k＝0.8，为支护前当前所施工节段的隧道表面围岩的位移值且其单位为m；Pmax为锚杆(2)杆体上的轴向拉力最大值且其单位为N；公式(1)中，S2为软岩隧道表面围岩碎胀变形后的位移量，公式(5)中，Kp为当前所施工节段的隧道围岩岩体的碎胀系数，为支护完成后当前所施工节段的隧道围岩松动圈等效半径，步骤三、隧道开挖：根据步骤二中所确定的当前所施工节段的预留开挖量，由后向前对当前所施工节段进行开挖，获得开挖完成的隧道洞；步骤四、隧道初期支护结构确定：所采用的隧道初期支护结构包括多个由后向前布设且对隧道洞进行全断面支护的全断面钢支架和对隧道洞进行全断面支护的锚网喷初期支护结构，多个所述全断面钢支架的结构和尺寸均相同且其呈均匀布设，所述全断面钢支架的形状与隧道洞的横断面形状相同；所述锚网喷初期支护结构为采用锚网喷支护方法施工成型的初期支护结构，所述锚网喷初期支护结构包括多个由后向前布设的锚杆支护单元，多个所述锚杆支护单元呈均匀布设且其布设位置分别与多个所述全断面钢支架的布设位置一一对应，每个所述全断面钢支架外侧均布设有一个所述锚杆支护单元，每个所述锚杆支护单元均包括多个沿隧道洞的开挖轮廓线由前至后布设的锚杆(2)，每个所述锚杆支护单元均与位于其内侧的所述全断面钢支架布设在隧道洞的同一个横断面上；所述锚杆支护单元中多个所述锚杆(2)的长度均相同，所述锚杆(2)的长度l'＝l1'+l+l2'，其中l1'＝10cm～20cm，l2'＝30cm～50cm，l为锚杆(2)的有效长度且其单位为m，且l≥1.5m；步骤五、隧道初期支护施工：根据步骤四中所确定的隧道初期支护结构，由后向前对当前所施工节段进行隧道初期支护施工；步骤六、下一节段开挖及初期支护施工：重复步骤一至步骤五，对下一节段进行开挖及初期支护施工；步骤七、多次重复步骤六，直至完成软岩隧道(1)的全部开挖及初期支护施工过程。...

【技术特征摘要】
1.一种软岩隧道开挖及初期支护方法，其特征在于：沿隧道纵向延伸方向由后向前分多个节段对所施工软岩隧道(1)进行开挖及初期支护施工，多个所述节段的开挖及初期支护施工方法均相同；对软岩隧道(1)的任一节段进行开挖及初期支护施工时，包括以下步骤：步骤一、围岩基本力学参数确定：通过对现场所取岩样进行室内试验，对当前所施工节段的围岩基本力学参数进行测试，并对测试结果进行同步记录；步骤二、隧道预留开挖量确定：根据步骤一中所确定的围岩基本力学参数，对当前所施工节段的预留开挖量进行确定；对当前所施工节段的预留开挖量进行确定时，根据支护完成后软岩隧道的围岩向内位移理论值S进行确定；其中，S＝S1+S2(1)；公式(1)中，S1为软岩隧道表面围岩的塑性位移量，公式(2)中，P0为开挖前当前所施工节段的隧道围岩岩体的原岩应力；ξ为当前所施工节段的隧道围岩强度参数且为当前所施工节段的隧道围岩岩体的内摩擦角；σc为当前所施工节段的隧道围岩岩体的单轴抗压强度；r0为当前所施工节段的隧道等效开挖半径，E为当前所施工节段的隧道围岩岩体的综合弹性模量，μ为当前所施工节段的隧道围岩岩体的泊松比，为支护完成后当前所施工节段的隧道围岩塑性区等效半径，P0、σc和E的单位均为Pa，r0和的单位均为m；公式(3)中，Pi为对软岩隧道(1)进行初期支护时所采用锚杆(2)的支护阻力且其单位为Pa；c为当前所施工节段的隧道围岩岩体的粘聚力且其单位为Pa，A和t均为系数，公式(4)中，G为当前所施工节段的隧道围岩岩体的岩体剪切模量且其单位为Pa，Ea为锚杆(2)的弹性模量且其单位为Pa，As为锚杆(2)的横截面积且其单位为m2，rb为锚杆(2)的内端至当前所施工节段的隧道中心点的距离且其单位m，k为支护系数且k＝0.8，为支护前当前所施工节段的隧道表面围岩的位移值且其单位为m；Pmax为锚杆(2)杆体上的轴向拉力最大值且其单位为N；公式(1)中，S2为软岩隧道表面围岩碎胀变形后的位移量，公式(5)中，Kp为当前所施工节段的隧道围岩岩体的碎胀系数，为支护完成后当前所施工节段的隧道围岩松动圈等效半径，步骤三、隧道开挖：根据步骤二中所确定的当前所施工节段的预留开挖量，由后向前对当前所施工节段进行开挖，获得开挖完成的隧道洞；步骤四、隧道初期支护结构确定：所采用的隧道初期支护结构包括多个由后向前布设且对隧道洞进行全断面支护的全断面钢支架和对隧道洞进行全断面支护的锚网喷初期支护结构，多个所述全断面钢支架的结构和尺寸均相同且其呈均匀布设，所述全断面钢支架的形状与隧道洞的横断面形状相同；所述锚网喷初期支护结构为采用锚网喷支护方法施工成型的初期支护结构，所述锚网喷初期支护结构包括多个由后向前布设的锚杆支护单元，多个所述锚杆支护单元呈均匀布设且其布设位置分别与多个所述全断面钢支架的布设位置一一对应，每个所述全断面钢支架外侧均布设有一个所述锚杆支护单元，每个所述锚杆支护单元均包括多个沿隧道洞的开挖轮廓线由前至后布设的锚杆(2)，每个所述锚杆支护单元均与位于其内侧的所述全断面钢支架布设在隧道洞的同一个横断面上；所述锚杆支护单元中多个所述锚杆(2)的长度均相同，所述锚杆(2)的长度l'＝l1'+l+l2'，其中l1'＝10cm～20cm，l2'＝30cm～50cm，l为锚杆(2)的有效长度且其单位为m，且l≥1.5m；步骤五、隧道初期支护施工：根据步骤四中所确定的隧道初期支护结构，由后向前对当前所施工节段进行隧道初期支护施工；步骤六、下一节段开挖及初期支护施工：重复步骤一至步骤五，对下一节段进行开挖及初期支护施工；步骤七、多次重复步骤六，直至完成软岩隧...

【专利技术属性】
技术研发人员：于远祥，陈宝平，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61