一种隧道施工围岩场态的判识及控制方法技术

本发明专利技术公开了一种隧道施工围岩场态的判识方法及控制方法，如下：步骤S1、建立隧道围岩极径r和围岩变形Δu

【技术实现步骤摘要】
一种隧道施工围岩场态的判识及控制方法


[0001]本专利技术属于地下工程
，具体涉及一种隧道施工围岩场态的判识及控制方法。

技术介绍

[0002]目前，钻爆法隧道修建理论主要基于新奥法原理，其核心思想是：隧道开挖后，充分考虑围岩自身承载力的前提下，选择合理的支护时机，使得围岩和支护结构的承载力均能得到充分利用。但是在实际施工中，存在诸多问题：(1)新奥法原理仅关注隧道廓面变形，对岩石可能产生的破坏重视不足；(2)传统的围岩特征曲线仅能反映新奥法的理念，在实际施工中，合理的支护时机和支护参数均难以确定；(3)传统的围岩特征曲线仅能反映对支护的需求，忽视了支护施做后，围岩应力状态可能发生的改变。因此，要在隧道设计和施工中选取最佳的支护参数和支护时机，并确保围岩开挖后至达到最终平衡的整个变形过程中围岩和结构的安全，必须建立考虑岩石强度破坏的变形控制准则，并在此基础上形成考虑支护参数和支护时机影响的围岩应力演化计算方法。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种隧道施工围岩场态的判识及控制方法，建立了隧道开挖后围岩的变形控制标准，提出了不同支护参数和支护时机下的围岩应力随变形的演化的计算方法。
[0004]本专利技术采用以下技术方案：一种隧道施工围岩场态的判识方法，该方法如下：
[0005]步骤S1、建立隧道围岩极径r和围岩变形Δu
r
的关系：
[0006][0007]分别建立隧道围岩径向应力σ
r
和切向应力σ
θ
与围岩变形Δu
r
的关系：
[0008][0009][0010]其中：a为隧道半径，σ0为初始地应力，c为岩石粘聚力，为岩石内摩擦角，G为剪切模量；
[0011]在隧道轮廓面位置，r＝a，故Δu
r
代表Δu
a
；
[0012]步骤S2、强度准则下容许的围岩变形量：
[0013]将岩石破坏时的临界条件作为强度准则：
[0014][0015]其中：切向应力σ
θ
为最大主应力σ1，径向应力σ
r
为最小主应力σ3；
[0016]岩石的应力处于强度准则下的围岩的变形量为：
[0017][0018]预留围岩的安全系数，则容许的围岩实际变形量Δu
r
满足如下：
[0019]KΔu
r
＜Δu
r
‑
max
；
[0020]其中：K为安全系数。
[0021]本专利技术还公开了一种隧道施工围岩场态的控制方法，采用上述的一种隧道施工围岩场态的判识方法，在步骤S2后还包括如下：
[0022]步骤S31、判定围岩变形过程中的应力状态：
[0023]在支护前围岩产生Δu
r0
的位移，则围岩已经产生的应力为：
[0024][0025][0026]其中：σ
r0
和σ
θ0
分别为因围岩初始位移使应力发生变化之后的围岩径向应力和切向应力；
[0027]步骤S32、施做型钢拱架+喷砼支护后，围岩产生的应力为：
[0028][0029][0030]拱架+喷砼支护提供的支护抗力p1为：
[0031]p1＝K1(Δu
a
‑
Δu
a0
)；
[0032][0033]其中：K1为拱架+喷砼支护结构的径向抗压刚度，E1和v1分别为拱架+喷砼支护结构的弹性模量和泊松比，b和a分别为圆形隧道的支护结构的圆环的外缘半径和内缘半径；
[0034]当p1＝σ
r11
时时，洞周围岩承受来自更深部岩石的径向应力，径向应力随变形的增大而增大径向，应力为：
[0035][0036][0037]且在p1＝σ
r12
时，围岩达到最终的平衡状态，变形终止，求得围岩的最终变形量Δu
a
；
[0038]将所述最终变形量Δu
a
代入所述步骤S2中的公式KΔu
r
＜Δu
r
‑
max
；如果Δu
a
满足公式时，则施做的型钢拱架+喷砼支护满足安全要求，如果不满足公式，则增加型钢拱架+喷砼的规格，直至得出施做的型钢拱架+喷砼支护满足安全要求。
[0039]本专利技术还公开了一种隧道施工围岩场态的控制方法，采用上述述的一种隧道施工围岩场态的判识方法，在步骤S2后还包括如下：
[0040]步骤S41、判定围岩变形过程中的应力状态：
[0041]在支护前围岩产生Δu
r0
的位移，则围岩已经产生的应力为：
[0042][0043][0044]其中：σ
r0
和σ
θ0
分别为因围岩初始位移使应力发生变化之后的围岩径向应力和切向应力；
[0045]步骤S42、施做系统锚杆支护后，围岩产生的应力为：
[0046][0047][0048]系统锚杆提供的支护作用力p2为：
[0049][0050]其中：E2为锚杆弹性模量，L1为锚杆长度，S
l2
为纵向间距，S
c2
为环向间距，ΔL1为锚杆伸长量。
[0051]锚头位置围岩在无支护条件下最终的变形量为：
[0052][0053]则
[0054]得锚杆的伸长量为：
[0055][0056]其中：Δu
a
为不同位置的围岩在无支护条件下最终的变形量；α1为修正系数；
[0057]当p2＝σ
r21
时，洞周围岩需要承受来自更深部岩石的径向应力，径向应力随变形的增大而增大，应力为：
[0058][0059][0060][0061]且在p2＝σ
r22
时，围岩达到最终的平衡状态，变形终止，求得围岩的最终变形量Δu
a
；
[0062]将所述最终变形量Δu
a
代入所述步骤S2中所述步骤S2中的公式KΔu
r
＜Δu
r
‑
max
；如果Δu
a
满足公式时，则施做锚杆后，围岩满足安全要求，如果不满足公式，则增加锚杆的规格，直至得出施做锚杆后围岩满足安全要求。
[0063]本专利技术还公开了一种隧道施工围岩场态的控制方法，采用上述述的一种隧道施工围岩场态的判识方法，在步骤S2后还包括如下：
[0064]步骤S51、判定围岩变形过程中的应力状态：
[0065]在支护前围岩产生Δu
r0
的位移，则围岩已经产生的应力为：
[0066][0067][0068]其中：σ
r0
和σ
θ0
分别为因围岩初始位移使应力发生变化之后的围岩径向应力和切向应力；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种隧道施工围岩场态的判识方法，其特征在于，该方法如下：步骤S1、建立隧道围岩极径r和围岩变形Δu
r
的关系：分别建立隧道围岩径向应力σ
r
和切向应力σ
θ
与围岩变形Δu
r
的关系：的关系：其中：a为隧道半径，σ0为初始地应力，c为岩石粘聚力，为岩石内摩擦角，G为剪切模量；在隧道轮廓面位置，r＝a，故Δu
r
代表Δu
a
；步骤S2、强度准则下容许的围岩变形量：将岩石破坏时的临界条件作为强度准则：其中：切向应力σ
θ
为最大主应力σ1，径向应力σ
r
为最小主应力σ3；岩石的应力处于强度准则下的围岩的变形量为：预留围岩的安全系数，则容许的围岩实际变形量Δu
r
满足如下：KΔu
r
＜Δu
r
‑
max
；其中：K为安全系数。2.一种隧道施工围岩场态的控制方法，采用权利要求1所述的一种隧道施工围岩场态的判识方法，其特征在于，在所述步骤S2后还包括如下：步骤S31、判定围岩变形过程中的应力状态：在支护前围岩产生Δu
r0
的位移，则围岩已经产生的应力为：的位移，则围岩已经产生的应力为：其中：σ
r0
和σ
θ0
分别为因围岩初始位移使应力发生变化之后的围岩径向应力和切向应力；
步骤S32、施做型钢拱架+喷砼支护后，围岩产生的应力为：步骤S32、施做型钢拱架+喷砼支护后，围岩产生的应力为：拱架+喷砼支护提供的支护抗力p1为：p1＝K1(Δu
a
‑
Δu
a0
)；其中：K1为拱架+喷砼支护结构的径向抗压刚度，E1和v1分别为拱架+喷砼支护结构的弹性模量和泊松比，b和a分别为圆形隧道的支护结构的圆环的外缘半径和内缘半径；当p1＝σ
r11
时时，洞周围岩承受来自更深部岩石的径向应力，径向应力随变形的增大而增大径向，应力为：增大径向，应力为：增大径向，应力为：且在p1＝σ
r12
时，围岩达到最终的平衡状态，变形终止，求得围岩的最终变形量Δu
a
；将所述最终变形量Δu
a
代入所述步骤S2中的公式KΔu
r
＜Δu
r
‑
max
；如果Δu
a
满足公式时，则施做的型钢拱架+喷砼支护满足安全要求，如果不满足公式，则增加型钢拱架+喷砼的规格，直至得出施做的型钢拱架+喷砼支护满足安全要求。3.一种隧道施工围岩场态的控制方法，采用权利要求1所述的一种隧道施工围岩场态的判识方法，其特征在于，在所述步骤S2后还包括如下：步骤S41、判定围岩变形过程中的应力状态：在支护前围岩产生Δu
r0
的位移，则围岩已经产生的应力为：
其中：σ
r0
和σ
θ0
分别为因围岩初始位移使应力发生变化之后的围岩径向应力和切向应力；步骤S42、施做系统锚杆支护后，围岩产生的应力为：步骤S42、施做系统锚杆支护后，围岩产生的应力为：系统锚杆提供的支护作用力p2为：其中：E2为锚杆弹性模量，L1为锚杆长度，S
l2
为纵向间距，S
c2
为环向间距，ΔL1为锚杆伸长量。锚头位置围岩在无支护条件下最终的变形量为：则得锚杆的伸长量为：得锚杆的伸长量为：其中：Δu
a
为不同位置的围岩在无支护条件下最终的变形量；α1为修正系数；当p2＝σ
r21...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪开荣，刘永胜，潘岳，谢韬，尹龙，杨朝帅，冯欢欢，陈桥，张继超，游金虎，李志军，
申请(专利权)人：中铁隧道局集团有限公司，
类型：发明
国别省市：