[发明专利]一种挤压性围岩隧道结构的设计方法

说明书

本发明公开了一种挤压性围岩隧道结构的设计方法，包括：确定挤压性围岩隧道结构设计的关键影响因子为围岩强度应力比、隧道开挖跨度及隧道埋深；以围岩强度应力比为横坐标、隧道开挖跨度及隧道埋深的函数为纵坐标，建立坐标系，确定横坐标和纵坐标的取值范围；以结构荷载取值作为设计分区的依据，基于横坐标和纵坐标的取值范围确定结构荷载取值范围、特征值、设计分区数量和分界线位置；确定各设计分区的结构设计参数、断面曲率优化措施和辅助结构措施；完成挤压性围岩隧道结构设计图表。本发明提供的挤压性围岩隧道结构设计方法，可快速确定支护衬砌参数和辅助结构措施，具有直观、简捷、快速、准确的优点。

技术领域

本发明涉及隧道设计技术领域，具体涉及一种挤压性围岩隧道结构的设计方法。

背景技术

目前，矿山法施工的隧道多采用复合式衬砌结构，复合式衬砌结构由初期支护、二次衬砌和敷设于二者间的防水层组成。其中初期支护由锚杆、喷射混凝土、钢拱架、钢筋网等支护形式中和一种或多种组合而成，也称为锚喷支护；二次衬砌为现浇模筑混凝土或钢筋混凝土。

目前，隧道复合式衬砌结构的设计方法中，尚未形成有效的同时考虑初期支护和二次衬砌的复合式衬砌结构的设计方法和计算方法，一般将初期支护和二次衬砌分开考虑。初期支护按工程类比法设计，再按荷载结构法或地层结构法检算结构内力，但初期支护安全性评价未能形成统一标准；二次衬砌按荷载结构法检算结构内力，有统一的二次衬砌安全性评价标准。

隧道衬砌结构设计流程为：根据功能要求的限界，拟定内轮廓线→根据工程类比拟定结构厚度→根据相应规范计算结构荷载→建立结构有限元计算模型→施加荷载和边界条件→计算结构内力→检算结构安全性是否满足要求→如不满足要求重新拟定结构型式和结构参数→直至满足要求为止。

挤压性围岩是隧道工程建造中一种典型的不良地质，是在高地应力条件下，隧道周边一定范围内易产生显著塑性变形或流变的岩体，具有高地应力、低强度、强流变的显著特征。挤压性围岩隧道施工中，围岩变形剧烈，变形量大，持续时间长，极易出现变形侵限、塌方，甚至二次衬砌压溃现象，使变形控制异常困难，施工风险极高。

目前挤压性围岩隧道结构设计时仍采用工程类比法，结构计算采用荷载结构法。其计算荷载不再按常规隧道的围岩等级确定，而采用基于预测变形潜势的变形等级确定。严重及极严重变形等级情况下，采用了优化断面曲率、多层支护、让压支护等辅助结构措施。

现有常用的围岩隧道结构的设计方法多采用挪威法支护设计图表，自20世纪80年代初以来，湿喷钢纤维增强喷射混凝土(SFRS)与岩石锚杆一起成为挪威地下洞室永久性岩石支撑的主要组成部分。根据经验，Grimstad和Barton(1993)根据1260案例记录使用SFRS提出了不同的支护设计图表，如图1所示。

图1中纵坐标为等效直径，为开挖跨度或高度与开挖支护比的比值，对于公路铁路隧道，开挖支护比取1.0，横坐标为岩体质量Q分级方法中的Q取值。

图1所示的设计方法包括：

1、基于国外的Q系统围岩分级方法；

2、围岩因素考虑Q值，隧道因素考虑等效直径；

3、隧道结构采用挪威法中的湿喷钢纤维增强喷射混凝土；

4、根据Q和隧道等效直径取值，将交叉区域分为9个设计参数取值区，不同区域采用不同的结构设计参数。

现有挪威法支护设计图表等设计方法存在的缺陷为：

1、国外挪威法设计图表基于Q围岩分级系统，不适用于我国以围岩稳定性为基础的分级方法，而且其仅适用于以喷射混凝土为主要受力结构的挪威法，为针对所有围岩类型，不是针对某种特定的围岩条件；