CN114439545B - 一种极高应力大变形的差异性卸荷变形阻隔方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种极高应力大变形的差异性卸荷变形阻隔方法，通过先确定围岩松动圈最大范围值和围岩塑性区半径；然后将所述围岩由内到外划分为深部、中部和浅部；然后基于所述围岩松动圈最大范围值和围岩参数确定浅部支护范围，基于所述围岩塑性区半径和围岩参数确定深部支护范围；最后通过钢绞线连接深部支护端部和浅部支护端部，并基于所述钢绞线变形情况确定卸荷完成，不但考虑了高地应力对围岩的影响也考虑了高水头压力对围岩的影响并通过公式计算围岩极强大变形值，实现了准确有效地避免地下硐室大变形，保障施工工人的人身安全和工程进度。

Description

一种极高应力大变形的差异性卸荷变形阻隔方法

技术领域

本发明属于隧道与地下工程技术领域，具体涉及一种极高应力大变形的差异性卸荷变形阻隔方法。

背景技术

围岩大变形是地下硐室开挖后经常发生的地质灾害现象，围岩变形是指地下硐室周围岩体发生的形状与体积的变化及洞壁的变化，是围岩发生流变、蠕变、徐变、位移、沉降及底鼓的总称。松散、破碎围岩体的冒落、塌方，软弱和膨胀性土岩土体的局部和整体的径向大变形和塌滑，山体变形，以及坚硬完整岩体中的岩爆。围岩变形是由外界因素(例如应力的变化)的作用引起的。在岩体内开挖地下洞室时，原来处于平衡状态的岩体发生了应力变化，即围岩应力释放。在应力释放所影响的范围内围岩回弹，形成一个回弹区；在紧靠洞周的一定范围内，围岩变形而使岩体松动，形成一个松动区。围岩变形量对衬砌或支护上的山岩压力大小很有影响。过大的和过小的围岩变形都可引起山岩压力增大。适当的围岩变形可使山岩压力有一定程度的降低。

地下硐室开挖过程中出现发生围岩大变形事件，对施工工人人生安全、工程进度以及财产损失的影响都是非常巨大的。根据丰富的工程经验可以知道，地下硐室开挖引起的大变形都是突发的，所以研究围岩大变形对于长大隧道的勘测设计、施工及后期的长期稳定具有重要的现实意义；已有研究表明，地下硐室围岩大变形影响因素主要是两个方面，第一是岩体中存在的高地应力引起围岩挤出变形；第二是岩体内存在很高的水头压力引起围岩破坏。而现有技术通常只考虑了其中的一种影响因素来避免地下硐室大变形。

因此如何更加准确有效地避免地下硐室大变形，保障施工工人的人生安全和工程进度，是本领域技术人员有待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了更加准确有效地避免地下硐室大变形，提出了一种极高应力大变形的差异性卸荷变形阻隔方法。

本发明的技术方案为：一种极高应力大变形的差异性卸荷变形阻隔方法，包括以下步骤：

S1、确定围岩松动圈最大范围值和围岩塑性区半径；

S2、将所述围岩由内到外划分为深部、中部和浅部；

S3、基于所述围岩松动圈最大范围值和围岩参数确定浅部支护范围，基于所述围岩塑性区半径和围岩参数确定深部支护范围；

S4、在所述中部设置钢绞线伸缩器，通过钢绞线连接深部支护端部和浅部支护端部，并基于所述深部和浅部加固后的变形值确定卸荷完成。

进一步地，具体通过如下公式确定出所述围岩松动圈最大范围值：

式中，H_max为围岩松动圈最大范围值，D_max为隧道最大开口直径，σ₁为岩体初始地应力值，C为岩体的内聚力，

为岩体的内摩擦角，Vw为地下水每小时渗透量。

进一步地，具体通过如下公式确定出所述围岩塑性区半径：

式中，R为围岩塑性区半径，D_max为隧道最大开口直径，

为岩体的内摩擦角，σ_max为岩体最大主应力，R_c为岩体单轴饱和抗压强度，C为岩体的内聚力，

为岩体的内摩擦角，Vw为地下水每小时渗透量，α为围岩塑性区修正系数。

进一步地，所述围岩参数具体包括岩体的内聚力、岩体的内摩擦角、岩体单轴饱和抗压强度、岩体最大主应力和岩体完整系数。

进一步地，具体通过如下公式确定深部支护范围：

式中，L₁为深部支护范围，D_max为隧道最大开口直径，R为围岩塑性区半径，λ为岩体单轴饱和抗压强度修正值，R_c为岩体单轴饱和抗压强度，σ_max为岩体最大主应力，C为岩体的内聚力，

为岩体的内摩擦角。

进一步地，具体通过如下公式确定浅部支护范围：

式中，L₂为浅部支护范围，H_max为围岩松动圈最大范围值，σ_max为岩体最大主应力，C为岩体的内聚力，R_c为岩体单轴饱和抗压强度，

为岩体的内摩擦角，K_v为岩体完整系数。

进一步地，所述步骤S4中，具体通过钢绞线伸缩器两端伸出的钢绞线采用两段式加固方法分别连接深部支护端部和浅部支护端部使围岩松动圈形成一个整体，且所述钢绞线伸缩器能够限制所述钢绞线伸缩。

进一步地，所述步骤S4具体包括如下分步骤：

S41、通过预设公式计算所述浅部加固后的参考变形量；

S42、将所述钢绞线伸缩器一端伸出的钢绞线锚固于所述深部；

S43、对所述深部进行加固，并在所述深部加固后的变形量达到所述参考变形量的三分之一时，将所述钢绞线伸缩器另一端伸出的钢绞线锚固于所述浅部后对浅部进行加固；

S44、当浅部加固完成后收紧所述钢绞线，并当浅部加固后的变形量达到所述参考变形量时对所述钢绞线进行限位。

进一步地，所述预设公式具体如下：

式中，δ为浅部加固后围岩变形量，H_max为围岩松动圈最大范围值，K_v为岩体完整系数，D_max为隧道最大开口直径。

与现有技术相比，本发明具备如下有益效果：

本发明通过先确定围岩松动圈最大范围值和围岩塑性区半径；然后将所述围岩由内到外划分为深部、中部和浅部；然后基于所述围岩松动圈最大范围值和围岩参数确定浅部支护范围，基于所述围岩塑性区半径和围岩参数确定深部支护范围；最后通过钢绞线采用两段式加固方法连接深部支护端部和浅部支护端部，将围岩松动圈加固为一个整体，阻隔了应力的传递。并基于所述钢绞线变形情况确定卸荷完成，不但考虑了高地应力对围岩的影响也考虑了高水头压力对围岩的影响并通过公式计算围岩极强大变形值，实现了准确有效地避免地下硐室大变形，保障施工工人的人生安全和工程进度。

附图说明

图1所示为本发明实施例提供的一种极高应力大变形的差异性卸荷变形阻隔方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请提出了一种极高应力大变形的差异性卸荷变形阻隔方法，用以准确有效地避免地下硐室大变形。

如图1所示为本申请实施例提出的一种极高应力大变形的差异性卸荷变形阻隔方法的流程示意图，该方法包括以下步骤：

步骤S1、确定围岩松动圈最大范围值和围岩塑性区半径。

在本申请实施例中，具体通过如下公式确定出所述围岩松动圈最大范围值：

式中，H_max为围岩松动圈最大范围值，D_max为隧道最大开口直径，σ₁为岩体初始地应力值，C为岩体的内聚力，

为岩体的内摩擦角，Vw为地下水每小时渗透量。

在本申请实施例中，具体通过如下公式确定出所述围岩塑性区半径：

式中，R为围岩塑性区半径，D_max为隧道最大开口直径，

为岩体的内摩擦角，σ_max为岩体最大主应力，R_c为岩体单轴饱和抗压强度，K_v为岩体完整系数，C为岩体的内聚力，

为岩体的内摩擦角，Vw为地下水每小时渗透量，α为围岩塑性区修正系数，一般为1.1。

步骤S2、将所述围岩由内到外划分为深部、中部和浅部。

步骤S3、基于所述围岩松动圈最大范围值和围岩参数确定浅部支护范围，基于所述围岩塑性区半径和围岩参数确定深部支护范围。

在本申请实施例中，所述围岩参数具体包括岩体的内聚力、岩体的内摩擦角、岩体单轴饱和抗压强度、岩体最大主应力和岩体完整系数。

在本申请实施例中，具体通过如下公式确定深部支护范围：

式中，L₁为深部支护范围，R为围岩塑性区半径，D_max为隧道最大开口直径，λ为岩体单轴饱和抗压强度修正值，R_c为岩体单轴饱和抗压强度，σ_max为岩体最大主应力，C为岩体的内聚力，

为岩体的内摩擦角。

在本申请实施例中，具体通过如下公式确定浅部支护范围：

式中，L₂为浅部支护范围，H_max为围岩松动圈最大范围值，σ_max为岩体最大主应力，C为岩体的内聚力，R_c为岩体单轴饱和抗压强度，

为岩体的内摩擦角，K_v为岩体完整系数。

步骤S4、在所述中部设置钢绞线伸缩器，通过钢绞线连接深部支护端部和浅部支护端部，并基于所述深部和浅部加固后的变形值确定卸荷完成。

在本申请实施例中，所述步骤S4中，具体通过钢绞线伸缩器两端伸出的钢绞线采用两段式加固方法分别连接深部支护端部和浅部支护端部使围岩松动圈形成一个整体，且所述钢绞线伸缩器能够限制所述钢绞线伸缩。

在本申请实施例中，所述步骤S4具体包括如下分步骤：

S41、通过预设公式计算所述浅部加固后的参考变形量；

S42、将所述钢绞线伸缩器一端伸出的钢绞线锚固于所述深部；

S43、对所述深部进行加固，并在所述深部加固后的变形量达到所述参考变形量的三分之一时，将所述钢绞线伸缩器另一端伸出的钢绞线锚固于所述浅部后对浅部进行加固；

S44、当浅部加固完成后收紧所述钢绞线，并当浅部加固后的变形量达到所述参考变形量时对所述钢绞线进行限位。

在本申请实施例中，所述预设公式具体如下：

式中，δ为浅部加固后围岩变形量，H_max为围岩松动圈最大范围值，K_v为岩体完整系数，D_max为隧道最大开口直径。

在具体应用场景中，钢绞线伸缩器是对钢绞线进行伸缩的机械装置，在钢绞线伸缩器内安装有限位齿轮，在允许变形的范围内，不仅可以通过限位齿轮充分发挥钢绞线的弹性应变，还能在达到预定的位移后锁死齿轮，达到限制钢绞线继续伸缩变形的目的，达到主动控制非协调变形以实现应力阻隔的目的。任何具有上述功能的钢绞线伸缩器均可，另外，还根据深部支护范围和浅部支护范围来灵活选择不同材质的钢绞线进行连接。

具体的，围岩由内到外划分出的深部、中部和浅部三部分分别采用不同的加固方式和强度加固。通过深部支护和浅部支护的比值，以及钢绞线和加固材料结合强度可以确定一个钢绞线的可伸缩范围，就限制了钢绞线最终的长度。当钢绞线放缩完成，螺旋转轴上的凹槽卡进伸缩器的凹槽中即为卸荷完成。换句话说，也就是达到计算的浅部变形量即为卸荷完成，并对钢绞线进行限位。

重点是通过两段式加固的方法使得围岩松动圈和松动圈以外的岩体之间产生一定的孔隙，并且将松动圈加固成一个整体，与松动圈以外的围岩形成一个相对独立的单元。松动区以外的围岩应力不能或者很小的传递到松动圈上。减少松动圈所承受的应力。本专利进行两段式加固最终将松动圈锚固为一个整体，就是为了阻隔应力的传递，减少支护所需要提供的力。同时提高围岩的整体稳定性。

为进一步阐述本发明的技术思想，本发明还结合具体应用场景提出一个具体实施例，以对本发明的技术效果作进一步说明。

选取文笔山隧道，该隧道在施工中出现大范围的初支结构大变形破坏现象，严重影响工程工期。文笔山隧道位于扬子亚板块之盐源-丽江陆缘拗陷带，位于北东向构造体系的丽江-剑川断裂与丽江-宁蒗断裂带之间。区域地质构造复杂，褶皱与断裂十分发育，线路经过的范围主要有宁蒗沉降带、金沙区***区、鸣音沉降带及玉龙雪山***区。

根据地质勘测资料以及原位试验得，岩体结构较破碎，结构面较发育并且组数为3，主要结构面结合程度差，围岩等级为Ⅴ级，可以得出岩体完整性指数K_v＝0.6；设计最大开口直径D_max＝12.5m；测得地下水每小时渗透量V_w＝1.38m3/h；测得岩体初始地应力σ₁＝22MPa，岩体最大主应力σ_max＝25MPa，内聚力c＝8MPa，内摩擦角

围岩单轴饱和抗压强度R_c＝12MPa；

整合原位试验数据和地质勘测资料结果，将所得数据代入上述对应公式中确定围岩松动圈最大范围值H_max＝6.82m，围岩塑性区半径R＝12.75m；

通过计算得到的围岩塑性区半径继续通过上述对应公式计算围岩深部强支护范围L₁＝3.88m～4.81m，则L₁取值为4.0m；

通过计算得到的围岩松动圈最大范围继续通过上述对应公式计算浅部支护范围L₂＝0.0m～2.04m，则L₂取值为2.0m，可以计算得到L₁/L₂＝2.0。

通过上述对应公式可以确定浅部加固后变形量δ＝0.92m，所以当深部强加固到三分之一浅部加固后变形量值，也就是深部变形量值为0.31m时开始对围岩浅部加固；

最后测量围岩中卸荷后的地应力值为10MPa，差异卸荷成功解决了隧道围岩由于高地应力引起的大变形。

综上所述，本方案的一种极高应力大变形的差异性卸荷变形阻隔方法是基于隧道开挖的多因素条件而形成，适用于多数高地应力引起的围岩大变形，适用对象明确，完全可以适用于各种隧道大变性支护。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种极高应力大变形的差异性卸荷变形阻隔方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、确定围岩松动圈最大范围值和围岩塑性区半径；

S2、将所述围岩由内到外划分为深部、中部和浅部；

S3、基于所述围岩松动圈最大范围值和围岩参数确定浅部支护范围，基于所述围岩塑性区半径和围岩参数确定深部支护范围；

具体通过如下公式确定深部支护范围：

式中，L₁为深部支护范围，D_max为隧道最大开口直径，R为围岩塑性区半径，λ为岩体单轴饱和抗压强度修正值，R_c为岩体单轴饱和抗压强度，σ_max为岩体最大主应力，C为岩体的内聚力，

为岩体的内摩擦角；

具体通过如下公式确定浅部支护范围：

式中，L₂为浅部支护范围，H_max为围岩松动圈最大范围值，σ_max为岩体最大主应力，C为岩体的内聚力，R_c为岩体单轴饱和抗压强度，

为岩体的内摩擦角，K_v为岩体完整系数；

S4、在所述中部设置钢绞线伸缩器，通过钢绞线连接深部支护端部和浅部支护端部，并基于所述深部和浅部加固后的变形值确定卸荷完成；

所述步骤S4具体包括如下分步骤：

S41、通过预设公式计算所述浅部加固后的参考变形量；

所述预设公式具体如下：

式中，δ为浅部加固后围岩变形量，H_max为围岩松动圈最大范围值，K_v为岩体完整系数，D_max为隧道最大开口直径；

S42、将所述钢绞线伸缩器一端伸出的钢绞线锚固于所述深部；

S43、对所述深部进行加固，并在所述深部加固后的变形量达到所述参考变形量的三分之一时，将所述钢绞线伸缩器另一端伸出的钢绞线锚固于所述浅部后对浅部进行加固；

S44、当浅部加固完成后收紧所述钢绞线，并当浅部加固后的变形量达到所述参考变形量时对所述钢绞线进行限位。

2.如权利要求1所述的极高应力大变形的差异性卸荷变形阻隔方法，其特征在于，具体通过如下公式确定出所述围岩松动圈最大范围值：

式中，H_max为围岩松动圈最大范围值，D_max为隧道最大开口直径，σ₁为岩体初始地应力值，C为岩体的内聚力，

为岩体的内摩擦角，Vw为地下水每小时渗透量。

3.如权利要求1所述的极高应力大变形的差异性卸荷变形阻隔方法，其特征在于，具体通过如下公式确定出所述围岩塑性区半径：

式中，R为围岩塑性区半径，D_max为隧道最大开口直径，

为岩体的内摩擦角，σ_max为岩体最大主应力，R_c为岩体单轴饱和抗压强度，C为岩体的内聚力，K_v为岩体完整系数，Vw为地下水每小时渗透量，α为围岩塑性区修正系数。

4.如权利要求1所述的极高应力大变形的差异性卸荷变形阻隔方法，其特征在于，所述围岩参数具体包括岩体的内聚力、岩体的内摩擦角、岩体单轴饱和抗压强度、岩体最大主应力和岩体完整系数。

5.如权利要求1所述的极高应力大变形的差异性卸荷变形阻隔方法，其特征在于，所述步骤S4中，具体通过钢绞线伸缩器两端伸出的钢绞线采用两段式加固方法分别连接深部支护端部和浅部支护端部使围岩松动圈形成一个整体，且所述钢绞线伸缩器能够限制所述钢绞线伸缩。

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