[发明专利]基于围岩分区破裂演化分析的隧道开挖及初期支护方法

权利要求书

1.一种基于围岩分区破裂演化分析的隧道开挖及初期支护方法，其特征在于：沿纵向延伸方向由后向前分多个节段对所施工隧道(1)进行开挖及初期支护施工，多个所述节段的开挖及初期支护施工方法均相同；对于任一节段进行开挖及初期支护施工时，包括以下步骤：

步骤一、隧道开挖：对当前所施工节段进行开挖；

步骤二、围岩基本力学参数确定：通过对现场所取岩样进行室内试验，对步骤一中开挖后当前所施工节段的围岩基本力学参数进行测试，并对测试结果进行同步记录；

步骤三、围岩分区破裂演化分析：根据步骤二中所确定的围岩基本力学参数，对当前所施工节段进行围岩分区破裂演化分析，并根据分析结果对开挖完成后当前所施工洞室围岩上所存在破裂区的数量M和各破裂区的厚度分别进行确定；其中，M为整数且M≥0；当M＝0时，说明当前所施工节段围岩上不存在破裂区；当前所施工洞室为步骤一中开挖成型的当前所施工节段的隧道洞；

对当前所施工节段进行围岩分区破裂演化分析时，将当前所施工洞室围岩从内至外划分为多个围岩分区，并从内至外对多个所述围岩分区分别进行破裂分析，过程如下：

步骤301、第一个围岩分区破裂分析：对当前所施工洞室外侧的第一个围岩分区进行破裂分析，包括以下步骤：

步骤3011、第一个围岩分区厚度确定：根据公式计算得出第一个围岩分区厚度l₀，l₀的单位为m；式(Ⅰ)中，R₀为当前所施工洞室的等效开挖半径且其单位为m；ρ₀为第一个围岩分区内锚杆的中性点半径与当前所施工洞室的等效开挖半径之和，第一个围岩分区内所述锚杆的中性点半径为第一个围岩分区内所述锚杆前端与中性点的间距；其中U为对当前所施工洞室进行支护时所采用锚杆的横截面周长且其单位为m，A为所述锚杆的横截面面积且其单位m²，E_b为所述锚杆的弹性模量且其单位为Pa，K为所述锚杆杆体单位长度上的剪切刚度系数且其单位为Pa/m；

步骤3012、破裂确定：对|σ_r0-μ(σ_θ0+σ_z0)|与|σ_t|进行差值比较，并根据差值比较结果对第一个围岩分区是否存在破裂进行判断：当|σ_r0-μ(σ_θ0+σ_z0)|≥|σ_t|时，判断为第一个围岩分区存在破裂且此时第一个围岩分区为破裂围岩分区，进入步骤3013；否则，判断为当前所施工洞室围岩上不存在破裂区且M＝0，完成当前所施工洞室的围岩分区破裂演化分析过程；

所述破裂围岩分区划分为一个破裂区和一个位于所述破裂区外侧的非破裂区；

其中，|σ_t|为σ_t的绝对值，σ_t为当前所施工洞室围岩的抗拉强度且其单位为Pa，其中m为与当前所施工洞室围岩的岩石类型和完整性有关的系数且m＝0.001～25，s为当前所施工洞室围岩的岩体完整性系数，σ_c为当前所施工洞室围岩岩体的单轴抗压强度且其单位为Pa；

|σ_r0-μ(σ_θ0+σ_z0)|为σ_r0-μ(σ_θ0+σ_z0)的绝对值；

其中，μ为当前所施工洞室的隧道围岩岩体的泊松比，σ_r0为第一个围岩分区弹塑性边界处的岩体在支撑压力峰值作用下的径向应力且其单位为Pa；其中为当前所施工洞室围岩岩体的内摩擦角，P₀'为第一个围岩分区弹塑性界面上的支撑反力；为第一个围岩分区内围岩塑性区的外径且c为当前所施工洞室围岩岩体的粘聚力且其单位为Pa；A₀和t均为系数，其中G为当前所施工洞室围岩岩体的剪切模量且其单位为Pa；b为支护系数，b为常数且0＜b＜1；为支护前当前所施工洞室表面围岩的位移值且其单位为m，r_b0为第一个围岩分区内所述锚杆外端至当前所施工洞室中心的距离且r_b0＝l₀+R₀；N_max0为第一个围岩分区内所述锚杆中性点处的锚杆所受最大轴力且B为与当前所施工洞室围岩变形相关的系数且Er为当前所施工洞室围岩岩体的综合弹性模量且其单位为Pa，P₀为开挖前当前所施工洞室围岩岩体的原岩应力且其单位为Pa；R_p0为开挖后弹塑性条件下当前所施工洞室围岩的塑性区半径且其单位为m，

σ_θ0为第一个围岩分区内围岩弹塑性边界处的切向应力且σ_z0为第一个围岩分区内围岩弹塑性边界处的轴向应力且σ_z0＝(1+2μ)P₀，σ_θ0和σ_z0的单位均为Pa；

步骤3013、第一个围岩分区内破裂区的厚度确定：根据公式对第一个围岩分区内破裂区的厚度d_s0进行确定；

其中，为第一个围岩分区内破裂区的外径且第一个围岩分区内破裂区的内径

步骤302、下一个围岩分区破裂分析：对当前所施工洞室外侧的下一个围岩分区进行破裂分析；本步骤中，进行破裂分析的围岩分区为当前所施工洞室外侧的第K’个围岩分区，其中K’为正整数且K’≥2，K’＝k+1，k为正整数且k≥1；本步骤中，位于第K’个围岩分区内侧的k个所述围岩分区均已完成破裂分析过程；

对第K’个围岩分区进行破裂分析时，包括以下步骤：

步骤3021、第K’个围岩分区厚度确定：根据公式计算得出第K’个围岩分区厚度l_k，l_k的单位为m；

式(Ⅲ)中，ρ_k为第K’个围岩分区内所述锚杆的中性点半径与当前所施工洞室的等效开挖半径之和，第K’个围岩分区内所述锚杆的中性点半径为第K’个围岩分区内所述锚杆前端与中性点的间距；其中，Δl_kz为位于第K’个围岩分区内侧的k个所述围岩分区的分区厚度之和且其单位为m；

步骤3022、破裂确定：对|σ_rk-μ(σ_θk+σ_zk)|与|σ_t|进行差值比较，并根据差值比较结果对第K’个围岩分区是否存在破裂进行判断：当|σ_rk-μ(σ_θk+σ_zk)|≥|σ_t|时，判断为第K’个围岩分区存在破裂且此时第K’个围岩分区为破裂围岩分区，进入步骤3023；否则，判断为第K’个围岩分区上不存在破裂区且M＝k，完成当前所施工洞室的围岩分区破裂演化分析过程；

其中，|σ_rk-μ(σ_θk+σ_zk)|为σ_rk-μ(σ_θk+σ_zk)的绝对值；

σ_rk为第K’个围岩分区弹塑性边界处的岩体在支撑压力峰值作用下的径向应力且其单位为Pa；P_k为第K’个围岩分区内弹塑性界面上的支撑反力且其单位为Pa，τ_s为当前所施工洞室围岩的残余抗剪强度且其单位为Pa，为位于第K’个围岩分区内侧且与第K’个围岩分区相邻的第k个围岩分区内破裂区的外径，为第k个围岩分区内破裂区的内径；为第K’个围岩分区内围岩塑性区的外径且A_k为系数且其中r_bk为第K’个围岩分区内破裂区厚度与当前所施工洞室的等效开挖半径之和且r_bk＝l_k+R₀；N_maxk为第K’个围岩分区内所述锚杆中性点处的锚杆所受最大轴力且

σ_θk为第K’个围岩分区内围岩弹塑性边界处的切向应力且σ_zk为第K’个围岩分区内围岩弹塑性边界处的轴向应力且σ_zk＝(1+2μ)P₀，σ_θk和σ_zk的单位均为Pa；

步骤3023、第K’个围岩分区内破裂区的厚度确定：根据公式对第K’个围岩分区内破裂区的厚度d_sk进行确定；

其中，为第K’个围岩分区内破裂区的外径且ΔR_k＝R₀+Δl_kz；第K’个围岩分区内破裂区的内径

步骤303、一次或多次重复步骤302，直至完成当前所施工洞室的围岩分区破裂演化分析过程；

步骤四、隧道初期支护判断：根据步骤三中所确定的破裂区数量M，对当前所施工洞室是否需要进行隧道初期支护进行判断：当M＝0时，判断为当前所施工洞室无需进行隧道初期支护，进入步骤七；否则，进入步骤五；

步骤五、隧道初期支护结构确定：所采用的隧道初期支护结构为对当前所施工洞室的隧道洞拱墙进行支护的锚网喷初期支护结构，所述锚网喷初期支护结构为采用锚网喷支护方法施工成型的初期支护结构；所述锚网喷初期支护结构包括多个沿隧道延伸方向由后向前布设在当前所施工洞室内的隧道锚固支护体系，多个所述隧道锚固支护体系的结构均相同；

每个所述隧道锚固支护体系均包括对当前所施工洞室的拱部进行支护的隧道拱部支护体系和对当前所施工洞室的侧墙进行支护的隧道侧墙支护体系，所述隧道拱部支护体系和所述隧道侧墙支护体系布设于同一隧道横断面上；所述隧道侧墙支护体系包括左右两个分别对当前所施工洞室的左右侧墙进行支护的侧墙支护单元，两个所述侧墙支护单元呈对称布设且二者布设在同一隧道横断面上；

所述隧道拱部支护体系包括M个分别对M个所述破裂区进行支护的隧道拱部支护结构，M个所述隧道拱部支护结构均布设于同一隧道横断面上；每个所述隧道拱部支护结构均包括多个由左至右布设在当前所施工洞室拱部的拱部锚固件(3)，所述拱部锚固件(3)为锚杆或锚索；

对第一个围岩分区内破裂区进行支护的隧道拱部支护结构进行确定时，根据步骤3013中所确定的第一个围岩分区内破裂区的厚度d_s0，对该隧道拱部支护结构中拱部锚固件(3)的长度进行确定；

对第K’个围岩分区内破裂区进行支护的隧道拱部支护结构进行确定时，根据步骤3021中所确定的Δl_kz和步骤3023中所确定的第K’个围岩分区内破裂区的厚度d_sk，对该隧道拱部支护结构中拱部锚固件(3)的长度进行确定；

每个所述侧墙支护单元均包括多个由上至下布设于同一隧道横断面上的侧墙锚固件(4)，所述侧墙锚固件(4)呈水平布设且其为锚杆或锚索；

对所述侧墙支护单元所采用的支护结构进行确定时，根据步骤3021中所确定的Δl_kz和步骤3023中所确定的第K’个围岩分区内破裂区的厚度d_sk，对侧墙锚固件(4)的长度进行确定；

步骤六、隧道初期支护施工：根据步骤五中所确定的所述隧道初期支护结构，由后向前对步骤一中开挖成型的当前所施工洞室进行初期支护；

步骤七、下一节段开挖及巷道围岩支护施工：重复步骤一至步骤六，对下一节段进行开挖及初期支护施工；

步骤八、多次重复步骤七，直至完成所施工隧道(1)的全部开挖及初期支护施工过程。