V级围岩隧道台阶法施工初支变形分级控制标准确定方法

v级围岩隧道台阶法施工初支变形分级控制标准确定方法
技术领域
1.本发明涉及一种
ⅴ
级围岩隧道开挖变形控制标准，具体为一种v级围岩隧道台阶法施工初支变形分级控制标准确定方法，属于山岭隧道施工技术领域。


背景技术：

2.ⅴ
级围岩隧道是专供汽车运输行驶的通道。随着社会经济和生产的发展,高速公路大量出现，对道路的修建技术提出了较高的标准,要求线路顺直、坡度平缓、路面宽敞等。因此在道路穿越山区时,过去盘山绕行的方案多改为隧道方案。隧道的修建在改善公路技术状态、缩短运行距离、提高运输能力、减少事故等方面起到重要的作用。
3.ⅴ
级围岩隧道在开挖施工时，需要对初支变形的控制标准进行确定，现有的针对
ⅴ
级围岩隧道开挖初支变形控制标准主要以预留变形量为基准，缺乏隧道初支变形分步控制标准，进而导致无法进行精准的控制。


技术实现要素：

4.本发明的目的就在于为了解决问题而提供一种v级围岩隧道台阶法施工初支变形分级控制标准确定方法。
5.本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种v级围岩隧道台阶法施工初支变形分级控制标准确定方法，包括以下步骤
6.步骤一、确定隧道开挖预留变形量，施工期间，在施工区段不同断面布设监控量测点，对台阶法各台阶开挖过程中隧道拱顶下沉和洞周收敛进行监测，并对监测数据进行统计，对隧道拱顶下沉和洞周收敛监测数据进行正态分布函数拟合，确定两组数据的方差与均值，即可确定样本的总体分布，得出拱顶下沉和洞周收敛正态分布直方图以及正态函数曲线；
7.步骤二、确定隧道台阶法各台阶开挖围岩变形占比，采用数值计算方法对隧道台阶法开挖进行数值计算，确定各台阶开挖后初支变形量之间的比值；
8.步骤三、根据拟定的隧道台阶法各台阶开挖围岩变形占比，确定v级围岩隧道台阶法施工初支变形分阶段控制标准。
9.作为本发明再进一步的方案：所述步骤一中，正态分布函数具体包括：
10.根据区间估计的定义，总体x的分布函数f(x；θ)含有一个未知参数θ，θ
∈
θ，对于给定的α(0《α《1)，若由来自x的样本x1，x2，
…
，xn确定的两个统计量θ＝θ(x1，x2，...，xn)和对于任意的θ
∈
θ，若：
[0011][0012]
成立，则随机区间是θ的置信水平为1-α的置信区间，θ和是置信水平为1-α的双侧置信区间的置信下限和置信上限，1-α称为置信水平。
[0013]
当分布函数中方差σ2未知时，由于s是σ的无偏估计，则
[0014][0015][0016]
其中，z
α/2
，z
1-α/2
为正态分布的分位点，对隧道穿越断层破碎带大变形段断面进行随机抽样，则x位于(z
α/2
，z
1-α/2
)的概率为1-α，则置信区间的上下限为隧道预留变形量的上下限。
[0017]
作为本发明再进一步的方案：所述步骤一中，对正态分布拟合确定的隧道预留变形量的上下限进行适当放大，以保证预留变量能够满足初支变形不侵限。
[0018]
作为本发明再进一步的方案：所述步骤二中，具体过程如下：
[0019]
(1)选取数值计算所用软件；
[0020]
(2)根据隧道施工情况，确定数值计算方案，制定计算工况；
[0021]
(3)采用数值计算软件进行建模，并根据现场围岩情况对所需参数进行赋值；
[0022]
(4)按照计算工况分别开展数值计算，对不同台阶长度、不同封闭距离条件下的隧道台阶法各台阶开挖时围岩变形情况(拱顶下沉、洞周收敛等)与围岩受力情况进行对比分析，从而根据数值计算结果对确定隧道台阶法各台阶开挖围岩变形占比进行拟定。
[0023]
作为本发明再进一步的方案：所述步骤三中，具体包括：
[0024]
隧道台阶法施工初支变形分阶段控制标准给定了隧道采用台阶法开挖过程中各台阶开挖时隧道围岩允许变形占总变形的百分比，再根据确定的v级围岩隧道预留变形量，可以获得隧道采用台阶法开挖过程中各台阶开挖时隧道围岩允许变形的绝对值，从而可以实现对隧道台阶法开挖过程中围岩变形进行分阶段精确控制，以达到降低软岩大变形隧道初支侵限可能性的目的。
[0025]
本发明的有益效果是：此
ⅴ
级围岩台阶法施工变形控制标准确定方法，从台阶法施工特点出发，通过隧道初支变形分阶段控制标准的制定，可以达到对初支变形动态控制的目的。
附图说明
[0026]
图1为本发明流程示意图；
[0027]
图2为本发明实施例二大变形段各断面拱顶下沉示意图；
[0028]
图3为本发明实施例二大变形段各断面洞周收敛示意图；
[0029]
图4为本发明实施例二大变形段变形分布直方图及正态分布曲线示意图；
[0030]
图5为本发明实施例二模型示意图；
[0031]
图6为本发明实施例二不同封闭距离下围岩变形规律图；
[0032]
图7为本发明实施例二各工况下塑性区范围云图；
[0033]
图8为本发明实施例二不同中台阶长度下围岩变形规律图；
[0034]
图9为本发明实施例二不同中台阶长度拱顶下沉各施工阶段变形占比图；
[0035]
图10为本发明实施例二不同台阶长度洞周水平收敛各施工阶段变形占比图；
[0036]
图11为本发明实施例二不同台阶长度下塑性区分布云图。
具体实施方式
[0037]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0038]
实施例一
[0039]
请参阅图1，一种v级围岩隧道台阶法施工初支变形分级控制标准确定方法，包括以下步骤
[0040]
步骤一、确定隧道开挖预留变形量，施工期间，在施工区段不同断面布设监控量测点，对台阶法各台阶开挖过程中隧道拱顶下沉和洞周收敛进行监测，并对监测数据进行统计，对隧道拱顶下沉和洞周收敛监测数据进行正态分布函数拟合，确定两组数据的方差与均值，即可确定样本的总体分布，得出拱顶下沉和洞周收敛正态分布直方图以及正态函数曲线；
[0041]
步骤二、确定隧道台阶法各台阶开挖围岩变形占比，采用数值计算方法对隧道台阶法开挖进行数值计算，确定各台阶开挖后初支变形量之间的比值；
[0042]
步骤三、根据拟定的隧道台阶法各台阶开挖围岩变形占比，确定v级围岩隧道台阶法施工初支变形分阶段控制标准。
[0043]
在本发明实施例中，所述步骤一中，正态分布函数具体包括：
[0044]
根据区间估计的定义，总体x的分布函数f(x；θ)含有一个未知参数θ，θ
∈
θ，对于给定的α(0《α《1)，若由来自x的样本x1，x2，
…
，xn确定的两个统计量θ＝θ(x1，x2，...，xn)和对于任意的θ
∈
θ，若：
[0045][0046]
成立，则随机区间是θ的置信水平为1-α的置信区间，θ和是置信水平为1-α的双侧置信区间的置信下限和置信上限，1-α称为置信水平。
[0047]
当分布函数中方差σ2未知时，由于s是σ的无偏估计，则
[0048][0049][0050]
其中，z
α/2
，z
1-α/2
为正态分布的分位点，对隧道穿越断层破碎带大变形段断面进行随机抽样，则x位于(z
α/2
，z
1-α/2
)的概率为1-α，则置信区间的上下限为隧道预留变形量的上下限。
[0051]
在本发明实施例中，所述步骤一中，对正态分布拟合确定的隧道预留变形量的上下限进行适当放大，以保证预留变量能够满足初支变形不侵限。
[0052]
在本发明实施例中，所述步骤二中，具体过程如下：
[0053]
(1)选取数值计算所用软件；
[0054]
(2)根据隧道施工情况，确定数值计算方案，制定计算工况；
[0055]
(3)采用数值计算软件进行建模，并根据现场围岩情况对所需参数进行赋值；
[0056]
(4)按照计算工况分别开展数值计算，对不同台阶长度、不同封闭距离条件下的隧道台阶法各台阶开挖时围岩变形情况(拱顶下沉、洞周收敛等)与围岩受力情况进行对比分析，从而根据数值计算结果对确定隧道台阶法各台阶开挖围岩变形占比进行拟定。
[0057]
在本发明实施例中，所述步骤三中，具体包括：
[0058]
隧道台阶法施工初支变形分阶段控制标准给定了隧道采用台阶法开挖过程中各台阶开挖时隧道围岩允许变形占总变形的百分比，再根据确定的v级围岩隧道预留变形量，可以获得隧道采用台阶法开挖过程中各台阶开挖时隧道围岩允许变形的绝对值，从而可以实现对隧道台阶法开挖过程中围岩变形进行分阶段精确控制，以达到降低软岩大变形隧道初支侵限可能性的目的。
[0059]
实施例二
[0060]
请参阅图2～11，一种v级围岩隧道台阶法施工初支变形分级控制标准确定方法，以东天山穿越断层破碎带v级软岩大变形隧道三台阶法开挖施工为例，包括以下步骤：
[0061]
1工程概况
[0062]
1.1工程介绍
[0063]
东天山特长公路隧道是g575巴哈公路建设控制性工程，项目位于新疆维吾尔自治区东部哈密境内，隧道全长11769.5m，最大埋深约为1216m,采用分离式双向四车道，单向行车。隧道右洞起讫桩号为yk8+783～yk20+558，长11.775km，左洞起讫桩号为zk8+809～zk20+573，长11.764km。设置两处斜井，1#斜井起止桩号为k12+570～k12+750全长1481m，2#斜井起止桩号为zk16+900～zk17+080全长2200m。
[0064]
1.2f2断层地质特征
[0065]
隧道穿越f2断层，该断裂位于巴里坤塔格北麓，断面略具波状，走向292
°
，倾向南倾，倾角65
°
～80
°
，f2断层为逆断层，主要由糜棱岩、片状岩及岩块等组成，胶结较为紧密，断层交界面弯曲且接触粗糙，该断裂带岩体破碎，断裂宽度几十米至数百米不等，与隧道相交处断层破碎带约330m。隧道穿越f2断层破碎带涉及主要地层为断裂带两侧泥盆系中统大南湖组第五亚组地层，岩性主要为凝灰质砂岩等，层状结构，岩体较破碎，裂隙发育。
[0066]
2隧道预留变形量的确定
[0067]
根据东天山特长公路隧道穿越f2断层破碎带左右主洞现场变形结果，对不同断面下隧道拱顶下沉量和洞周收敛量进行统计，结果如图2、图3所示；
[0068]
先对上述各断面拱顶下沉量及洞周收敛量进行正态分布函数拟合，确定两组数据的方差与均值，即可确定样本的总体分布，得出拱顶下沉和洞周收敛正态分布直方图以及正态函数曲线，如图4、图5所示；
[0069]
由图4可已看出隧道变形量直方图可以看出，拱顶下沉和洞周收敛主要集中在一定范围，通过对正态分布曲线进行检验，在α＝5％水平下，通过分布拟合和置信区间计算公式计算拱顶下沉及洞周收敛的平均值和置信区间的上下限，计算结果如表1所示：
[0070][0071]
通过对东天山特长公路隧道穿越f2断层破碎带大变形段的断面变形量进行统计
分析，并且考虑到隧道在开挖过程中量测损失位移以及一定的断面保证率，拱顶下沉量以及洞周收敛置信区间上下限进行适量放大，取拱顶下沉量的值为预留变形量的上限，洞周水平收敛的值为隧道预留变形量的下限，则东天山隧道穿越f2断层破碎带大变形段隧道预留变形量设置如表2所示：
[0072][0073]
3确定东天山隧道三台阶法各台阶开挖围岩变形占比
[0074]
采用midas gtsnx有限元软件对隧道三台阶法开挖进行数值计算，确定各台阶开挖后初支变形量之间的比值。
[0075]
3.1模型建立与参数赋值
[0076]
结合东天山特长公路隧道穿越f2断层破碎影响带轻微大变形段右洞三台阶工法现场情况，建立计算模型(图5)，分析不同台阶长度、不同封闭距离下围岩变形以及初支受力情况。考虑到施工过程中的空间效应，结合左洞围岩等级和隧道断面尺寸，模型边界各取5倍开挖洞径，模型计算深度取72m，隧道模型计算尺寸为120m
×
120m
×
72m(x
×y×
z)。上边界施加均布荷载模拟实际上部土层重力方向的荷载。围岩采用3d实体单元，衬砌采用2d板单元模拟。边界条件采用位移边界条件。侧压力系数取λ1＝1.1来模拟水平方向地应力大小整个模型破坏准则选择mohr-coulmb准则。
[0077]
本次数值模型计算初期支护选择i22b型号钢拱架，采用等刚度加权平均的方法，对隧道初期支护各参数进行换算及取值，对于土层的模型计算参数取值结合现场实际情况综合拟定，得到最终围岩参数及初支参数如下表3所示：
[0078][0079]
3.2不同封闭距离下隧道围岩变形与受力分析
[0080]
开挖进尺选取1.2m，上台阶长度取6m，中台阶长度取12m，下台阶到仰拱的长度分别选择6m、12m、18m、24m，封闭距离分别为24m、30m、36m、42m。共设置4种工况如表4所示：
[0081][0082]
3.2.1围岩变形
[0083]
在开挖模拟过程中，为了消除模型的边界效应，选择隧道模型的中部断面为监测断面，随着掌子面的开挖，隧道拱顶沉降和洞周收敛如图6所示；
[0084]
从图6可以看出在不同封闭距离下，隧道变形规律基本一致，随着隧道开挖步序的增加，隧道拱顶沉降和洞周收敛出现先增加后逐渐趋于平稳的状态。拱顶下沉在上台阶开挖后变形速率迅速增大，而洞周收敛则是受中台阶土体影响，在中台阶开挖后变形速率开始迅速增大。下台阶开挖前各工况拱顶下沉和洞周收敛量差别不大，但在下台阶开挖后变形开始出现差异，随着封闭距离的增加拱顶下沉和洞周收敛总量也相应的增加，并且隧道洞周收敛变化更加明显，在隧道仰拱开挖初支封闭成环后拱顶下沉与洞周收敛趋于平稳。这与目前大量的研究结果和工程实际相一致；
[0085]
3.2.2塑性区范围
[0086]
隧道穿越f2断层破碎带三台阶法在四种不同封闭距离下隧道开挖后围岩塑性区范围图7所示；
[0087]
四种工况下，隧道塑性区范围不大，拱顶处塑性区较小，拱脚处塑性区较大，且随之初支封闭距离的增加塑性区逐渐发展，拱脚影响范围逐渐增加。在相同四种工况下塑性区最大位置均发生在中台阶到拱脚的位置，并且初支封闭距离的增大对拱脚处塑性区域影响明显。这是由于在相同上、中台阶条件下，初支封闭距离增加就相当于下台阶长度增加，在下台阶长度的影响下，初支封闭距离增加，拱脚处的塑性区也就相应越大。
[0088]
各工况下塑性区范围统计表如表5所示：
[0089][0090]
3.2.3初支最大最小主应力
[0091]
隧道穿越断层破碎带三台阶在四种不同封闭距离下开挖后初支最大最小主应力如表6所示：
[0092][0093]
从表6可以看出，四种工况下，随着封闭距离的增大，拱腰处的最大主应力也相应增大，其余位置变化幅度较小，其中拱顶位置最大主应力最大；拱顶处最小主应力随着封闭距离的增大而相应增大，拱肩位置最小主应力最大，各位置的最小主应力均未超过喷射混凝土的抗压强度极限。在初支的拱腰位置产生了较大的拉应力，在施工过程中应在拱腰区域进行注浆，提高围岩的整体强度，避免在隧道开挖后在拱腰区域出现喷射混凝土受拉破坏。
[0094]
3.3不同台阶长度隧道围岩变形与受力分析
[0095]
开挖进尺选取1.2m，上台阶长度取6m，中台阶长度分别取6m、12m、18m、24m，下台阶到仰拱的长度分别选择24m、18m、12m、6m，封闭距离为36m。共设置4种工况如下表7所示：
[0096][0097]
3.3.1围岩变形
[0098]
在开挖模拟过程中，为了消除模型的边界效应，选择隧道模型的中部断面为监测断面，随着掌子面的开挖，隧道拱顶沉降和洞周收敛如下图8所示；
[0099]
在初支封闭距离相等，中台阶开挖长度不同的情况下三台阶开挖造成的拱顶下沉和洞周收敛形状基本相似，拱顶下沉在上台阶开挖后变形迅速增加，在中台阶开挖后变形速率逐步放缓，下台阶开挖后拱顶下沉速率进一步放缓，直到仰拱开挖初支封闭成环变形趋于稳定。隧道水平收敛在上台阶开挖后变形迅速增加，在中台阶开挖后变形速率进一步增加，在下台阶初支施作后变形开始放缓，直到初支封闭成环。在相等的初支封闭距离，不同的中台阶长度开挖情况下，随着中台阶长度的增大，拱顶下沉与洞周收敛均增大。这是由于在相同的上台阶长度和封闭距离下，中台阶长度越大，下台阶初支施作时机越迟，下台阶初支对上中台阶初支变形的约束时间也就越晚；
[0100]
从图9及图10可以看出三台阶法开挖在上台阶相等的情况下，中台阶对拱顶下沉以及洞周收敛影响较大，在下台阶开挖前拱顶下沉收敛量占总收敛量的85％以上，洞周收敛量占总收敛量的65％以上，而上台阶对洞周水平收敛影响较小。从图可以看出在相同封闭距离条件下随着中台阶长度增大隧道围岩变形也相应增大，在实际施工中因尽量减小中台阶长度。
[0101]
3.3.2塑性区范围
[0102]
隧道穿越f2断层破碎带三台阶工法在四种不同台阶长度下隧道开挖后围岩塑性区范围如图11所示；可以看出，拱顶处塑性区范围较小，边墙以及拱脚位置塑性区范围较大，对比四种不同中台阶长度下围岩塑性区分布，在相同的封闭距离下，随着中台阶长度增大，下台阶长度相应的减小，造成的结果就是，拱脚处的塑性区逐渐变小，塑性区逐渐向着边墙处发展。
[0103]
各工况下塑性区范围统计表如表8所示：
[0104][0105]
[0106]
3.3.3初支最大最小主应力
[0107]
隧道穿越f2断层破碎带三台阶法在四种不同封闭距离下隧道开挖后初支最大最小主应力如表9所示：
[0108][0109]
从表9可以看出，四种工况下初期支护最大最小主应力均满足初期支护强度，随着中台阶长度的增大拱肩拱腰、拱肩处的最大主应力也相应增大，而拱顶和仰拱处的最大主应力随之减小；拱肩位置最小主应力最大，其次是拱顶以及拱腰位置，仰拱位置处最小主应力最小，随着中台阶长度的增加，拱腰拱肩处最小主应力也相应地增加，拱顶和仰拱处随之减小。
[0110]
通过对比隧道穿越断层破碎带三台阶工法在不同台阶长度和不同封闭距离下的围岩变形、隧道塑性区范围以及初支受力，综合考虑施工的安全性以及便利性，建议采用上台阶6m、中台阶12m、封闭距离36m作为穿越断层破碎带三台阶法的施工参数。
[0111]
4东天山隧道三台阶法初支变形分阶段控制标准
[0112]
通过对三台阶法隧道开挖数值模拟，对比不同台阶开挖长度、不同封闭距离下围岩的变形与受力情况，根据数值计算结果与现场试验情况，拟定三台阶法各步序施工对洞周收敛占最终沉降的比例分别为20％，65％，15％。另外，由前文研究获得了东天山隧道预留变量为60～80cm，在此基础上可以获得三台阶法各步序施工过程中围岩的收敛变形值。到此，基于预留变量的隧道三台阶法初支变形分级控制标准建立起来了，如表10所示：
[0113][0114]
工作原理：此
ⅴ
级围岩台阶法施工变形控制标准确定方法，从台阶法施工特点出发，通过隧道初支变形分阶段控制标准的制定，可以达到对初支变形动态控制的目的。
[0115]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0116]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。