考虑围岩应力主轴旋转的深埋隧道主动控制支护设计方法技术

本发明专利技术涉及一种考虑围岩应力主轴旋转的深埋隧道主动控制支护设计方法，包括：获取并动态更新隧道开挖面岩体原位力学参数与工程参数，并确定岩体强度参数；建立三维数值模型，按照现场全断面或分部开挖的实际开挖进尺模拟开挖，记录隧道围岩监测断面关键位置位移、应力的变化情况及弹塑性状态；根据三维数值模型，绘制主应力状态随开挖步变化的曲线，明确应力主轴旋转对岩体强度、强度参数及破坏模式的影响程度；提出两种应力控制方法来改善岩体应力状态；根据应力控制方法来正分析指导支护设计，采用主动控制措施实现深埋隧道围岩稳定应力控制和主动控制。与现有技术相比，本发明专利技术具有提高了支护设计的可靠性和科学性等优点。具有提高了支护设计的可靠性和科学性等优点。具有提高了支护设计的可靠性和科学性等优点。

【技术实现步骤摘要】
考虑围岩应力主轴旋转的深埋隧道主动控制支护设计方法


[0001]本专利技术涉及隧洞数值模拟分析领域，尤其是涉及一种考虑围岩应力主轴旋转的深埋隧道主动控制支护设计方法。

技术介绍

[0002]随着交通隧道的需求和建设力度逐渐增大，深埋、超深埋隧道建设将迎来新的发展机遇。大量和长期的现场应力监测结果表明，深埋岩体隧道的开挖过程往往处于真三维应力状态，隧道开挖过程中应力大小和方向都将产生显著的变化，进一步增加了围岩应力的复杂性。开挖卸荷作用导致应力重分布带来的工程灾变问题在深埋隧道中尤其显著，其根本原因是高地应力和复杂应力环境下的卸荷岩体非线性力学响应。浅部岩体工程大多处于观察和经验设计阶段，深部工程对动态设计提出了更高的要求，以应对具有高隐蔽性和强不确定性的深部岩体。计算参数变异变异性大，开挖三维空间效应和纵向影响范围不确定性大，不能保证支护时机和围岩稳定的最佳状态。与浅埋隧道相比，深埋隧道开挖三维空间效应和开挖纵向影响范围很广，若围岩稳定支护时间设计直接沿用浅埋隧道经验，支护后还存在更多未释放变形，将在后续开挖作用在支护结构上，导致多次拆换钢拱架本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑围岩应力主轴旋转的深埋隧道主动控制支护设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)基于隧道工程现场地质探测、开挖面岩体参数数字化原位测试与分析，实时获取并动态更新隧道开挖面岩体原位力学参数与工程参数，并基于岩体原位力学参数确定岩体强度参数；步骤2)基于工程参数、原位力学参数和岩体强度参数，建立考虑岩体三维强度及屈服准则的深埋隧道开挖三维数值模型，按照现场全断面或分部开挖的实际开挖进尺模拟开挖，记录随着开挖面推进隧道围岩监测断面关键位置位移、应力的变化情况及弹塑性状态；步骤3)根据深埋隧道开挖三维数值模型，提取监测断面洞周围岩关键岩石单元的应力分量，计算主应力大小及方向，分析其随开挖的分布演化，判断关键岩石单元的弹塑性状态，塑性代表已屈服，并绘制主应力状态随开挖步变化的曲线，从而快速分析深埋隧道开挖三维空间效应，找寻主应力大小及方向变化规律及对岩体强度、强度参数和岩体破坏模式的影响，明确应力主轴旋转对岩体强度、强度参数及破坏模式的影响程度；步骤4)由步骤3)的分析结果，根据应力主轴旋转对岩体强度、强度参数及破坏模式的影响程度，提出“降低最大主应力的应力转移”和“提高最小主应力的应力补偿”两种应力控制方法来改善岩体应力状态，使得岩体从不稳定状态转变到稳定状态；步骤5)根据步骤4)的两种应力控制方法来正分析指导支护设计，采用主动控制措施实现深埋隧道围岩稳定应力控制和主动控制，其中，所述主动控制措施包括对开挖面顶部前方超前注浆、开挖面超前核心岩体加固、开挖后安装钢拱架、打设锚杆。2.根据权利要求1所述的一种考虑围岩应力主轴旋转的深埋隧道主动控制支护设计方法，其特征在于，所述岩体原位力学参数包括初始地应力，应变软化系数，岩石的密度、弹性模量、泊松比、软硬程度，测定岩石单轴抗压强度，地质强度指标，爆破扰动系数。3.根据权利要求1所述的一种考虑围岩应力主轴旋转的深埋隧道主动控制支护设计方法，其特征在于，所述工程参数包括隧道半径、支护力。4.根据权利要求1所述的一种考虑围岩应力主轴旋转的深埋隧道主动控制支护设计方法，其特征在于，所述基于岩体原位力学参数确定岩体强度参数的计算方法为：其中，m
b
、s、a是岩体强度参数，m
i
，GSI，D均为岩体原位力学参数，m
i
是岩石的软硬程度，GSI是地质强度指标，D是爆破扰动系数。5.根据权利要求4所述的一种考虑围岩应力主轴旋转的深埋隧道主动控制支护设计方法，其特征在于，所述步骤2)包括以下步骤：步骤2
‑
1)采用三维屈服准则GZZ建立考虑岩体三维强度及屈服准则的深埋隧道开挖三维数值模型，GZZ准则如下所示：
式中，I1，J2和J3分别为第一应力不变量，偏应力第二不变量和偏应力第三不变量，σ
c
为岩石单轴抗压强度，步骤2
‑
2)基于现场开挖面处岩体力学参数确定等效岩体粘聚力c和等效岩体内摩擦角2)基于现场开挖面处岩体力学参数确定等效岩体粘聚力c和等效岩体内摩擦角2)基于现场开挖面处岩体力学参数确定等效岩体粘聚力c和等效岩体内摩擦角式中，σ
3max
为最大围压上限；最大围压上限σ
3max
与岩体强度σ
cm
的关系如下：式中，γ为岩体重度，H为隧道埋深，γ
i
和h
i
分别为上覆岩层重度和岩层厚度；步骤2
‑
3)三维数值模型边界条件通过现场微压裂测试和地勘资料，综合得到隧址区最大主应力和最小主应力方向的侧压系数λ
Hv
和λ
hv
，采用下式将地应力参数转化为模型边界条件：式中，σ
v
为垂向应力，σ
H
为水平最大应力，σ
h
为水平最小应力，θ
Hy
为最大主应力方向与隧道轴线的夹角；步骤2
‑
4)将三维数值模型的隧道开挖分为开挖步和施工步，根据现场实际开挖工法和进尺选择全断面开挖或分部开挖模拟、循环进尺长度、步距参数，记录随着开挖面推进隧道围岩监测断面关键位置位移、应力的变化情况及...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡武强，朱合华，梁文灏，徐金峰，马耀财，武威，卫向阳，苏辰龙，王肖骏，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：