[发明专利]一种膨胀性围岩隧道仰拱支护稳定性的判定方法

说明书

本发明公开了一种膨胀性围岩隧道仰拱支护稳定性判定方法，包括以下步骤：1)获取在无锚杆加固作用下的围岩变形；2)获取在锚杆加固作用下的围岩变形；3)获取在膨胀作用下的围岩变形；4)获取仰拱荷载与仰拱临界失稳荷载；5)对比仰拱荷载q与仰拱失稳临界荷载q_cr，当q＞q_cr时，判定所设计仰拱失稳；当q＜q_cr时，断定设计仰拱合格。本发明针对围岩在膨胀作用下的动态演化过程，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，进而获得了仰拱荷载，通过对比仰拱荷载和仰拱失稳临界荷载，实现了准确定量的判定所设计仰拱支护的稳定性，有利于提高仰拱建筑质量。

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、能够准确定量判定所设计仰拱支护稳定性的方法。

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仰拱支护稳定性的判定方法，以解决现有技术中膨胀性围岩隧道仰拱支护设计采用经验类比的方法，给出的设计参数不够可靠、合理的技术问题。

本发明1)获取在无锚杆加固作用下的围岩变形

根据围岩变形情况，将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为为隧道开挖半径；

2)获取在锚杆加固作用下的围岩变形

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；

式中：r为围岩的半径；R₀为隧道开挖半径；A为单支锚杆的锚固力；l为锚杆长度；n为单位隧道长度的锚杆数量；塑性区间内，预应力锚杆使得围岩径向应力由σ_r增加到σ_r+σ_A，由破环准则得围岩环向应力σ_θ：

式中：φ为内摩擦角，c为内聚力；把式(6)代入平衡微分方程：

解得：

式中：B是常数项；在无仰拱支护作用下，代入边界条件r＝R₀处，σ_r＝σ_A0(r＝R₀)，得到常数项如下：