[发明专利]隧道初期支护施作的最佳时机判别方法

说明书

本发明涉及一种隧道初期支护施作的最佳时机判别方法，通过数值模拟分析隧道开挖后，在无支护条件下，围岩应力释放过程中围岩位移、应力及拉应变的变化规律，以围岩的拉应变达到岩体极限拉应变，即将开始产生破坏，并即将形成松动圈为判别标准，作为施作初期支护的时机。该方法从松动圈的定义出发，将使隧道初期支护施作的时机判别方法得到补充和完善。

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种隧道初期支护施作的最佳时机判别方法。

背景技术

根据新奥法的设计理念，隧道开挖后，围岩应力的释放存在明显的时间效应。随着围岩应力释放的进行，围岩损伤加剧、变形增大、围岩压力减小，支护结构所需提供的支护力也随之减小。但若对围岩应力释放不加约束，将导致围岩变形过大、初支侵限甚至坍塌。因此，研究隧道开挖后合适的初期支护施作时机，将具有重要的现实意义。国内外在对于隧道初期支护施作的最佳时机判别已进行了一些相关研究，对于初期支护施作时机的确定目前主要有围岩自稳时间分析、变形控制、应力控制、支护结构受力分析等方法。

上述方法在理论上分析了初期支护施作时机和围岩自稳时间、围岩位移、围岩应力和支护结构受力之间的关系，但未给出评判标准和定量指标，因此对工程的指导有限。而松动圈是由于隧道开挖时，围岩发生应力重分布，导致局部围岩拉应力超过岩体抗拉强度产生受拉破坏而形成的。可见围岩松动圈的产生标志着岩体开始破坏，因此可把这一时刻作为施作初期支护的最佳时机，提出一种新的隧道初期支护施作时机确定理论。

发明内容

本发明的目的是提供一种隧道初期支护施作的最佳时机判别方法，用于在隧道施工期确定初期支护施作时机。

本发明所采用的技术方案为：

隧道初期支护施作的最佳时机判别方法，其特征在于：

通过数值模拟分析隧道开挖后，在无支护条件下，围岩应力释放过程中围岩位移、应力及拉应变的变化规律，以围岩的拉应变达到岩体极限拉应变，即将开始产生破坏，并即将形成松动圈为判别标准，作为施作初期支护的时机。

围岩应力释放过程是指应力释放系数由0→0.1→0.2→0.4→0.6→0.8→1.0的过程。

具体包括以下步骤：

第一步：基于隧址附近的工程地质和水文地质资料，对隧道内分区段判定围岩等级类别，然后得出隧址区围岩的物理力学特征数据；

第二步：建立隧道开挖后，初期支护尚未施作时，围岩应力释放系数分别为0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0的三维有限元数值计算模型；

第三步：分析不同应力释放系数下拱顶、拱肩、边墙、拱脚关键节点围岩位移、应力、拉应变的变化规律以及松动圈的产生和发展规律，并绘制应力释放系数与围岩位移、应力、拉应变的关系曲线；

第四步：以围岩拉应变达到极限拉应变，即将开始产生松动圈为判别标准，所对应的应力释放系数即为初期支护施作时机。

所述的数值计算模型中划定多个混合四面体单元，并对边界施加相应的约束。

本发明具有以下优点：

本发明可确定隧道初期支护施作时机，通过数值模拟分析隧道开挖后，在无支护条件下围岩应力释放过程中，即应力释放系数由0→0.1→0.2→0.4→0.6→0.8→1.0的过程中，围岩位移、应力及拉应变的变化规律，以围岩的拉应变达到岩体极限拉应变，开始（即将）产生破坏，并形成（即将形成）松动圈为判别标准，作为初期支护施作时机，建立基于松动圈理论的隧道初期支护施作时机理论。该方法从松动圈的定义出发，将使隧道初期支护施作的时机判别方法得到补充和完善。

附图说明

图1 为关键点位置图。