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2020-02-14
授权
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2020-02-14
专利申请权的转移 IPC(主分类):E21D11/10 登记生效日:20200120 变更前: 变更后: 申请日:20180416
专利申请权、专利权的转移
2018-10-16
实质审查的生效 IPC(主分类):E21D11/10 申请日:20180416
实质审查的生效
2018-09-14
公开
公开
技术领域
本发明属于地下洞室施工技术领域，尤其是涉及一种基于围岩分区破裂演化分析的深埋洞室开挖施工方法。
背景技术
地下洞室不仅仅为交通、水电、矿等使用，而且现代已为地下城市建设、冷藏、储油、储水、环境工程及国防工程等广泛使用，洞室可分为过水的(如引水隧洞)和不过水的(如交通隧洞)两大类。深埋洞室(也称深埋地下洞室)是指埋设大于50m的地下洞室。
近年来，随着人们对地下空间与资源需求量的急剧增加，深部岩体工程不断增多。据不完全统计，国外开采深度超过1000m的金属矿山已达上百座；我国多个矿井开采深度已超过1000m，在今后的10年～20年内，国内多数矿山将进入1000m～2000m的开采深度。同时，国内外正在或计划修建大量的深埋地下洞室工程，如山岭交通隧道、大型水电工程引水隧道、核废料深层处置井、石油战备储存工程等。这些深部岩体工程都面临高地应力、高地温、高孔隙水压的复杂地质环境，表现出不同于浅部岩体的显著非线性变形与破坏特征，如分区破裂、剧烈岩爆、围岩挤压大变形等。其中，围岩分区破裂使得深埋洞室在开挖与支护过程中面临着诸多亟待解决的世界性技术难题，并由此成为深部岩体工程领域研究的热点和难点之一。
分区破裂是在深埋洞室围岩中破裂区与非破裂区交替性产生的特殊地质现象。长期以来，人们通过理论推导、试验分析及数值模拟等手段对分区破裂机理进行了深入研究。早在上世纪80年代，E.I.Shemyakin利用电阻率仪在深部Маяк矿山发现了围岩“环带状破裂”现象，如图1所示。
G.D.Adams和A.J.Jager对南非Witwatersrand金矿2000m～3000m深处采场顶板的间隔破裂现象进行了钻孔窥视；D.F.Malan和S.M.Spottiswoode利用现场监测资料分析了采场顶板间隔破裂随时间和采矿活动的发展和形成，探讨了矿震与顶板分区破坏的关系；E.J.Sellers和P.Klerck对围岩中的不连续面对间隔破裂的影响进行了试验研究；M.B.Kypленя和B.H.Oпapин给出了适用于特定矿区的围岩破裂区半径及厚度计算公式；I.S.Metlov等利用非平衡热动力学方程分析了分区破裂的物理基础，并进行了计算机模拟；G.R.Adams和A.J.Jager指出，只要满足条件，巷道围岩都会产生分区破裂现象，但裂缝形成原因尚未得到理论解释；E.И.Шемякин认为围岩分区破裂不是钻爆施工扰动所致，而是由于巷道周围应力场改变；курлeня研究了围岩分区破裂的时间效应，提出初始应力值对巷道周边位移速度具有重要影响，该速度是围岩卸荷产生的位移速度。
在国内，钱七虎首次在国内提出“分区破裂化”这一概念，分析了分区破裂的产生条件、主要特征及变化规律；唐春安等运用RFPA数值软件研究了岩体间隔破裂机制及演化规律；李术才，许宏发等通过对淮南丁集矿深埋巷道围岩的现场监测，提出了分区破裂半径与巷道开挖半径的解析关系；周小平等研究了深埋球形硐室围岩破裂区与非破裂区的宽度和数量；陈建功等轴对称应力场下硐室开挖瞬间围岩径向应力场的动力学理论解，指出分区各破裂区半径存在等比关系；鲁建荣基于厚壁筒三维线弹性解析模型，探讨了水平应力和轴向压力对围岩分区破裂的作用机制；左宇军等研究了动、静组合条件下深部巷道围岩分区破裂的力学机制；陈旭光探讨了高地应力下围岩分区破裂的形成机制和锚固特性；王学滨等基于加荷和卸荷模型模拟了深部巷道围岩的分区破坏，认为卸荷模型更贴近工程实际；顾金才，张绪涛等对深部洞室围岩分区破裂进行了模型试验研究。
综上所述，国内外专家对深部围岩分区破裂的研究取得了一系列的研究成果，但由于深部岩体工程所处环境及其自身变形的高度复杂性，目前关于围岩分区破裂的研究尚处于初级阶段，尤其在确定围岩破裂区厚度及数量方面的研究成果较少。相应地，存在深部围岩分区破裂的地下洞室开挖施工过程中存在的安全风险非常大。
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，提供一种基于围岩分区破裂演化分析的深埋洞室开挖施工方法，其步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，通过围岩分区破裂演化分析能得出当前所施工洞室外侧的破裂区数量以及各破裂区的厚度和位置，并根据围岩分区破裂演化分析结果有目的地进行围岩径向注浆加固，能有效确保洞室围岩稳定性及洞室开挖施工的安全性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于围岩分区破裂演化分析的深埋洞室开挖施工方法
基于围岩分区破裂演化分析的深埋洞室开挖施工方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、洞室开挖：沿纵向延伸方向，由后向前对当前所施工洞室进行开挖；
步骤二、围岩基本力学参数确定：通过对现场所取岩样进行室内试验，对当前所施工洞室的围岩基本力学参数进行测试，并对测试结果进行同步记录；
步骤三、围岩分区破裂演化分析：根据步骤二中所确定的围岩基本力学参数，对当前所施工洞室进行围岩分区破裂演化分析，并根据分析结果对开挖完成后当前所施工洞室围岩上所存在破裂区的数量M和各破裂区的厚度分别进行确定；其中，M为整数且M≥0；当M＝0时，说明当前所施工洞室围岩上不存在破裂区；
对当前所施工洞室进行围岩分区破裂演化分析时，将当前所施工洞室围岩从内至外划分为多个围岩分区，并从内至外对多个所述围岩分区分别进行破裂分析，过程如下：
步骤301、第一个围岩分区破裂分析：对当前所施工洞室外侧的第一个围岩分区进行破裂分析，包括以下步骤：
步骤3011、第一个围岩分区厚度确定：根据公式
步骤3012、破裂确定：对|σr0-μ(σθ0+σz0)|与|σt|进行差值比较，并根据差值比较结果对第一个围岩分区是否存在破裂进行判断：当|σr0-μ(σθ0+σz0)|≥|σt|时，判断为第一个围岩分区存在破裂且此时第一个围岩分区为破裂围岩分区，进入步骤3013；否则，判断为当前所施工洞室围岩上不存在破裂区且M＝0，完成当前所施工洞室的围岩分区破裂演化分析过程，同时完成当前所施工洞室的开挖施工过程；
所述破裂围岩分区划分为一个破裂区和一个位于所述破裂区外侧的非破裂区；
其中，|σt|为σt的绝对值，σt为当前所施工洞室围岩的抗拉强度且其单位为Pa，
|σr0-μ(σθ0+σz0)|为σr0-μ(σθ0+σz0)的绝对值；
其中，μ为当前所施工洞室围岩岩体的泊松比，σr0为第一个围岩分区弹塑性边界处的岩体在支撑压力峰值作用下的径向应力且其单位为Pa；
σθ0为第一个围岩分区内围岩弹塑性边界处的切向应力且
步骤3013、第一个围岩分区内破裂区的厚度确定：根据公式
其中，
步骤302、下一个围岩分区破裂分析：对当前所施工洞室外侧的下一个围岩分区进行破裂分析；本步骤中，进行破裂分析的围岩分区为当前所施工洞室外侧的第K个围岩分区，其中K为正整数且K≥2，K＝k+1，k为正整数且k≥1；本步骤中，位于第K个围岩分区内侧的k个所述围岩分区均已完成破裂分析过程；
对第K个围岩分区进行破裂分析时，包括以下步骤：
步骤3021、第K个围岩分区厚度确定：根据公式
式(Ⅲ)中，ρk为第K个围岩分区内所述锚杆的中性点半径与当前所施工洞室的等效开挖半径之和，第K个围岩分区内所述锚杆的中性点半径为第K个围岩分区内所述锚杆前端与中性点的间距；
步骤3022、破裂确定：对|σrk-μ(σθk+σzk)|与|σt|进行差值比较，并根据差值比较结果对第K个围岩分区是否存在破裂进行判断：当|σrk-μ(σθk+σzk)|≥|σt|时，判断为第K个围岩分区存在破裂且此时第K个围岩分区为破裂围岩分区，进入步骤3023；否则，判断为第K个围岩分区上不存在破裂区且M＝k，完成当前所施工洞室的围岩分区破裂演化分析过程；
其中，|σrk-μ(σθk+σzk)|为σrk-μ(σθk+σzk)的绝对值；
σrk为第K个围岩分区弹塑性边界处的岩体在支撑压力峰值作用下的径向应力且其单位为Pa；
σθk为第K个围岩分区内围岩弹塑性边界处的切向应力且
步骤3023、第K个围岩分区内破裂区的厚度确定：根据公式
其中，
步骤303、一次或多次重复步骤302，直至完成当前所施工洞室的围岩分区破裂演化分析过程；
步骤四、径向注浆加固：沿纵向延伸方向由后向前分多次对当前所施工洞室进行围岩径向注浆加固；多次围岩径向注浆加固完成后，完成当前所施工洞室的开挖施工过程；
多次围岩径向注浆加固方法均相同；每一次进行围岩径向注浆加固时，过程如下：
步骤401、破裂区位置确定：根据步骤三中所确定的当前所施工洞室外侧M个所述围岩分区的厚度和M个所述破裂区的厚度，对当前所施工洞室外侧M个所述破裂区的位置分别进行确定；
步骤402、破裂区注浆加固：根据步骤401中所确定的M个所述破裂区的位置，采用注浆管对M个所述破裂区分别进行注浆加固；
对任一个所述破裂区进行注浆加固时，均采用由当前所施工洞室从内向外插装入该破裂区的注浆管进行注浆加固；所述注浆管为从内向外插入该破裂区且前端带注浆孔的空心钢管，所述注浆管的前端位于该破裂区内且其后端通过注浆管道与注浆设备连接；
步骤402中进行破裂区注浆加固时，所采用的所有注浆管均位于当前所施工洞室的同一横断面上；所述注浆管所处的当前所施工洞室的横断面为注浆加固位置；
相邻两次围岩径向注浆加固的注浆加固位置间距为3m～8m。
上述基于围岩分区破裂演化分析的深埋洞室开挖施工方法，其特征是：步骤一中对当前所施工洞室进行开挖时，沿纵向延伸方向由后向前对当前所施工洞室进行开挖且开挖长度不大于50m。
上述基于围岩分区破裂演化分析的深埋洞室开挖施工方法，其特征是：步骤三中所述围岩分区位于当前所施工洞室外侧，所述围岩分区、所述破裂区和所述非破裂区的横断面形状均与当前所施工洞室的横断面形状相同。
上述基于围岩分区破裂演化分析的深埋洞室开挖施工方法，其特征是：步骤3013中还需根据公式dns0＝l0-ds0，计算得出第一个围岩分区内非破裂区的厚度dns0；
步骤3023中还需根据公式dnsk＝lk-dsk，计算得出第K个围岩分区内非破裂区的厚度dnsk。
上述基于围岩分区破裂演化分析的深埋洞室开挖施工方法，其特征是：步骤3012中所述的m＝0.01，s＝0～1，b＝0.8。
上述基于围岩分区破裂演化分析的深埋洞室开挖施工方法，其特征是：步骤一中洞室开挖完成后，从已开挖完成的洞室中选取一个节段作为测试段；步骤二中进行围岩基本力学参数确定时，从所述测试段取岩样进行室内试验，且所获得的试验结果为开挖后所述测试段的围岩基本力学参数。
上述基于围岩分区破裂演化分析的深埋洞室开挖施工方法，其特征是：步骤一中当前所施工洞室为深埋隧道。
上述基于围岩分区破裂演化分析的深埋洞室开挖施工方法，其特征是：步骤402中所述注浆管为由当前所施工洞室从内向外钻进的空心钻杆；
步骤四中当前所施工洞室中位于最后侧的注浆加固位置与当前所施工洞室后端面之间的间距为3m～8m，当前所施工洞室中位于最前侧的注浆加固位置与当前所施工洞室前端面之间的间距为3m～8m。
上述基于围岩分区破裂演化分析的深埋洞室开挖施工方法，其特征是：步骤402中对任一个所述破裂区进行注浆加固时，均采用两组对称布设的注浆管进行注浆加固；两组所述注浆管分别布设在当前所施工洞室的左右两侧上方，每组所述注浆管均包括一根所述注浆管或多根沿当前所施工洞室的开挖轮廓线由左至右布设的注浆管；两组所述注浆管均位于当前所施工洞室的同一横断面上。
上述基于围岩分区破裂演化分析的深埋洞室开挖施工方法，其特征是：步骤402中对M个所述破裂区分别进行注浆加固时，采用同一个注浆管组由外至内或由内至外对M个所述破裂区分别进行注浆加固；
采用同一个注浆管组由外至内对M个所述破裂区分别进行注浆加固时，过程如下：
步骤A1、第M个围岩分区的破裂区注浆加固：采用所述注浆管组对第M个围岩分区的破裂区进行注浆加固；
所述注浆管组包括两组对称布设的注浆管，两组所述注浆管分别布设在当前所施工洞室的左右两侧上方，每组所述注浆管均包括一根所述注浆管或多根沿当前所施工洞室的开挖轮廓线由左至右布设的注浆管；两组所述注浆管均位于当前所施工洞室的同一横断面上；
本步骤中，两组所述注浆管中每根所述注浆管的前端均插入至第M个围岩分区的破裂区内；
步骤A2、注浆加固结束判断：判断M个所述破裂区的注浆加固过程是否均全部完成：当M个所述破裂区的注浆加固过程均完成后，完成当前所施工洞室的开挖施工过程；否则，进入步骤A3；
步骤A3、下一个围岩分区的破裂区注浆加固：将所述注浆管组中各根注浆管均向后移至其前端位于下一个围岩分区的破裂区内，再采用所述注浆管组对下一个围岩分区的破裂区进行注浆加固；之后，返回步骤A2；
采用同一个注浆管组由内至外对M个所述破裂区分别进行注浆加固时，过程如下：
步骤B1、第1个围岩分区的破裂区注浆加固：采用所述注浆管组对第1个围岩分区的破裂区进行注浆加固；
本步骤中，两组所述注浆管中每根所述注浆管的前端均插入至第1个围岩分区的破裂区内；
步骤B2、注浆加固结束判断：判断第M个围岩分区的破裂区注浆加固是否完成：当第M个围岩分区的破裂区注浆加固过程完成后，完成当前所施工洞室的开挖施工过程；否则，进入步骤B3；
步骤B3、下一个围岩分区的破裂区注浆加固：将所述注浆管组中各根注浆管均向前移至其前端位于下一个围岩分区的破裂区内，再采用所述注浆管组对下一个围岩分区的破裂区进行注浆加固；之后，返回步骤B2。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、施工方法步骤简单、设计合理且施工方便。
2、围岩分区破裂演化分析方法步骤简单、实现方便且投入成本低，采用数据处理设备能在几分钟，甚至几十秒内完成分析过程。
3、开挖完成后，先确定围岩基本力学参数，再根据所确定的围岩基本力学参数对当前所施工洞室进行围岩分区破裂演化分析，因而围岩分区破裂演化分析结果准确、可靠，可操性强。
4、围岩分区破裂演化分析设计合理，针对深埋洞室开挖支护一段时间后围岩变形才趋于稳定的特点，从开挖初期支护施工中采用的全长锚固锚杆的受力分析入手建立分析模型，通过确定锚杆中性点半径及其最大轴力，对围岩分区分别进行破裂分析，破裂分析结果与工程实际非常接近。由于洞室开挖后围岩应力发生重分布，当弹塑性界面上的岩体在最大切向支撑压力下所产生的拉伸应力超过其极限抗拉强度时，岩体将产生径向拉裂并出现多个破裂区和非破裂区交替分布现象；破裂区和非破裂区内岩体位移速率的差异将导致锚杆沿长度方向出现多个中性点；并且，围岩破裂区厚度大致呈依次递减的趋势，直至围岩破裂停止。根据围岩分区破裂条件下锚杆拉-压受力交替分布的受力变形特点，提出了一种通过锚杆受力规律反演分析围岩分区破裂的新方法。基于杆体与围岩的协调变形原理，建立了全长锚固锚杆与围岩相互作用的力学模型，并相应分析得出各围岩分区内围岩的破裂区与非破裂区厚度。基于格里菲斯强度理论，提出了围岩应力重分布后弹塑性界面岩体发生拉裂的力学判据(即破裂判断依据)，进而确定了围岩的破裂区总数量(即M)。
5、围岩分区破裂演化分析方法使用效果好，基于锚杆与围岩的协调变形原理，分析了围岩分区破裂的基本演化规律，合理确定深埋洞室围岩破裂区厚度及数量能为洞室开挖及支护提供重要的理论依据。经分析得出：各围岩分区厚度及破裂区厚度从洞壁向围岩深处大致呈依次递减的趋势，根据分析得出的破裂区总数量以及各破裂区的厚度和位置，能有效合理确定深埋洞室的开挖方案及其围岩支护参数，并为深部岩体工程围岩分区破裂研究提供新的思路。
6、围岩径向注浆加固方法简单、设计合理且施工简便、加固效果好，在准确判断破裂位置及厚度的基础上进行针对性的注浆加固，能有效保证当前所施工洞室的围岩稳定性及安全性，注浆加固效果非常好，并且施工过程简单。
综上所述，本发明步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，通过围岩分区破裂演化分析能得出当前所施工洞室外侧的破裂区数量以及各破裂区的厚度和位置，并根据围岩分区破裂演化分析结果有目的地进行围岩径向注浆加固，能有效确保洞室围岩稳定性及洞室开挖施工的安全性。
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。
图2为本发明深埋洞室拱部围岩分区破裂所形成破裂区的分布状态示意图。
图3为本发明对第1个围岩分区内破裂区进行注浆加固时所采用注浆管的布设位置示意图。
图4为本发明对第2个围岩分区内破裂区进行注浆加固时所采用注浆管的布设位置示意图。
图5为本发明对第3个围岩分区内破裂区进行注浆加固时所采用注浆管的布设位置示意图。
图6为本发明对第4个围岩分区内破裂区进行注浆加固时所采用注浆管的布设位置示意图。
附图标记说明:
1—深埋洞室； 1-1—围岩分区破裂区；
1-2—围岩分区非破裂区； 2—注浆管。
具体实施方式
如图1所示的一种基于围岩分区破裂演化分析的深埋洞室开挖施工方法，包括以下步骤：
步骤一、洞室开挖：沿纵向延伸方向，由后向前对当前所施工洞室进行开挖；
步骤二、围岩基本力学参数确定：通过对现场所取岩样进行室内试验，对当前所施工洞室的围岩基本力学参数进行测试，并对测试结果进行同步记录；
步骤三、围岩分区破裂演化分析：根据步骤二中所确定的围岩基本力学参数，对当前所施工洞室进行围岩分区破裂演化分析，并根据分析结果对开挖完成后当前所施工洞室围岩上所存在破裂区的数量M和各破裂区的厚度分别进行确定；其中，M为整数且M≥0；当M＝0时，说明当前所施工洞室围岩上不存在破裂区；
对当前所施工洞室进行围岩分区破裂演化分析时，将当前所施工洞室围岩从内至外划分为多个围岩分区，并从内至外对多个所述围岩分区分别进行破裂分析，过程如下：
步骤301、第一个围岩分区破裂分析：对当前所施工洞室外侧的第一个围岩分区进行破裂分析，包括以下步骤：
步骤3011、第一个围岩分区厚度确定：根据公式
步骤3012、破裂确定：对|σr0-μ(σθ0+σz0)|与|σt|进行差值比较，并根据差值比较结果对第一个围岩分区是否存在破裂进行判断：当|σr0-μ(σθ0+σz0)|≥|σt|时，判断为第一个围岩分区存在破裂且此时第一个围岩分区为破裂围岩分区，进入步骤3013；否则，判断为当前所施工洞室围岩上不存在破裂区且M＝0，完成当前所施工洞室的围岩分区破裂演化分析过程，同时完成当前所施工洞室的开挖施工过程；
所述破裂围岩分区划分为一个破裂区和一个位于所述破裂区外侧的非破裂区；
其中，|σt|为σt的绝对值，σt为当前所施工洞室围岩的抗拉强度且其单位为Pa，
|σr0-μ(σθ0+σz0)|为σr0-μ(σθ0+σz0)的绝对值；
其中，μ为当前所施工洞室围岩岩体的泊松比，σr0为第一个围岩分区弹塑性边界处的岩体在支撑压力峰值作用下的径向应力且其单位为Pa；
σθ0为第一个围岩分区内围岩弹塑性边界处的切向应力且
步骤3013、第一个围岩分区内破裂区的厚度确定：根据公式
其中，
步骤302、下一个围岩分区破裂分析：对当前所施工洞室外侧的下一个围岩分区进行破裂分析；本步骤中，进行破裂分析的围岩分区为当前所施工洞室外侧的第K个围岩分区，其中K为正整数且K≥2，K＝k+1，k为正整数且k≥1；本步骤中，位于第K个围岩分区内侧的k个所述围岩分区均已完成破裂分析过程；
对第K个围岩分区进行破裂分析时，包括以下步骤：
步骤3021、第K个围岩分区厚度确定：根据公式
式(Ⅲ)中，ρk为第K个围岩分区内所述锚杆的中性点半径与当前所施工洞室的等效开挖半径之和，第K个围岩分区内所述锚杆的中性点半径为第K个围岩分区内所述锚杆前端与中性点的间距；
步骤3022、破裂确定：对|σrk-μ(σθk+σzk)|与|σt|进行差值比较，并根据差值比较结果对第K个围岩分区是否存在破裂进行判断：当|σrk-μ(σθk+σzk)|≥|σt|时，判断为第K个围岩分区存在破裂且此时第K个围岩分区为破裂围岩分区，进入步骤3023；否则，判断为第K个围岩分区上不存在破裂区且M＝k，完成当前所施工洞室的围岩分区破裂演化分析过程；
其中，|σrk-μ(σθk+σzk)|为σrk-μ(σθk+σzk)的绝对值；
σrk为第K个围岩分区弹塑性边界处的岩体在支撑压力峰值作用下的径向应力且其单位为Pa；
σθk为第K个围岩分区内围岩弹塑性边界处的切向应力且
步骤3023、第K个围岩分区内破裂区的厚度确定：根据公式
其中，
步骤303、一次或多次重复步骤302，直至完成当前所施工洞室的围岩分区破裂演化分析过程；
步骤四、径向注浆加固：沿纵向延伸方向由后向前分多次对当前所施工洞室进行围岩径向注浆加固；多次围岩径向注浆加固完成后，完成当前所施工洞室的开挖施工过程；
结合图3、图4、图5和图6，多次围岩径向注浆加固方法均相同；每一次进行围岩径向注浆加固时，过程如下：
步骤401、破裂区位置确定：根据步骤三中所确定的当前所施工洞室外侧M个所述围岩分区的厚度和M个所述破裂区的厚度，对当前所施工洞室外侧M个所述破裂区的位置分别进行确定；
步骤402、破裂区注浆加固：根据步骤401中所确定的M个所述破裂区的位置，采用注浆管2对M个所述破裂区分别进行注浆加固；
对任一个所述破裂区进行注浆加固时，均采用由当前所施工洞室从内向外插装入该破裂区的注浆管2进行注浆加固；所述注浆管2为从内向外插入该破裂区且前端带注浆孔的空心钢管，所述注浆管2的前端位于该破裂区内且其后端通过注浆管道与注浆设备连接；
步骤402中进行破裂区注浆加固时，所采用的所有注浆管2均位于当前所施工洞室的同一横断面上；所述注浆管2所处的当前所施工洞室的横断面为注浆加固位置；
相邻两次围岩径向注浆加固的注浆加固位置间距为3m～8m。
所述注浆管2为管体封闭的平直钢管，即注浆管2为无缝钢管，注浆管2的管壁上不开设注浆孔。
其中，相邻两次围岩径向注浆加固的注浆加固位置间距指的是沿当前所施工洞室的纵向延伸方向上相邻两次围岩径向注浆加固的注浆加固位置之间的距离。
本实施例中，步骤一中当前所施工洞室为埋深大于50m的深埋洞室1。
当前所施工洞室的埋深指的是该洞室开挖断面的顶部至自然地面的垂直距离。
本实施例中，步骤一中对当前所施工洞室进行开挖时，沿纵向延伸方向由后向前对当前所施工洞室进行开挖且开挖长度不大于50m。
步骤一中当前所施工洞室为深埋隧道或煤矿井下巷道。本实施例中，当前所施工洞室为深埋隧道。
实际施工时，当前所施工洞室也可以为供地下管道安装的管道洞室。
本实施例中，步骤402中进行破裂区注浆加固时，采用常规的隧道注浆加固方法(也称隧道注浆法)进行加固。
实际进行破裂区注浆加固时，通过注浆管2将加固用浆液注入所述破裂区内使其固化，增加破裂区内围岩岩体的抗压强度和粘接性，实现加固目的，确保破裂区加固后的围岩稳定性及隧道的安全性。所采用的加固用浆液为常规隧道注浆加固方法所采用的浆液，如水泥浆等。
本实施例中，所采用的加固用浆液为水泥浆。
根据本领域公知常识，帷幕注浆是利用压力的原理将浆液注射到破碎岩层(即破碎带)、砂软石层的裂缝、空隙、渗水的地方，这样浆液凝固后就形成一个坚固的整体，缓解阻止渗水现象。
本实施例中，为施工方便，步骤402中对任一个所述破裂区进行注浆加固时，按照常规的隧道帷幕注浆方法(具体是隧道全断面帷幕注浆方法)对所述破裂区进行注浆加固。
因而，实际施工非常简便，采用隧道全断面帷幕注浆方法对所述破裂区进行注浆，使所述破裂区形成一个类似帷幕的加固墙体，这样能有效保证围岩稳定性及隧道的安全性。所述加固墙体的形状与当前所施工洞室的横断面形状相同。
本实施例中，步骤402中所述注浆管2为由当前所施工洞室从内向外钻进的空心钻杆。
为确保围岩注浆加固效果，步骤四中当前所施工洞室中位于最后侧的注浆加固位置与当前所施工洞室后端面之间的间距为3m～8m，当前所施工洞室中位于最前侧的注浆加固位置与当前所施工洞室前端面之间的间距为3m～8m。
本实施例中，步骤402中对任一个所述破裂区进行注浆加固时，均采用两组对称布设的注浆管2进行注浆加固。两组所述注浆管2分别布设在当前所施工洞室的左右两侧上方，每组所述注浆管2均包括一根所述注浆管2或多根沿当前所施工洞室的开挖轮廓线由左至右布设的注浆管2；两组所述注浆管2均位于当前所施工洞室的同一横断面上。
实际施工时，步骤402中对任一个所述破裂区进行注浆加固时，也可以按照隧道全断面帷幕注浆方法，对注浆管2的数量且各注浆管2的布设位置分别进行确定。
本实施例中，每组所述注浆管2均包括一根所述注浆管2，并且所述注浆管2位于当前所施工洞室的拱部。因而，步骤402中对任一个所述破裂区进行注浆加固时，均采用两根左右对称布设的注浆管2进行注浆加固。
为加快注浆加固时间，可以增加注浆管2的数量。
实际施工时，步骤402中对M个所述破裂区分别进行注浆加固时，采用同一个注浆管组由外至内或由内至外对M个所述破裂区分别进行注浆加固；
采用同一个注浆管组由外至内对M个所述破裂区分别进行注浆加固时，过程如下：
步骤A1、第M个围岩分区的破裂区注浆加固：采用所述注浆管组对第M个围岩分区的破裂区进行注浆加固；
所述注浆管组包括两组对称布设的注浆管2，两组所述注浆管2分别布设在当前所施工洞室的左右两侧上方，每组所述注浆管2均包括一根所述注浆管2或多根沿当前所施工洞室的开挖轮廓线由左至右布设的注浆管2；两组所述注浆管2均位于当前所施工洞室的同一横断面上；本步骤中，两组所述注浆管2中每根所述注浆管2的前端均插入至第M个围岩分区的破裂区内；
步骤A2、注浆加固结束判断：判断M个所述破裂区的注浆加固过程是否均全部完成(即判断第1个围岩分区的破裂区注浆加固过程是否完成)：当M个所述破裂区的注浆加固过程均完成后，完成当前所施工洞室的开挖施工过程；否则，进入步骤A3；
步骤A3、下一个围岩分区的破裂区注浆加固：将所述注浆管组中各根注浆管2均向后移至其前端位于下一个围岩分区的破裂区内，再采用所述注浆管组对下一个围岩分区的破裂区进行注浆加固；之后，返回步骤A2；
采用同一个注浆管组由内至外对M个所述破裂区分别进行注浆加固时，过程如下：
步骤B1、第1个围岩分区的破裂区注浆加固：采用所述注浆管组对第1个围岩分区的破裂区进行注浆加固；
本步骤中，两组所述注浆管2中每根所述注浆管2的前端均插入至第1个围岩分区的破裂区内；
步骤B2、注浆加固结束判断：判断第M个围岩分区的破裂区注浆加固是否完成：当第M个围岩分区的破裂区注浆加固过程完成后，完成当前所施工洞室的开挖施工过程；否则，进入步骤B3；
步骤B3、下一个围岩分区的破裂区注浆加固：将所述注浆管组中各根注浆管2均向前移至其前端位于下一个围岩分区的破裂区内，再采用所述注浆管组对下一个围岩分区的破裂区进行注浆加固；之后，返回步骤B2。
本实施例中，由于所述注浆管2为空心钻杆，步骤A1中将两组所述注浆管2中每根所述注浆管2的前端均插入至第M个围岩分区的破裂区内时，通过钻机将每根所述注浆管2的前端均钻进至第M个围岩分区的破裂区内；步骤A3中将所述注浆管组中各根注浆管2均向后移至其前端位于下一个围岩分区的破裂区内时，将各根注浆管2均沿其中心轴线向后移动到位即可。相应地，步骤B1中将两组所述注浆管2中每根所述注浆管2的前端均插入至第1个围岩分区的破裂区内时，通过钻机将每根所述注浆管2的前端均钻进至第1个围岩分区的破裂区内；步骤B3中将所述注浆管组中各根注浆管2均向前移至其前端位于下一个围岩分区的破裂区内时，采用钻机沿各根注浆管2的中心轴线将各根注浆管2分别继续向前钻进到位即可。
步骤402中对任一个所述破裂区进行注浆加固时，根据注浆管2插入围岩内的插入深度判断注浆管2是否插入到位；
采用同一个注浆管组由内至外对M个所述破裂区分别进行注浆加固时，根据M个所述破裂区的布设位置，由内至外对M个所述破裂区逐一进行注浆加固，即位于最内侧的所述破裂区(即第一个围岩分区的破裂区)最先进行注浆加固，位于最外侧的所述破裂区(即第M个围岩分区的破裂区)最后进行注浆加固。相应地，采用同一个注浆管组由外至内对M个所述破裂区分别进行注浆加固时，根据M个所述破裂区的布设位置，由外至内对M个所述破裂区逐一进行注浆加固，即位于最外侧的所述破裂区最先进行注浆加固，位于最内侧的所述破裂区最后进行注浆加固。
本实施例中，根据开挖后围岩由内向外分区破裂分析结果，M个所述破裂区位于最内侧的破裂区最先形成，为进一步增加施工安全性和围岩稳固性，采用同一个注浆管组由内至外对M个所述破裂区分别进行注浆加固。
如图3所示，对第1个围岩分区的破裂区进行注浆加固时，各根注浆管2的插入深度记作d1，其中0＜d1＜ds0；
如图4、图5和图6所示，对第K个围岩分区的破裂区进行注浆加固时，各根注浆管2的插入深度记作dk，其中Δlkz＜dk＜(Δlkz+dsk)。
本实施例中，步骤401中根据步骤三中所确定的当前所施工洞室外侧M个所述围岩分区的厚度和M个所述破裂区的厚度，对当前所施工洞室外侧M个所述破裂区的位置分别进行确定时，由内至外对M个所述破裂区的位置分别进行确定，包括以下步骤：
步骤4011、第一个围岩分区内破裂区位置确定：根据当前所施工洞室的拱部开挖轮廓线与步骤三中所确定第一个围岩分区内破裂区的厚度，对第一个围岩分区的破裂区位置进行确定；
第一个围岩分区的破裂区为位于当前所施工洞室的开挖轮廓线外侧且宽度为ds0的区域；
步骤4012、破裂区位置确定结束判断：判断M个所述破裂区的位置是否均已确定：当M个所述破裂区的位置均已确定后，完成M个所述破裂区的位置确定过程；否则，进入步骤4013；
步骤4013、下一个围岩分区内破裂区位置确定：根据位于该围岩分区内侧的所有围岩分区的总厚度与步骤三中所确定的该围岩分区内破裂区的厚度，对下一个围岩分区内破裂区的位置进行确定；
本步骤中，下一个围岩分区为第K个围岩分区，第K个围岩分区的破裂区为位于第k个围岩分区的外轮廓线外侧且宽度为dsk的区域。第k个围岩分区的外轮廓线与当前所施工洞室的开挖轮廓线的形状相同且二者之间的间距为位于第K个围岩分区的所有围岩分区的总厚度，即Δlkz。
如图2所示，步骤三中所述围岩分区位于当前所施工洞室外侧，所述围岩分区、所述破裂区和所述非破裂区的横断面形状均与当前所施工洞室的横断面形状相同。
也就是说，当围岩存在分区破裂时，当前所施工洞室一周的围岩均存在分区破裂。
如图2所示，每个所述破裂围岩分区均由一个所述破裂区和一个位于所述破裂区外侧的非破裂区组成。其中，所述破裂区为围岩分区破裂区1-1，所述非破裂区为围岩分区非破裂区1-2。
步骤3012中所述的s＝0～1。
本实施例中，步骤3012中所述的m＝0.01，s＝1，b＝0.8。实际施工时，可根据具体需要，对所述的m、s和b的取值大小进行相应调整。
步骤3012中所述的P0'与采用所述锚杆对当前所施工洞室支护时当前所施工洞室洞壁处围岩所受的支撑反力相同。本实施例中，为计算简便，将所述锚杆作为非预应力锚杆，且所述的P0'＝0Pa。为数据准确，也可以采用试验方法对当前所施工洞室支护时当前所施工洞室洞壁处围岩所受的支撑反力进行测试，并根据测试得出的支撑反力对P0'进行确定。
所述第一个围岩分区内所述锚杆的中性点半径为
步骤3023中所述的ΔRk为第k个围岩分区外边缘至洞室中心的距离。
地壳中没有受到人类工程活动(如开掘隧道、煤矿井下巷道等)影响的岩体称为原岩体，简称原岩。步骤2012中所述的原岩应力是指存在于地层中未受工程扰动的天然应力，也称为岩体初始应力、绝对应力或地应力。
洞室开挖初期，围岩应力发生二次分布，洞壁围岩所受切向压应力急剧增加，洞壁处于弹性或弹塑性状态。由于洞壁为自由面，围岩在切向压力下只能向洞内产生横向拉伸膨胀。当围岩在切向压力下的拉伸变形达到其极限应变时，洞壁出现第一个破裂区，即“伪掌子面”。对于浅部岩体，由于地应力水平较低，在应力释放后不可能产生第二个破裂区；对于高地应力条件下的深部岩体，应力释放后产生的第一个破裂区的外边界相当于新的开挖边界，这样应力再一次重分布。当重分布后的应力场满足岩体破坏条件时，应力再一次释放，形成第二次破裂区。依次类推，该现象将持续到围岩由轴向支撑压力产生的最大径向拉应变小于岩体极限拉应变时为止，最终在围岩内部形成分区破裂现象，最终形成深部围岩分区破裂现象。
长期以来，全长锚固锚杆在洞室围岩支护(具体是在洞室初期支护，如洞室初期支护)中被广泛采用。设洞室开挖初期围岩处于弹塑性状态，表面围岩在垂直压力作用下向洞室空间内持续变形后形成破裂区。为便于讨论，假设：第一、将洞室断面等效为圆形，其纵向长度远大于横向宽度，属于平面应变问题；第二、将锚杆周围岩体简化为均质、连续且各向同性的弹塑性体；第三、锚杆表面任一点与其周围岩体之间不产生相对滑动；第四、锚杆抗拉强度远大于周围岩体的抗拉强度，其长度为围岩表面至弹性区外边界。本发明中通过将洞室围岩简化为理想弹塑性介质，在洞室围岩中布设全长锚固锚杆。
软岩洞室开挖后，沿拱墙支护锚杆2长度方向上由内至外依次为围岩破碎区、塑性区及弹性区，由于各区岩体具有不同的径向变形量，越靠近洞室表面，围岩径向位移速率越大。靠近洞室表面的一段杆体具有阻止破碎区岩体向洞室内产生变形的趋势，其表面产生指向洞室内的正摩阻力；由于弹塑性区岩体的位移速率较破碎区偏小，其余一段杆体则在靠近洞室表面杆体的拉拔作用下产生指向深部围岩的负摩阻力。杆体所受正负摩阻力的分界面即为锚杆的中性点，该点杆体与其周围岩体的相对位移及表面摩阻力为零，但其轴向拉力却达到最大值。因而，所述拱墙支护锚杆2上存在一个表面摩阻力指向相反的分界点，该分界点为所述拱墙支护锚杆2与其周围岩体相对位移为零的中性点，该点摩阻力为零。但该分界点处，所述锚杆2的轴向拉力达到最大且由该分界点向所述拱墙支护锚杆2的两端轴向拉力逐渐减少并趋于零。
这样，本发明基于锚杆与围岩的协调变形原理，且通过建立对所开挖洞室的拱墙(即拱部和侧墙)进行支护的锚杆杆体与其周围岩体相互作用的力学模型，分析出锚杆表面摩阻力及轴力的分布规律，并根据杆体的静力平衡条件，推导锚杆杆体与岩体相对位移为零的中性点位置及其最大轴向拉力值。
由于各分区岩体具有不同的径向变形量，越靠近洞壁，围岩径向位移速率越大。靠近洞壁的一段杆体具有阻止破碎区岩体向洞内产生变形的趋势，其表面产生指向洞内的负摩阻力；由于弹塑性区岩体的位移速率较破碎区偏小，其余一段杆体则在靠近洞壁杆体拉拔作用下产生指向深部围岩的正摩阻力，杆体所受正负摩阻力分界面即为锚杆中性点，该点处杆体与其周围岩体的相对位移及杆体表面摩阻力为零，但其轴向拉力却达到最大值。
洞室围岩应力通过多次重分布不断向围岩深部传递。在围岩出现分区破裂的过程中，锚杆沿杆体长度方向不断出现新的中性点，各中性点内侧为变形速率较大的破碎区，其作用在杆体上的负摩阻力指向洞内；外侧为变形速率较小的非破裂区，其作用在杆体上的正摩阻力指向深部围岩。由于围岩径向位移和径向应变在波峰、波谷的起伏变化，围岩中的全长锚固锚杆将发生拉—压受力交替分布。这些现象充分表明：深埋洞室围岩中存在破裂区和非破裂区相交替的分区破裂现象。
经分析得出：所述深埋洞室1围岩中的锚杆受力存在多个中性点(也称为锚杆中性点)，深埋洞室1围岩出现多个破裂区和多个非破裂区间隔分布的现象，即分区破裂现象。多个所述中性点由内至外分别为M1、M2、M3、…。并且，各中性点与洞室中心之间的间距为
其中洞室中心为洞室开挖断面的几何中心，此处，洞室中心为洞室开挖断面的圆形等效开挖断面的圆心。
本实施例中，步骤3013中还需根据公式dns0＝l0-ds0，计算得出第一个围岩分区内非破裂区的厚度dns0；
步骤3023中还需根据公式dnsk＝lk-dsk，计算得出第K个围岩分区内非破裂区的厚度dnsk。
本实施例中，步骤一中洞室开挖完成后，从已开挖完成的洞室中选取一个节段作为测试段。
步骤二中进行围岩基本力学参数确定时，从所述测试段取岩样进行室内试验，且所获得的试验结果为开挖后所述测试段的围岩基本力学参数。这样，所确定的力学参数需在试验的基础上进行确定，能有效确保数据准确可靠，减小计算误差。
本实施例中，所述测试段位于当前所施工节段后端且其长度为1m。
本实施例中，当前所施工洞室为隧道，步骤一中进行洞室开挖时，采用全断面开挖法或台阶法进行开挖。
并且，所采用的全断面开挖法或台阶法，均为常规的隧道开挖方法。
本实施例中，步骤二中进行围岩基本力学参数确定时，所确定的围岩基本力学参数至少应包括开挖前当前所施工洞室围岩岩体的原岩应力P0、当前所施工洞室围岩岩体的内摩擦角
并且，还需对当前所施工洞室的等效开挖半径R0、对当前所施工洞室进行支护时所采用锚杆的横截面周长U、所述锚杆的横截面面积A、所述锚杆的弹性模量Eb和所述锚杆杆体单位长度上的剪切刚度系数K。其中，剪切刚度系数是指岩石试件在一定的法向应力和剪应力作用下,相应的剪应力与剪切位移之比值。
本实施例中，步骤二中当前所施工洞室的围岩为当前所施工洞室的拱部或左右两侧边墙所处位置的围岩。
步骤3013中所述第一个围岩分区内破裂区的内径
步骤3023中所述第K个围岩分区内破裂区的内径
步骤3022所述的τs＝τp-c，τp为当前所施工洞室围岩的峰值抗剪强度(也称为峰值强度)。
本实施例中，多个所述围岩分区沿洞室径向由内至外布设，多个所述围岩分区均位于当前所施工洞室的同一横断面上。
本实施例中，当前所施工洞室为直墙拱顶型洞室，等效开挖半径R0＝2.0m，泊松比μ＝0.25，单轴抗压强度σc＝37.7MPa，原岩应力P0＝22.8MPa，粘聚力c＝12MPa，内摩擦角
本实施例中，
根据公式
τs＝τp-c＝48×106-12×106＝36MPa；
σz0＝(1+2μ)P0＝＝(1+2×0.25)×22.8×106＝34.2MPa；
σr0-μ(σθ0+σz0)＝(-31.24×106)-0.25×(92.04×106+34.2×106)＝-62.80MPa；
比较得出：|σr0-μ(σθ0+σz0)|＞|σt|，因而第一个围岩分区存在破裂且此时第一个围岩分区为破裂围岩分区，第一个围岩分区内洞壁岩体将由塑性状态进入脆性拉裂状态，洞壁失稳后形成围岩的第一个破裂区。
洞室开挖初期，围岩应力发生二次分布，围岩呈弹性分布。由弹性力学理论可知，洞壁处围岩所受集中应力超过其极限强度时，洞壁围岩首先将进入塑性拉裂状态。
当洞壁围岩由塑性状态进入到破裂状态后，围岩应力发生三次分布；
计算得出
剪切模量
相应地，计算得出洞壁围岩失稳后应力发生三次分布后所形成第一个围岩分区范围内的塑性区外径：
相应计算得出：第1个围岩分区内破裂区的厚度ds0＝2.49-2.0＝0.49m，第1个围岩分区内非破裂区的厚度dns0＝3.07-0.49＝2.58m；
同理，按照步骤3021至步骤3023中所述的方法，能求出第K个围岩分区内破裂区和非破裂区的厚度，并根据所确定各围岩分区内破裂区和非破裂区的厚度，对各围岩分区内破裂区和非破裂区的位置进行相应确定。
本实施例中，按照步骤3021至步骤3023中所述的方法，能求出第2个围岩分区、第3个围岩分区和第4个围岩分区内破裂区和非破裂区的厚度。
其中，第2个围岩分区厚度l1＝1.84m，第2个围岩分区内破裂区内破裂区的厚度ds1＝0.34m，第2个围岩分区内非破裂区的厚度dns1＝1.50m；
第3个围岩分区厚度l2＝3.83m，第3个围岩分区内破裂区内破裂区的厚度ds2＝0.57m，第3个围岩分区内非破裂区的厚度dns2＝3.26m；
第4个围岩分区厚度l3＝0.69m，第4个围岩分区内破裂区内破裂区的厚度ds3＝0.19m，第4个围岩分区内非破裂区的厚度dns3＝0.50m。
同理，对第5个围岩分区进行破裂分析时，Δl4z＝l0+l1+l2+l3＝3.07+1.84+3.83+0.69＝9.43m。
根据
相应地，洞壁围岩失稳后应力发生五次分布所形成第5个围岩分区内的塑性区外径为：
第5个围岩分区内弹塑性界面上的支撑反力
σz4＝(1+2×0.25)×22.8×106＝34.2MPa；
σr4-μ(σθ4+σz4)＝-7.78×106-0.25×(68.58×106+34.2×106)＝-33.47MPa；
经比较得出：|σr4-μ(σθ4+σz4)|＜|σt|，判断为第5(即K)个围岩分区上不存在破裂区且M＝4(即k)，完成当前所施工洞室的围岩分区破裂演化分析过程。此时，当前所施工洞室总共包括4个破裂区，详见图2。
由上述内容可知，洞室围岩分区破裂计算结果，详见表1：
表1
综上，根据围岩分区破裂演化分析，得出当前所施工洞室外侧所有破裂区的厚度和位置，这样能对开挖完成后的围岩径向注浆加固方案和围岩支护方案确定，提供准确且可靠的依据，实用价值非常高。
本实施例中，如图3、图4、图5和图6所示，对4个所述破裂区分别进行注浆加固，这样能有效保证当前所施工洞室的围岩稳定性及安全性，注浆加固效果非常好，在准确判断破裂位置及厚度的基础上进行针对性的注浆加固，能有效确保加固效果，并且施工过程简单。
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。
机译： 利用真空的地下洞室开挖施工方法
机译： 利用超前开槽应力控制的地下洞室开挖施工方法
机译： 利用超前开槽应力控制的地下洞室开挖施工方法
