一种高原铁路高地应力硬岩隧道主动支护设计方法

摘要

本发明公开了一种高原铁路高地应力硬岩隧道主动支护设计方法，包括以下步骤：S1：确定硬岩隧道的支护类型，并根据支护类型确定硬岩隧道的冲击载荷；S2：根据硬岩隧道的冲击载荷进行安全系数验算；S3：根据安全系数验算结果，完成硬岩隧道主动支护设计。本发明针对高地应力硬岩隧道设计施工难题，从能量释放角度推导了岩爆隧道的冲击荷载计算方法，组合松散荷载，给出岩爆隧道的荷载计算模型及支护结构设计方法，设计方法所给出的岩爆隧道支护参数能满足隧道规范最小安全系数的要求，使隧道结构处于安全状态，并具有一定的安全储备。

说明书

技术领域

本发明属于隧道支护技术领域，具体涉及一种高原铁路高地应力硬岩隧道主动支护设计方法。

背景技术

高原铁路隧道具有大变形段落长和地应力高的特点，必然导致隧道修建过程中所面临的大变形问题将更为严峻，而现阶段已积累的大变形隧道工程经验可能并不能直接适用于地应力水平过高的情况。

高原铁路雅林段隧道穿越花岗岩、灰岩等硬质岩约394km(占比47％)，共有28座隧道存在不同程度的岩爆问题。勘察揭示色季拉山隧道实测最大水平地应力为35MPa，模拟预测拉月隧道最大水平地应力达75MPa。可以看出，高原铁路雅林段的地应力水平远超过现有隧道工程，不能再按已有工程进行类比设计。

鉴于此，本发明基于现有研究成果，结合工程实践，提出隧道主动支护理念及相应设计方法。基于能量法推导了岩爆隧道的冲击荷载计算方法，同时组合松散荷载，给出了岩爆隧道的荷载计算模型。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种高原铁路高地应力硬岩隧道主动支护设计方法。

本发明的技术方案是：一种高原铁路高地应力硬岩隧道主动支护设计方法包括以下步骤：

S1：确定硬岩隧道的支护类型，并根据支护类型确定硬岩隧道的冲击载荷；

S2：根据硬岩隧道的冲击载荷进行安全系数验算；

S3：根据安全系数验算结果，完成硬岩隧道主动支护设计。

进一步地，步骤S1包括以下子步骤：

S11：确定硬岩隧道的支护类型，基于硬岩隧道的支护类型确定硬岩隧道的岩爆倾向性指数，并根据岩爆倾向性指数确定岩爆等级；

S12：根据不同岩爆等级，确定硬岩隧道的爆块质量和爆块冲击速度；

S13：根据硬岩隧道的爆块冲击速度，确定动荷因数；

S14：根据爆块冲击速度和动荷因数，确定硬岩隧道的冲击载荷。

进一步地，步骤S11中，岩爆倾向性指数W

W

式中，Φ

步骤S11中，岩爆等级的确定方法为：若W

进一步地，步骤S12中，确定硬岩隧道的爆块质量的具体方法为：确定不同岩爆等级对应的岩爆影响深度，根据岩爆影响深度确定爆块体积，并根据爆块体积和爆块密度确定爆块质量；

步骤S12中，确定爆块冲击速度的具体方法为：根据爆块体积确定爆块动能，并根据爆块动能确定爆块冲击速度。

进一步地，步骤S13中，动荷因数K的计算公式为：

式中，Δ表示受冲击部位的最大挠度，Δ

进一步地，步骤S14中，硬岩隧道的冲击载荷q

式中，K表示动荷因数，m表示爆块质量，g表示重力加速度，a表示爆块边长。

进一步地，步骤S2中，根据硬岩隧道的冲击载荷，利用荷载结构法确定安全系数。

进一步地，步骤S3中，完成硬岩隧道主动支护设计的具体方法为：判断安全系数是否大于预设的安全系数控制基准，若是则完成硬岩隧道主动支护设计，否则调整硬岩隧道的支护参数，并返回步骤S2。

本发明的有益效果是：本发明针对高地应力硬岩隧道设计施工难题，从能量释放角度推导了岩爆隧道的冲击荷载计算方法，组合松散荷载，给出岩爆隧道的荷载计算模型及支护结构设计方法，设计方法所给出的岩爆隧道支护参数能满足隧道规范最小安全系数的要求，使隧道结构处于安全状态，并具有一定的安全储备。

附图说明

图1为硬岩隧道主动支护设计方法的流程图；

图2为岩爆倾向性指数测试曲线图；

图3为释放动能占比与内摩擦角关系图；

图4为岩爆隧道荷载施加示意图；

图5为ANSYS数值计算模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。

在描述本发明的具体实施例之前，为使本发明的方案更加清楚完整，首先对本发明中出现的缩略语和关键术语定义进行说明：

荷载结构法：指荷载结构模型认为地层对结构的作用只是产生作用在地下建筑结构上的荷载(包括主动地层压力和被动地层抗力)，衬砌在荷载的作用下产生内力和变形，与其相应的计算方法。

如图1所示，本发明提供了一种高原铁路高地应力硬岩隧道主动支护设计方法，包括以下步骤：

S1：确定硬岩隧道的支护类型，并根据支护类型确定硬岩隧道的冲击载荷；

S2：根据硬岩隧道的冲击载荷进行安全系数验算；

S3：根据安全系数验算结果，完成硬岩隧道主动支护设计。

在本发明实施例中，隧道开挖导致洞周围岩应力重分布，径向应力消失和切向应力逐渐增大，诱发洞周围岩产生表面张应力，进而发生剪切破坏，弹性势能转为动能，形成岩爆。由此可知，岩爆的形成与洞周围岩应力状态(地应力、洞室状态)和围岩属性(储存弹性势能)相关，故对于岩爆的控制，可从改善围岩应力状态和调整围岩属性两方面分析。岩爆隧道控制核心思想为：利用支护主动提供径向力，改善洞周围岩应力状态，为防止因支护滞后所致岩爆发生，强调支护力及时性。

作用在支护结构上的冲击荷载计算包括三部分，分别是释放能量的大小、爆块块体大小与速度和作用在支护结构上的荷载。

首先，通过能量分析，明确岩体中存储的应变能的大小，以及在其所释放的能量中，有多少能够转化成爆块动能。

其次，确定爆块块体大小与速度。通过对已有岩爆工程的发生特征进行调研，可以得到不同等级岩爆的爆块形态及块体大小等特征。在爆块的动能已知的前提下，采用动能计算公式，进而可以求得爆块的速度。

最后，在获得爆块块体大小和爆块速度这两个关键参数之后，就可以采用结构力学的方法计算作用在支护结构上的荷载大小。

除了因岩爆发生等级不同而使得爆块的大小和速度不同以外，作用在支护结构上的荷载大小，还与支护结构的刚度有关。即使是同一大小块体以同样的速度作用在支护结构上，支护结构的刚度不同，其承受荷载和发生变形的大小也不相同。支护结构刚度较大时，其在爆块冲击下发生的变形就小，承受的冲击荷载就大。支护结构刚度较小时，其在爆块冲击下发生的变形就大，承受的冲击荷载就小。在支护还未施作的情况下发生岩爆，虽然爆块以一定速度弹射，但因为支护结构不存在，因此也就没有荷载作用在支护结构上。

通过以上分析可以看出，作用在支护结构上的冲击荷载并不是确定的。在实际工程中，可以先类比相似工程确定支护结构的类型和参数，据此计算出作用在支护结构上的冲击荷载。通过荷载-结构法确定支护结构的安全系数，从而对其安全性有一个定量判断。对安全系数不满足规范要求的或者虽满足要求但安全储备较小的支护结构，可以对其支护参数进行调整，根据调整后的支护参数再进行上述计算，直到满足工程的安全需要。

在本发明实施例中，步骤S1包括以下子步骤：

S11：确定硬岩隧道的支护类型，基于硬岩隧道的支护类型确定硬岩隧道的岩爆倾向性指数，并根据岩爆倾向性指数确定岩爆等级；

S12：根据不同岩爆等级，确定硬岩隧道的爆块质量和爆块冲击速度；

S13：根据硬岩隧道的爆块冲击速度，确定动荷因数；

S14：根据爆块冲击速度和动荷因数，确定硬岩隧道的冲击载荷。

在本发明实施例中，步骤S11中，岩爆倾向性指数W

W

式中，Φ

步骤S11中，岩爆等级的确定方法为：若W

在本发明实施例中，储存在岩体中的能量并不会完全以动能释放，有一部分能量会以热能和表面能的形式耗散。不同的学者分别推导了耗散能量的计算公式，但计算公式中参数较多，且计算复杂，实际工程中难以取得。本发明不考虑除动能以外的其他能量，而把重点放在岩体积蓄的应变能中有多少能够转化为动能，并以岩爆的方式释放出来。

释放动能大小的计算包括两个过程，首先是外力做功，将能量蓄积在岩体内，在这个过程中，会有一部分能量用来拓展劣化围岩间的裂隙，在达到临界条件时才会发生岩爆，在释放能量的过程中，该部分能量不会再被释放，即围岩所包含的应变能包括弹性应变能和塑性应变能；另一个过程是岩爆发生时，有部分能量以声波能和热能等形式释放，而不是全部以动能释放。下面针对这两个过程分别分析，最终确定岩爆发生时所能释放的动能。

第一个过程的能量释放率可采用试验的方式确定，岩爆倾向性指数测试曲线如图2所示。根据不同等级岩爆选取不同的W

在本发明实施例中，步骤S12中，确定硬岩隧道的爆块质量的具体方法为：确定不同岩爆等级对应的岩爆影响深度，根据岩爆影响深度确定爆块体积，并根据爆块体积和爆块密度确定爆块质量；

步骤S12中，确定爆块冲击速度的具体方法为：根据爆块体积确定爆块动能，并根据爆块动能确定爆块冲击速度。

在本发明实施例中，剥落型岩爆的岩爆体一般为贝壳状或片状，轻微弹射型岩爆为细长的椭圆片体，爆裂型岩爆岩体多为块体。一般来说，轻微和中等岩爆以剥落为主，强烈和极强岩爆以弹射为主。剥落型岩爆有时会发生几次剥落，只统计单次岩爆体特征并不能完整反应整个过程。同时，也可将剥落理解为弹射，只是弹射速度较小。而弹射型岩爆弹出的块体并不完整，一次从同一个爆坑中会有不止一块爆块弹射出来，并且有的块体落地后会碎裂为几块。综合考虑，从爆坑的角度分析计算爆块大小会更合理，而爆坑以V型最为常见。

TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》给出了不同等级岩爆下的影响深度，如表1所示。

表1

选取不同岩爆等级的影响深度，爆块大小按方锥计算，即可得到爆块体积。岩爆主要发生在花岗岩、石灰岩、大理岩和片麻岩等硬岩中，上述几种岩体的密度相差不大，可统一按照2.75t/m

表2

计算得到的爆块速度如表3所示。

表3

在本发明实施例中，步骤S13中，动荷因数K的计算公式为：

式中，Δ表示受冲击部位的最大挠度，Δ

在本发明实施例中，爆块以一定速度作用在支护结构上引起支护的变形，在这一过程中，爆块高度变化使支护结构在其作用点处位移值的竖向分量，支护位移值很小，因此爆块的重力势能变化量很小，不对其进行考虑。则爆块的动能全部转化为结构的应变能。动能

由动荷因数K的计算公式可知，作用在支护结构上的冲击荷载动荷因数与支护结构的刚度有关。因此，采用的支护参数不同，作用在支护结构上的冲击荷载大小也不同。

在本发明实施例中，步骤S14中，将爆块自重扩大动荷因数所作用的倍数，以均布荷载的形式作用在结构上，即硬岩隧道的冲击载荷q

式中，K表示动荷因数，m表示爆块质量，g表示重力加速度，a表示爆块边长。

在本发明实施例中，步骤S2中，根据硬岩隧道的冲击载荷，利用荷载结构法确定安全系数。

在本发明实施例中，硬岩隧道拱顶和拱底附近由于压应力集中最为明显，故其最有可能发生岩爆。同时考虑重力的作用，则拱顶比拱底发生岩爆的概率更高。通过以上分析，将冲击荷载作用部位设置在拱顶，作用范围为拱顶两侧爆块边长的一半。

岩爆隧道安全系数检算采用荷载-结构计算模型，荷载施加时，先施加按照TB10003—2016《铁路隧道设计规范》计算得到的围岩压力，再施加上节计算得到的冲击荷载，冲击荷载作用部位为拱顶，作用范围为拱顶两侧爆块边长的一半。岩爆隧道荷载施加如图4所示。

在本发明实施例中，步骤S3中，完成硬岩隧道主动支护设计的具体方法为：判断安全系数是否大于预设的安全系数控制基准，若是则完成硬岩隧道主动支护设计，否则调整硬岩隧道的支护参数，并返回步骤S2。

下面结合具体实施例对本发明进行说明。

选取典型二郎山(巴玉)隧道岩爆段，采用上述冲击荷载计算方法，建立荷载-结构模型，并对其安全性进行验证。

二郎山隧道为单洞双线隧道，施工过程中，岩爆多动频繁。在平导K261+820～K261+940之间120m的长度内，发生延续性爆裂剥落掉块现象极为严重，并有轻微弹射现象发生，岩爆影响深度1m左右，属于中等岩爆。该段埋深430～480m，地应力15～20MPa，III级围岩，岩性为灰岩及泥灰岩夹层和砂质泥岩。

该段施工初期首先掘进至该洞段时，对出现的岩爆现象施工单位未引起重视，也未采取有效的防治措施。开挖掘进至K261+909时，发生较严重岩爆活动，中断施工。后调整施工方法，采用如下参数：①12cm厚C20混凝土；②22系统砂浆锚杆，长2～2.5m，间距100cm，梅花形布置，加垫板；③8cm钢筋网，间距20cm×20cm。并取得较好的防治效果。

采用本发明的冲击荷载计算方法，可得爆块速度2.37m/s，最大爆块体积0.33m

在采用上述荷载计算时，应注意：①上述计算中的地应力大小是假设的，在实际工程中如有确定地应力大小，应采用实际工程确定值。②上述计算只是对作用在支护结构上的冲击荷载进行了初步研究，研究中只考虑了支护结构作用，对围岩洒水、应力解除等辅助措施未进行充分考虑。

本发明的有益效果为：本发明针对高地应力硬岩隧道设计施工难题，从能量释放角度推导了岩爆隧道的冲击荷载计算方法，组合松散荷载，给出岩爆隧道的荷载计算模型及支护结构设计方法，设计方法所给出的岩爆隧道支护参数能满足隧道规范最小安全系数的要求，使隧道结构处于安全状态，并具有一定的安全储备。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。