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，包括步骤：一、围岩基本力学参数确定；二、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的隧道锚固支护体系；三、隧道开挖及隧道初期支护施工；四、下一节段开挖及隧道初期支护施工：对下一节段进行开挖及隧道初期支护施工；五、多次重复步骤四，直至完成软岩隧道的全部开挖及隧道初期支护施工过程。本发明专利技术方法步骤简单、实现方便且使用效果好，通过对处于拉裂‑滑移式剪切破坏状态下的隧道侧墙围岩变形情况进行分析，采用隧道侧墙非对称式支护结构对隧道侧墙进行有效支护，并采用隧道拱部支护体系对隧道拱部进行有效支护，能对软岩隧道拱墙的围岩变形进行有效控制。

A soft rock tunnel excavation and initial support method

The invention discloses a soft rock tunnel excavation and initial support method, including the steps: first, the basic mechanical parameters of the surrounding rock are determined. Two, the initial support structure of the tunnel is determined: the tunnel initial support structure includes several tunnel anchorage support system which is set by the rear, and the three, the tunnel excavation and the initial support of the tunnel. Four, the next section of the excavation and tunnel initial support construction: the next section of the excavation and the initial support of the tunnel construction; five, repeated steps four, until the completion of the full excavation of the soft rock tunnel and the initial support of the tunnel construction process. The method is simple, convenient and effective. Through the analysis of the deformation of the surrounding rock of the tunnel side wall under the sliding shear failure condition, the asymmetric support structure of the tunnel side wall is used to effectively support the side wall of the tunnel, and the tunnel arch support system is used to carry out the tunnel arch. Effective support can effectively control the deformation of surrounding rock of soft rock tunnel arches.

【技术实现步骤摘要】
一种软岩隧道开挖及初期支护方法
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，随着我国交通事业的飞跃发展，大量深埋山岭隧道将穿越富水高地应力区，施工面临突泥涌水、围岩挤压大变形甚至塌方等严重问题，若支护不及时或方式不当，易导致隧道断面缩小和支护结构失稳，严重影响隧道的快速施工和日后的安全运营。长期以来，众多专家学者对软岩隧道(也称软弱围岩隧道)的围岩变形机制及其支护技术进行了深入研究。何本国等以木寨岭高地应力隧道为工程背景，分析了构造应力场下软岩隧道变形特性、能量积聚、力学响应及塑性区规律；周艺等探讨了不同支护方案下强震区软岩隧道拱顶沉降、周边收敛、地表沉降及结构内力的变化关系；汪波等分析了强震区软岩隧道的大变形特征及其成因机制；张朝强等基于地应力实测结果，分析了软岩隧道开挖期的地应力场分布与围岩变形破坏特征；陈志敏通过对高地应力软岩隧道地应力的现场实测、理论研究与数值模拟，分析了隧道围岩与支护结构相互作用的力学机制；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；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；邓博团等建立了软岩公路隧道围岩的应变软化本构模型。冒顶片帮是指矿井、隧道、涵洞开挖、衬砌过程中因开挖或支护不当，顶部或侧壁大面积垮塌造成伤害的事故。其中，隧道侧墙(也称隧道帮部、隧道侧壁或隧道边墙)在隧道围岩应力作用下变形、破坏而脱落的现象称为片帮，也称为侧墙病害；隧道顶部垮落称为冒顶。隧道开挖前，侧墙岩体处于三向应力原始稳定状态。隧道开挖后，隧道侧墙岩体所受横向水平应力被解除后变为二向应力状态，其抗压强度显著降低；同时，隧道围岩应力发生重新分布，其周边出现应力集中，侧墙岩体受力增加，当侧墙岩体的原生裂隙在隧道顶板(即隧道上方岩体)与隧道底板(即隧道下方岩体)夹持作用下的损伤积累到一定量值时，隧道侧墙便会失稳，并且当侧墙岩体中存在拉裂面时，隧道侧墙便会发生如图1-1所示的拉裂-滑移式剪切破坏，其中软岩隧道1的隧道侧墙围岩2中发生拉裂-滑移式剪切破坏的区域为侧墙坍塌区3，q为隧道顶板作用于隧道侧墙围岩2上的均布压力。尽管目前在软岩隧道围岩变形及支护技术方面取得了较多的研究成果，关于软岩隧道塌方和底鼓的研究也较为深入，但对于软岩隧道中常见隧道片帮灾害的研究尚不多见，现场的片帮处治措施仍依赖于施工经验，治理效果也并不理想。尤其是对隧道侧墙发生拉裂-滑移式剪切破坏的软岩隧道而言，几乎没有可借鉴的施工经验。另外，实践表明普氏冒落拱基本理论在一定程度上反映了客观地压规律，但针对软岩工程尚存在以下不足：第一、缺乏对隧道侧墙(也称隧道帮部)失稳条件的研究：研究表明，隧道侧墙的稳定性与岩体自身的强度、隧道埋深及隧道开挖高度等因素密切相关：当隧道侧墙岩性及隧道埋深一定时，隧道高度越大，其稳定性越差；反之亦然；因此，对于某一确定的隧道侧墙而言，应存在一个使隧道侧墙失稳的临界高度；第二、缺乏对隧道侧墙不同情况剪切滑动的研究：当隧道侧墙不稳定时，侧墙将发生剪切破坏，如图1-1所示的拉裂-滑移式剪切破坏。因而，应用普氏冒落拱基本理论计算冒落拱高度并确定围岩压力时往往存在偏差，这直接影响隧道支护参数确定的准确性。
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、实现方便且使用效果好，通过对处于拉裂-滑移式剪切破坏状态下的隧道侧墙围岩变形情况进行分析，采用隧道侧墙非对称式支护结构对隧道侧墙进行有效支护，并采用隧道拱部支护体系对隧道拱部进行有效支护，能对软岩隧道拱墙的围岩变形进行有效控制。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；所述软岩隧道为深埋隧道，所述软岩隧道的埋深H≥2B，其中B为软岩隧道的开挖宽度，H和B的单位均为m；对于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、隧道初期支护结构确定：所采用的隧道初期支护结构为对开挖成型的隧道洞拱墙进行支护的锚网喷初期支护结构，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沿隧道延伸方向由后向前布设在所述隧道洞内的隧道锚固支护体系，多个所述隧道锚固支护体系的结构均相同；每个所述隧道锚固支护体系均包括对所述隧道洞的拱部进行支护的隧道拱部支护体系和对所述隧道洞的侧墙进行支护的隧道侧墙支护体系，所述隧道拱部支护体系和所述隧道侧墙支护体系布设于同一隧道横断面上；所述隧道侧墙支护体系包括左右两个分别对所述隧道洞的左右侧墙进行支护的侧墙支护单元，两个所述侧墙支护单元呈对称布设且二者布设在同一隧道横断面上；所述隧道拱部支护体系包括对所述隧道洞的拱部进行浅层支护的隧道拱部浅层支护结构，所述隧道拱部浅层支护结构包括多个由左至右布设在所述隧道洞拱部的拱部锚杆；每个所述侧墙支护单元均为对所述隧道洞侧墙上的侧墙坍塌区进行支护的非对称式支护结构，所述侧墙坍塌区的上部与所述隧道洞的侧墙上部相平齐，所述侧墙坍塌区的横截面为直角梯形且其包括上部拉裂区和位于所述上部拉裂区正下方的下部滑移区，所述上部拉裂区的横截面为矩形，所述下部滑移区的横截面为直角三角形且其上部宽度与所述上部拉裂区的宽度相同；每个所述侧墙支护单元均包括侧墙深层支护结构和位于所述侧墙深层支护结构正下方的侧墙浅层支护结构；所述侧墙深层支护结构包括一根呈水平布设且对所述上部拉裂区进行支护的侧墙锚索，所述侧墙浅层支护结构包括多根由上至下对所述下部滑移区进行支护的侧墙锚杆，多根所述侧墙锚杆呈平行布设且其均由内至外逐渐向下倾斜；对所述隧道初期支护结构进行确定时，对所述隧道拱部支护体系和所述侧墙支护单元所采用的支护结构分别进行确定，过程如下：步骤201、隧道顶板冒落拱矢高以及侧墙坍塌区的滑移面倾角、内侧高度、外侧高度与坍塌宽度确定：结合步骤一中所确定的围岩基本力学参数，且根据公式计算得出所述隧道洞的隧道顶板冒落拱矢高h1；其中，f为当前所施工节段上覆岩层的坚固性系数，为当前所施工节段的隧道侧墙围岩岩体的内摩擦角，h4为所述隧道洞的设计开挖高度；所述隧道洞的侧墙设计高度其中c为当前所施工节段的隧道侧墙围岩岩体的粘聚力，q为当前所施工节段的上覆岩层作用于隧道侧墙围岩上的均布压力且q＝γ0(h1+h2)，γ为当前所施工节段的隧道侧墙围岩岩体的平均容重，γ0为当前所施工节段的上覆岩层的平均容重，γ和γ0的单位均为N/m3，c和q的单位均为Pa；h2为所述隧道洞的拱部设计高度，h2+h3＝h4，h1、h2、h3和h4的单位均为m；同时，结合步骤一中所确定的围岩基本力学参数，且根据公式计算得出当前所施工节段的侧墙坍塌区的滑移面倾角α；式中，ψ为当前所施工节段的隧道侧墙围岩岩体的剪胀角；所述侧墙坍塌区的滑移面倾角本文档来自技高网...

【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；所述软岩隧道(1)为深埋隧道，所述软岩隧道(1)的埋深H≥2B，其中B为软岩隧道(1)的开挖宽度，H和B的单位均为m；对于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、隧道初期支护结构确定：所采用的隧道初期支护结构为对开挖成型的隧道洞拱墙进行支护的锚网喷初期支护结构，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沿隧道延伸方向由后向前布设在所述隧道洞内的隧道锚固支护体系，多个所述隧道锚固支护体系的结构均相同；每个所述隧道锚固支护体系均包括对所述隧道洞的拱部进行支护的隧道拱部支护体系和对所述隧道洞的侧墙进行支护的隧道侧墙支护体系，所述隧道拱部支护体系和所述隧道侧墙支护体系布设于同一隧道横断面上；所述隧道侧墙支护体系包括左右两个分别对所述隧道洞的左右侧墙进行支护的侧墙支护单元，两个所述侧墙支护单元呈对称布设且二者布设在同一隧道横断面上；所述隧道拱部支护体系包括对所述隧道洞的拱部进行浅层支护的隧道拱部浅层支护结构，所述隧道拱部浅层支护结构包括多个由左至右布设在所述隧道洞拱部的拱部锚杆(6)；每个所述侧墙支护单元均为对所述隧道洞侧墙上的侧墙坍塌区(3)进行支护的非对称式支护结构，所述侧墙坍塌区(3)的上部与所述隧道洞的侧墙上部相平齐，所述侧墙坍塌区(3)的横截面为直角梯形且其包括上部拉裂区和位于所述上部拉裂区正下方的下部滑移区，所述上部拉裂区的横截面为矩形，所述下部滑移区的横截面为直角三角形且其上部宽度与所述上部拉裂区的宽度相同；每个所述侧墙支护单元均包括侧墙深层支护结构和位于所述侧墙深层支护结构正下方的侧墙浅层支护结构；所述侧墙深层支护结构包括一根呈水平布设且对所述上部拉裂区进行支护的侧墙锚索(4)，所述侧墙浅层支护结构包括多根由上至下对所述下部滑移区进行支护的侧墙锚杆(5)，多根所述侧墙锚杆(5)呈平行布设且其均由内至外逐渐向下倾斜；对所述隧道初期支护结构进行确定时，对所述隧道拱部支护体系和所述侧墙支护单元所采用的支护结构分别进行确定，过程如下：步骤201、隧道顶板冒落拱矢高以及侧墙坍塌区的滑移面倾角、内侧高度、外侧高度与坍塌宽度确定：结合步骤一中所确定的围岩基本力学参数，且根据公式...

【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；所述软岩隧道(1)为深埋隧道，所述软岩隧道(1)的埋深H≥2B，其中B为软岩隧道(1)的开挖宽度，H和B的单位均为m；对于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、隧道初期支护结构确定：所采用的隧道初期支护结构为对开挖成型的隧道洞拱墙进行支护的锚网喷初期支护结构，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沿隧道延伸方向由后向前布设在所述隧道洞内的隧道锚固支护体系，多个所述隧道锚固支护体系的结构均相同；每个所述隧道锚固支护体系均包括对所述隧道洞的拱部进行支护的隧道拱部支护体系和对所述隧道洞的侧墙进行支护的隧道侧墙支护体系，所述隧道拱部支护体系和所述隧道侧墙支护体系布设于同一隧道横断面上；所述隧道侧墙支护体系包括左右两个分别对所述隧道洞的左右侧墙进行支护的侧墙支护单元，两个所述侧墙支护单元呈对称布设且二者布设在同一隧道横断面上；所述隧道拱部支护体系包括对所述隧道洞的拱部进行浅层支护的隧道拱部浅层支护结构，所述隧道拱部浅层支护结构包括多个由左至右布设在所述隧道洞拱部的拱部锚杆(6)；每个所述侧墙支护单元均为对所述隧道洞侧墙上的侧墙坍塌区(3)进行支护的非对称式支护结构，所述侧墙坍塌区(3)的上部与所述隧道洞的侧墙上部相平齐，所述侧墙坍塌区(3)的横截面为直角梯形且其包括上部拉裂区和位于所述上部拉裂区正下方的下部滑移区，所述上部拉裂区的横截面为矩形，所述下部滑移区的横截面为直角三角形且其上部宽度与所述上部拉裂区的宽度相同；每个所述侧墙支护单元均包括侧墙深层支护结构和位于所述侧墙深层支护结构正下方的侧墙浅层支护结构；所述侧墙深层支护结构包括一根呈水平布设且对所述上部拉裂区进行支护的侧墙锚索(4)，所述侧墙浅层支护结构包括多根由上至下对所述下部滑移区进行支护的侧墙锚杆(5)，多根所述侧墙锚杆(5)呈平行布设且其均由内至外逐渐向下倾斜；对所述隧道初期支护结构进行确定时，对所述隧道拱部支护体系和所述侧墙支护单元所采用的支护结构分别进行确定，过程如下：步骤201、隧道顶板冒落拱矢高以及侧墙坍塌区的滑移面倾角、内侧高度、外侧高度与坍塌宽度确定：结合步骤一中所确定的围岩基本力学参数，且根据公式计算得出所述隧道洞的隧道顶板冒落拱矢高h1；其中，f为当前所施工节段上覆岩层的坚固性系数，为当前所施工节段的隧道侧墙围岩岩体的内摩擦角，h4为所述隧道洞的设计开挖高度；所述隧道洞的侧墙设计高度其中c为当前所施工节段的隧道侧墙围岩岩体的粘聚力，q为当前所施工节段的上覆岩层作用于隧道侧墙围岩(2)上的均布压力且q＝γ0(h1+h2)，γ为当前所施工节段的隧道侧墙围岩岩体的平均容重，γ0为当前所施工节段的上覆岩层的平均容重，γ和γ0的单位均为N/m3，c和q的单位均为Pa；h2为所述隧道洞的拱部设计高度，h2+h3＝h4，h1、h2、h3和h4的单位均为m；同时，结合步骤一中所确定的围岩基本力学参数，且根据公式计算得出当前所施工节段的侧墙坍塌区(3)的滑移面倾角α；式中，ψ为当前所施工节段的隧道侧墙围岩岩体的剪胀角；所述侧墙坍塌区(3)的滑移面倾角α为侧墙坍塌区(3)中所述下部滑移区的滑移面与水平面之间的夹角；再根据公式和分别计算得出当前所施工节段的侧墙坍塌区(3)的内侧高度h0、外侧高度z和坍塌宽度b，h0、z和b的单位均为m，α＜90°；所述上部拉裂区的高度为z且其宽度为b，所述下部滑移区的高度为h0-z；步骤202、支护结构确定：根据步骤201中确定的所述隧道洞的隧道...

【专利技术属性】
技术研发人员：于远祥，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