一种考虑施工扰动的深埋软岩隧洞预留开挖确定方法

摘要

本发明公开了一种考虑施工扰动的深埋软岩隧洞预留开挖确定方法，包括步骤：一、确定隧洞开挖设计半径；二、隧洞围岩塑性区应力分析；三、确定围岩塑性区半径；四、确定围岩塑性区和弹性区交界处应力；五、确定塑性区位移；六、引入施工扰动计算有效内黏聚力、内摩擦角；步骤七、引入施工扰动获取塑性区有效半径；八、确定施工扰动下的深埋软岩隧洞预留开挖量。本发明利用塑性应力应变关系得到了塑性区位移表达式，再考虑工程扰动程度及岩体地质强度指标，修正施工扰动下塑性区有效半径，获取考虑施工扰动的深埋软岩隧洞预留开挖半径，对施工期间围岩稳定性及合理考虑超挖量具有指导意义，避免围岩多次扰动，确保深埋软岩隧洞安全快速施工。

说明书

技术领域

本发明属于深埋软岩隧洞预留开挖确定技术领域，具体涉及一种考虑施工扰动的深埋软岩隧洞预留开挖确定方法。

背景技术

软岩一般强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层，该类岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质矿岩，是天然形成的复杂的地质介质。地下深埋软岩隧洞开挖前，围岩的应力环境为三向受压，围岩应力处于三向平衡状态，经开挖扰动，破坏了岩体自身原有的应力平衡，促使岩体进行应力调整，围岩的三向应力状态随着深埋软岩隧洞的开挖逐步转变为二向应力状态，新分布的应力往往由于初始应力的作用或者岩体强度的低下发生两个显著变化：一是深埋软岩隧洞周边径向应力下降为零，围岩强度明显下降；二是围岩中出现应力集中现象，如果集中应力小于岩体强度，围岩将处于弹塑性稳定状态；当应力超过围岩强度之后，深埋软岩隧洞周边围岩将首先破坏，并逐渐向深部扩展，直至在一定深度重新达到三向应力平衡为止，此时围岩已过渡到破碎状态。将围岩中产生的这种松弛破碎带定义为围岩松动圈，其力学特性表现为应力降低。随着距洞轴中心的距离的增大，径向应力增大，岩体的强度也将随之增大，二次应力逐渐向弹性应力状态过度，此时，围岩的二次应力将出现弹、塑性并存的应力分布特点。现多把深埋软岩隧洞围岩分成破裂区、塑性区和弹性区，在实际工程中，工程扰动程度及岩体地质强度指标对岩体强度参数(内摩擦角、粘聚力)存在着一定关系，利用扰动后围岩有效内摩擦角、有效粘聚力能够得出施工现场实际的围岩塑性区位移，能够指导施工技术人员在施工期间适度考虑一定超挖量，避免围岩多次扰动，影响深埋软岩隧洞施工安全，以更好地保证施工质量，由于深埋软岩隧洞距离长，经过的地层变化多样，塑性区位移根据不同的地层情况而参差不齐，如何合理确定施工扰动条件下的深埋软岩隧洞围岩的变形位移量满足深埋软岩隧洞设计尺寸没有统一定论。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种考虑施工扰动的深埋软岩隧洞预留开挖确定方法，通过分析深埋软岩隧洞围岩塑性区的应力和应变，获取塑性区半径，由塑性应力应变关系得到了塑性区位移表达式，再考虑工程扰动程度及岩体地质强度指标，修正有效内黏聚力和有效内摩擦角，进而获取施工扰动下的塑性区有效半径，获取考虑施工扰动的深埋软岩隧洞预留开挖半径，对施工技术人员在施工期间围岩稳定性及适度考虑适量超挖量具有指导意义，以避免围岩多次扰动，影响深埋软岩隧洞施工安全，以更好地保证施工质量，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种考虑施工扰动的深埋软岩隧洞预留开挖确定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、确定隧洞开挖设计半径r

步骤二、隧洞围岩塑性区应力分析，过程如下：

步骤201、确定深埋软岩隧洞岩体的起塑条件：σ

步骤202、确定深埋软岩隧洞岩体的塑性区静力平衡方程：

步骤203、将深埋软岩隧洞岩体的起塑条件带入深埋软岩隧洞岩体的塑性区静力平衡方程中得

得深埋软岩隧洞开挖设计半径下塑性区应力计算结果

步骤三、确定围岩塑性区半径：根据弹性分布的二次应力状态结论σ

步骤四、确定围岩塑性区和弹性区交界处应力：将步骤三中R

步骤五、确定塑性区位移，过程如下：

步骤501、根据弹塑性力学理论，塑性区内的应力与应变在三维状态下有

步骤502、利用广义胡克定理得

经推导

由于深埋软岩隧洞断面为轴对称结构，可将其转化为平面应变问题，则由塑性区内平面应变的应力应变关系可得ε

步骤503、在塑性状态下，深埋软岩隧洞岩体受力后的位移与应变仍然保持弹性状态下的关系，即

步骤504、再利用边界条件r＝R

则塑性模数为

步骤505、由径向位移的几何方程和塑性应力应变关系式

步骤六、引入施工扰动计算有效内黏聚力和有效内摩擦角：有效内摩擦角

步骤七、引入施工扰动获取塑性区有效半径

因此得到引入施工扰动影响下的围岩塑性区内有效径向位移

步骤八、确定施工扰动下的深埋软岩隧洞预留开挖半径为r

上述的一种考虑施工扰动的深埋软岩隧洞预留开挖确定方法，其特征在于：所述深埋软岩隧洞为圆形深埋软岩隧洞。

上述的一种考虑施工扰动的深埋软岩隧洞预留开挖确定方法，其特征在于：所述地质强度指标GSI和深埋软岩隧洞完整岩石质量系数m

本发明的有益效果是，通过分析围岩塑性区的应力和应变，获取塑性区半径，由塑性应力应变关系得到了塑性区位移表达式，再考虑工程扰动程度及岩体地质强度指标，修正有效内黏聚力和有效内摩擦角，进而获取施工扰动下的塑性区有效半径，获取考虑施工扰动的深埋软岩隧洞预留开挖半径，对施工技术人员在施工期间围岩稳定性及适度考虑适量超挖量具有指导意义，以避免围岩多次扰动，影响深埋软岩隧洞施工安全，以更好地保证施工质量，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的方法流程框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种考虑施工扰动的深埋软岩隧洞预留开挖确定方法，包括以下步骤：

步骤一、确定隧洞开挖设计半径r

步骤二、隧洞围岩塑性区应力分析，过程如下：

步骤201、确定深埋软岩隧洞岩体的起塑条件：σ

步骤202、确定深埋软岩隧洞岩体的塑性区静力平衡方程：

步骤203、将深埋软岩隧洞岩体的起塑条件带入深埋软岩隧洞岩体的塑性区静力平衡方程中得

得深埋软岩隧洞开挖设计半径下塑性区应力计算结果

步骤三、确定围岩塑性区半径：根据弹性分布的二次应力状态结论σ

步骤四、确定围岩塑性区和弹性区交界处应力：将步骤三中R

步骤五、确定塑性区位移，过程如下：

步骤501、根据弹塑性力学理论，塑性区内的应力与应变在三维状态下有

步骤502、利用广义胡克定理得

经推导

由于深埋软岩隧洞断面为轴对称结构，可将其转化为平面应变问题，则由塑性区内平面应变的应力应变关系可得ε

步骤503、在塑性状态下，深埋软岩隧洞岩体受力后的位移与应变仍然保持弹性状态下的关系，即

步骤504、再利用边界条件r＝R

则塑性模数为

步骤505、由径向位移的几何方程和塑性应力应变关系式

步骤六、引入施工扰动计算有效内黏聚力和有效内摩擦角：有效内摩擦角

步骤七、引入施工扰动获取塑性区有效半径

因此得到引入施工扰动影响下的围岩塑性区内有效径向位移

步骤八、确定施工扰动下的深埋软岩隧洞预留开挖半径为r

本实施例中，所述深埋软岩隧洞为圆形深埋软岩隧洞。

本实施例中，所述地质强度指标GSI和深埋软岩隧洞完整岩石质量系数m

本发明使用时，以圆形深埋软岩隧洞为力学模型，分析了围岩塑性区的应力和应变，计算得到了塑性区半径，由塑性应力应变关系得到了塑性区位移表达式。

工程实际中，工程扰动程度及岩体地质强度指标与岩体强度参数(内摩擦角、粘聚力)存在着一定关系，进而影响围岩塑性区半径及位移。围岩工程扰动程度越大，岩体地质强度指标越小，岩体的节理裂隙越多，完整性较差，非线性岩体强度参数(内摩擦角、黏聚力)值越小。利用扰动后围岩有效内摩擦角、有效粘聚力能够得出施工现场有效围岩塑性区位移，对施工技术人员在施工期间围岩稳定性及适度考虑适量超挖量具有指导意义，以避免围岩多次扰动，影响深埋软岩隧洞施工安全，以更好地保证施工质量。

实际施工中，深埋软岩隧洞长度长，经过的地层多样化，可根据实际地层特性动态调整深埋软岩隧洞开挖半径，使用效果好。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。