基于变形控制的隧道超前支护管理方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及隧道超前支护技术领域，尤其涉及一种基于变形控制的隧道超前支护 管理方法。
【背景技术】
[0002] 随着近几十年来我国经济的高速发展，铁路及公路运输、水利水电工程和城市地 铁等轨道交通与地下空间的开发利用，隧道及地下工程进入了持续快速发展时期。不同长 度、不同类型的山岭隧道大量涌现，因此地下工程施工技术的发展，面临新的机遇和挑战。 建隧道具有缩短线路长度、穿越不良地质地段、提高道路的可靠性和安全性，维修费用少、 保护环境等方面的优点。为了使隧道能更好地适应山岭地区复杂多变的地质条件，有必要 对隧道洞身穿越破碎隧道围岩段时的设计和施工支护方法作一些深入细致的研宄，确保施 工及运营安全。隧道穿越软弱破碎地段时除了施工中遵循"短进尺、弱爆破、少扰动、强支 撑、快封闭"的原则外，还需运用一些隧道超前支护的辅助工法，以保施工安全。
[0003] 对于稳定性较差的隧道围岩，隧道开挖后，隧道围岩的自稳时间很短，初期支护来 不及施做，隧道围岩变形就可能超过其容许范围，此时需采用隧道超前支护措施来控制隧 道围岩的变形，事先减轻开挖后可能释放的荷载，用初期支护承担开挖后由隧道超前支护 减轻的释放荷载，此时隧道超前支护和初期支护共同承担了开挖后可能释放的全部荷载。
[0004] 控制掌子面超前变形主要采用隧道超前支护，隧道超前支护大体上可以按构造分 类，分为利用隧道纵向刚性的梁构造和利用横向刚性的拱形构造两大类。梁构造可分为采 用钢管、钢棒系材料的工法和高压喷射改良隧道围岩的工法2种，各种隧道超前支护分类 表如图1所示。
[0005] 域有着广泛的运用和发展，而在山岭隧道建设中尤以超前锚杆、管棚和小导管注 浆法最为常见。就这三种隧道超前支护技术而言，它们的力学行为特征、适应的隧道围岩条 件、设计及施工的合理性和经济性等方面还存在诸多的不确定性，给隧道超前支护的选择 带来一定困难。
[0006] 目前，现有隧道施工中，对隧道超前支护的选择多是采用基于经验的工程类比方 法，缺乏可靠的理论指导，难以做到科学化设计。由于隧道工程的特点和地质条件的多变性 和缺乏系统的理论指导，隧道超前支护设计在某些条件下过于保守，造成浪费，然而在有些 条件下又由于隧道结构设计过于薄弱而存在较大的安全隐患，给隧道工程的建设和后期的 运营造成较大的安全风险。因此，上述现有技术中的基于经验的工程类比方法不能很好的 根据隧道围岩特点选择最经济、最适合的隧道超前支护方法。
【发明内容】
[0007] 本发明的实施例提供了一种基于变形控制的隧道超前支护管理方法，以提供一种 科学、合理的隧道超前支护方式和参数的选取方案。
[0008] 一种基于变形控制的隧道超前支护管理方法，包括：
[0009] 基于隧道工程地质情况和隧道结构，计算出隧道围岩的变形预测值S1;
[0010] 基于隧道围岩的变形破坏过程和隧道工程支护结构受力分析，计算出隧道围岩的 变形控制标准值S2;
[0011] 将所述隧道围岩的变形预测值S1与所述隧道围岩的变形控制标准值S2进行比 较，若Si<S2，则确定在隧道施工中不采用隧道超前支护；S2，则确定在隧道施工中 采用隧道超前支护。
[0012] 优选地，所述的根据隧道工程地质情况和隧道结构计算出隧道围岩的变形预测值 S1，包括：
[0013] 根据地质勘查资料中工程地质情况确定隧道围岩的物理力学参数，根据设计资料 确定隧道结构的形式及开挖方式，基于所述隧道围岩的物理力学参数、隧道结构的形式及 开挖方式通过连续介质模型计算得到隧道围岩的变形预测值Si。
[0014] 优选地，所述的基于隧道围岩的变形破坏过程和隧道工程支护结构受力分析，计 算出隧道围岩的变形控制标准值S2，包括：
[0015] 根据隧道围岩的变形破坏过程、隧道工程支护结构受力分析、道路行车交通要求， 并根据类似工程监测结果的统计分析，采用解析法、类比法、数值法、模型试验法、现场监测 法中的至少一种方法计算出隧道围岩的变形控制标准值s2。
[0016] 优选地，所述的确定在隧道施工中采用隧道超前支护之后，还包括：
[0017] 选取某种隧道超前支护，根据所述某种隧道超前支护的加固原理及施工方法，得 出各个隧道超前支护参数的初始赋值范围，选取各个隧道超前支护参数的初始赋值范围内 的最大值，基于最大值的各个隧道超前支护参数通过预测分析得出隧道围岩变形的预测值 S3;
[0018] 将所述预测值&与所述变形控制标准值S2进行比较，如果S3<S2，则在隧道施工 中采用所述某种隧道超前支护；
[0019] 如果S3^S2，则选取另一种隧道超前支护，按照上述处理过程，计算出所述另一种 隧道超前支护的隧道围岩变形的预测值s3'，将所述预测值S3'与所述变形控制标准值S2 进行比较，如果S3' <S2，则在隧道施工中采用所述另一种隧道超前支护；
[0020] 如果S3'多S2，则选取其它隧道超前支护，重新执行上述处理过程，直到选取的当 前隧道超前支护的隧道围岩变形的预测值小于所述变形控制标准值s2,则在隧道施工中采 用所述当前隧道超前支护。
[0021 ] 优选地，所述的方法还包括：
[0022] 通过隧道超前支护参数的敏感性分析，计算出各个隧道超前支护参数的上限值；
[0023] 根据所述各个隧道超前支护参数的上限值，以及各个隧道超前支护参数的初始赋 值范围，计算出采取隧道超前支护后的隧道围岩变形的预测值S3;
[0024] 计算出隧道超前支护参数的加固有效性评价系数a，a=S3/S2，如果a< 1，则 确定隧道超前支护参数达到要求；如何a多1，则确定隧道超前支护参数不达到要求，对隧 道超前支护参数进行调整。
[0025] 优选地，所述的通过隧道超前支护参数的敏感性分析，计算出各个隧道超前支护 参数的上限值，包括：
[0026] 采用数值模拟方法，得出隧道围岩变形随隧道超前支护参数的变化规律曲线，对 所述变化规律曲线进行拟合，得出隧道超前支护参数的敏感性，对不同隧道超前支护参数 的敏感性进彳丁排序；
[0027] 对于敏感性存在拐点的隧道超前支护参数，以拐点所对应的参数值确定隧道超前 支护参数的上限值；对于敏感性不存在拐点的隧道超前支护参数，给出隧道超前支护参数 的上限值的建议值。
[0028] 优选地，所述的对隧道超前支护参数进行调整，包括：
[0029] 选取隧道超前支护的各参数的初始赋值范围的最小值进行计算分析，选取某个 参数，计算时不断增大该某个参数，并分别计算出不同的S 3，得出不同的a，如果在所述某 个参数达到根据参数敏感性分析得到的上限值之前，存在a < 1的情况，则选择a = 1所 对应的值为该某个参数的下限值，其他参数直接选取初始范围所确定的下限值；
[0030] 如果在所述某个参数达到根据参数敏感性分析得到的上限值之前或者同时，不存 在a < 1的情况，则根据参数敏感性分析得到的上限值即为该某个参数的下限值；
[0031] 选取下一个参数，按照上述处理过程计算下一个参数的下限值。
[0032] 优选地，所述的对隧道超前支护参数进行调整，包括：
[0033] 根据隧道超前支护参数的敏感性计算结果，将敏感性大于设定的阈值的参数定义 为敏感性大的参数，将敏感性小于或者等于设定的阈值的参数定义为敏感性小的参数；
[0034] 先计算出于敏感性大的参数的下限值，后计算出敏感性小的参数的下限值。
[0035] 由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过将隧道围岩 的变形预测值SdP隧道围岩的变形控制标准值5 2进行比较，可以科学地判定出是否采用隧 道超前支护。通过将基于最大值的各个隧道超前支护参数的隧道围岩的变形预测值&与 变形控制标准值S 2进行比较，可以科学地选择出适合种类的隧道超前支护方式。通过利用 隧道超前支护参数的敏感性分析和加固有效性评价系数，可以合理地计算出各个隧道超前 支护参数的上限值和下限值。本发明实施例即保证了隧道建设的安全，又根据隧道围岩的 特点选择最经济、最适合的隧道超前支护方式和隧道超前支护参数，可以适用于各种隧道 工程的特点和地质条件的多变性。
[0036] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中 变得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0037] 为了更清楚地说