一种管棚支护最优加固粘聚力计算方法

本发明涉及安全风险评估技术领域，具体涉及一种管棚支护最优加固粘聚力计算方法。

背景技术：

在软弱围岩尤其是砂卵岩层中修建隧道时，由于岩土体粘聚力非常低、整体性差，存在较大的开挖时隧道坍塌的安全隐患。对此，选择施作管棚进行注浆预加固岩土体是一种非常有效的防护措施，可以有效保证隧道后续开挖时围岩的相对稳定，减少安全隐患。

对于管棚注浆加固的效果，现行设计研究等多关注其加固后岩土体的承载力，通过注浆结束后的现场取样、实验来测定其承载力等参数；而缺少对隧道后续开挖时管棚加固区及隧道拱顶变形，以及注浆加固对岩土体各参数影响的关注。关注管棚加固区及隧道拱顶变形可以有效降低隧道的安全风险；确定注浆加固对岩土体各参数影响可以帮助确定合理的注浆参数，辅助施工从而帮助控制隧道变形，降低隧道安全风险。这就需要一种考虑隧道开挖时管棚加固区变形控制的加固后岩土体参数的确定方法。

技术实现要素：

为了解决这些问题，本发明提出了一种管棚支护最优加固粘聚力计算方法，该方法从控制变形的角度出发，确定合理的管棚支护加固岩土体参数。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种管棚支护最优加固粘聚力计算方法，包括如下步骤：步骤1、由注浆钢管面积比和注浆量系数确定管棚支护加固粘聚力增强系数；步骤2、在有限元软件中建立有限元计算模型，输入相应粘聚力增强系数所对应的土体参数进行有限元计算；步骤3、以有限元计算模型拱顶最大变形量作为评判标准，与设计允许的最大变形量进行对比，求出对应的安全系数；步骤4、根据安全性、经济性原则得到最优粘聚力增强系数，进而得到最优加固粘聚力。

优选的，所述的步骤1中，设计n组管棚支护方案，每组支护方案包括两个参数，即注浆钢管面积比rp和注浆量系数δq，注浆钢管面积比rp表示单位面积土体中所使用的钢管面积与单位面积的比值，注浆量系数δq表示单位体积土体所注入浆液量与单位体积的比值，根据rp和δq确定管棚支护加固粘聚力增强系数kc＝1.0+rp×δq，n组管棚支护方案参数记为(rp1、δq1)、(rp2、δq2)、……、(rpn、δqn)，相应的粘聚力增强系数记为kc1,kc2,……,kcn。

优选的，所述的步骤2中，在有限元软件midasgtsnx中建立管棚注浆加固有限元计算模型，根据粘聚力增强系数和初始粘聚力c0计算加固粘聚力c＝kc×c0；kc1,kc2,……,kcn所对应的加固粘聚力记为c1,c2,……,cn；分别将c1,c2,……,cn输入有限元计算模型进行有限元计算，得到所对应的拱顶最大变形量s1,s2,……,sn。

优选的，所述的步骤3中，根据《铁路隧道设计规范tb10003-2016》确定设计允许变形量s0，若si<s0，(i＝1,2,…,n)则称第i组管棚支护方案为符合设计要求的管棚支护方案，如此反复判断共筛选出m组符合设计要求的管棚支护方案，筛选出的管棚支护方案对应的粘聚力增强系数记为gc1、gc2、……、gcm，对应的拱顶最大变形量记为d1、d2、d3、……、dm，计算对应的安全系数fsi＝s0/di，(i＝1,2,…,m)。

优选的，所述的步骤4中，利用(gci,fsi)，i＝1,2,……,m绘制安全系数随粘聚力增强系数变化曲线，根据期望最优安全系数fs查询曲线确定最优粘聚力增强系数ka，根据公式ca＝ka×c0计算最优加固粘聚力。

本发明一种管棚支护最优加固粘聚力计算方法的有益效果为：本发明考虑了管棚注浆加固后隧道施工时的变形控制，可以有效地求得合理的管棚注浆加固粘聚力增强系数和最优加固粘聚力，对确定管棚注浆参数有很大的参考作用，同时，从控制变形的角度出发，大大降低了隧道的安全风险。

附图说明

图1、本发明流程图；

图2、青岛大河东车站折返区间隧道crd法区段断面图；

图3、拱顶最大变形量随粘聚力增强系数变化曲线图；

图4、安全系数随粘聚力增强系数变化曲线图；

具体实施方式

以下所述，是以阶梯递进的方式对本发明的实施方式详细说明，该说明仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”“下”“左”“右”“顶”“底”“内”“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以及特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

一种管棚支护最优加固粘聚力计算方法，如图1所示，包括如下步骤：步骤1、由注浆钢管面积比和注浆量系数确定管棚支护加固粘聚力增强系数；步骤2、在有限元软件中建立有限元计算模型，输入相应粘聚力增强系数所对应的土体参数进行有限元计算；步骤3、以有限元计算模型拱顶最大变形量作为评判标准，与设计允许的最大变形量进行对比，求出对应的安全系数；步骤4、根据安全性、经济性原则得到最优粘聚力增强系数，进而得到最优加固粘聚力；

如图1所示，所述的步骤1中，设计n组管棚支护方案，每组支护方案包括两个参数，即注浆钢管面积比rp和注浆量系数δq，根据rp和δq确定管棚支护加固粘聚力增强系数kc＝1.0+rp×δq，n组管棚支护方案参数记为(rp1、δq1)、(rp2、δq2)、……、(rpn、δqn)，相应的粘聚力增强系数记为kc1,kc2,……,kcn；

如图1所示，所述的步骤2中，在有限元软件midasgtsnx中建立管棚注浆加固有限元计算模型，根据粘聚力增强系数和初始粘聚力c0计算加固粘聚力c＝kc×c0；kc1,kc2,……,kcn所对应的加固粘聚力记为c1,c2,……,cn；分别将c1,c2,……,cn输入有限元计算模型进行有限元计算，得到所对应的拱顶最大变形量s1,s2,……,sn；

如图1所示，所述的步骤3中，根据《铁路隧道设计规范tb10003-2016》确定设计允许变形量s0，若si<s0，(i＝1,2,…,n)则称第i组管棚支护方案为符合设计要求的管棚支护方案，如此反复判断共筛选出m组符合设计要求的管棚支护方案，筛选出的管棚支护方案对应的粘聚力增强系数记为gc1、gc2、……、gcm，对应的拱顶最大变形量记为d1、d2、d3、……、dm，计算对应的安全系数fsi＝s0/di，(i＝1,2,…,m)；

如图1所示，所述的步骤4中，利用(gci,fsi)，i＝1,2,……,m绘制安全系数随粘聚力增强系数变化曲线，根据期望最优安全系数fs查询曲线确定最优粘聚力增强系数ka，根据公式ca＝ka×c0计算最优加固粘聚力。

下面结合图2所示青岛大河东车站折返区间隧道crd法区段的管棚实例进行说明：

该区段隧道埋深为25.508m，开挖断面尺寸为12.1*10.505m，穿过卵石层和中风化花岗岩层这两个岩性相差较大的地层，由于隧道大部分在卵石层中，且卵石层粘聚力非常低，直接施工非常危险，所以先采用管棚注浆加固隧道拱顶土体后再采用crd法施工，本发明技术主要求解卵石层的管棚支护最优加固粘聚力。

采用本发明提出的新技术方案的求解过程为：

首先，设计n＝10组管棚支护方案，10组支护方案的注浆钢管面积比rp和注浆量系数δq分别为(0.1、10)、(0.1、20)、(0.15、20)、(0.2、20)、(0.2、25)、(0.2、30)、(0.25、28)、(0.25、32)、(0.25、36)、(0.25、40)；根据管棚支护加固粘聚力增强系数计算公式kc＝1.0+rp×δq计算得各支护方案相应的粘聚力增强系数为kc1＝2，kc2＝3，kc3＝4，kc4＝5，kc5＝6，kc6＝7，kc7＝8，kc8＝9，kc9＝10，kc10＝11；

在有限元软件midasgtsnx中建立管棚注浆加固有限元计算模型，在有限元计算模型中选取岩土体共七层从上到下为素填土层、含有机质粉土层、粗砂层、含有机质粉质黏土层、粗砾砂层、卵石层、中风化花岗岩层，模型中所设各岩土层参数见下表：

表1模型计算参数表

根据初始粘聚力c0＝20kpa和粘聚力增强系数kc1＝2，kc2＝3，kc3＝4，kc4＝5，kc5＝6，kc6＝7，kc7＝8，kc8＝9，kc9＝10，kc10＝11求得对应的加固粘聚力为c1＝40kpa，c2＝60kpa，c3＝80kpa，c4＝100kpa，c5＝120kpa，c6＝140kpa，c7＝160kpa，c8＝180kpa，c9＝200kpa，c10＝220kpa；在有限元计算模型中输入管棚加固区土体的粘聚力进行有限元计算，得到所对应的拱顶最大变形量s1＝39.33cm，s2＝17.19cm，s3＝11.71cm，s4＝9.32cm，s5＝7.91cm，s6＝7.15cm，s7＝6.53cm，s8＝5.89cm，s9＝5.42cm，s10＝4.99cm，不同粘聚力增强系数所对应的拱顶最大变形量见图3所示；

查询《铁路隧道设计规范tb10003-2016》确定设计允许变形量s0＝100mm，根据si<s0，(i＝1,2,…,10)筛选出符合设计要求的7组样本，其相应的粘聚力增强系数记为gc1＝5，gc2＝6，gc3＝7，gc4＝8，gc5＝9，gc6＝10，gc7＝11，对应的拱顶最大变形量为d1＝9.32cm，d2＝7.91cm，d3＝7.15cm，d4＝6.53cm，d5＝5.89cm，d6＝5.42cm，d7＝4.99cm，由s0/di，i＝1,2,……,7，求出所对应的安全系数fs1＝10/9.32＝1.073，fs2＝1.264，fs3＝1.399，fs4＝1.531，fs5＝1.698，fs6＝1.845，fs7＝2.004，各安全系数随粘聚力增强系数变化曲线如图3所示；

根据期望最优安全系数fs，然后查询曲线得到对应的最优粘聚力增强系数ka，进而可得到最优的加固粘聚力ca。例如选择期望最优安全系数fs＝1.6查询曲线得到对应的最优粘聚力增强系数ka＝8.4375，进而可得到最优的加固粘聚力ca＝168.75kpa。

因此，在施工时应保证将管棚加固区域的岩土体加固到所需的粘聚力值，这样，才能尽可能保证隧道在施工过程中的安全。对比以往设计研究，本发明考虑了管棚注浆加固后隧道施工时的变形控制，可以有效地求得合理的管棚注浆加固粘聚力增强系数和最优加固粘聚力。并通过实例证明了本发明的有效性。