一种连拱隧道围岩应力释放率估算方法技术

本发明专利技术公开了一种连拱隧道围岩应力释放率估算方法，包括：获取钻孔坐标系下连拱隧道围岩测试断面处的原始地应力分量；开挖先导洞获取先导洞监测断面处的岩体变形参数；在先导洞上布置应力释放率测量孔；在测量孔内粘贴三向应变花并封堵；浇筑中导墙并设置测量接头，获取各个三向应变花上三个方向的应变初始值；依次开挖先行洞和后行洞，并测量各个三向应变花的应变值；根据计算获得施工引起的各个三向应变花在钻孔坐标系下的正应变改变量和正应力改变量，进而获得施工引起的各个三向应变花在钻孔坐标系下的应力释放率，进而获得整个隧道施工过程中的应力释放率变化过程；测量过程简单，能显著减少工程中衬砌的开裂、塌方和渗水。水。水。

【技术实现步骤摘要】
一种连拱隧道围岩应力释放率估算方法


[0001]本专利技术属于岩土力学
，更具体地，涉及一种连拱隧道围岩应力释放率估算方法。

技术介绍

[0002]我国云南地区地形、地质条件复杂，高等级公路建设中遇到大量的桥梁、隧道工程，由于公路隧道设计受到山岭重丘区的线形、隧址区工程地质情况和工程造价等因素的限制，线路中多采用了双连拱隧道设计方案，取得了较好的经济和社会效益。双连拱隧道的优点主要体现在以下方面：(1)避免了洞口分幅路基，减少占地；(2)隧道两端接线要求不高，接线工程量小且接线线形较为顺畅；(3)在傍山或垭口地形有利于洞口位置的选择，并可减少隧道长度；(4)避免洞口大桥分幅，特别是跨河大桥；(5)可以减少洞口边坡开挖，有利于环境保护。
[0003]由于双连拱隧道跨度大，结构复杂，开挖和支护交错进行，围岩和支护结构受到多次施工影响和扰动，其力学行为十分复杂，加之双连拱隧道设计段经常存在浅埋、偏压和围岩复杂等不利条件，其力学行为更为复杂，使得双连拱隧道的设计与施工都更为困难，在工程建设中也发现和产生了较多问题，说明当前的设计与施工技术仍有待提高与完善，工程中，存在的问题与不足主要有：(1)双连拱隧道结构复杂，施工工序多，施工过程和施工结束后隧道结构上的荷载难于确定，因此设计存在一定的盲目性，总体支护体系强度普遍偏高，但在局部位置又相对偏弱，支护效果差，工程中经常发生衬砌的开裂、塌方和渗水等问题；（2）当前连拱隧道的开挖顺序与支护时机选择尚没有形成完善的理论，根据工程经验形成的认识有待通过理论分析与现场监测来验证。
[0004]要解决上述两个瓶颈问题，重点在于了解连拱隧道施工过程中围岩应力的演化规律，特别是受到隧道开挖扰动影响的应力释放作用规律是确定合理施工工序、完善支护结构设计的关键。而目前，确定应力释放率的方法大多基于概念推导或者工程经验，缺少能在施工现场实际测量的技术方法。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供一种连拱隧道围岩应力释放率估算方法，通过在施工现场实际测量能够有效地得到连拱隧道整个施工过程中围岩的应力变化情况，能够充分的了解连拱隧道施工过程中受到开挖扰动影响下的围岩应力释放率作用规律，合理确定连拱隧道的支护结构设计、支护时机优化等重要参数，确定连拱隧道施工的合理顺序，能显著减少工程中经常发生衬砌的开裂、塌方和渗水等问题。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术提供一种连拱隧道围岩应力释放率估算方法，包括如
下步骤：S1:根据大地坐标系下连拱隧道围岩测试断面处的原始地应力分量获得钻孔坐标系下连拱隧道围岩测试断面处的原始地应力分量；S2:开挖先导洞，获取先导洞监测断面处的岩体变形参数；S3:在先导洞的指定监测断面的顶部和底部分别布置应力释放率测量孔；S4:在两个测量孔内分别选取5处测试点分别粘贴三向应变花，并封堵；S5:在封堵后的两个测量孔之间浇筑中导墙，在中导墙上设置与两个测量孔内各个三向应变花分别连接的测量接头，通过测量装置连接测量接头分别获取各个三向应变花上三个方向的应变初始值；S6:依次开挖先行洞和后行洞，分别测量先行洞和后行洞分别施工完毕后各个三向应变花上三个方向的应变值；S7:根据各个三向应变花上三个方向的应变初始值和先行洞、后行洞分别施工完毕后各个三向应变花上三个方向的应变值分别获得先行洞和后行洞开挖引起的各个三向应变花上三个方向应变改变量；根据各个三向应变花上三个方向应变改变量获得先行洞和后行洞开挖引起的各个三向应变花在钻孔坐标系下的正应变改变量；S8:依据虎克定律分别获得先行洞和后行洞开挖引起的各个三向应变花在钻孔坐标系下的正应力改变量；S9:根据所述正应力改变量以及钻孔坐标系下连拱隧道围岩测试断面处原始地应力分量获得先行洞开挖和后行洞开挖引起的各个三向应变花在钻孔坐标系下的应力释放率，进而获得整个隧道施工过程中的应力释放率变化过程。
[0007]进一步地，步骤S2中所述先导洞监测断面处的岩体变形参数包括弹性模量和泊松比；步骤S4还包括在上下两个应力释放率测量孔内分别设置无缝钢管，将每个三向应变花的导线套入相应的无缝钢管的导线通道并引出相应的测量孔外。
[0008]进一步地，步骤S7中先行洞开挖引起的各个三向应变花处的三个方向应变改变量包括：先行洞开挖引起的第个三向应变花的第一方向应变改变量、第二方向应变改变量以及第三方向应变改变量，三者分别通过式（6）、式（7）以及式（8）表示：（6）（7）（8）其中，为第1，2，3,4，5个三向应变花，；为第个三向应变花的第一方向应变初值；为第个三向应变花的第二方向应变初值；为第个三向应变花的第三方向应变初值；为先行洞施工完毕后测得的第个三向应变花的第一
方向应变值；为先行洞施工完毕后测得的第个三向应变花的第二方向应变值；为先行洞施工完毕后测得的第个三向应变花的第三方向应变值。
[0009]进一步地，步骤S7中先行洞开挖引起的各个三向应变花在钻孔坐标系的三个坐标轴方向的正应变改变量包括：先行洞开挖引起的第个三向应变花在钻孔坐标系方向正应变改变量、方向正应变改变量以及方向正应变改变量，三者分别通过式（9）、式（10）以及式（11）表示：（9）（10）（11）其中，、和分别为第个三向应变花的第个应变片与钻孔坐标系的三个坐标轴轴、轴和轴之间的方向余弦，其中，;。
[0010]进一步地，步骤S8中先行洞开挖引起的各个三向应变花在钻孔坐标系下的正应力改变量包括：先行洞开挖引起的第个三向应变花在钻孔坐标系方向正应力改变量、方向正应力改变量以及方向正应力改变量；三者分别通过式（18）、式（19）以及式（20）表示： （18）（19）（20）；其中，为弹性模量，为泊松比。
[0011] 进一步地，步骤S9中先行洞开挖引起的各个三向应变花在钻孔坐标系下的应力释放率包括：先行洞开挖引起的第个三向应变花在钻孔坐标系方向的应力释放率、方向的应力释放率以及方向的应力释放率；三者分别通过式（24）、式（25）以及式（26）表示：（24）
（25）（26）其中，、、分别为连拱隧道围岩测试断面处原始地应力在钻孔坐标系下轴方向、轴方向和轴方向的分量。
[0012]进一步地，步骤S7中后行洞开挖引起的各个三向应变花处的三个方向应变改变量包括：后行洞开挖引起的第个三向应变花的第一方向应变改变量、第二方向应变改变量以及第三方向应变改变量，三者分别通过式（12）、式（13）以及式（14）表示：（12）（13）（14）其中，为先行洞施工完毕后测得的第个三向应变花的第一方向应变值；为先行洞施工完毕后测得的第个三向应变花的第二方向应变值；为先行洞施工完毕后测得的第个三向应变花的第三方向应变值。
[0013] 进一步地，步骤S7中后行洞开挖引起的各个三向应变花在钻孔坐标系下的正应变改变量包括：后行洞开挖引起的第个三向应变花在钻孔坐标系方向正应变改变量、方向正应变改变量以及方向正应变改变量，三者分别通过式（15）、式（16）以及式（17）表示：（15）（16）（17）。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种连拱隧道围岩应力释放率估算方法，其特征在于，包括如下步骤：S1:根据大地坐标系下连拱隧道围岩测试断面处的原始地应力分量获得钻孔坐标系下连拱隧道围岩测试断面处的原始地应力分量；S2:开挖先导洞，获取先导洞监测断面处的岩体变形参数；S3:在先导洞的指定监测断面的顶部和底部分别布置应力释放率测量孔；S4:在两个测量孔内分别选取5处测试点分别粘贴三向应变花，并封堵；S5:在封堵后的两个测量孔之间浇筑中导墙，在中导墙上设置与两个测量孔内各个三向应变花分别连接的测量接头，通过测量装置连接测量接头分别获取各个三向应变花上三个方向的应变初始值；S6:依次开挖先行洞和后行洞，分别测量先行洞和后行洞分别施工完毕后各个三向应变花上三个方向的应变值；S7:根据各个三向应变花上三个方向的应变初始值和先行洞、后行洞分别施工完毕后各个三向应变花上三个方向的应变值分别获得先行洞和后行洞开挖引起的各个三向应变花上三个方向应变改变量；根据各个三向应变花上三个方向应变改变量获得先行洞和后行洞开挖引起的各个三向应变花在钻孔坐标系下的正应变改变量；S8:依据虎克定律分别获得先行洞和后行洞开挖引起的各个三向应变花在钻孔坐标系下的正应力改变量；S9:根据所述正应力改变量以及钻孔坐标系下连拱隧道围岩测试断面处原始地应力分量获得先行洞开挖和后行洞开挖引起的各个三向应变花在钻孔坐标系下的应力释放率，进而获得整个隧道施工过程中的应力释放率变化过程。2.根据权利要求1所述的一种连拱隧道围岩应力释放率估算方法，其特征在于：步骤S2中所述先导洞监测断面处的岩体变形参数包括弹性模量和泊松比；步骤S4还包括在上下两个应力释放率测量孔内分别设置无缝钢管，将每个三向应变花的导线套入相应的无缝钢管的导线通道并引出相应的测量孔外。3. 根据权利要求2所述的一种连拱隧道围岩应力释放率估算方法，其特征在于：步骤S7中先行洞开挖引起的各个三向应变花处的三个方向应变改变量包括：先行洞开挖引起的第个三向应变花的第一方向应变改变量、第二方向应变改变量以及第三方向应变改变量，三者分别通过式（6）、式（7）以及式（8）表示：（6）（7）（8）其中，为第1，2，3,4，5个三向应变花，；为第个三向应变花的第一方向应变初值；为第个三向应变花的第二方向应变初值；为第个三向
应变花的第三方向应变初值；为先行洞施工完毕后测得的第个三向应变花的第一方向应变值；为先行洞施工完毕后测得的第个三向应变花的第二方向应变值；为先行洞施工完毕后测得的第个三向应变花的第三方向应变值。4. 根据权利要求3所述的一种连拱隧道围岩应力释放率估算方法，其特征在于：步骤S7中先行洞开挖引起的各个三向应变花在钻孔坐标系下的正应变改变量包括：先行洞开挖引起的第个三向应变花在钻孔坐标系方向正应变改变量、方向正应变改变量以及方向正应变改变量，三者分别通过式（9）、式（10）以及式（11...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈孟龙，梁艳峰，邹晓宏，郭跃文，王云龙，李根龙，汤华，秦雨樵，葛修润，吴振君，张勇慧，袁从华，邓琴，尹小涛，
申请(专利权)人：西双版纳景海高速公路建设投资有限公司中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：