[发明专利]一种隧道抗膨胀支护设计方法

摘要

本发明公开了一种隧道抗膨胀支护设计方法，步骤如下1)进行侧限自由膨胀试验和膨胀力与时间试验；2)根据试验结果，获得含时间效应的膨胀本构方程的参数；3)根据含时间效应膨胀本构方程，建立隧道膨胀变形和支护抗膨胀力关系方程；4)在支护力等于零的边界条件下，计算出隧道施工期膨胀变形量的大小，基于计算结果，在预留变形量设计中考虑膨胀变形，有效解决施工期由膨胀性导致的失稳、侵限问题；5)在位移约束的边界条件下，计算出隧道运营期二衬承受的膨胀力，通过在二衬中增加抗静水压力设计，且使抗静水压力的值不小于运营期最大膨胀力的值，进而有效解决运营期稳定性问题。

主权项

一种隧道抗膨胀支护设计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：1)膨胀试验：对所要修建的隧道膨胀岩段的围岩取芯，加工成直径61mm高20mm圆饼形试件；1.1)侧限自由膨胀试验：使用固结仪进行试验，在固结仪水盒的试件环内壁涂上凡士林油，再将试件放入试件环中，在试件的上端和下端放置薄滤纸和透水板，顶部放置固定金属板，并安装垂直千分表，缓慢向水盒里注水，水面高出试件5mm，采用电脑采样，记录膨胀变形与时间；1.2)膨胀力与时间试验：选取多个试件，采用步骤1.1)中的方法，让其自由膨胀，膨胀到不同时间后，加压，把变形压回，把试件压到零变形时所需要的压力为膨胀时间下的最大膨胀压力，建立最大膨胀压力与膨胀时间的关系；2)根据如下含时间效应的膨胀本构方程，对膨胀试验结果进行拟合；2.1)通过侧限自由膨胀试验获得岩石膨胀应变—时间方程的参数；ϵt=m1+at-b---(1)]]>式中，t为膨胀时间；εt为t时刻膨胀应变；m、a和b为岩石膨胀应变‑时间方程参数，其中m>0，b>0；模型参数，通过侧限自由膨胀试验的结果获得；2.2)通过膨胀力与时间试验获得岩石膨胀应力—时间方程的参数，方程如下：σt＝c(1‑e‑dt)   (2)式中，t为膨胀时间，e为自然常数，σt为t时刻膨胀应力，c>0，d>0为材料特性参数，通过试验拟合得到；2.3)含时间效应的膨胀本构方程：ϵ=m[σ-c(1-e-dt)]2c2(1+at-b)(1-e-dt)2---(3)]]>把之前拟合出的a、b、c、d和m代入(3)式得含时间效应的膨胀本构模型；3)根据方程(3)含时间效应的膨胀本构模型，建立隧道膨胀变形与支护抗膨胀力关系方程如下：U=kDm[p-c(1-e-dt)]2c2(1+at-b)(1-e-dt)2---(4)]]>式中，U为膨胀变形；p为支护抗膨胀力；K为与隧道地质条件有关的系数取0～1；D为隧道开挖影响半径；a、b、c和d为系数，通过试验获得；3.1)隧道施工期抗膨胀设计：根据膨胀变形与支护抗膨胀力关系，把P＝0和t＝t0代入式(4)可计算出U＝U0；则在隧道预留变形量设计中，额外考虑U0厚的膨胀变形，达到施工期抗膨胀效果；上述t＝t0为实际工况中初期支护与二衬间隔时间；3.2)隧道运营期抗膨胀设计：根据膨胀变形与支护抗膨胀力关系，把t＝t1和U＝U1代入式(4)可计算出P＝P1；则为抵抗膨胀压力，在隧道二衬设计中，额外考虑不小于P1的抗静水压力，达到运营期抗膨胀效果；上述t＝t1为隧道服务年限，U＝U1为施工期的围岩膨胀变形量。