一种考虑初始地应力方向与隧道轴线关系的开挖选取方法技术

本发明专利技术提供一种考虑初始地应力方向与隧道轴线关系的开挖选取方法，涉及隧道施工技术领域。本发明专利技术包括以下步骤：首先根据要开挖隧道的沿线进行工程地质勘察，获取隧道沿线地应力方向；然后根据最大主应力方向与隧道轴线之间的空间关系作为参照标准来确定分部开挖方法。本发明专利技术通过数值模拟、综合分析和现场监测，验证了所述开挖方案的选取原则对开挖过程中的围岩变形具有很强的控制效果，该方法可为今后施工过程中开挖工法的选取提供借鉴。后施工过程中开挖工法的选取提供借鉴。后施工过程中开挖工法的选取提供借鉴。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑初始地应力方向与隧道轴线关系的开挖选取方法


[0001]本专利技术涉及隧道施工
，尤其涉及一种考虑初始地应力方向与隧道轴线关系的开挖选取方法。

技术介绍

[0002]进入二十一世纪以来，随着我国不断加大地下空间建设的投入，我国建设者们面临并解决了多种复杂的地下工程问题。在隧道施工领域，分部开挖方法已经在众多工程实践中发展成熟，但遇到初始地应力差异大，地应力主方向与隧道轴线空间关系复杂，如若没有针对性的选择合适的开挖方法，就不能使围岩充分发挥其自稳能力，进而很难达到经济且安全的目的。
[0003]地应力是指天然环境下地壳岩土体内某一点所固有的应力状态，工程区任一点的应力状态可由三个正应力分量和三个剪应力分量表示，当剪应力分量为零时，三个正应力分量为主应力。地应力是引起采矿、水利水电等各种地下工程变形和破坏的原始动力。获得工程区的初始地应力大小和方向对地下工程轴线的布置、开挖方式和选择合理的支护参数至关重要。如何根据工程区初始地应力主方向与隧道轴线之间的空间关系确定最优的开挖方法，使得开挖过程中围岩收敛变形值得到较好的控制，提高围岩稳定性，这个问题一直没有被很好的解决。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种考虑初始地应力方向与隧道轴线关系的开挖选取方法。
[0005]一种考虑初始地应力方向与隧道轴线关系的开挖选取方法，具体包括以下步骤：
[0006]步骤1、根据开挖隧道的沿线进行工程地质勘察，获取隧道沿线地应力大小与方向；
[0007]步骤2、将隧道沿线地应力的最大主应力方向与隧道轴线之间的空间关系分为：最大主应力方向与隧道轴线平行、最大主应力方向竖直且与隧道轴线垂直、最大主应力方向水平且与隧道轴线垂直三种；
[0008]步骤3、针对上述三种地应力的最大主方向与隧道轴线间的位置关系，求出在地应力作用下隧道顶部以及两侧边墙位置的径向位移；
[0009]所述径向位移通过以下步骤计算：
[0010]假设正应力以压为正，拉为负，剪应力以顺时针旋转为正、逆时针为负，极坐标系极点位于圆形隧道圆心处，极轴为极点出发的一条方向水平向右的射线，以逆时针旋转为角度的正方向，拱顶与边墙的极角分别为90
°
与0
°
，则隧道顶部以及两侧边墙位置的径向位移由以下公式求取：
[0011]隧道顶部的拱顶径向位移u
roof
如下式所示：
[0012][0013]两侧边墙位置的边墙径向位移u
wall
如下式所示：
[0014][0015]其中μ、E分别为隧道围岩的泊松比与弹性模量，σ
x
、σ
y
分别为作用于隧道上的水平应力与竖向应力，r为隧道半径；
[0016]步骤4、根据隧道拱顶、边墙两个重点位置的径向位移与分部开挖工法对围岩的约束特征，判断选用最优的分布开挖方式。
[0017]所述分部开挖工法为预留核心土法与台阶法，当最大主应力方向与隧道轴线平行及最大主应力方向竖直且与隧道轴线垂直两种条件下，采用预留核心土法开挖；当最大主应力方向水平且与隧道轴线垂直时，采用台阶法开挖。
[0018]采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
[0019]本专利技术提供一种考虑初始地应力方向与隧道轴线关系的开挖选取方法，根据最大主应力方向与隧道轴线间的空间关系，选择针对性的开挖工法可有效减小不同地应力条件下导致的隧道收敛变形，进而提高围岩自稳能力，达到经济安全的目的。
附图说明
[0020]图1为本专利技术实施例中预留核心土法开挖步序图
[0021]图2为本专利技术实施例中台阶法开挖步序图
[0022]图3为本专利技术实施例中最大主应力方向竖直且垂直于隧道轴线的空间位置示意图；
[0023]图4为本专利技术实施例中最大主应力方向水平且垂直于隧道轴线的空间位置示意图；
[0024]图5为本专利技术实施例中最大主应力方向平行于隧道轴线的空间位置示意图。
具体实施方式
[0025]下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。
[0026]为使本专利技术的内容、技术方案及特点更加清晰，特设计三个实施例并结合附图对本专利技术进行进一步详细说明，三种方案采用相同的围岩物理力学参数，见表1。
[0027]表1计算采用围岩物理力学参数
[0028]弹性模量E/MPa泊松比μ10000.35
[0029]实施例1：
[0030]以半径r＝10m的圆形隧道为例加以详细说明，具体实施步骤如下：
[0031]步骤A1、根据开挖隧道的沿线进行工程地质勘察，获取隧道沿线地应力大小方向，见表2；
[0032]表2地应力大小
[0033]σ1/MPaσ2/MPaσ3/MPa10.437.285.31
[0034]步骤A2、将隧道沿线地应力的最大主应力方向与隧道轴线之间的空间关系分为：最大主应力方向与隧道轴线平行、最大主应力方向竖直且与隧道轴线垂直、最大主应力方向水平且与隧道轴线垂直三种；
[0035]本实施例中最大主应力σ1竖直向下且垂直于隧道轴线，如图3所示。
[0036]步骤A3、针对上述地应力主方向与隧道轴线间的位置关系，求出在地应力作用下隧道顶部以及两侧边墙位置的径向位移。径向位移通过以下步骤计算：
[0037]假设正应力以压为正，拉为负，剪应力以顺时针旋转为正、逆时针为负。极坐标系极点位于圆形隧道圆心处，极轴为极点出发的一条方向水平向右的射线，以逆时针旋转为角度的正方向，拱顶与边墙的极角分别为90
°
与0
°
。则两处的径向位移可由以下公式求取：
[0038]拱顶径向位移：
[0039][0040]边墙径向位移：
[0041][0042]其中μ、E分别为隧道围岩的泊松比与弹性模量，σ
x
、σ
y
分别为作用于隧道上的水平应力与竖向应力，r为隧道半径。
[0043]通过对隧道顶部与边墙处的径向变形进行计算可得：u
roof
＝20.2mm，u
wall
＝6.4mm。由此可见在该种位置关系条件下，隧道上部位移值大于两侧位移，使隧道倾向于扁平状。计算径向位移分析不同主应力条件下隧洞的最大位移出现位置，进而选取合适的施工方法来减小最大位移的发生。
[0044]步骤A4、根据工程实际可知采用预留核心土法对掌子面挤出变形进行抑制，如图1所示，其中1
‑
1弧形导坑开挖，1
‑
2弧形导坑初期支护，2核心土开挖，3
‑
1下层左侧开挖，3
‑
2下层左侧初期支护，4
‑
1下层右侧开挖，4
‑
2下层右侧初期支护。从而减小开挖过程中掌子面前面预变形本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑初始地应力方向与隧道轴线关系的开挖选取方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、根据开挖隧道的沿线进行工程地质勘察，获取隧道沿线地应力大小与方向；步骤2、将隧道沿线地应力的最大主应力方向与隧道轴线之间的空间关系进行分类；步骤3、针对上述三种地应力的最大主方向与隧道轴线间的位置关系，求出在地应力作用下隧道顶部以及两侧边墙位置的径向位移；步骤4、根据隧道拱顶、边墙两个重点位置的径向位移与分部开挖工法对围岩的约束特征，判断选用最优的分布开挖方式。2.根据权利要求1所述的一种考虑初始地应力方向与隧道轴线关系的开挖选取方法，其特征在于，步骤2中所述空间关系分为：最大主应力方向与隧道轴线平行、最大主应力方向竖直且与隧道轴线垂直、最大主应力方向水平且与隧道轴线垂直三种。3.根据权利要求1所述的一种考虑初始地应力方向与隧道轴线关系的开挖选取方法，其特征在于，步骤3中假设正应力以压为正，拉为负，剪应力以顺时针旋转为正、逆时针为负，极坐标系极点位于圆形隧道圆心处，极轴为极点出发的一条方向水平向右的射线，以逆时针旋转为角度的正方向，拱顶与边墙的极角分别为90
°
与0
°
，计算隧道顶部以及两侧边墙位置的径向...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈涛，闫生存，何本国，佟强，薛瑞华，李萌，樊菊平，
申请(专利权)人：东北大学中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：