軟弱破碎圍巖隧道二襯施作的最佳時機判別方法
2023-10-06 00:47:44
軟弱破碎圍巖隧道二襯施作的最佳時機判別方法
【專利摘要】本發明涉及一種軟弱破碎圍巖隧道二襯施作的最佳時機判別方法，包括：步驟S1：確定軟弱破碎圍巖隧道二襯施作的最佳時機判別依據；步驟S2：採用全站儀現場監測軟弱破碎圍巖隧道圍巖-初支系統的拱頂沉降和邊牆變形收斂；步驟S3：軟弱破碎圍巖隧道圍巖-初支系統變形速率比值法的判定；步驟S4：考慮支護是否保守的圍巖-初支系統五級速率比值法的判定。與現有技術相比，本發明具有操作簡易、適用性廣泛等優點。
【專利說明】軟弱破碎圍巖隧道二襯施作的最佳時機判別方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種隧道二襯施作方法，尤其是涉及一種軟弱破碎圍巖隧道二襯施作 的最佳時機判別方法。
【背景技術】
[0002] 在坑道開挖時沿著掌子面向前開進，而其後已挖成的坑道四面則需要加固。"二 襯"即是指經加固後的坑道四周仍需繼續二次加固來做的工作。國內外在對於隧道二襯施 作的最佳時機判別已進行了一些相關研究，如開展了：通過對考慮隧道圍巖蠕變特性的初 襯變形的理論公式的分析，利用現場實測數據的擬合公式，確定了圍巖的流變參數；結合規 範對於隧道二襯支護時間的確定準則，確定各級別圍巖中隧道二次襯砌支護的最佳時機， 並利用己知的流變參數進一步求得不同初襯厚度、開挖跨度時的二襯合理支護時機；結合 實際工程，基於力學解析法和現場監控量測數據的反分析來確定合理的二襯施作時機；通 過力學解析法計算出了二次襯砌施工時的圍巖變形位移值和圍巖應力值，結合規範中規定 的隧道二襯支護時間標準，確定各級別圍巖中隧道二次襯砌支護的最佳時機，並通過現場 監控量測分析，進一步修正各圍巖級別的二襯支護時機；根據飽水試驗結果和現場支護結 構應力的監測數據，進行了低圍壓條件下的三軸壓縮試驗，探求支護阻力對軟巖強度和體 積應變的影響規律，在控制圍巖大變形方面，提出了峰後軟化階段末尾和殘餘階段開始作 為二襯的最佳施作時機；通過現場監控量測數據，採用大型有限元軟體ANSYS對隧道進行 開挖模擬的分析，並最終將現場實測結果以及模擬分析結果相結合，來具體分析隧道的二 次襯砌的合理支護時機。不過，這些隧道的二次襯砌的合理支護時機的方法都是非常複雜 且不易操作。因此，研製一種更為合理、操作簡單易用、可操作性很強且能方便地進行軟弱 破碎圍巖隧道的二襯時機判別的方法顯得尤為緊迫。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種簡單易用、可操 作性強的軟弱破碎圍巖隧道二襯施作的最佳時機判別方法。
[0004] 本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：
[0005] -種軟弱破碎圍巖隧道二襯施作的最佳時機判別方法，步驟包括：
[0006] 步驟S1 :確定軟弱破碎圍巖隧道二襯施作的最佳時機判別依據；
[0007] 步驟S2 :採用全站儀現場監測軟弱破碎圍巖隧道圍巖-初支系統的拱頂沉降和邊 牆變形收斂；
[0008] 步驟S3 :軟弱破碎圍巖隧道圍巖-初支系統變形速率比值法的判定；
[0009] 步驟S4 :考慮支護是否保守的圍巖-初支系統五級速率比值法的判定。
[0010] 所述的軟弱破碎圍巖隧道二襯施作的最佳時機判別依據包括：
[0011] 1)圍巖-初支護系統的變形在設定範圍內；
[0012] 2)以圍巖-初支護系統的變形歷時發展加速度，即變形速率比值作判據，確定圍 巖-初支護系統的穩定性；
[0013] 3)在保證隧道安全的基礎上，讓初支護系統承擔圍巖剩餘的變形壓力。
[0014] 所述的全站儀現場監測軟弱破碎圍巖隧道圍巖-初支系統的拱頂沉降和邊牆變 形收斂的具體操作為：
[0015] 1) IV級圍巖段量測斷面間距為10?35m，V級圍巖段量測斷面間距為5?15m ;
[0016] 2)在每個量測斷面的拱頂中心埋設一鋼筋預埋件，埋設前，首先在待測部位鑽孔， 然後將預埋件放入，並用混凝土填塞，待混凝土凝固後即可量測；
[0017] 3)收斂量測與拱頂下沉點布置在同一斷面，埋設測點時，先在測點處開挖孔徑為 40?100mm、深為25mm的孔，在孔中填滿水泥砂漿後插入收斂預埋件，使兩預埋件軸線在基 線方向上，並使預埋件銷孔軸線處於鉛垂位置，安裝保護帽，待砂漿凝固後即可量測；
[0018] 4)當初支護施作完成後，以設定監測頻次進行拱頂沉降和邊牆位移的監測。
[0019] 所述的監測頻次具體為：
[0020] 位移速度彡10mm/d，監控量測頻率為2次/d ;位移速度為1?10mm/d，監控量測頻 率為1次/d ;位移速度為0. 6?lmm/d，監控量測頻率為1次/2?3d ;位移速度為0. 3? 0. 6mm/d，監控量測頻率為1次/3d ;位移速度為< 0. 3mm/d，監控量測頻率為1次/7d。
[0021] 所述的軟弱破碎圍巖隧道圍巖-初支系統變形速率比值法的判定具體為：
[0022] 軟弱破碎圍巖隧道施工監測中，圍巖-初支護的變形速率v與該斷面實測圍 巖-初支護的變形速率最大值v max的比值v/vmax小於或等於設定閾值，所述的設定閾值 5%?10%;當￥八_<5%時，即是二襯施作的最佳時機。
[0023] 所述的考慮支護是否保守的圍巖-初支系統五級速率比值法的判定具體為：
[0024] 1)1級-支護保守：圍巖-初支護系統的變形速率比值v/vmax已經降低到了閾值以 下，並趨於零，同時圍巖-初支護系統的變形值h小於允許變形值 U(l ;
[0025] 2) II級-支護適當：預設計初期支護施作後，5?7d內圍巖-初支護系統的變形 速率比值v/vmax降到閾值，並趨近於零，即v/v max < 5 %，同時圍巖-初支護系統的變形值Ul 小於允許變形值叫，說明支護適當，變形速率已進入閾值下限值，圍巖-初支系統已穩定，可 進行二襯施作，即此時是最佳二襯施作時機；
[0026] 3) III級-支護不足：預設計初期支護全部施作後，12h內圍巖-初支護系統的變 形速率與前次相比，未降到〇. 5以下，5?7d內圍巖-初支護系統的變形速率未達到閾值， 如不及時加強支護，u-t曲線將出現反彎點，圍巖-初支護系統的即將失穩；
[0027] 4) IV級-支護不足有流變現象發生：預設計初期支護全部施作後，12h內圍巖-初 支護系統的變形速率與前次相比，未降到〇. 5以下，5?7d內圍巖-初支護系統的變形速率 未達到閾值，圍巖-初支護系統的變形速率明顯降低後，圍巖-初支護系統的變形仍以流變 形式增長；如不及時加強支護，u-t曲線將出現反彎點，圍巖即將失穩；
[0028] 5)V級-失穩前：噴射混凝土、錨杆、鋼筋網支護參數已加強到最高限額，1?內圍 巖變形速率仍未明顯降低，並已出現噴層嚴重開裂與鋼筋網擠出現象，表明圍巖-初支護 系統的即將失穩；
[0029] 6)當五級速率比值法判定圍巖-初支系統變形處於II級狀態時，此時就是最佳二 襯施作時機，否則，調整初支護設計參數，然後再重新進行步驟S2、S3、S4,使之達到II級最 佳狀態。
[0030] 與現有技術相比，本發明具有以下優點：
[0031] 1)本發明中採用的全站儀現場監測軟弱破碎圍巖隧道圍巖-初支系統的拱頂沉 降和邊牆變形收斂的具體操作，簡單易用、可操作性很強。
[0032] 2)本發明以圍巖-初支護系統的變形歷時發展加速度，即變形速率比值作判據， 同時提出考慮支護是否保守的圍巖-初支系統五級速率比值法的判定，若為II級狀態時， 此時就是最佳二襯施作時機。否則，需要調整初支護設計參數，然後再重新判斷，使之達到 II級最佳狀態，以便使圍巖-初支護系統不僅安全和可靠而且也最為經濟，判斷方法考慮 全面、更為合理。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0033] 圖1為本發明的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0034] 下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。本實施例以本發明技術方案 為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於 下述的實施例。
[0035] 如圖1所示，一種軟弱破碎圍巖隧道二襯施作的最佳時機判別方法，通過圍巖-初 支系統的拱頂沉降和邊牆變形收斂的現場監控量測，利用圍巖-初支系統變形實測數據， 採用圍巖-初支護系統變形的速率比值法、考慮支護是否保守的五級速率比值法，判別軟 弱破碎圍巖隧道二襯施作的最佳時機，具體步驟如下：
[0036] 步驟S1 :確定軟弱破碎圍巖隧道二襯施作的最佳時機判別依據，包括如下內容：
[0037] 1)容許圍巖-初支護系統有一定的自由變形而又需控制圍巖-初支護系統的過度 變形，適時施作二襯支護；
[0038] 2)以圍巖-初支護系統的變形歷時發展加速度，即變形速率比值作判據，來確定 圍巖-初支護系統的穩定性；
[0039] 3)在保證隧道安全的基礎上，儘量讓初支護系統承擔圍巖剩餘的變形壓力。
[0040] 步驟S2 :採用全站儀現場監測軟弱破碎圍巖隧道圍巖-初支系統的拱頂沉降和邊 牆變形收斂，具體操作為：
[0041] 1) IV級圍巖段量測斷面間距為10?35m，V級圍巖段量測斷面間距為5?15m ;
[0042] 2)在每個量測斷面的拱頂中心埋設一自製的鋼筋預埋件。埋設前，先用小型鑽機 在待測部位成孔，然後將預埋件放入，並用混凝土填塞，待混凝土凝固後即可量測；
[0043] 3)收斂量測與拱頂下沉點布置在同一斷面。埋設測點時，先在測點處用人工挖孔 或鑿巖機開挖孔徑為40?100mm，深為25mm的孔。在孔中填滿水泥砂漿後插入收斂預埋件， 儘量使兩預埋件軸線在基線方向上，並使預埋件銷孔軸線處於鉛垂位置，上好保護帽，待砂 漿凝固後即可量測；
[0044] 4)當初支護施作完成後，馬上進行拱頂沉降和邊牆位移的初次監測；
[0045] 5)監測頻次：一般地，位移速度> 10mm/d，監控量測頻率為2次/d ;位移速度為 1?10mm/d，監控量測頻率為1次/d ;位移速度為0. 6?lmm/d，監控量測頻率為1次/2? 3d ;位移速度為0. 3?0. 6mm/d，監控量測頻率為1次/3d ;位移速度為< 0. 3mm/d，監控量 測頻率為1次/7d。若變形速率呈現加速發展趨勢，監測頻次必須視情增加到3次/d以上。
[0046] 步驟S3 :軟弱破碎圍巖隧道圍巖-初支系統變形速率比值法的判定，具體判定步 驟為：
[0047] 1)軟弱破碎圍巖隧道施工監測中，當預設計的初期支護全部施加後以及對局部地 段還作了加強支護，含注漿處理後，圍巖-初支護的變形速率v與該斷面實測圍巖-初支護 的變形速率最大值v max的比值v/vmax應不大於本工程相類似洞段或典型工程監測量控統計 出的閾值；
[0048] 2)根據以往典型工程的統計結果，閾值可取為5%?10%。當v/vmax = 20%左右 時，可以認為變形速率顯著減小，接近趨於穩定；當v/vmax < 5%時，即是二襯施作的最佳時 機，也是最合理的時機。
[0049] 步驟S4 :考慮支護是否保守的圍巖-初支系統五級速率比值法的判定，具體為：
[0050] 1) I級-支護保守：已施作的初期支護只是預設計值的一部分，圍巖-初支護系統 的變形速率比值v/vmax已經降低到了閾值以下，並且迅速趨於零，同時圍巖-初支護系統的 變形值+小於允許變形值 U(l ;
[0051] 2)11級-支護適當：預設計初期支護施作後，5?7d內圍巖-初支護系統的變形 速率比值v/v max降到閾值，並漸趨近於零，即v/vmax < 5%，同時圍巖-初支護系統的變形值 七小於允許變形值U(l，說明支護適當，變形速率已進入閾值下限值，圍巖-初支系統已穩定， 可進行二襯施作，即此時是最佳二襯施作時機；
[0052] 3) III級-支護不足：預設計初期支護全部施作後，12h內圍巖-初支護系統的變 形速率與前次相比，未降到〇. 5以下，5?7d內圍巖-初支護系統的變形速率未達到閾值， 通常伴隨或隨後出現噴層嚴重開裂、鋼筋網擠出。如不及時加強支護，u-t曲線將出現反彎 點，圍巖-初支護系統的即將失穩；
[0053] 4) IV級-支護不足有流變現象發生：預設計初期支護全部施作後，12h內圍巖-初 支護系統的變形速率與前次相比，未降到〇. 5以下，5?7d內圍巖-初支護系統的變形速率 未達到閾值，圍巖-初支護系統的變形速率明顯降低後，圍巖-初支護系統的變形仍以流變 形式增長；通常伴隨或隨後出現噴層嚴重開裂、鋼筋網擠出。如不及時加強支護，u-t曲線 將出現反彎點，圍巖即將失穩；
[0054] 5)V級-失穩前：噴射混凝土、錨杆、鋼筋網支護參數已加強到最高限額，1?內圍 巖變形速率仍未明顯降低，並已出現噴層嚴重開裂與鋼筋網擠出現象，表明圍巖-初支護 系統的即將失穩；
[0055] 6)當五級速率比值法判定圍巖-初支系統變形處於II級狀態時，此時就是最佳二 襯施作時機。否則，需要調整初支護設計參數，然後再重新進行圍巖-初支系統的拱頂沉降 和邊牆變形收斂的全站儀現場監測、圍巖-初支系統變形速率比值法判定及五級速率比值 法判定，使之達到II級最佳狀態，以便使圍巖-初支護系統不僅安全和可靠而且也最為經 濟。
【權利要求】
1. 一種軟弱破碎圍巖隧道二襯施作的最佳時機判別方法，其特徵在於，步驟包括： 步驟S1 :確定軟弱破碎圍巖隧道二襯施作的最佳時機判別依據； 步驟S2 :採用全站儀現場監測軟弱破碎圍巖隧道圍巖-初支系統的拱頂沉降和邊牆變 形收斂； 步驟S3 :軟弱破碎圍巖隧道圍巖-初支系統變形速率比值法的判定； 步驟S4 :考慮支護是否保守的圍巖-初支系統五級速率比值法的判定。
2. 根據權利要求1所述的一種軟弱破碎圍巖隧道二襯施作的最佳時機判別方法，其特 徵在於，所述的軟弱破碎圍巖隧道二襯施作的最佳時機判別依據包括： 1) 圍巖-初支護系統的變形在設定範圍內； 2) 以圍巖-初支護系統的變形歷時發展加速度，即變形速率比值作判據，確定圍巖-初 支護系統的穩定性； 3) 在保證隧道安全的基礎上，讓初支護系統承擔圍巖剩餘的變形壓力。
3. 根據權利要求1所述的一種軟弱破碎圍巖隧道二襯施作的最佳時機判別方法，其特 徵在於，所述的全站儀現場監測軟弱破碎圍巖隧道圍巖-初支系統的拱頂沉降和邊牆變形 收斂的具體操作為： 1. IV級圍巖段量測斷面間距為10?35m，V級圍巖段量測斷面間距為5?15m ; 2) 在每個量測斷面的拱頂中心埋設一鋼筋預埋件，埋設前，首先在待測部位鑽孔，然後 將預埋件放入，並用混凝土填塞，待混凝土凝固後即可量測； 3) 收斂量測與拱頂下沉點布置在同一斷面，埋設測點時，先在測點處開挖孔徑為40? 100_、深為25_的孔，在孔中填滿水泥砂漿後插入收斂預埋件，使兩預埋件軸線在基線方 向上，並使預埋件銷孔軸線處於鉛垂位置，安裝保護帽，待砂漿凝固後即可量測； 4) 當初支護施作完成後，以設定監測頻次進行拱頂沉降和邊牆位移的監測。
4. 根據權利要求3所述的一種軟弱破碎圍巖隧道二襯施作的最佳時機判別方法，其特 徵在於，所述的監測頻次具體為： 位移速度彡l〇mm/d，監控量測頻率為2次/d ;位移速度為1?10mm/d，監控量測頻率為 1次/d ;位移速度為0. 6?lmm/d，監控量測頻率為1次/2?3d ;位移速度為0. 3?0. 6mm/ d，監控量測頻率為1次/3d ;位移速度為< 0. 3mm/d，監控量測頻率為1次/7d。
5. 根據權利要求1所述的一種軟弱破碎圍巖隧道二襯施作的最佳時機判別方法，其特 徵在於，所述的軟弱破碎圍巖隧道圍巖-初支系統變形速率比值法的判定具體為： 軟弱破碎圍巖隧道施工監測中，圍巖-初支護的變形速率v與該斷面實測圍巖-初支 護的變形速率最大值Vmax的比值v/vmax小於或等於設定閾值，所述的設定閾值5%?10% ; 當V/Vmax < 5%時，即是二襯施作的最佳時機。
6. 根據權利要求1所述的一種軟弱破碎圍巖隧道二襯施作的最佳時機判別方法，其特 徵在於，所述的考慮支護是否保守的圍巖-初支系統五級速率比值法的判定具體為： 1. I級-支護保守：圍巖-初支護系統的變形速率比值v/vmax已經降低到了閾值以下， 並趨於零，同時圍巖-初支護系統的變形值h小於允許變形值 U(l ; 2. II級-支護適當：預設計初期支護施作後，5?7d內圍巖-初支護系統的變形速率 比值v/vmax降到閾值，並趨近於零，即v/v max < 5%，同時圍巖-初支護系統的變形值Ul小 於允許變形值叫，說明支護適當，變形速率已進入閾值下限值，圍巖-初支系統已穩定，可進 行二襯施作，即此時是最佳二襯施作時機； 3. III級-支護不足：預設計初期支護全部施作後，12h內圍巖-初支護系統的變形速 率與前次相比，未降到〇. 5以下，5?7d內圍巖-初支護系統的變形速率未達到閾值，如不 及時加強支護，u-t曲線將出現反彎點，圍巖-初支護系統的即將失穩； 4. IV級-支護不足有流變現象發生：預設計初期支護全部施作後，12h內圍巖-初支護 系統的變形速率與前次相比，未降到〇. 5以下，5?7d內圍巖-初支護系統的變形速率未達 到閾值，圍巖-初支護系統的變形速率明顯降低後，圍巖-初支護系統的變形仍以流變形式 增長；如不及時加強支護，u-t曲線將出現反彎點，圍巖即將失穩； 5. V級-失穩前：噴射混凝土、錨杆、鋼筋網支護參數已加強到最高限額，12h內圍巖變 形速率仍未明顯降低，並已出現噴層嚴重開裂與鋼筋網擠出現象，表明圍巖-初支護系統 的即將失穩； 6) 當五級速率比值法判定圍巖-初支系統變形處於II級狀態時，此時就是最佳二襯施 作時機，否則，調整初支護設計參數，然後再重新進行步驟S2、S3、S4,使之達到II級最佳狀 態。
【文檔編號】E21D11/00GK104047611SQ201410250534
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月6日 優先權日:2014年6月6日
【發明者】許建聰, 周泉吉 申請人:同濟大學