[發明專利]一種隧道抗膨脹支護設計方法

有效

• 申請號: 201510695958.1
• 申請日: 2015-10-23
• 公開（公告）號: CN105401954B
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 陳釩;沈亮;蒲文明;趙國軍;任松;吳建勛;李振元
• 申請（專利權）人: 中電建路橋集團有限公司
• 主分類號: E21D11/00
• 分類號: E21D11/00;G01N33/24;G06F19/00
• 代理公司: 重慶信航知識產權代理有限公司50218
• 代理人: 穆祥維

技術領域

本發明涉及一種隧道抗膨脹支護設計方法。

背景技術

在地下巖土工程建設中，特別是對于隧道工程，膨脹巖的膨脹性會對其中的構筑物產生膨脹壓力，嚴重影響工程的穩定性，膨脹巖膨脹性對隧道的危害主要體現在：

1)施工期，膨脹作用會造成初期支護的失穩和侵限。

2)運營期，膨脹力會作用到二襯上，造成二襯的破壞，影響隧道的長期穩定性。

現行的隧道抗膨脹支護設計方法，多基于工程經驗，給出的設計參數不夠經濟合理，沒有一套系統的、科學的、能夠準確定量的設計方法。

發明內容

針對現有技術中存在的上述不足，本發明提供了一種能夠準確預測膨脹預留變形量大小和能夠準確預測二襯抗膨脹力大小的隧道抗膨脹支護設計方法。

為了解決上述技術問題，本發明采用了如下技術方案：

一種隧道抗膨脹支護設計方法，該方法包括如下步驟：

1)膨脹試驗：對所要模擬的隧道圍巖取芯，加工成直徑61mm高20mm圓餅形試件；

1.1)側限自由膨脹試驗：使用固結儀進行試驗，在固結儀水盒的試件環內壁涂上凡士林油，再將試件放入試件環中，在試件上下端放置薄濾紙和透水板，頂部放置固定金屬板，并安裝垂直千分表，緩慢向水盒里注水，水面高出試件5mm，采用電腦采樣，記錄膨脹變形與時間的關系；

1.2)膨脹力與時間試驗：選取多個試件，采用步驟1.1)中的方法，讓其自由膨脹，膨脹到不同時間后，加壓，把變形壓回，把試件壓到零變形時所需要的壓力為膨脹壓力，建立膨脹壓力與時間的關系；

2)根據如下含時間效應的膨脹本構方程，對膨脹試驗結果進行擬合；

2.1)通過側限自由膨脹試驗獲得巖石膨脹應變—時間方程的參數；

式中，t為膨脹時間；ε_t為t時刻膨脹應變；m、a和b為巖石膨脹應變-時間方程參數，其中m>0，b>0；模型參數，通過側限自由膨脹試驗的結果獲得；

2.2)通過膨脹力與時間試驗獲得巖石膨脹應力—時間方程的參數，方程如下：

σ_t＝c(1-e^-dt)(2)

式中，t為膨脹時間，e為自然常數，σ_t為t時刻膨脹應力，c>0，d>0為材料特性參數，通過試驗擬合得到；

2.3)含時間效應的膨脹本構方程：

把之前擬合出的a、b、c、d和m代入(3)式得含時間效應的膨脹本構模型；

3)根據方程(3)含時間效應的膨脹本構模型，建立隧道膨脹變形和支護抗膨脹力關系方程如下：

式中，U為膨脹變形；p為支護抗膨脹力；K為與隧道地質條件有關的系數；D為隧道開挖影響半徑；a、b、c和d為系數，通過試驗獲得；

3.1)隧道施工期抗膨脹設計：根據膨脹變形與支護抗膨脹力關系，把P＝0和t＝t₀代入式(4)可計算出U＝U₀；則在隧道預留變形量設計中，額外考慮U₀厚的膨脹變形，達到施工期抗膨脹效果；上述t＝t₀為實際工況中初期支護與二襯間隔時間；

3.2)隧道運營期抗膨脹設計：根據膨脹變形與支護抗膨脹力關系，把t＝t₁和U＝U₁代入式(4)可計算出P＝P₁；則為抵抗膨脹壓力，在隧道二襯設計中，額外考慮不小于P₁的抗靜水壓力，達到運營期抗膨脹效果；上述t＝t₁為隧道服務年限，U＝U₁為施工期的圍巖膨脹變形量。

本發明的技術效果是：根據建立的膨脹變形和支護抗膨脹力關系方程，計算出隧道施工期圍巖膨脹變形量和二襯抗承受的膨脹力，基于計算結果，通過預留變形量設計中考慮膨脹變形，有效解決施工期由膨脹性導致的失穩、侵限問題；通過在二襯抗中增加抗靜水壓力設計，且使靜水壓力的值等于最大膨脹力的值，進而有效解決運營期穩定性問題。

附圖說明

圖1為通過側限自由膨脹試驗獲得的模型效果圖；

圖2為通過膨脹力與時間試驗獲得的模型效果圖；

圖3為含時間效應的膨脹本構模型效果圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細地描述。

一種隧道抗膨脹支護設計方法，該方法包括如下步驟：