[发明专利]基于围岩分区破裂演化分析的深埋洞室开挖施工方法

权利要求书

1.一种基于围岩分区破裂演化分析的深埋洞室开挖施工方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、洞室开挖：沿纵向延伸方向，由后向前对当前所施工洞室进行开挖；

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，对当前所施工洞室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，对当前所施工洞室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，说明当前所施工洞室围岩上不存在破裂区；

对当前所施工洞室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(Ⅰ)，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，同时完成当前所施工洞室的开挖施工过程；

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E_r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(Ⅱ)，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(Ⅲ)，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、径向注浆加固：沿纵向延伸方向由后向前分多次对当前所施工洞室进行围岩径向注浆加固；多次围岩径向注浆加固完成后，完成当前所施工洞室的开挖施工过程；

多次围岩径向注浆加固方法均相同；每一次进行围岩径向注浆加固时，过程如下：

步骤401、破裂区位置确定：根据步骤三中所确定的当前所施工洞室外侧M个所述围岩分区的厚度和M个所述破裂区的厚度，对当前所施工洞室外侧M个所述破裂区的位置分别进行确定；

步骤402、破裂区注浆加固：根据步骤401中所确定的M个所述破裂区的位置，采用注浆管(2)对M个所述破裂区分别进行注浆加固；

对任一个所述破裂区进行注浆加固时，均采用由当前所施工洞室从内向外插装入该破裂区的注浆管(2)进行注浆加固；所述注浆管(2)为从内向外插入该破裂区且前端带注浆孔的空心钢管，所述注浆管(2)的前端位于该破裂区内且其后端通过注浆管道与注浆设备连接；

步骤402中进行破裂区注浆加固时，所采用的所有注浆管(2)均位于当前所施工洞室的同一横断面上；所述注浆管(2)所处的当前所施工洞室的横断面为注浆加固位置；

相邻两次围岩径向注浆加固的注浆加固位置间距为3m～8m。