[发明专利]一种膨胀性围岩隧道底板的设计方法

说明书

本发明公开了一种膨胀性围岩隧道底板的设计方法，包括步骤：1)获取在无锚杆加固作用下的围岩总变形；2)选择膨胀性围岩隧道底板采用锚杆支护；3)当锚杆支护不能接受时，选择开放式底板支护；4)当开放式底板支护不能接受时，选择柔性复合式底板支护；5)当柔性复合式底板支护不能接受时，选择刚性仰拱支护。本发明通过获取在无锚杆加固作用下的围岩变形、有锚杆加固作用下的围岩变形、以及在膨胀作用下的围岩变形，进而获得了底板荷载，通过对比底板荷载和底板失稳临界荷载，来确定底板支护的形式和参数，使得底板支护的设计参数更可靠、更合理，能提高隧道底板质量，节约底板支护建造费用。

技术领域

本发明涉及隧道仰拱支护技术领域，特别涉及一种膨胀性围岩隧道仰拱支护的设计方法。

背景技术

膨胀性岩石属于易风化和软化的软弱岩石，其膨胀特性表现为吸水后易与水发生物理化学反应，导致岩石体积增大。膨胀性围岩隧道开挖后，围岩受到扰动，膨胀岩的性状发生巨大变化，产生体积膨胀，导致围岩向洞内塑性挤出或底板隆起，同时对隧道构筑物产生膨胀压力，进而导致隧道支护结构破坏失效。现行隧道规范规定：膨胀性围岩隧道必须设置仰拱。

目前膨胀性围岩隧道仰拱支护设计主要采用经验类比的方法，给出的设计参数不够可靠、合理，缺乏一种系统的、科学的、能够准确定量的膨胀性围岩隧道的底板设计方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种膨胀性围岩隧道底板的设计方法，以解决现有技术中膨胀性围岩隧道的底板支护设计采用经验类比的方法，设计参数不够可靠、不够合理的技术问题。

本发明膨胀性围岩隧道底板的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)获取在无锚杆加固作用下的膨胀性围岩的总变形

1.1)根据膨胀性围岩变形情况，将膨胀性围岩划分为塑性区和弹-膨胀区，由圆形轴对称隧道弹-塑性解得到塑性圈的半径R_P的大小如下：

式中：P₀为原岩地应力，φ为内摩擦角，c为内聚力，R₀为隧道开挖半径，P_s为支护力；围岩塑性区和弹-膨胀区的交界处在弹塑性作用下的径向位移为：

式中G为剪切模量；则此时，隧道临空面的径向位移U^ep为：

式中R₀为隧道开挖半径；

1.2)获取在膨胀作用下的围岩变形

由基于圆形轴对称隧道弹-膨胀围岩解析解，得到围岩塑性区和弹-膨胀区的交界处在膨胀作用下的径向位移：

式中：α为线膨胀系数；E_s为膨胀模量，E_e为弹性模量，W为地下水分布函数；r为围岩的半径，υ为泊松比；

1.3)当隧道无锚杆加固时，隧道围岩在膨胀作用下的总变形U_tot为：

2)选择锚杆作为膨胀性围岩隧道底部的支护

2.1)获取在锚杆加固下隧道的仰拱荷载与仰拱临界失稳荷载

在隧道圆周方向均匀设置锚杆，将锚杆对围岩的作用简化为一个均匀的支护应力σ_A；