简支梁结构的水平层状围岩隧道临界开挖跨度计算方法技术

本发明专利技术公开了一种简支梁结构的水平层状围岩隧道临界开挖跨度计算方法，将施工阶段的隧道顶板力学计算模型等效为开挖扰动后的简支梁模型，同时提出了水平层状围岩层间粘聚力的计算模型及粘聚力的具体计算公式；通过在传统的开挖宽度模型中植入水平层状围岩层间粘聚力的理论模型，得到了与实际施工相一致的水平层状围岩隧道顶板临界开挖跨度，对于指导水平层状围岩隧道的设计与施工具有重要的意义。

Calculation Method of Critical Excavation Span of Horizontal Layered Surrounding Rock Tunnel with Simply Supported Beam Structure

The invention discloses a calculation method for critical excavation span of horizontal layered surrounding rock tunnel with simply supported beam structure. The mechanics calculation model of tunnel roof in construction stage is equivalent to the simple supported beam model after excavation disturbance. At the same time, the calculation model of cohesion between layers of horizontal layered surrounding rock and the concrete calculation formula of cohesion force are proposed. The theoretical model of cohesion between surrounding rock layers has obtained the critical excavation span of the roof of horizontal layered surrounding rock tunnel, which is consistent with the actual construction. It is of great significance to guide the design and construction of horizontal layered surrounding rock tunnel.

【技术实现步骤摘要】
简支梁结构的水平层状围岩隧道临界开挖跨度计算方法
本专利技术属于土木工程中隧道施工
，具体涉及一种考虑层间粘聚力的水平层状围岩隧道顶板安全开挖跨度计算方法，特别是一种简支梁结构的水平层状围岩隧道临界开挖跨度计算方法。
技术介绍
层状岩体是一种具有层状构造的沉积岩。全世界层状岩体分布极广，约占陆地总面积的66％。我国层状岩体分布更广，达到国土面积的77％，主要集中在西南、华中和陕北等地区。层状岩体由于具有典型的层状结构，不仅变形和强度性质具有明显的各向异性，而且岩体破坏机理及方式也明显不同于其它岩体。层状岩体的变形和破坏特征主要受岩层组合和结构面控制，在施工扰动下，往往成为非常复杂的工程问题。尤其是水平层状岩体，由于结构面呈平行分布，导致其具有明显的横观各向同性，在隧道施工过程中，拱部极易出现掉块落石、离层、弯折，甚至局部坍塌、超欠挖等工程问题。拱部掉块落石是水平层状围岩隧道施工中的通病，严重威胁施工安全，导致人员伤亡、成本增加、工期延误。随着我国交通事业的飞速发展，出现了大量的隧道工程，不可避免地会遇到水平层状围岩隧道，如太古高速的西山隧道、常吉高速的雀儿溪隧道、渝利铁路的火风山隧道等。经过多年科技攻关和工程实践，积累了一些经验，取得了一些科研成果，但水平层状围岩隧道施工中的工程问题仍然未得到有效解决。究其原因，主要是对水平层状围岩隧道顶板受力特性缺乏深入研究，没有建立合理的水平层状围岩隧道力学计算模型。与普通岩石隧道相比，水平层状围岩隧道的拱顶稳定性至关重要，而且水平层状围岩具有明显的水平层状结构和层状组合特征，各岩层间的力学性状差异远远超过它们在层厚方面的差别，和单层结构相比，层间粘聚力较强。因此，建立合理的隧道顶板力学计算模型，可为水平层状围岩隧道稳定性分析提供基础，也是解决水平层状围岩隧道施工中工程问题的关键。目前，国内外学者对水平层状围岩隧道力学计算模型进行了大量的研究。总体来看，主要采用板模型、梁模型、弹性层状半空间模型、以及摩尔-库伦准则和Hoek-Brown准则对隧道顶板力学行为进行分析。虽然得到了一些成果，但其在施工设计中一般均忽视了顶板岩体层间粘聚力，施工不同阶段的模型与实际吻合度不高，使得隧道施工中临界开挖跨度参数计算与实际施工现场差异较大，影响了施工成本及进度。
技术实现思路
本专利技术提出了一种简支梁结构的水平层状围岩隧道临界开挖跨度计算方法，设计计算中充分考虑了隧道顶板力学计算模型及水平层状围岩的层间粘聚力，及其对开挖跨度的影响，使得计算结果更符合实际工程，对水平层状围岩隧道的设计和施工有重要的指导意义，并有效降低了施工成本，提高了隧道挖掘进度。本专利技术的技术方案如下：简支梁结构的水平层状围岩隧道临界开挖跨度计算方法，包括以下步骤：【1】简支梁模型建立：将水平层状围岩隧道顶板岩体简化为简支梁模型；【2】简支梁结构层间粘聚力计算：【2.1】取水平层状围岩开挖区域支撑顶板以上的两层岩体样品，分别测量得到上层岩体的弹性模量为E1和下层岩体的弹性模量为E2，在E2<E1的情况下，按照步骤【2.2】和步骤【2.3】计算层间粘聚力g_简支；【2.2】将上层岩体和下层岩体分别等效为简支梁结构支撑的上层梁和下层梁，并按照现场施工的实际参数分别计算上层梁的荷载q上、下层梁的荷载q下、上层梁的挠度ω上和下层梁的挠度ω下，其中q上＝q1+γ1h1+g_简支；q下＝q1+γ1h1+γ2h2-g_简支；q1为围岩竖向作用力，上层岩层厚度为h1，容重为γ1，下层岩层厚度为h2，容重为γ2，g_简支为简支梁结构的层间粘聚力；【2.3】在协同变形条件下，上层梁的挠度ω上和下层梁的挠度ω下相同，计算得到得出粘聚力其中b1为上层梁的纵向长度，b2为下层梁的纵向长度；【3】简支梁结构临界开挖跨度计算：根据简支梁结构的下层梁临界荷载公式计算得到临界开挖跨度其中[σt]为下层梁体的极限抗拉强度，q3为水平围岩压力。上述简支梁结构的水平层状围岩隧道临界开挖跨度计算方法，步骤【2】中q1＝γHH＝0.45×2s-1ω其中H为隧道荷载的等效高度，γ为围岩的重度(kN/m3)，s为围岩级别，ω为宽度影响系数，ω＝1+i(B-5)；i为B每增加1m时的围岩压力增加率，B为隧道宽度，B＜5m时，取i＝0.2；B＞5m时，取i＝0.1。上述简支梁结构的水平层状围岩隧道临界开挖跨度计算方法，步骤【3】中q3＝λq1式中λ为侧压力系数；为围岩计算摩擦角(°)。上述简支梁结构的水平层状围岩隧道临界开挖跨度计算方法，步骤【2】中其中，上层梁惯性矩为I1，下层梁惯性矩为I2，b1为上层梁的纵向长度，b2为下层梁的纵向长度，a为顶板岩体开挖跨度，x为顶板梁截面所建立的局部坐标系中的x轴坐标值。本专利技术具有的有益技术效果如下：(1)本专利技术结合常规隧道施工的具体过程，将不同的施工阶段的隧道顶板力学计算模型等效为开挖初始阶段的锚固梁模型与开挖扰动后的简支梁模型，使得模型更加符合隧道的实际施工过程。(2)本专利技术针对目前隧道施工中开挖宽度计算理论模型和实际施工差别较大的问题，分析了现有开挖宽度计算理论模型中存在的问题，创新地提出了水平层状围岩层间粘聚力的计算模型及粘聚力的具体计算公式；通过在传统的开挖宽度模型中植入水平层状围岩层间粘聚力的理论模型，得到了与实际施工相一致的水平层状围岩隧道顶板临界开挖跨度，对于指导水平层状围岩隧道的设计与施工具有重要的意义。(3)本专利技术的层间粘聚力模型简单易懂，且推导出的隧道顶板临界开挖跨度公式以及中间过程公式中的字母意义明确，相关参数易于获取，具有较强的可操作性，并通过与实际工程(大梁峁隧道)监测的变形与受力参数比对分析，验证了模型的正确性。附图说明图1为本专利技术在隧道开挖初始阶段围岩剖面示意图；图2为本专利技术在隧道挖掘中间阶段围岩剖面示意图；图3为本专利技术在隧道挖掘后期阶段围岩剖面示意图；图4为本专利技术隧道围岩锚固梁模型梁体受力简图；图5为本专利技术隧道围岩锚固梁模型梁体剪力图；图6为本专利技术隧道围岩锚固梁模型梁体弯矩图；图7为本专利技术隧道围岩梁体模型等效截面坐标系轴图；图8为本专利技术隧道围岩简支梁模型梁体受力简图；图9为本专利技术隧道围岩简支梁模型梁体剪力图；图10为本专利技术隧道围岩简支梁模型梁体弯矩图。附图标记为：3—裂缝；4—隧道轮廓；5—上层岩体；6—下层岩体。具体实施方式为了使本专利技术的目的及优点更加清楚明白，以下结合附图及工程实例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。图1-3给出了隧道开挖初始阶段、中间阶段和后期阶段围岩剖面示意图，图中5和6分别表示上层岩体和下层岩体，3开挖中间阶段和后期阶段岩体形成的裂缝，4则表示隧道轮廓。图1中，在隧道毛洞开挖初始阶段，围岩受到的扰动较小，隧道顶板岩体两端支撑部位岩体尚具有较好的完整性，此时顶板以上两层岩体受上下岩层约束，既不能转动，也不能上下左右移动，故可将隧道顶板岩体简化为如图1所示的锚固梁模型。进一步的，由于锚固梁在锚固端上部承受较大的拉应力，加之隧道后续爆破施工的干扰，使得锚固梁上端达到岩体的抗拉极限，进而使得该开裂从上而下开始贯通开展(如图2所示)，最终顶板两层岩体的端部均开裂贯通(如3所示)，此时两本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.简支梁结构的水平层状围岩隧道临界开挖跨度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：【1】简支梁模型建立：将水平层状围岩隧道顶板岩体简化为简支梁模型；【2】简支梁结构层间粘聚力计算：【2.1】取水平层状围岩开挖区域支撑顶板以上的两层岩体样品，分别测量得到上层岩体的弹性模量为E1和下层岩体的弹性模量为E2，在E2

【技术特征摘要】
1.简支梁结构的水平层状围岩隧道临界开挖跨度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：【1】简支梁模型建立：将水平层状围岩隧道顶板岩体简化为简支梁模型；【2】简支梁结构层间粘聚力计算：【2.1】取水平层状围岩开挖区域支撑顶板以上的两层岩体样品，分别测量得到上层岩体的弹性模量为E1和下层岩体的弹性模量为E2，在E2<E1的情况下，按照步骤【2.2】和步骤【2.3】计算层间粘聚力g_简支；【2.2】将上层岩体和下层岩体分别等效为简支梁结构支撑的上层梁和下层梁，并按照现场施工的实际参数分别计算上层梁的荷载q上、下层梁的荷载q下、上层梁的挠度ω上和下层梁的挠度ω下，其中q上＝q1+γ1h1+g_简支；q下＝q1+γ1h1+γ2h2-g_简支；q1为围岩竖向作用力，上层岩层厚度为h1，容重为γ1，下层岩层厚度为h2，容重为γ2，g_简支为简支梁结构的层间粘聚力；【2.3】在协同变形条件下，上层梁的挠度ω上和下层梁的挠度ω下相同，计算得到得出粘聚力其中b1为上层梁的纵向长度，...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗彦斌，陈建勋，王利宝，张光伟，巩海筱，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61