[发明专利]一种越岭隧道初期支护的优化设计方法

说明书

本发明公开了一种越岭隧道初期支护的优化设计方法，属于越岭岩石隧道工程设计领域。该方法计入了在施作隧道初期支护以前围岩先已释放了的全部弹性/弹塑性自由变形位移，进而通过本发明建立的按裸洞开挖“应力释放率”为基准的数值仿真模拟，可据此对隧道初期支护进行安全、经济而又理论上合理有序的优化设计。该方法可通过分析计算对越岭岩石隧道初期支护设计方案进行安全性和经济性评价，并进一步给定初期支护的优化设计方法。针对现今国内外工程业界对初支设计偏于保守的问题，通过该方法进行初期支护的优化设计，可以有效降低初期支护的用钢量，从而降低工程造价。

技术领域

本发明属于越岭岩石隧道工程设计领域，具体涉及一种越岭隧道初期支护的优化设计方法。

背景技术

伴随着新奥工法(NATM)的兴起而提出的“收敛约束法”(convergenceconfinement method)，使隧道与各类地下工程的支衬结构设计规整了更加清晰、明确的认识。该法强调了“围岩-隧道支护系统”共同作用的思想，并在设计中具体体现。采用“收敛约束曲线”进行支衬结构的设计计算，使隧道设计质量提升到了一个崭新层次的技术高度。

在越岭隧道施工过程中，为了尽可能地使洞室开挖对围岩扰动的不利影响降至最小、且又尽早加固围岩，使围岩自身能以发挥其更大的自承和自稳能力，隧道初期支护的施作时间总是尽可能地在开挖后即实时进行。但由于其施作过程不能是瞬间就完成的，而一般都需距围岩开挖后一段时间(一般为2～3天)后才能受力，在这段时间内，洞周围岩在未受施作初期支护约束其变形的情况下、已瞬间释放了其全部的弹性和塑性变形，谓之“裸洞围岩的自由变形位移”。由于该自由变形位移的值(u₀)在工程设计中难以定量考虑，设计中只好按经验估计为：裸洞围岩的自由变形位移一般可估计采用为待施作初支后实测变形位移收敛值的1.5～2.5倍左右(按日本设计界的现行做法)；或另采用较大的安全系数以确保隧道初期支护结构的安全。这样粗略的设计假定(含：国内设计界则多数都未有考虑并计入这一在初期支护施作前围岩先已释放了的上述裸洞自由变形位移情况)，在设计中将引起偏不安全或则失之过于保守的不合理结果，并将因而造成运营期可能的潜在安全隐患或则材料耗量浪费。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，基于“收敛约束法”的设计理念，提出了一种可供定量分析、并计入隧道开挖后、在初支发挥作用前围岩先已释放了的全部自由变形位移值u₀(含弹性和塑性变形，该值随洞室开挖而在瞬时间内以波速发展、尚在裸洞情况下就先已全部释放完成)，进而据此提出了越岭隧道初期支护的一种新的优化设计计算理论和方法。本设计方法计入了在施作隧道初期支护以前围岩先已释放了的全部弹性/弹塑性自由变形位移(因它们是以弹性或弹塑性波传播的速度进行的、即可视为在瞬间已全部释放完成)。进而通过本发明建立的按裸洞开挖“应力释放率”为基准的数值仿真模拟，可据此对隧道初期支护进行安全、经济而又理论上合理有序的优化设计。

本发明所采用的具体技术方案如下：

越岭隧道初期支护的优化设计方法，其步骤如下：

S1：对目标越岭隧道进行数值建模，模型中预设初期支护参数；

S2：通过数值模拟，得出隧道开挖裸洞后的自由变形阶段应力释放率u₀/u₁，其中u₀为在施作初期支护之前裸洞洞周围岩已释放的自由变形位移，u₁为岩石塑性软化直至残余强度时的极限变形值；

S3：通过数值分析计算隧道初期支护各关键点位的变形位移u₂，且在模拟过程中，隧道开挖后先需按照所述自由变形阶段应力释放率对开挖区进行应力释放，然后再施作初期支护；