一种越岭隧道初期支护的优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种越岭隧道初期支护的优化设计方法，属于越岭岩石隧道工程设计领域。该方法计入了在施作隧道初期支护以前围岩先已释放了的全部弹性/弹塑性自由变形位移，进而通过本发明专利技术建立的按裸洞开挖“应力释放率”为基准的数值仿真模拟，可据此对隧道初期支护进行安全、经济而又理论上合理有序的优化设计。该方法可通过分析计算对越岭岩石隧道初期支护设计方案进行安全性和经济性评价，并进一步给定初期支护的优化设计方法。针对现今国内外工程业界对初支设计偏于保守的问题，通过该方法进行初期支护的优化设计，可以有效降低初期支护的用钢量，从而降低工程造价。

【技术实现步骤摘要】
一种越岭隧道初期支护的优化设计方法
本专利技术属于越岭岩石隧道工程设计领域，具体涉及一种越岭隧道初期支护的优化设计方法。
技术介绍
伴随着新奥工法(NATM)的兴起而提出的“收敛约束法”(convergence&confinementmethod)，使隧道与各类地下工程的支衬结构设计规整了更加清晰、明确的认识。该法强调了“围岩-隧道支护系统”共同作用的思想，并在设计中具体体现。采用“收敛约束曲线”进行支衬结构的设计计算，使隧道设计质量提升到了一个崭新层次的技术高度。在越岭隧道施工过程中，为了尽可能地使洞室开挖对围岩扰动的不利影响降至最小、且又尽早加固围岩，使围岩自身能以发挥其更大的自承和自稳能力，隧道初期支护的施作时间总是尽可能地在开挖后即实时进行。但由于其施作过程不能是瞬间就完成的，而一般都需距围岩开挖后一段时间(一般为2～3天)后才能受力，在这段时间内，洞周围岩在未受施作初期支护约束其变形的情况下、已瞬间释放了其全部的弹性和塑性变形，谓之“裸洞围岩的自由变形位移”。由于该自由变形位移的值(u0)在工程设计中难以定量考虑，设计中只好按经验估计为：裸洞围岩的自由变形位移一般可估计采用为待施作初支后实测变形位移收敛值的1.5～2.5倍左右(按日本设计界的现行做法)；或另采用较大的安全系数以确保隧道初期支护结构的安全。这样粗略的设计假定(含：国内设计界则多数都未有考虑并计入这一在初期支护施作前围岩先已释放了的上述裸洞自由变形位移情况)，在设计中将引起偏不安全或则失之过于保守的不合理结果，并将因而造成运营期可能的潜在安全隐患或则材料耗量浪费。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有技术中存在的问题，基于“收敛约束法”的设计理念，提出了一种可供定量分析、并计入隧道开挖后、在初支发挥作用前围岩先已释放了的全部自由变形位移值u0(含弹性和塑性变形，该值随洞室开挖而在瞬时间内以波速发展、尚在裸洞情况下就先已全部释放完成)，进而据此提出了越岭隧道初期支护的一种新的优化设计计算理论和方法。本设计方法计入了在施作隧道初期支护以前围岩先已释放了的全部弹性/弹塑性自由变形位移(因它们是以弹性或弹塑性波传播的速度进行的、即可视为在瞬间已全部释放完成)。进而通过本专利技术建立的按裸洞开挖“应力释放率”为基准的数值仿真模拟，可据此对隧道初期支护进行安全、经济而又理论上合理有序的优化设计。本专利技术所采用的具体技术方案如下：越岭隧道初期支护的优化设计方法，其步骤如下：S1：对目标越岭隧道进行数值建模，模型中预设初期支护参数；S2：通过数值模拟，得出隧道开挖裸洞后的自由变形阶段应力释放率u0/u1，其中u0为在施作初期支护之前裸洞洞周围岩已释放的自由变形位移，u1为岩石塑性软化直至残余强度时的极限变形值；S3：通过数值分析计算隧道初期支护各关键点位的变形位移u2，且在模拟过程中，隧道开挖后先需按照所述自由变形阶段应力释放率对开挖区进行应力释放，然后再施作初期支护；S4：确定隧道初期支护后各关键点位的最大安全位移值，并将S3中的各关键点位的变形位移u2与对应点位的最大安全位移值进行对比；若u2小于且接近于最大安全位移值，则将原初期支护方案作为最优方案；否则，需根据最佳初支等代刚度k1对原初期支护方案进行调整，使u2小于且接近于最大安全位移值。作为优选，所述的最佳初支等代刚度确定方法为：根据S2中施作初期支护之前的应力释放率和施作初期支护之后的应力释放率，基于收敛约束原理得出围岩收敛线和支护约束线的交汇点A，继而得到初期支护设计的最佳初支等代刚度k1。进一步的，施作初期支护之后的应力释放率＝u2/u1，其中u2的值从已施作过初支后目标断面的数值分析模拟结果中获得。作为优选，所述的各关键点位处的最大安全位移值＝u1/k，其中k＝1.15～1.25。作为优选，若目标越岭隧道采用分步开挖施工，则隧道每步开挖之后都要先根据其相应的应力释放率对开挖区进行该部份应力释放，然后再随后施作开挖区块的初期支护；后续区块按序施作。从图1可以看出，对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级围岩，从其由岩性所得的各物理力学参数指标，判定为下限值所对应的临界点，其裸洞自由变形阶段的开挖应力释放率，分别为：85％、80％、70％、45％和25％(见图1)。随着围岩岩性的改善，其临界点处所对应的开挖应力释放率将逐步增大。据此可知，围岩级别高低是影响其临界点位置的一个主要因素。因为各级围岩所对应的物理力学参数均处于一定大小范围，所以各级围岩所对应的临界点也有其一定范围。Ⅳ级围岩和Ⅴ级围岩临界点所对应的范围比较大，其所对应范围的应力释放率，分别为：45％～70％和25％～45％。在上述各方案中，在施作初期支护后，沿隧道周边的极限变形位移值(u1)可根据相应规范规定或从岩样试验得出；施作初期支护后，沿洞周周边的变形位移值u2则是根据数值分析模拟计算得出。本专利技术中未有涉及真实的施工监测位移值，这是因为：限于监测点布置方面的条件制约，一般地现场位移监测工作都是在初期支护施作一段时间后(至少1、2个小时以后)才开始进行监测的，此时，绝大部分弹性/弹塑性位移(以声速传播)已经完全释放，实际上能监测到的则是因软弱岩土早期流变引起的粘性滞后时效位移，其量值很小，已不具备参考价值。数值仿真分析则不存在这一问题，能够完全算得初期支护后洞周各关键点的位移值u2，使之与设计规范对洞周各关键点所规定的极限位移值u1作对比，若u2≥u1，则认定初期支护方案为不安全，需对各初支参数进行必要调整，使u2≦u1/k(u2尽可能接近但又小于于最大安全位移值u1/k)，此处k值可取1.15～1.25。通过上述所作计算，可在计入隧道开挖后沿裸洞洞周围岩在施作初期支护前先已释放了的弹性/弹塑性自由变形位移的前提下，应用数值模拟方法，通过调整锚杆长度、杆径与排距、环距以及钢拱支架的纵向排距，来进行初支优化设计，达到确保运营期结构安全性和经济性的目的。隧道初期支护后，洞周围岩变形位移(u1)与初支钢拱架排距及与锚杆纵向排距间的关系曲线如图2所示(因视围岩级别不同，图示纵、横坐标所标记的数字也将不同。图2只为示明概念，相关数字是变化的非定值。故此，图2中未能逐一分别地用数字具体标明)，通过调整钢拱架和锚杆的纵向排距，在初期支护后，其洞周围岩的变形位移将随之变化。例如：当钢拱架和锚杆的纵向排距调整至合理值时，初期支护后洞室周边围岩变形位移值将小于、且接近于初期支护后洞室周边围岩安全位移的限值，此时初期支护设计即可满足安全性又经济性的目的。如图4所示，为围岩收敛线和支护约束线的一种情况：图中①为正确的设计情况，其在初支施作前，计入了裸洞围岩先已释放了的自由变形位移值u0；而②则因未有计入u0，在上两者的初支刚度k1仍保持不变的情况下(k2＝k1)，后者对地应力释放值p2人为地估计不足，而在设计时用的过高，此时p2＞p1(p1为准确的实际地应力释放值)。按p2值设计时，将因偏于保守而造成设计浪费，施锚材料用量会不适当地过多；如图5所示，为围岩收敛线和支护约束线的另一种情况：①为计入了正确的地应力释放值p1(“应力释放率”的值(u0/u1)设定得当)；而②则为未有计入施作初支前裸洞围岩先已释放了的自由变形位移u0,在仍保持准确的地应力释放本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种越岭隧道初期支护的优化设计方法，其特征在于：实施步序如下：S1：对目标越岭隧道进行数值建模，模型中预设初期支护参数；S2：通过数值模拟，得出隧道开挖裸洞后的自由变形阶段应力释放率u0/u1，其中u0为在施作初期支护之前裸洞洞周围岩已释放的自由变形位移，u1为岩石塑性软化直至残余强度时的极限变形值；S3：通过数值分析计算隧道初期支护各关键点位的变形位移u2，且在模拟过程中，隧道开挖后先需按照所述自由变形阶段应力释放率对开挖区进行应力释放，然后再施作初期支护；S4：确定隧道初期支护后各关键点位的最大安全位移值，并将S3中的各关键点位的变形位移u2与对应点位的最大安全位移值进行对比；若u2小于且接近于最大安全位移值，则将原初期支护方案作为最优方案；否则，需根据最佳初支等代刚度k1对原初期支护方案进行调整，使u2小于且接近于最大安全位移值。

【技术特征摘要】
1.一种越岭隧道初期支护的优化设计方法，其特征在于：实施步序如下：S1：对目标越岭隧道进行数值建模，模型中预设初期支护参数；S2：通过数值模拟，得出隧道开挖裸洞后的自由变形阶段应力释放率u0/u1，其中u0为在施作初期支护之前裸洞洞周围岩已释放的自由变形位移，u1为岩石塑性软化直至残余强度时的极限变形值；S3：通过数值分析计算隧道初期支护各关键点位的变形位移u2，且在模拟过程中，隧道开挖后先需按照所述自由变形阶段应力释放率对开挖区进行应力释放，然后再施作初期支护；S4：确定隧道初期支护后各关键点位的最大安全位移值，并将S3中的各关键点位的变形位移u2与对应点位的最大安全位移值进行对比；若u2小于且接近于最大安全位移值，则将原初期支护方案作为最优方案；否则，需根据最佳初支等代刚度k1对原初期支护方案进行调整，使u2小于且接近于最大安全位移值。2.如权利要求1所述的越岭隧道初期支护的优化设计方法，其特征在于，所述的最佳初支等代刚...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈孟冲，孙钧，朱汉华，杜守继，孙亚奇，
申请(专利权)人：宁波市交通规划设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33