一种软岩隧道围岩压力的计算方法技术

本发明专利技术提供一种软岩隧道围岩压力的计算方法，包括以下几个步骤：确定软岩隧道围岩压力计算的可能影响因子；建立软岩隧道实测围岩压力数据库；确定软岩隧道围岩压力计算的关键影响因子；确定垂直围岩压力计算表达式；确定侧压力系数取值范围。其中所述可能影响因子包括隧道形状、围岩重度γ、隧道开挖跨度B、隧道开挖高度Ht、隧道埋深H、支护刚度K、围岩等级或变形等级S。所述洞室形状包括马蹄形、椭圆形、圆形和近似圆形。本发明专利技术提出影响垂直围岩压力的隧道开挖跨度、隧道埋深与变形等级3个关键影响因子，这3个影响因子对围岩压力的单因素影响规律与实际工程相符。本发明专利技术不仅适用于挤压性围岩隧道，同样适用于一般软岩隧道。

A Method for Calculating Surrounding Rock Pressure of Soft Rock Tunnel

The invention provides a method for calculating the surrounding rock pressure of soft rock tunnel, which includes the following steps: determining the possible influencing factors of the surrounding rock pressure calculation of soft rock tunnel; establishing the database of the measured surrounding rock pressure of soft rock tunnel; determining the key influencing factors of the surrounding rock pressure calculation of soft rock tunnel; determining the expression of the vertical surrounding rock pressure calculation; and determining the range of the lateral pressure coefficient. The possible influencing factors include tunnel shape, surrounding rock gravity gamma, tunnel excavation span B, tunnel excavation height Ht, tunnel depth H, support stiffness K, surrounding rock grade or deformation grade S. The shape of the chamber includes horseshoe, ellipse, circle and approximate circle. The invention proposes three key influencing factors of tunnel excavation span, tunnel burial depth and deformation grade, which influence the vertical surrounding rock pressure. The single influencing law of these three influencing factors on surrounding rock pressure is consistent with the actual engineering. The invention is not only applicable to extruded surrounding rock tunnel, but also to general soft rock tunnel.

【技术实现步骤摘要】
一种软岩隧道围岩压力的计算方法
本专利技术涉及一种软岩隧道围岩压力的计算方法。
技术介绍
目前铁路隧道、公路隧道、水工隧道、地下铁道等地下工程结构设计时，均采用荷载结构法进行设计，即把围岩和结构分开考虑，考虑永久荷载、可变荷载、偶然荷载等多种荷载分类，围岩压力是隧道结构设计时最主要的结构荷载，特别是在深埋山岭隧道结构设计时，大多数情况下，围岩压力是唯一的结构设计荷载。隧道围岩压力或称结构荷载，从狭义上讲是围岩作用于支护上的压力(围岩和支护被看成独立的两个体系)；从广义上讲，支护与围岩是一个共同体，二次应力的全部作用力视为围岩压力。可分为四类：1)松动压力：松动脱落围岩，作用在支护上的岩体的自重荷载(自然拱、掉块等等)及时支护减小松动范围、控制松动区发展。2)塑性形变压力：阻止围岩塑性变形时，作用在支护上的压力。3)冲击压力：岩体中的能量突然释放(岩爆)所形成的压力。4)膨胀压力：围岩膨胀所形成的压力目前只有松动压力及塑性形变压力能够计算，主要经验公式分类如表1所示。另外国外还有基于Q系统、RMR系统、N值围岩分级的经验方法。表1围岩压力计算公式分类汇总表最早提出围岩压力计算方法和计算公式是20世纪70-80年代，通过调研多个铁路隧道塌方资料而得出深埋隧道围岩压力计算公式，写入《铁路隧道设计规范》，一直沿用至今。公路隧道、深埋石质地下铁道均采用《铁路隧道设计规范》围岩压力计算公式。该计算公式适用于深埋隧道，围岩压力按松动压力考虑，假定隧道开挖后不回约束自由坍塌，将坍塌的岩土体重量作为确定围岩压力的依据，是根据成昆铁路、贵昆铁路、川黔铁路等共127座单线隧道417个施工坍方资料，经整理换算得出。上述《铁路隧道设计规范》中推荐的深埋隧道围岩松动压力计算公式。其规定为：单线、双线及多线铁路隧道按破坏阶段设计时垂直压力公式为：q＝γ×hq＝0.45×2S-1×γω式中hq——等效荷载高度值；S——围岩级别，如Ⅲ级围岩S＝3；(目前铁路、公路等围岩分级，均将围岩分为6个等级)γ——围岩容重；ω——宽度影响系数，其值为：ω＝1+i(B-5)其中B——坑道宽度(m)；i——B每增加1m时，围岩压力的增减率(以B＝5m为基准)，当B<5m时取i＝0.2，B>5m时，取i＝0.1。其适用条件为：(1)Ht/B<1.7(Ht为隧道开挖高度)；(2)深埋隧道；(3)不产生显著的偏压力及膨胀压力的一般围岩；(4)采用钻爆法施工的隧道。随着现代隧道施工技术的发展，可将隧道开挖引起的破坏范围控制在最小限度内，所以围岩松动压力的发展也将受到控制。在上述产生垂直压力的同时，隧道也会有侧向压力出现，即水平围岩压力e，e可按表2中的经验公式计算(一般取平均值)，其适用条件同垂直压力公式。表2水平均布松动压力围岩级别Ⅰ～ⅡⅢⅣⅤⅥ水平围岩压力0<0.15q(0.15～0.3)q(0.3～0.5)q(0.5～1.0)q在围岩压力的4个分类(松动压力、形变压力、冲击压力、膨胀压力)中，松动压力和形变压力为隧道围岩中普遍存在的压力，冲击压力和膨胀压力是指特定围岩或特定情况下存在的压力。目前只有松动压力和形变压力可用公式计算，松动压力大多采用上述《铁路隧道设计规范》推荐公式计算，而形变压力计算还没有公认的普遍适用的计算公式，目前用于形变压力计算的芬纳公式和卡斯特耐尔公式，因公式包括了太多围岩物理力学参数，在实际工程中很难获取，而未能得到推广应用。所以，相比较而言，目前还没有方便结构设计应用的形变压力计算公式。而实际工程中，对于围岩分级(全部围岩分为6级，Ⅰ-Ⅲ级为硬岩、Ⅳ-Ⅵ级变软岩)中的Ⅳ-Ⅵ级软岩，以及目前大量涌现的挤压性围岩大变形隧道而言，围岩压力以形变压力为主。因此，实际工程中，对于一般软岩及挤压性隧道，仍按常规围岩松动压力进行隧道结构设计，造成支护刚度不足而变形侵入隧道净空而反复拆换、支护开裂、钢架扭曲，甚至坍塌和二次衬砌压溃等严重问题的工程案例大量涌现。其核心问题之一是隧道结构设计时采用的围岩压力计算公式中仅考虑了松动压力，而实际上这些隧道围岩压力以形变压力为主。当设计人员试图考虑围岩形变压力时，又无据可依。(挤压性围岩是隧道工程建造中一种典型的不良地质，是在高地应力条件下，隧道周边一定范围内产生显著塑性变形或流变的岩体，具有节理裂隙发育、层间粘结力差，抗剪强度低的显著特征。围岩变形剧烈，变形量大，持续时间长，极易出现变形侵限、塌方，甚至二次衬砌压溃现象，使变形控制异常困难，施工风险极高。目前隧道结构设计时仍采用常规围岩压力进行结构设计，造成支护刚度不足而反复拆换，投资飙升，影响工期等严重问题)。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种软岩隧道围岩压力的计算方法，其涉及到软岩隧道围岩压力的计算方法和计算公式为松动压力和形变压力的共同作用。本专利技术提供一种软岩隧道围岩压力的计算方法，包括以下几个步骤：步骤一：确定软岩隧道围岩压力计算的可能影响因子；步骤二：建立软岩隧道实测围岩压力数据库；步骤三：确定软岩隧道围岩压力计算的关键影响因子；步骤四：确定垂直围岩压力计算表达式；步骤五：确定侧压力系数取值范围。优选地，所述步骤一中影响垂直围岩压力和侧压力系数的可能影响因子包括隧道形状、围岩重度γ、隧道开挖跨度B、隧道开挖高度Ht、隧道埋深H、支护刚度K、围岩等级或变形等级S。优选地，所述步骤二中围岩隧道实测围岩压力数据库中的数据包括垂直围岩压力q、侧压力系数λ、洞室形状、围岩重度γ、隧道开挖跨度B、隧道开挖高度Ht、隧道埋深H、支护刚度K和围岩等级或变形等级S。优选地，所述洞室形状包括马蹄形、椭圆形、圆形和近似圆形。优选地，所述步骤三中关键影响因子包括影响垂直围岩压力的关键影响因子以及影响侧压力系数的关键影响因子，所述影响垂直围岩压力的关键影响因子包括隧道开挖跨度B、隧道埋深H、围岩等级或变形等级S；影响侧压力系数的关键影响因子包括隧道形状、围岩等级或变形等级S。优选地，所述步骤四具体包括：通过对步骤二数据库中实测数据的散点拟合，优化步骤三中垂直围岩压力3个关键影响因子与围岩压力的线性或非线性关系式，寻求3个关键影响因子组合表达式中相关系数最大的表达式，获得垂直围岩压力得计算关系式：式中，q——垂直围岩压力，单位MPa；B——隧道开挖跨度，单位m；H——隧道埋深，单位m；S——变形等级或围岩等级；e——自然常数，e＝2.718281828；α1、α2、β1、β2——拟合常数。优选地，所述步骤五具体包括：通过对步骤二数据库中实测侧压力系数统计，分析步骤三中侧压力系数2个关键影响因子与侧压力系数的关系，获得侧压力系数取值范围如下表所示：侧压力系数λ取值λ＝e/q，其中e水平围岩压力，单位MPa，q为垂直围岩压力，单位MPa；隧道形状为马蹄形或椭圆形时取表中λ较小值，隧道形状为圆形或近似圆形时表中λ较大值。优选地，所述步骤三具体包括：分析步骤二中各可能影响因子与垂直压力的线性或非线性关系表达式的相关系数，获得与垂直围岩压力相关系数最大的三个影响因子：隧道开挖跨度B、隧道埋深H、围岩等级或变形等级S，分析步骤二中各可能影响因子与侧压力系数的关系，获得对侧压力系数影响最大的两个影响因子：隧道形状及围岩等级或变形等级本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种软岩隧道围岩压力的计算方法，其特征在于，包括以下几个步骤：步骤一：确定软岩隧道围岩压力计算的可能影响因子；步骤二：建立软岩隧道实测围岩压力数据库；步骤三：确定软岩隧道围岩压力计算的关键影响因子；步骤四：确定垂直围岩压力计算表达式；步骤五：确定侧压力系数取值范围。

【技术特征摘要】
1.一种软岩隧道围岩压力的计算方法，其特征在于，包括以下几个步骤：步骤一：确定软岩隧道围岩压力计算的可能影响因子；步骤二：建立软岩隧道实测围岩压力数据库；步骤三：确定软岩隧道围岩压力计算的关键影响因子；步骤四：确定垂直围岩压力计算表达式；步骤五：确定侧压力系数取值范围。2.根据权利要求1所述的软岩隧道围岩压力的计算方法，其特征在于，所述步骤一中影响垂直围岩压力和侧压力系数的可能影响因子包括隧道形状、围岩重度γ、隧道开挖跨度B、隧道开挖高度Ht、隧道埋深H、支护刚度K、围岩等级或变形等级S。3.根据权利要求1所述的软岩隧道围岩压力的计算方法，其特征在于，所述步骤二中软岩隧道实测围岩压力数据库中的数据包括垂直围岩压力q、侧压力系数λ、洞室形状、围岩重度γ、隧道开挖跨度B、隧道开挖高度Ht、隧道埋深H、支护刚度K和围岩等级或变形等级S。4.根据权利要求3所述的软岩隧道围岩压力的计算方法，其特征在于，所述洞室形状包括马蹄形、椭圆形、圆形和近似圆形。5.根据权利要求1所述的软岩隧道围岩压力的计算方法，其特征在于，所述步骤三中关键影响因子包括影响垂直围岩压力的关键影响因子以及影响侧压力系数的关键影响因子，所述影响垂直围岩压力的关键影响因子包括隧道开挖跨度B、隧道埋深H、围岩等级或变形等级S；影响侧压力系数的关键影响因子包括隧道形状、围岩等级或变形等级S。6.根据权利要求5所述的软岩隧道围岩压力的计算方法，其特征在于，所述步骤四具体包括：通过对步骤二数据库中实测数据的散点拟合，优化步骤三中垂直围岩压力3个关键影响因子与围岩压力的线性或非线性关系式，寻求3个关键影响因子组合表达式中相关系数最大的表达式，获得垂直围岩压力得计算关系式：式中，q——垂直围岩压力，单位MPa；B——隧道开挖跨度，单位m；H——隧道埋深，单位m；S——变形等级或围岩等级；e——自然常数，e＝2.718281828；α1、α2、β1、β2——拟合常数。7.根据权利要求5所述的软岩隧道围岩压力的计算方法，其特征在于，所述步骤五具体包括：通过对步骤二数据库中实测侧压力系数统计，分析步骤三中侧压力系数2个关键影响因子与侧压力系数的关系，获得侧压力系数取值范围如下表所示：侧压力系数λ取值λ＝e/q，其中e水平围岩压力，单位MPa，q为垂直围...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志春，李国良，李雷，李宁，朱永全，王光英，
申请(专利权)人：石家庄铁道大学，中铁第一勘察设计院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：河北,13