基于围岩分区破裂演化分析的隧道开挖施工方法技术

本发明专利技术公开了一种基于围岩分区破裂演化分析的隧道开挖施工方法，沿纵向延伸方向由后向前分多个节段对所施工隧道进行开挖施工；对于任一节段进行开挖施工时，包括步骤：一、围岩基本力学参数确定；二、围岩分区破裂演化分析；三、隧道超前注浆加固判断；四、隧道超前注浆加固；五、隧道开挖施工；六、下一节段开挖施工；七、多次重复步骤六，直至完成所施工隧道的全部开挖施工过程。本发明专利技术步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，隧道开挖之前进行围岩分区破裂演化分析，并根据围岩分区破裂演化分析结果有目的地进行超前注浆加固，能有效保证隧道围岩稳固性和隧道安全性。

【技术实现步骤摘要】
基于围岩分区破裂演化分析的隧道开挖施工方法
本专利技术属于隧道施工
，尤其是涉及一种基于围岩分区破裂演化分析的隧道开挖施工方法。
技术介绍
进入21世纪以来，深部岩体工程的开发和利用已成为土木工程领域最为活跃的研究方向，一大批深逾千米的矿山巷道、山岭交通隧道、引水隧洞、核废料深埋处置井及石油战备储存工程等大型深埋岩体工程相继开建。据不完全统计，在国外，开采深度超过千米的金属矿山已上100座，其中大多分布在南非和俄罗斯；我国多个矿井开采深度已超过1000m。预计在未来20年，很多矿井将进入到1000～1500m的开采深度；正在运营的秦岭终南山特长公路隧道最大埋深1600m；在建榴桐寨铁路隧道右线最大埋深约1400m；此外，锦屏二级水电站开挖的引水隧道埋深达2600m；江苏金坛天然气地下储备库埋深超过1000m。深部岩体工程的赋存环境具有“三高”特征，即高地应力、高地温及高孔隙水压，并受到强烈的人为施工扰动，围岩表现出显著的时间效应并发生分区破裂、岩爆及挤压大变形等众多工程灾害问题。其中，围岩分区破裂作为深部岩体工程中的典型灾害之一，受到了国内外岩石力学工程领域专家学者的极大关注。地下洞室不仅仅为交通、水电、矿等使用，而且现代已为地下城市建设、冷藏、储油、储水、环境工程及国防工程等广泛使用，洞室可分为过水的(如引水隧洞)和不过水的(如交通隧洞)两大类。深埋洞室(也称深埋地下洞室)是指埋设大于50m的地下洞室。分区破裂是在深埋洞室围岩中破裂区与非破裂区交替性产生的特殊地质现象。长期以来，人们通过理论推导、试验分析及数值模拟等手段对分区破裂机理进行了深入研究。围岩分区破裂现象最早在20世纪80年代被E.I.Shemyakin等在深部矿山巷道中发现，如图1所示的围岩“环带状破裂”现象。方祖烈通过对我国金川镍矿区某深部巷道深部围岩的现场监测，同样得到了围岩分区破裂这一客观自然现象。为从根本上认识围岩分区破裂的形成机理及其分布规律，国内外专家学者对此进行了大量研究工作。在国外，Е.И.Шемяин等认为深部巷道围岩在卸荷条件下裂缝的产生机理与试验试件在侧向压力条件下竖向加载时穿透裂缝的形成具有相似性；М.А.Гузев等利用非欧几何的方法来研究了含缺陷介质的变形破坏问题及深部巷道周围的分区破裂化现象；I.S.Metlov等建立了围岩分区破裂的非平衡热动力学方程并对其进行了数值分析；V.E.Mirenkov指出洞室周围剪应力在倍开挖半径处呈增加趋势；C.Z.Qi等建立了深部洞室围岩分区破裂化现象的应变梯度方程。在国内，李世平通过现场锚杆的受力状态监测最早发现了围岩分区破裂的这一有趣工程问题。随后，钱七虎和顾金才等对分区破裂进行了大量开拓性的研究工作。近年来，李春睿、周小平、鲁建荣、朱训国研究了深部巷道分区破裂化的力学机制及其失稳准则；陈旭光、苏仲杰和张旭涛等开展了不同工况下围岩分区破裂的数值模拟试验；潘一山、顾金才、张强勇和袁亮通过相似材料模型试验对不同洞形、加载方式及围岩特性参数条件下的围岩分区破裂演化规律进行了研究。此外，Курленя、李英杰和周小平也讨论了围岩分区破裂的时间效应问题。综上所述，尽管人们在围岩分区破裂的现场监测、模型试验、理论分析及数值模拟等方面取得了一系列研究成果，但由于围岩分区破裂的发生发展作为一个与空间、时间密切相关的极其复杂的岩体工程问题，在分区破裂机理及时空演化规律方面依然存在很多值得研究的问题。全长锚固锚杆作为一种有效的深埋洞室主动支护技术被广泛使用。尽管现有研究得出分区破坏条件下围岩应力应变呈波峰波谷交替分布，也通过现场监测发现了围岩分区破裂时锚杆出现拉-压交替的实际工作状态，但缺乏进一步通过锚杆受力状态来反演分析洞室围岩分区破裂的基本规律。目前关于围岩分区破裂的研究尚处于初级阶段，尤其在确定围岩破裂区厚度、数量及时间方面的研究成果较少。相应地，存在深部围岩分区破裂的地下洞室开挖施工过程中存在的安全风险非常大。
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，提供一种基于围岩分区破裂演化分析的隧道开挖施工方法，其步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，隧道开挖之前进行围岩分区破裂演化分析，并根据围岩分区破裂演化分析结果有目的地进行超前注浆加固，能有效保证隧道围岩稳固性和隧道安全性。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种基于围岩分区破裂演化分析的隧道开挖施工方法，其特征在于：沿纵向延伸方向由后向前分多个节段对所施工隧道进行开挖施工，多个所述节段的开挖施工方法均相同；对于任一节段进行开挖施工时，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、围岩分区破裂演化分析：根据步骤一中所确定的围岩基本力学参数，对当前所施工节段进行围岩分区破裂演化分析，并根据分析结果对开挖完成后当前所施工洞室围岩上所存在破裂区的数量M和各破裂区的厚度分别进行确定；其中，M为整数且M≥0；当M＝0时，说明当前所施工节段围岩上不存在破裂区；当前所施工洞室为当前所施工节段开挖完成后形成的隧道洞；对当前所施工节段进行围岩分区破裂演化分析时，将当前所施工洞室围岩从内至外划分为多个围岩分区，并从内至外对多个所述围岩分区分别进行破裂分析，过程如下：步骤201、第一个围岩分区破裂分析：对当前所施工洞室外侧的第一个围岩分区进行破裂分析，包括以下步骤：步骤2011、第一个围岩分区厚度确定：根据公式(Ⅰ)，计算得出第一个围岩分区厚度l0，l0的单位为m；式(Ⅰ)中，R0为当前所施工洞室的等效开挖半径且其单位为m；ρ0为第一个围岩分区内所述锚杆的中性点半径与当前所施工洞室的等效开挖半径之和，第一个围岩分区内所述锚杆的中性点半径为第一个围岩分区内所述锚杆前端与中性点的间距；其中U为对当前所施工洞室进行支护时所采用锚杆的横截面周长且其单位为m，A为所述锚杆的横截面面积且其单位m2，Eb为所述锚杆的弹性模量且其单位为Pa，K为所述锚杆杆体单位长度上的剪切刚度系数且其单位为Pa/m；步骤2012、破裂确定：对|σr0-μ(σθ0+σz0)|与|σt|进行差值比较，并根据差值比较结果对第一个围岩分区是否存在破裂进行判断：当|σr0-μ(σθ0+σz0)|≥|σt|时，判断为第一个围岩分区存在破裂且此时第一个围岩分区为破裂围岩分区，进入步骤2013；否则，判断为当前所施工洞室围岩上不存在破裂区且M＝0，完成当前所施工洞室的围岩分区破裂演化分析过程；所述破裂围岩分区划分为一个破裂区和一个位于所述破裂区外侧的非破裂区；其中，|σt|为σt的绝对值，σt为当前所施工洞室围岩的抗拉强度且其单位为Pa，其中，m为与当前所施工洞室围岩的岩石类型和完整性有关的系数且m＝0.001～25，s为当前所施工洞室围岩的岩体完整性系数，σc为当前所施工洞室围岩岩体的单轴抗压强度且其单位为Pa；|σr0-μ(σθ0+σz0)|为σr0-μ(σθ0+σz0)的绝对值；其中，μ为当前所施工洞室的隧道围岩岩体的泊松比，σr0为第一个围岩分区弹塑性边界处的岩体在支撑压力峰值作用下的径向应力且其单位为Pa；其中，为当前所施工洞室围岩岩体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于围岩分区破裂演化分析的隧道开挖施工方法，其特征在于：沿纵向延伸方向由后向前分多个节段对所施工隧道(1)进行开挖施工，多个所述节段的开挖施工方法均相同；对于任一节段进行开挖施工时，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、围岩分区破裂演化分析：根据步骤一中所确定的围岩基本力学参数，对当前所施工节段进行围岩分区破裂演化分析，并根据分析结果对开挖完成后当前所施工洞室围岩上所存在破裂区的数量M和各破裂区的厚度分别进行确定；其中，M为整数且M≥0；当M＝0时，说明当前所施工节段围岩上不存在破裂区；当前所施工洞室为当前所施工节段开挖完成后形成的隧道洞；对当前所施工节段进行围岩分区破裂演化分析时，将当前所施工洞室围岩从内至外划分为多个围岩分区，并从内至外对多个所述围岩分区分别进行破裂分析，过程如下：步骤201、第一个围岩分区破裂分析：对当前所施工洞室外侧的第一个围岩分区进行破裂分析，包括以下步骤：步骤2011、第一个围岩分区厚度确定：根据公式

【技术特征摘要】
1.一种基于围岩分区破裂演化分析的隧道开挖施工方法，其特征在于：沿纵向延伸方向由后向前分多个节段对所施工隧道(1)进行开挖施工，多个所述节段的开挖施工方法均相同；对于任一节段进行开挖施工时，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、围岩分区破裂演化分析：根据步骤一中所确定的围岩基本力学参数，对当前所施工节段进行围岩分区破裂演化分析，并根据分析结果对开挖完成后当前所施工洞室围岩上所存在破裂区的数量M和各破裂区的厚度分别进行确定；其中，M为整数且M≥0；当M＝0时，说明当前所施工节段围岩上不存在破裂区；当前所施工洞室为当前所施工节段开挖完成后形成的隧道洞；对当前所施工节段进行围岩分区破裂演化分析时，将当前所施工洞室围岩从内至外划分为多个围岩分区，并从内至外对多个所述围岩分区分别进行破裂分析，过程如下：步骤201、第一个围岩分区破裂分析：对当前所施工洞室外侧的第一个围岩分区进行破裂分析，包括以下步骤：步骤2011、第一个围岩分区厚度确定：根据公式(Ⅰ)，计算得出第一个围岩分区厚度l0，l0的单位为m；式(Ⅰ)中，R0为当前所施工洞室的等效开挖半径且其单位为m；ρ0为第一个围岩分区内所述锚杆的中性点半径与当前所施工洞室的等效开挖半径之和，第一个围岩分区内所述锚杆的中性点半径为第一个围岩分区内所述锚杆前端与中性点的间距；其中U为对当前所施工洞室进行支护时所采用锚杆的横截面周长且其单位为m，A为所述锚杆的横截面面积且其单位m2，Eb为所述锚杆的弹性模量且其单位为Pa，K为所述锚杆杆体单位长度上的剪切刚度系数且其单位为Pa/m；步骤2012、破裂确定：对|σr0-μ(σθ0+σz0)|与|σt|进行差值比较，并根据差值比较结果对第一个围岩分区是否存在破裂进行判断：当|σr0-μ(σθ0+σz0)|≥|σt|时，判断为第一个围岩分区存在破裂且此时第一个围岩分区为破裂围岩分区，进入步骤2013；否则，判断为当前所施工洞室围岩上不存在破裂区且M＝0，完成当前所施工洞室的围岩分区破裂演化分析过程；所述破裂围岩分区划分为一个破裂区和一个位于所述破裂区外侧的非破裂区；其中，|σt|为σt的绝对值，σt为当前所施工洞室围岩的抗拉强度且其单位为Pa，其中m为与当前所施工洞室围岩的岩石类型和完整性有关的系数且m＝0.001～25，s为当前所施工洞室围岩的岩体完整性系数，σc为当前所施工洞室围岩岩体的单轴抗压强度且其单位为Pa；|σr0-μ(σθ0+σz0)|为σr0-μ(σθ0+σz0)的绝对值；其中，μ为当前所施工洞室的隧道围岩岩体的泊松比，σr0为第一个围岩分区弹塑性边界处的岩体在支撑压力峰值作用下的径向应力且其单位为Pa；其中为当前所施工洞室围岩岩体的内摩擦角，P0'为第一个围岩分区弹塑性界面上的支撑反力；为第一个围岩分区内围岩塑性区的外径且c为当前所施工洞室围岩岩体的粘聚力且其单位为Pa；A0和t均为系数，其中，G为当前所施工洞室围岩岩体的剪切模量且其单位为Pa；b为支护系数，b为常数且0＜b＜1；为支护前当前所施工洞室表面围岩的位移值且其单位为m，rb0为第一个围岩分区内所述锚杆外端至当前所施工洞室中心的距离且rb0＝l0+R0；Nmax0为第一个围岩分区内所述锚杆中性点处的锚杆所受最大轴力且B为与当前所施工洞室围岩变形相关的系数且Er为当前所施工洞室围岩岩体的综合弹性模量且其单位为Pa，P0为开挖前当前所施工洞室围岩岩体的原岩应力且其单位为Pa；Rp0为开挖后弹塑性条件下当前所施工洞室围岩的塑性区半径且其单位为m，σθ0为第一个围岩分区内围岩弹塑性边界处的切向应力且σz0为第一个围岩分区内围岩弹塑性边界处的轴向应力且σz0＝(1+2μ)P0，σθ0和σz0的单位均为Pa；步骤2013、第一个围岩分区内破裂区的厚度及破裂时间确定：根据公式对第一个围岩分区内破裂区的厚度ds0进行确定；其中，为第一个围岩分区内破裂区的外径且第一个围岩分区内破裂区的内径同时，根据公式对第一个围岩分区内破裂区的破裂时间t0进行确定；其中，t0的单位为d；a和b'均为常数，a＝0～3，b'＝50～150；M0为第一个围岩分区内围岩弹塑性界面上切向与径向之间的最大偏应力且|σr0|为σr0的绝对值；步骤202、下一个围岩分区破裂分析：对当前所施工洞室外侧的下一个围岩分区进行破裂分析；本步骤中，进行破裂分析的围岩分区为当前所施工洞室外侧的第K个围岩分区，其中K为正整数且K≥2，K＝k+1，k为正整数且k≥1；本步骤中，位于第K个围岩分区内侧的k个所述围岩分区均已完成破裂分析过程；对第K个围岩分区进行破裂分析时，包括以下步骤：步骤2021、第K个围岩分区厚度确定：根据公式计算得出第K个围岩分区厚度lk，lk的单位为m；式(Ⅲ)中，ρk为第K个围岩分区内所述锚杆的中性点半径与当前所施工洞室的等效开挖半径之和，第K个围岩分区内所述锚杆的中性点半径为第K个围岩分区内所述锚杆前端与中性点的间距；其中，Δlkz为位于第K个围岩分区内侧的k个所述围岩分区的分区厚度之和且其单位为m；步骤2022、破裂确定：对|σrk-μ(σθk+σzk)|与|σt|进行差值比较，并根据差值比较结果对第K个围岩分区是否存在破裂进行判断：当|σrk-μ(σθk+σzk)|≥|σt|时，判断为第K个围岩分区存在破裂且此时第K个围岩分区为破裂围岩分区，进入步骤2023；否则，判断为第K个围岩分区上不存在破裂区且M＝k，完成当前所施工洞室的围岩分区破裂演化分析过程；其中，|σrk-μ(σθk+σzk)|为σrk-μ(σθk+σzk)的绝对值；σrk为第K个围岩分区弹塑性边界处的岩体在支撑压力峰值作用下的径向应力且其单位为Pa；Pk为第K个围岩分区内弹塑性界面上的支撑反力且其单位为Pa，τs为当前所施工洞室围岩的残余抗剪强度且其单位为Pa，为位于第K个围岩分区内侧且与第K个围岩分区相邻的第k个围岩分区内破裂区的外径，为第k个围岩分区内破裂区的内径；为第K个围岩分区内围岩塑性区的外径且Ak为系数且其中rbk为第K个围岩分区内破裂区厚度与当前所施工洞室的等效开挖半径之和且rbk＝lk+R0；Nmaxk为第K个围岩分区内所述锚杆中性点处的锚杆所受最大轴力且σθk为第K个围岩分区内围岩弹塑性边界处的切向应力且σzk为第K个围岩分区内围岩弹塑性边界处的轴向应力且σzk＝(1+2μ)P0，σθk和σzk的单位均为Pa；步骤2023、第K个围岩分区内破裂区的厚度及破裂时间确定：根据公式对第K个围岩分区内破裂区的厚度dsk进行确定；其中，为第K个围岩分区内破裂区的外径且ΔRk＝R0+Δlkz；第K个围岩分区内破裂区的内径同时，根据公式对第K个围岩分区内破裂区的破裂时间进行tk确定；其中，tk的单位为d；Mk为第K个围岩分区内围岩弹塑性界面上切向与径向之间的最大偏应力且|σrk|为σrk的绝对值；步骤203、一次或多次重复步骤202，直至完成当前所施工洞室的围岩分区破裂演化分析过程；步骤三、隧道超前注浆加固判断：根据步骤二中所确定的破裂区数量M和各围岩分区内破裂区的破裂时间，对当前所施工节段是否需要进行隧道超前注浆加固进行判断：当M＝0或M＞0且M个围岩分区内破裂区的破裂时间均大于0时，判断为当前所施工节段无需进行隧道超前注浆加固，并进入步骤五；否则，进入步骤四；步骤四、隧道超前注浆加固：对当前所施工节段进行隧道超前注浆加固；步骤五、隧道开挖施工：沿隧道延伸方向，由后向前对当前所施工节段进行开挖施工；步骤六、下一节段开挖施工：重复步骤一至步骤五，对下一节段进行开挖施工；步骤七、多次重复步骤六，直至完成所施工隧道(1)的全部开挖施工过程。2.按照权利要求1所述的基于围岩分区破裂演化分析的隧道开挖施工方法，其特征在于：步骤2013中还需根据公式dns0＝l0-ds0，计算得出第一个围岩分区内非破裂区的厚度dns0；步骤2023中还需根据公式dnsk＝lk-dsk，计算得出第K个围...

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