一种水平软硬互层围岩隧道锚杆支护结构及方法技术

本发明专利技术提供一种水平软硬互层围岩隧道锚杆支护结构，包括支护围岩的锚杆，围岩按隧道开挖断面的中心线将开挖面分为左半断面和右半断面，左半断面和右半断面上都设有用于支护水平软硬互层围岩的锚杆，锚杆垂直于隧道开挖轮廓线布置，且与水平岩层所成夹角小于35°的隧道开挖轮廓线未布置锚杆。本发明专利技术还提供一种水平软硬互层围岩隧道锚杆支护方法。本发明专利技术提供的锚杆支护结构和方法，将与水平岩层所成夹角小于35°的隧道开挖轮廓线布置的锚杆取消，即在与水平岩层所成夹角小于35°的隧道开挖轮廓线未布置锚杆，因而减少了在隧道施工中锚杆的支护数量，不仅可以获得良好的加固效果，而且节省了锚杆支护数量，从而降低了支护材料消耗和支护成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及隧道工程
，具体涉及一种水平软硬互层围岩隧道锚杆支护结构及方法。
技术介绍
在隧道施工过程中，现今大多数的水平层状软硬互层围岩隧道施工设计方案均忽略了岩层中细观结构的影响，也就不能针对性地采取一种合理的支护优化手段，因此长期以来水平软硬互层围岩隧道的锚杆支护方面没能有一个确定且合理的方案。另一方面，在隧道支护过程中，现行支护方法主观性较大，现场支护措施完全是凭靠经验值，这使得锚杆的加固能力和围岩的自承能力均未能得到充分发挥，锚杆与围岩也未能共同承载由于隧道开挖所造成的应力释放和该过程中所产生的变形导致支护过剩。但是，本专利技术的专利技术人经过研究发现，由于水平软硬互层围岩隧道施工后，隧道围岩水平收敛变形较小，拱腰部分与岩层夹角较小的锚杆受力很小，锚杆的作用也未得到充分发挥，即目前采取的锚杆支护方式相对偏保守。现行方案虽然保证了隧道的稳定性及加固效果，但是在隧道施工中的锚杆支护数量方面造成了很大的浪费，从而增加了支护材料消耗和支护成本。
技术实现思路
针对现有技术存在的在隧道施工中锚杆支护数量方面造成很大的浪费，从而增加了支护材料消耗和支护成本的技术问题，本专利技术提供一种水平软硬互层围岩隧道锚杆支护结构及方法。本专利技术的专利技术人针对
技术介绍
关于隧道围岩水平收敛变形较小，拱腰部分与岩层夹角较小的锚杆受力很小的发现，对现有技术方案进行了数值模拟验证，得出现有方案拱腰锚杆受力小的特点，在此基础上提出了本专利技术的优化方案。具体地，对现有技术方案进行数值模拟验证的方法包括步骤：S11、获得围岩相关力学参数：采用岩石常规力学性质试验，按照《岩石物理力学性质试验规程》将所要模拟的隧道围岩加工成直径50mm、长100mm的圆柱型标准试件，通过单轴压缩试验、三轴压缩试验、剪切试验获得围岩相关力学参数，所述力学参数包括弹性模量、泊松比、密度、粘聚力和内摩擦角等。S12、现有方案数值模拟过程：(1)参数定义：对围岩材料属性中包括弹性模量、泊松比、密度在内的线性参数通过ANSYS软件中的＂mp＂命令进行定义；并选用ANSYS软件自带的弹塑性本构模型，对围岩非线性分析所需的粘聚力、内摩擦角参数采用＂tb，dp＂命令进行定义；前述岩石参数具体数值均通过步骤S11试验得到。(2)模型建立：建立隧道开挖模型，并划分网格，模型中要包括初衬和二衬，具体可以参照图1所示的隧道支护示意图来建立；岩层自上而下为第一砂岩11―第一泥岩12―第二砂岩13―第二泥岩14―第三砂岩15―第三泥岩16，具体请参考图2所示的隧道模型示意图。(3)模拟地应力：将水平方向的边界进行约束，使得边界在水平方向位移为零；对于竖直方向，底部位移同样进行限制，也为零；顶部是自由面位移不受限制，在顶部施加重力荷载，模拟上覆岩层的自重；同时，该过程中杀死锚杆及衬砌单元，保证原岩应力下锚杆及衬砌无作用。(4)模拟开挖到初衬：模拟地应力后，采用＂ekill＂命令杀死开挖岩体材料单元，进而模拟开挖过程，并采用＂ealive＂命令激活锚杆及衬砌材料单元，使其发挥作用，模拟初期支护过程。得出：水平软硬互层围岩隧道上下台阶法施工后水平收敛值＝1.944-(-1.954)＝3.90mm，水平收敛值较小，其具体请参考图3(a)所示；锚杆最小受力值2.6KN，最大受力值97.6KN，数值变化范围较大，换算后得出对应锚杆最大应力为77.9MPa，其中钢筋抗拉强度为130MPa，其具体请参考图3(b)所示。由此可见，部分锚杆受力较小。在前述对现有技术方案进行数值模拟验证的方法基础上，为了解决上述技术问题，本专利技术采用了如下的技术方案：一种水平软硬互层围岩隧道锚杆支护结构，包括支护围岩的锚杆，所述围岩按隧道开挖断面的中心线将开挖断面分为左半断面和右半断面，所述左半断面和右半断面上都设有用于支护水平软硬互层围岩的锚杆，所述锚杆垂直于隧道开挖轮廓线布置，且与水平岩层所成夹角小于35°的隧道开挖轮廓线未布置锚杆。进一步，优选与水平岩层所成夹角大于15°且小于30°的隧道开挖轮廓线未布置锚杆。本专利技术还提供一种水平软硬互层围岩隧道锚杆支护方法，包括支护围岩的锚杆，所述围岩按隧道开挖断面的中心线将开挖断面分为左半断面和右半断面，所述左半断面和右半断面上都设有用于支护水平软硬互层围岩的锚杆，所述锚杆垂直于隧道开挖轮廓线布置，将与水平岩层所成夹角小于35°的隧道开挖轮廓线布置的锚杆取消。进一步，优选将与水平岩层所成夹角大于15°且小于30°的隧道开挖轮廓线布置的锚杆取消。与现有技术相比，本专利技术提供的水平软硬互层围岩隧道锚杆支护结构，将与水平岩层所成夹角小于35°的隧道开挖轮廓线布置的锚杆取消，即在与水平岩层所成夹角小于35°的隧道开挖轮廓线未布置锚杆，因而减少了在隧道施工中锚杆的支护数量，不仅可以获得良好的加固效果，而且节省了锚杆支护数量，从而降低了支护材料消耗和支护成本；同时本专利技术本着安全、合理、经济的原则，对原设计中锚杆支护方案提出的优化设计方案，并且验证了其合理性。附图说明图1是本专利技术对现有方案进行数值模拟提供的隧道支护示意图。图2是本专利技术对现有方案进行数值模拟过程中建立的隧道模型示意图。图3(a)是本专利技术对现有方案进行验证后得出的隧道施工水平收敛(单位：m)示意图。图3(b)是本专利技术对现有方案进行验证后得出的隧道施工锚杆轴力(单位：N)示意图。图4是本专利技术提供的水平软硬互层围岩隧道锚杆支护结构示意图。图5本专利技术提供的锚杆与水平岩层所成夹角的关系示意图。图6本专利技术提供的各优化方案初期支护受力变化对比示意图。图7(a)本专利技术提供的优化方案优化后水平收敛(单位：m)示意图。图7(b)本专利技术提供的优化方案优化后锚杆轴力(单位：N)示意图。图8(a)本专利技术提供的优选方案优化后水平收敛(单位：m)示意图。图8(b)本专利技术提供的优选方案优化后锚杆轴力(单位：N)示意图。图中，11、第一砂岩；12、第一泥岩；13、第二砂岩；14、第二泥岩；15、第三砂岩；16、第三泥岩。具体实施方式为了使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本专利技术。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“径向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。在本专利技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。请参考图4所示，本专利技术提供一种水平软硬互层围岩隧道锚杆支护结构，包括支护围岩的锚杆，所述围岩按隧道开挖断面的中心线将开挖断面分为左半断面和右半断面，所述左半断面和右半断面上都设有用于支护水平软硬互层围岩的锚杆，所述锚杆垂直于隧道开挖轮廓线布置，且与水平岩层所成夹角小于35°的隧道开挖轮廓线未布置锚杆。与现有技术相比，本专利技术提供的水平软硬互层围岩隧道锚杆支护结构，将与水平岩层所成夹角小于35°的隧道开挖轮廓线布置的锚杆取消，即在与水平岩层所成夹角小于35°的隧道开挖轮廓线未布置锚杆，因而减少了在隧道施本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水平软硬互层围岩隧道锚杆支护结构，其特征在于，包括支护围岩的锚杆，所述围岩按隧道开挖断面的中心线将开挖断面分为左半断面和右半断面，所述左半断面和右半断面上都设有用于支护水平软硬互层围岩的锚杆，所述锚杆垂直于隧道开挖轮廓线布置，且与水平岩层所成夹角小于35°的隧道开挖轮廓线未布置锚杆。

【技术特征摘要】
1.一种水平软硬互层围岩隧道锚杆支护结构，其特征在于，包括支护围岩的锚杆，所述围岩按隧道开挖断面的中心线将开挖断面分为左半断面和右半断面，所述左半断面和右半断面上都设有用于支护水平软硬互层围岩的锚杆，所述锚杆垂直于隧道开挖轮廓线布置，且与水平岩层所成夹角小于35°的隧道开挖轮廓线未布置锚杆。2.根据权利要求1所述的水平软硬互层围岩隧道锚杆支护结构，其特征在于，优选与水平岩层所成夹角大于15°且小于30°的隧道开挖轮廓线未布置锚杆。3....

【专利技术属性】
技术研发人员：韩冬卿，陈钒，乔钢，陈治炜，常剑钊，孙晓冬，任松，欧阳汛，
申请(专利权)人：中电建路桥集团有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11