一种膨胀岩地区隧道衬砌破坏机制的判别方法技术

本发明专利技术涉及隧道衬砌结构病害判别领域，具体涉及一种膨胀岩地区隧道衬砌破坏机制的判别方法，包括如下步骤：（1）选取隧道典型病害断面；（2）获取典型病害断面的围岩力学参数和支护结构参数，并基于围岩力学参数计算围岩压力；（3）基于围岩压力及支护结构参数构建荷载结构模型，通过荷载结构法分析不同工况下典型病害断面不同位置处衬砌结构受力及变形破坏结果，与现有技术相比，本发明专利技术的有益效果是：（1）本发明专利技术提出了一种膨胀岩破坏机制的判别方法，通过比对衬砌典型病害发展情况与衬砌结构受力及破坏情况，得出隧道衬砌破坏原因，辨别膨胀岩隧道结构破坏机制，可进一步确定膨胀荷载和膨胀变形。载和膨胀变形。载和膨胀变形。

【技术实现步骤摘要】
一种膨胀岩地区隧道衬砌破坏机制的判别方法


[0001]本专利技术涉及隧道衬砌结构病害判别领域，具体涉及一种膨胀岩地区隧道衬砌破坏机制的判别方法。

技术介绍

[0002]膨胀岩是指与水发生物理化学反应，导致岩石含水量随时间增加，且体积随时间增大的一类岩石。膨胀岩在我国二十多个省市均有分布，随着我国隧道工程建设规模的扩大，膨胀岩隧道问题越来越突出。膨胀岩遇水发生膨胀的过程是缓慢的，所以建设期很难及时发现围岩膨胀，由此导致膨胀岩隧道衬砌结构病害问题复发率高、危害性大、治理难度大，引起了工程界的广泛关注。
[0003]目前，关于膨胀岩隧道的研究主要针对设计施工技术、病害处治措施和病害机理展开，尚缺乏科学合理的方法判断围岩吸水膨胀导致隧道结构破坏机制，从而无法准确计算围岩压力和膨胀压力。
[0004]衬砌不同破坏机制对结构的作用荷载不同，工程中采取的病害处治措施也不同，因此为科学合理处治膨胀岩隧道结构病害，保证膨胀岩隧道的安全运营，亟需提出一种判别膨胀岩隧道衬砌结构破坏机制的方法，不但具有迫切的研究价值，也具有良好的工程价值和经济效益，这正是本专利技术专利得以完成的动力所在和基础。
[0005]因此，鉴于目前存在的问题，如何利用隧道衬砌的病害发展情况建立一套完整的破坏机制判别方法，不仅开拓了隧道衬砌破坏研究新领域，也具有良好的经济效益、社会效益及工程应用潜力，这正是本专利技术得以完成的动力所在和基础。

技术实现思路

[0006]为了克服上述所指出的现有技术的缺陷，本专利技术人对此进行了深入研究，在付出了大量创造性劳动后，从而完成了本专利技术。
[0007]具体而言，本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种膨胀岩地区隧道衬砌破坏机制的判别方法，通过比对不同工况下衬砌结构受力及变形破坏结果与病害实际发展情况，得出膨胀岩隧道结构破坏机制，为隧道安全正常运营提供理论依据和技术支撑。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种膨胀岩地区隧道衬砌破坏机制的判别方法，包括如下步骤：（1）选取隧道典型病害断面；（2）获取典型病害断面的围岩力学参数和支护结构参数，并基于围岩力学参数计算围岩压力；（3）基于围岩压力及支护结构参数构建荷载结构模型，通过荷载结构法分析不同工况下典型病害断面不同位置处衬砌结构受力及变形破坏结果；（4）将不同工况下衬砌结构的受力及变形破坏结果与病害实际发展情况对比，确定膨胀岩隧道结构破坏机制。
[0009]在本专利技术中，作为一种改进，选取隧道典型病害断面包括：（1）分析隧道病害类型及膨胀岩赋存情况；（2）选取与隧道病害类型一致且膨胀岩赋存吻合的断面为典型病害断面。
[0010]在本专利技术中，作为一种改进，获取典型病害断面的围岩力学参数包括岩石变形模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角和重度；获取典型病害断面的支护结构参数包括二次衬砌混凝土弹性模量、泊松比、重度、抗压强度、抗拉强度和厚度；步骤（4）中，病害实际发展情况包括病害出现时间、随时间变化病害发展趋势及病害规模信息。
[0011]在本专利技术中，作为一种改进，所述围岩压力包括形变压力和膨胀压力，其中，形变压力为隧道围岩变形受到支护结构限制后，围岩对支护结构形成的压力；膨胀压力为围岩吸水膨胀崩解所引起的压力。
[0012]在本专利技术中，作为一种改进，所述衬砌结构受力及变形破坏结果包括衬砌结构弯矩、轴力、安全系数、水平变形量和竖向变形量。
[0013]在本专利技术中，作为一种改进，形变压力的计算方法如下：隧道洞室为圆形断面时，围岩不发生膨胀的情况下计算围岩形变压力P1，计算公式如下：；；
[0014]其中，R
p
为塑性区半径、U
r
为地应力引起的隧道表面位移，σ0为隧道深埋处原始地应力，C为粘聚力，j为内摩擦角，r0为隧道开挖半径，G为围岩的剪切模量，且G=E/[2(1+μ)]；隧道洞室为圆形断面时，围岩膨胀只产生膨胀力情况下计算围岩形变压力P1，计算公式如下：；；隧道洞室为圆形断面时，围岩膨胀产生膨胀变形且膨胀变形半径小于塑性区半径情况下计算围岩形变压力P1，计算公式如下：；
。
[0014]在本专利技术中，作为一种改进，所述步骤（3）中的不同工况包括：工况1：隧道表面位移小于工程允许值，且隧道围岩未吸水膨胀；工况2：隧道表面位移小于工程允许值，且隧道围岩吸水膨胀只产生膨胀力；工况3：隧道表面位移大于或等于工程允许值，且隧道围岩未吸水膨胀；工况4：隧道表面位移大于或等于工程允许值，且隧道围岩吸水膨胀既产生膨胀力又产生膨胀变形。
[0015]在本专利技术中，作为一种改进，所述安全系数用于判断结构是否发生破坏，安全系数判别条件如下：（1）当钢筋达到计算强度或混凝土达到抗压或抗剪极限强度，安全系数小于2.0时，达到结构破坏条件；（2）当混凝土达到抗拉极限强度，安全系数小于2.4时，达到结构破坏条件。
[0016]在本专利技术中，作为一种改进，确定隧道衬砌破坏机制包括：（1）分析工况1和工况2两种情形下的结构变形破坏结果与实际隧道病害发展趋势是否一致，两种工况均一致且围岩膨胀后结构病害类型与实际病害类型相同，则结构破坏是围岩膨胀力与围岩压力共同作用导致；（2）分析工况3和工况4两种情形下的结构变形破坏结果与实际隧道病害发展趋势是否一致，两种工况均一致且围岩膨胀后结构病害类型与实际病害类型相同，则结构破坏是围岩膨胀力、膨胀变形和围岩压力共同作用导致。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：（1）本专利技术提出了一种膨胀岩破坏机制的判别方法，通过比对衬砌典型病害发展情况与衬砌结构受力及破坏情况，得出隧道衬砌破坏原因，辨别膨胀岩隧道结构破坏机制，可进一步确定膨胀荷载和膨胀变形，为提出精细化结构病害处治措施提供了技术保障。
[0018]（2）本方法旨在准确计算围岩吸水膨胀情况下隧道衬砌结构受力荷载和变形量，确定衬砌结构破坏位置及其破坏程度，由此为膨胀岩隧道衬砌结构重点加固部位的筛选提供技术依据与路径。
附图说明
[0019]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
[0020]图1为本专利技术方法的流程示意图；图2为本专利技术隧道洞周关键点分布位置示意图；图3为本专利技术隧道衬砌荷载结构模型示意图。
具体实施方式
[0021]下面将结合附图对本专利技术技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。
[0022]本申请公开了一种膨胀岩地区隧道衬砌破坏机制的判别方法，所述判别方法包括：获取隧道典型病害断面的病害发展情况；计算分析不同工况下隧道衬砌结构受力和破坏情况；基于前两者的对比，判别膨胀岩隧道衬砌结构破坏机制。
[0023]其中，获取隧道典型病害断面的病害发展情本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种膨胀岩地区隧道衬砌破坏机制的判别方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）选取隧道典型病害断面；（2）获取典型病害断面的围岩力学参数和支护结构参数，并基于围岩力学参数计算围岩压力；（3）基于围岩压力及支护结构参数构建荷载结构模型，通过荷载结构法分析不同工况下典型病害断面不同位置处衬砌结构受力及变形破坏结果；（4）将不同工况下衬砌结构的受力及变形破坏结果与病害实际发展情况对比，确定膨胀岩隧道结构破坏机制。2.根据权利要求1所述的膨胀岩地区隧道衬砌破坏机制的判别方法，其特征在于，选取隧道典型病害断面包括：（1）分析隧道病害类型及膨胀岩赋存情况；（2）选取与隧道病害类型一致且膨胀岩赋存吻合的断面为典型病害断面。3.根据权利要求1所述的膨胀岩地区隧道衬砌破坏机制的判别方法，其特征在于，获取典型病害断面的围岩力学参数包括岩石变形模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角和重度；获取典型病害断面的支护结构参数包括二次衬砌混凝土弹性模量、泊松比、重度、抗压强度、抗拉强度和厚度；步骤（4）中，病害实际发展情况包括病害出现时间、随时间变化病害发展趋势及病害规模信息。4.根据权利要求1所述的膨胀岩地区隧道衬砌破坏机制的判别方法，其特征在于，所述围岩压力包括形变压力和膨胀压力，其中，形变压力为隧道围岩变形受到支护结构限制后，围岩对支护结构形成的压力；膨胀压力为围岩吸水膨胀崩解所引起的压力。5.根据权利要求1所述的膨胀岩地区隧道衬砌破坏机制的判别方法，其特征在于，所述衬砌结构受力及变形破坏结果的分析参数包括衬砌结构弯矩、轴力、安全系数、水平变形量和竖向变形量。6.根据权利要求4所述的膨胀岩地区隧道衬砌破坏机制的判别方法，其特征在于，形变压力的计算方法如下：隧道洞室为圆形断面时，围岩不发生膨胀的情况下计算围岩形变压力P1，计算公式如下：；；其中，R
p
为塑性区半径、...

【专利技术属性】
技术研发人员：高晓静，胡鸿川，崔丹怡，许崇帮，
申请(专利权)人：交通运输部公路科学研究所，
类型：发明
国别省市：