[發明專利]一種不同施工階段隧道穩定性判別的方法

有效

• 申請號: 201711049137.6
• 申請日: 2017-10-31
• 公開（公告）號: CN107590357B
• 公開（公告）日: 2020-07-17
• 發明（設計）人: 孫星亮;張岳峰
• 申請（專利權）人: 石家莊鐵道大學
• 主分類號: G06F30/13
• 分類號: G06F30/13;G06F30/20
• 代理公司: 北京君泊知識產權代理有限公司 11496
• 代理人: 王程遠

本發明公開了一種不同施工階段隧道穩定性判別的方法，通過提出一個能夠反映隧道圍巖工程力學特性和隧道開挖及支護作用影響的新概念——圍巖屈服體積比，利用開挖后隧道變形逐漸發展的過程即是圍巖應力逐漸釋放的過程這一力學特性，建立了隧道某一施工階段的隧道開挖后圍巖屈服體積比隨圍巖應力釋放率的變化曲線，并利用該曲線的突變特性來判斷該施工階段隧道的穩定性。本發明具有物理概念清晰簡單、使用方便且結果可靠等優點，適合于在公路隧道、鐵路隧道、水工隧洞、市政隧道等類似地下工程的施工安全管理中推廣使用。

技術領域

本發明涉及一種不同施工階段隧道穩定性判別的方法，具體是對修建在地層中采用暗挖法施工的山嶺隧道(公路、鐵路)、市政隧道及引水隧洞等的不同施工階段的穩定性進行判別的方法。

背景技術

采用暗挖法修建隧道，一般多采用分部施工方法，如正臺階法及三臺階法等。分部施工的主要特點就是將隧道分成若干個施工階段，如正臺階法將隧道分成上臺階施工、下臺階施工、仰拱封閉及澆筑隧道襯砌結構等，而三臺階法將隧道分成上臺階施工、中臺階施工、下臺階施工、仰拱封閉及澆筑隧道襯砌結構等。目前，在隧道施工過程中的施工安全管理主要依據隧道極限位移進行的。而隧道的極限位移就是隧道即將坍塌喪失穩定時的位移，這就必須對隧道穩定性進行判別。隧道穩定性的判別針對的是澆筑隧道二次襯砌結構之前的幾個施工階段。現有的隧道的極限位移主要是針對仰拱封閉后的施工階段(如鐵路隧道設計規范，TB1003-2005)，而且隧道穩定性判別方法采用定性的塑性區貫通與否或采用收斂-限制法原理的圍巖特征曲線的拐點位置。收斂-限制法的原理如圖1所示。圖中u為隧道周邊的位移，u₀為隧道開挖后支護施作之前的位移，P_a為隧道支護與圍巖之間的接觸壓力，P₀為初始地應力。

工程實踐表明，隧道施工過程中的失穩現象多發生在隧道支護封閉之前的階段，因而采用合理的方法對隧道施工過程中的不同施工階段進行穩定性判別是非常有意義的。采用塑性區是否連通的方法屬于定性方法，不能定量化，而且即使塑性區連通，也并不意味著隧道將要失穩，且使用極不方便。實際上，隧道圍巖塑性區的貫通是隧道失穩的必要條件。因而采用該方法進行隧道穩定性的判別時是仍然有問題的。而利用圖1所示的收斂-限制法原理中圍巖的理論特征曲線來判別隧道穩定性時，特征曲線的最低點G是往往難以確定，且G點右側的曲線也是無法用數值方法確定的，也即特征曲線法的拐點不能確定。

發明內容

本發明的目的是要解決現有技術問題的不足，提供一種不同施工階段隧道穩定性判別的方法。

為達到上述目的，本發明是按照以下技術方案實施的：

一種不同施工階段隧道穩定性判別的方法，包括以下步驟：

1)首先確定隧道的開挖跨度、開挖高度、隧道埋深以及施工方法，再確定隧道圍巖地層的物理力學指標和初期支護參數，其中初期支護包括初期支護鋼架和噴混凝土層；

2)采用FLAC^3D 5.0商業軟件對隧道某一施工階段建立數值模型并進行數值模擬，建立隧道的準三維數值模型，模型左右及前后兩側約束其水平位移，模型底部約束其垂直方向位移，模型頂部為自由面，其中視地層為理想彈塑性材料，符合Mohr-Coulumb屈服準則，且地層采用8節點實體等參單元模擬，視初期支護為彈性材料，且采用三角形殼單元模擬；

3)根據初期支護鋼架和噴混凝土層的支護參數及其力學性能指標計算初期支護等效為均勻材料的彈性模量；

4)將隧道初期支護彈性模量乘以一個擴大或縮小的系數進行隧道受力變形分析，直到在特定的最大不平衡力預設精度下無法收斂為止，然后在每一種支護剛度條件下，隧道圍巖應力及支護受力不斷進行調整并最終達到平衡，此時圍巖的總的屈服區域體積除以開挖土體的體積得到圍巖的屈服體積比，再通過確定隧道拱頂處圍巖與支護之間的接觸壓力與此處初始地應力得到應力釋放率，從而得到能反映隧道穩定性的圍巖屈服體積比隨應力釋放率的變化曲線；