[发明专利]一种高地应力软弱围岩隧道开挖施工方法

说明书

本发明公开了一种高地应力软弱围岩隧道开挖施工方法，沿隧道纵向延伸方向由后向前分多个节段对所施工软弱围岩隧道进行开挖施工，包括步骤：一、岩体强度与围岩内部最大地应力测试；二、围岩的挤压型大变形等级确定；三、隧道预留变形量确定：根据所确定的挤压型大变形等级对预留变形量进行确定；四、隧道开挖施工：根据所确定的预留变形量，对当前所施工节段进行开挖施工；五、下一节段开挖施工；六、多次重复步骤五，直至完成隧道全部开挖施工过程。本发明方法步骤简单、设计合理且施工方便、使用效果好，根据高地应力软弱围岩的挤压型大变形分级结果确定隧道开挖预留变形量，能简便、快速完成隧道开挖施工过程且施工过程安全、可靠。

技术领域

本发明属于隧道开挖施工技术领域，尤其是涉及一种高地应力软弱围岩隧道开挖施工方法。

背景技术

隧道开挖势必引发围岩原始应力的重新分布，整个围岩应力重分布的力学行为可以概化为如下过程：经“平衡”、“松弛”与“松散、坍塌”三个阶段后，达到新的平衡。“松弛”和“松散”在描述应力重分布过程是两个完全不同的概念，在这两个过程中围岩荷载的表现形式也是不同的。“松弛”阶段产生的荷载被称为“形变压力”，此时围岩应力水平的降低与围岩变形共存，从岩体力学角度分析，该阶段的围岩仍可认为处于连续介质或似连续介质的性态；“松散、坍塌”阶段产生的荷载被称为“松散压力”，它是在围岩变形增长到一定程度后，岩块与原岩分离而导致的坍塌或岩块的自重应力对支护产生作用。

国内外学者曾对软岩隧道(也称为软弱围岩隧道)施工后产生大变形的类型进行过系统的研究，并从不同的角度对大变形的类型进行分类，下面对大变形隧道按其变形机理的分类进行说明。软岩大变形隧道按其变形机理可分为松散型、膨胀型和挤压型三个类型，诱发这三种类型的隧道大变形的前提条件相差较大，大变形发生后表现出来的变形特征也是各不相同的。

其中，松散型大变形出现在硬岩(包括岩块强度Rc＞30MPa的破碎岩体、层状岩体和块状岩体等)隧道和低地应力的浅埋隧道中，围岩松弛过程较短，前期变形量较小，在没能及时提供足够的支护反力时，围岩变形发展到一定程度后便会松散或坍塌，由此产生的围岩松散压力直接作用在支护结构上，在变形时态曲线呈现向上反弯或“跳跃”的性态。

膨胀型大变形隧道的变形机理简单的说就是软岩内的膨胀性矿物成分在水或者力的作用下体积增大，不断侵入隧道净空的现象。当在含膨胀性矿物的地层中开挖隧道时，岩石遇水或吸湿之后产生膨胀，其量值可能远大于岩石的弹塑性及碎胀变形量之和，由此产生的膨胀性变形压力成为诱发软岩隧道支护破坏的一个重要原因。隧道开挖后，围岩遇水作用会发生物理化学反应，引起体积膨胀和力学性能的变化，在隧道周边围岩形成了遇水膨胀区和稳定区两个不同的区域。遇水膨胀区围岩的天然裂隙结构、应力调整引起的围岩裂隙为软岩及膨胀性矿物提供了吸水通道，加剧了围岩的膨胀变形，最终产生大变形，导致隧道结构体的破坏。

“挤压型大变形”发生于围岩松弛阶段，其变形机理与“松散型大变形”和“膨胀型大变形”相差较大，并且变形过程极为复杂，国内外大量的专家与学者对这一课题进行了大量的研究，但挤压型软岩大变形隧道的修建仍是世界性难题。

其中，具有高应力背景的软弱围岩变形称为“挤压型”变形，即高应力条件的软弱围岩变形为挤压型大变形。

国际岩石力学学会(简称ISRM)“隧道挤压性岩石专业委员会”对围岩挤压性作了如下定义：“挤压型”是指围岩具有时效的大变形；其变形具有明显的优势部位和方向，可发生在施工阶段，也可能会延续较长时间。变形的本质是岩体内的剪应力超限而引起的剪切蠕动，这些变形主要可以归纳为以下几种特点：第一、变形的速度快；第二、变形量大；第三、变形持续的时间长；第四、变形有明显的优势部位和方向。目前，挤压型大变形隧道比较认可的破坏机理有如下三种：完全剪切破坏、弯曲破坏和剪力及滑动张裂破坏。