[发明专利]简支梁结构的水平层状围岩层间粘聚力计算方法

说明书

本发明公开了简支梁结构的水平层状围岩层间粘聚力计算方法，将不同的施工阶段的隧道顶板力学计算模型等效为开挖扰动后的简支梁模型，同时提出了水平层状围岩层间粘聚力的计算模型及粘聚力的具体计算公式；通过在传统的开挖宽度模型中植入水平层状围岩层间粘聚力的理论模型，得到了与实际施工相一致的水平层状围岩隧道顶板临界开挖跨度，对于指导水平层状围岩隧道的设计与施工具有重要的意义。

技术领域

本发明属于土木工程中隧道施工技术领域，具体涉及一种考虑层间粘聚力的水平层状围岩隧道顶板安全开挖跨度计算方法中简支梁结构的水平层状围岩层间粘聚力计算方法。

背景技术

层状岩体是一种具有层状构造的沉积岩。全世界层状岩体分布极广，约占陆地总面积的66％。我国层状岩体分布更广，达到国土面积的77％，主要集中在西南、华中和陕北等地区。层状岩体由于具有典型的层状结构，不仅变形和强度性质具有明显的各向异性，而且岩体破坏机理及方式也明显不同于其它岩体。层状岩体的变形和破坏特征主要受岩层组合和结构面控制，在施工扰动下，往往成为非常复杂的工程问题。尤其是水平层状岩体，由于结构面呈平行分布，导致其具有明显的横观各向同性，在隧道施工过程中，拱部极易出现掉块落石、离层、弯折，甚至局部坍塌、超欠挖等工程问题。拱部掉块落石是水平层状围岩隧道施工中的通病，严重威胁施工安全，导致人员伤亡、成本增加、工期延误。

随着我国交通事业的飞速发展，出现了大量的隧道工程，不可避免地会遇到水平层状围岩隧道，如太古高速的西山隧道、常吉高速的雀儿溪隧道、渝利铁路的火风山隧道等。经过多年科技攻关和工程实践，积累了一些经验，取得了一些科研成果，但水平层状围岩隧道施工中的工程问题仍然未得到有效解决。究其原因，主要是对水平层状围岩隧道顶板受力特性缺乏深入研究，没有建立合理的水平层状围岩隧道力学计算模型。与普通岩石隧道相比，水平层状围岩隧道的拱顶稳定性至关重要，而且水平层状围岩具有明显的水平层状结构和层状组合特征，各岩层间的力学性状差异远远超过它们在层厚方面的差别，和单层结构相比，层间粘聚力较强。因此，建立合理的隧道顶板力学计算模型，可为水平层状围岩隧道稳定性分析提供基础，也是解决水平层状围岩隧道施工中工程问题的关键。

目前，国内外学者对水平层状围岩隧道力学计算模型进行了大量的研究。总体来看，主要采用板模型、梁模型、弹性层状半空间模型、以及摩尔-库伦准则和Hoek-Brown准则对隧道顶板力学行为进行分析。虽然得到了一些成果，但其在施工设计中一般均忽视了顶板岩体层间粘聚力，施工不同阶段的模型与实际吻合度不高，使得隧道施工中临界开挖跨度参数计算与实际施工现场差异较大，影响了施工成本及进度。

发明内容

本发明提出了一种简支梁结构的水平层状围岩层间粘聚力计算方法，计算中充分考虑了隧道顶板力学计算模型及水平层状围岩的层间粘聚力对开挖跨度的影响，使得计算结果更符合实际工程，对水平层状围岩隧道的设计和施工有重要的指导意义，并有效降低了施工成本，提高了隧道挖掘进度。

本发明的一种简支梁结构的水平层状围岩层间粘聚力计算方法，包括以下步骤：

【1】取水平层状围岩开挖区域支撑顶板以上的两层岩体样品，分别测量得到上层岩体的弹性模量为E₁和下层岩体的弹性模量为E₂，在E₂E₁的情况下，按照步骤【2】和步骤【3】计算层间粘聚力g_{_简支}；

【2】将上层岩体和下层岩体分别等效为简支梁结构支撑的上层梁和下层梁，并按照现场施工的实际参数分别计算上层梁的荷载q_上、下层梁的荷载q_下、上层梁的挠度ω_上和下层梁的挠度ω_下，其中

q_上＝q₁+γ₁h₁+g_{_简支}；