软弱破碎围岩隧道二衬施作的最佳时机判别方法
【专利摘要】本发明涉及一种软弱破碎围岩隧道二衬施作的最佳时机判别方法，包括：步骤S1：确定软弱破碎围岩隧道二衬施作的最佳时机判别依据；步骤S2：采用全站仪现场监测软弱破碎围岩隧道围岩-初支系统的拱顶沉降和边墙变形收敛；步骤S3：软弱破碎围岩隧道围岩-初支系统变形速率比值法的判定；步骤S4：考虑支护是否保守的围岩-初支系统五级速率比值法的判定。与现有技术相比，本发明具有操作简易、适用性广泛等优点。
【专利说明】软弱破碎围岩隧道二衬施作的最佳时机判别方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种隧道二衬施作方法，尤其是涉及一种软弱破碎围岩隧道二衬施作 的最佳时机判别方法。
【背景技术】
[0002] 在坑道开挖时沿着掌子面向前开进，而其后已挖成的坑道四面则需要加固。"二 衬"即是指经加固后的坑道四周仍需继续二次加固来做的工作。国内外在对于隧道二衬施 作的最佳时机判别已进行了一些相关研究，如开展了：通过对考虑隧道围岩蠕变特性的初 衬变形的理论公式的分析，利用现场实测数据的拟合公式，确定了围岩的流变参数；结合规 范对于隧道二衬支护时间的确定准则，确定各级别围岩中隧道二次衬砌支护的最佳时机， 并利用己知的流变参数进一步求得不同初衬厚度、开挖跨度时的二衬合理支护时机；结合 实际工程，基于力学解析法和现场监控量测数据的反分析来确定合理的二衬施作时机；通 过力学解析法计算出了二次衬砌施工时的围岩变形位移值和围岩应力值，结合规范中规定 的隧道二衬支护时间标准，确定各级别围岩中隧道二次衬砌支护的最佳时机，并通过现场 监控量测分析，进一步修正各围岩级别的二衬支护时机；根据饱水试验结果和现场支护结 构应力的监测数据，进行了低围压条件下的三轴压缩试验，探求支护阻力对软岩强度和体 积应变的影响规律，在控制围岩大变形方面，提出了峰后软化阶段末尾和残余阶段开始作 为二衬的最佳施作时机；通过现场监控量测数据，采用大型有限元软件ANSYS对隧道进行 开挖模拟的分析，并最终将现场实测结果以及模拟分析结果相结合，来具体分析隧道的二 次衬砌的合理支护时机。不过，这些隧道的二次衬砌的合理支护时机的方法都是非常复杂 且不易操作。因此，研制一种更为合理、操作简单易用、可操作性很强且能方便地进行软弱 破碎围岩隧道的二衬时机判别的方法显得尤为紧迫。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种简单易用、可操 作性强的软弱破碎围岩隧道二衬施作的最佳时机判别方法。
[0004] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0005] -种软弱破碎围岩隧道二衬施作的最佳时机判别方法，步骤包括：
[0006] 步骤S1 :确定软弱破碎围岩隧道二衬施作的最佳时机判别依据；
[0007] 步骤S2 :采用全站仪现场监测软弱破碎围岩隧道围岩-初支系统的拱顶沉降和边 墙变形收敛；
[0008] 步骤S3 :软弱破碎围岩隧道围岩-初支系统变形速率比值法的判定；
[0009] 步骤S4 :考虑支护是否保守的围岩-初支系统五级速率比值法的判定。
[0010] 所述的软弱破碎围岩隧道二衬施作的最佳时机判别依据包括：
[0011] 1)围岩-初支护系统的变形在设定范围内；
[0012] 2)以围岩-初支护系统的变形历时发展加速度，即变形速率比值作判据，确定围 岩-初支护系统的稳定性；
[0013] 3)在保证隧道安全的基础上，让初支护系统承担围岩剩余的变形压力。
[0014] 所述的全站仪现场监测软弱破碎围岩隧道围岩-初支系统的拱顶沉降和边墙变 形收敛的具体操作为：
[0015] 1) IV级围岩段量测断面间距为10?35m，V级围岩段量测断面间距为5?15m ;
[0016] 2)在每个量测断面的拱顶中心埋设一钢筋预埋件，埋设前，首先在待测部位钻孔， 然后将预埋件放入，并用混凝土填塞，待混凝土凝固后即可量测；
[0017] 3)收敛量测与拱顶下沉点布置在同一断面，埋设测点时，先在测点处开挖孔径为 40?100mm、深为25mm的孔，在孔中填满水泥砂浆后插入收敛预埋件，使两预埋件轴线在基 线方向上，并使预埋件销孔轴线处于铅垂位置，安装保护帽，待砂浆凝固后即可量测；
[0018] 4)当初支护施作完成后，以设定监测频次进行拱顶沉降和边墙位移的监测。
[0019] 所述的监测频次具体为：
[0020] 位移速度彡10mm/d，监控量测频率为2次/d ;位移速度为1?10mm/d，监控量测频 率为1次/d ;位移速度为0. 6?lmm/d，监控量测频率为1次/2?3d ;位移速度为0. 3? 0. 6mm/d，监控量测频率为1次/3d ;位移速度为< 0. 3mm/d，监控量测频率为1次/7d。
[0021] 所述的软弱破碎围岩隧道围岩-初支系统变形速率比值法的判定具体为：
[0022] 软弱破碎围岩隧道施工监测中，围岩-初支护的变形速率v与该断面实测围 岩-初支护的变形速率最大值v max的比值v/vmax小于或等于设定阈值，所述的设定阈值 5%?10%;当￥八_<5%时，即是二衬施作的最佳时机。
[0023] 所述的考虑支护是否保守的围岩-初支系统五级速率比值法的判定具体为：
[0024] 1)1级-支护保守：围岩-初支护系统的变形速率比值v/vmax已经降低到了阈值以 下，并趋于零，同时围岩-初支护系统的变形值h小于允许变形值 U(l ;
[0025] 2) II级-支护适当：预设计初期支护施作后，5?7d内围岩-初支护系统的变形 速率比值v/vmax降到阈值，并趋近于零，即v/v max < 5 %，同时围岩-初支护系统的变形值Ul 小于允许变形值叫，说明支护适当，变形速率已进入阈值下限值，围岩-初支系统已稳定，可 进行二衬施作，即此时是最佳二衬施作时机；
[0026] 3) III级-支护不足：预设计初期支护全部施作后，12h内围岩-初支护系统的变 形速率与前次相比，未降到〇. 5以下，5?7d内围岩-初支护系统的变形速率未达到阈值， 如不及时加强支护，u-t曲线将出现反弯点，围岩-初支护系统的即将失稳；
[0027] 4) IV级-支护不足有流变现象发生：预设计初期支护全部施作后，12h内围岩-初 支护系统的变形速率与前次相比，未降到〇. 5以下，5?7d内围岩-初支护系统的变形速率 未达到阈值，围岩-初支护系统的变形速率明显降低后，围岩-初支护系统的变形仍以流变 形式增长；如不及时加强支护，u-t曲线将出现反弯点，围岩即将失稳；
[0028] 5)V级-失稳前：喷射混凝土、锚杆、钢筋网支护参数已加强到最高限额，1?内围 岩变形速率仍未明显降低，并已出现喷层严重开裂与钢筋网挤出现象，表明围岩-初支护 系统的即将失稳；
[0029] 6)当五级速率比值法判定围岩-初支系统变形处于II级状态时，此时就是最佳二 衬施作时机，否则，调整初支护设计参数，然后再重新进行步骤S2、S3、S4,使之达到II级最 佳状态。
[0030] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0031] 1)本发明中采用的全站仪现场监测软弱破碎围岩隧道围岩-初支系统的拱顶沉 降和边墙变形收敛的具体操作，简单易用、可操作性很强。
[0032] 2)本发明以围岩-初支护系统的变形历时发展加速度，即变形速率比值作判据， 同时提出考虑支护是否保守的围岩-初支系统五级速率比值法的判定，若为II级状态时， 此时就是最佳二衬施作时机。否则，需要调整初支护设计参数，然后再重新判断，使之达到 II级最佳状态，以便使围岩-初支护系统不仅安全和可靠而且也最为经济，判断方法考虑 全面、更为合理。
【专利附图】
【附图说明】
[0033] 图1为本发明的流程示意图。
【具体实施方式】
[0034] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案 为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于 下述的实施例。
[0035] 如图1所示，一种软弱破碎围岩隧道二衬施作的最佳时机判别方法，通过围岩-初 支系统的拱顶沉降和边墙变形收敛的现场监控量测，利用围岩-初支系统变形实测数据， 采用围岩-初支护系统变形的速率比值法、考虑支护是否保守的五级速率比值法，判别软 弱破碎围岩隧道二衬施作的最佳时机，具体步骤如下：
[0036] 步骤S1 :确定软弱破碎围岩隧道二衬施作的最佳时机判别依据，包括如下内容：
[0037] 1)容许围岩-初支护系统有一定的自由变形而又需控制围岩-初支护系统的过度 变形，适时施作二衬支护；
[0038] 2)以围岩-初支护系统的变形历时发展加速度，即变形速率比值作判据，来确定 围岩-初支护系统的稳定性；
[0039] 3)在保证隧道安全的基础上，尽量让初支护系统承担围岩剩余的变形压力。
[0040] 步骤S2 :采用全站仪现场监测软弱破碎围岩隧道围岩-初支系统的拱顶沉降和边 墙变形收敛，具体操作为：
[0041] 1) IV级围岩段量测断面间距为10?35m，V级围岩段量测断面间距为5?15m ;
[0042] 2)在每个量测断面的拱顶中心埋设一自制的钢筋预埋件。埋设前，先用小型钻机 在待测部位成孔，然后将预埋件放入，并用混凝土填塞，待混凝土凝固后即可量测；
[0043] 3)收敛量测与拱顶下沉点布置在同一断面。埋设测点时，先在测点处用人工挖孔 或凿岩机开挖孔径为40?100mm，深为25mm的孔。在孔中填满水泥砂浆后插入收敛预埋件， 尽量使两预埋件轴线在基线方向上，并使预埋件销孔轴线处于铅垂位置，上好保护帽，待砂 浆凝固后即可量测；
[0044] 4)当初支护施作完成后，马上进行拱顶沉降和边墙位移的初次监测；
[0045] 5)监测频次：一般地，位移速度> 10mm/d，监控量测频率为2次/d ;位移速度为 1?10mm/d，监控量测频率为1次/d ;位移速度为0. 6?lmm/d，监控量测频率为1次/2? 3d ;位移速度为0. 3?0. 6mm/d，监控量测频率为1次/3d ;位移速度为< 0. 3mm/d，监控量 测频率为1次/7d。若变形速率呈现加速发展趋势，监测频次必须视情增加到3次/d以上。
[0046] 步骤S3 :软弱破碎围岩隧道围岩-初支系统变形速率比值法的判定，具体判定步 骤为：
[0047] 1)软弱破碎围岩隧道施工监测中，当预设计的初期支护全部施加后以及对局部地 段还作了加强支护，含注浆处理后，围岩-初支护的变形速率v与该断面实测围岩-初支护 的变形速率最大值v max的比值v/vmax应不大于本工程相类似洞段或典型工程监测量控统计 出的阈值；
[0048] 2)根据以往典型工程的统计结果，阈值可取为5%?10%。当v/vmax = 20%左右 时，可以认为变形速率显著减小，接近趋于稳定；当v/vmax < 5%时，即是二衬施作的最佳时 机，也是最合理的时机。
[0049] 步骤S4 :考虑支护是否保守的围岩-初支系统五级速率比值法的判定，具体为：
[0050] 1) I级-支护保守：已施作的初期支护只是预设计值的一部分，围岩-初支护系统 的变形速率比值v/vmax已经降低到了阈值以下，并且迅速趋于零，同时围岩-初支护系统的 变形值+小于允许变形值 U(l ;
[0051] 2)11级-支护适当：预设计初期支护施作后，5?7d内围岩-初支护系统的变形 速率比值v/v max降到阈值，并渐趋近于零，即v/vmax < 5%，同时围岩-初支护系统的变形值 七小于允许变形值U(l，说明支护适当，变形速率已进入阈值下限值，围岩-初支系统已稳定， 可进行二衬施作，即此时是最佳二衬施作时机；
[0052] 3) III级-支护不足：预设计初期支护全部施作后，12h内围岩-初支护系统的变 形速率与前次相比，未降到〇. 5以下，5?7d内围岩-初支护系统的变形速率未达到阈值， 通常伴随或随后出现喷层严重开裂、钢筋网挤出。如不及时加强支护，u-t曲线将出现反弯 点，围岩-初支护系统的即将失稳；
[0053] 4) IV级-支护不足有流变现象发生：预设计初期支护全部施作后，12h内围岩-初 支护系统的变形速率与前次相比，未降到〇. 5以下，5?7d内围岩-初支护系统的变形速率 未达到阈值，围岩-初支护系统的变形速率明显降低后，围岩-初支护系统的变形仍以流变 形式增长；通常伴随或随后出现喷层严重开裂、钢筋网挤出。如不及时加强支护，u-t曲线 将出现反弯点，围岩即将失稳；
[0054] 5)V级-失稳前：喷射混凝土、锚杆、钢筋网支护参数已加强到最高限额，1?内围 岩变形速率仍未明显降低，并已出现喷层严重开裂与钢筋网挤出现象，表明围岩-初支护 系统的即将失稳；
[0055] 6)当五级速率比值法判定围岩-初支系统变形处于II级状态时，此时就是最佳二 衬施作时机。否则，需要调整初支护设计参数，然后再重新进行围岩-初支系统的拱顶沉降 和边墙变形收敛的全站仪现场监测、围岩-初支系统变形速率比值法判定及五级速率比值 法判定，使之达到II级最佳状态，以便使围岩-初支护系统不仅安全和可靠而且也最为经 济。
【权利要求】
1. 一种软弱破碎围岩隧道二衬施作的最佳时机判别方法，其特征在于，步骤包括： 步骤S1 :确定软弱破碎围岩隧道二衬施作的最佳时机判别依据； 步骤S2 :采用全站仪现场监测软弱破碎围岩隧道围岩-初支系统的拱顶沉降和边墙变 形收敛； 步骤S3 :软弱破碎围岩隧道围岩-初支系统变形速率比值法的判定； 步骤S4 :考虑支护是否保守的围岩-初支系统五级速率比值法的判定。
2. 根据权利要求1所述的一种软弱破碎围岩隧道二衬施作的最佳时机判别方法，其特 征在于，所述的软弱破碎围岩隧道二衬施作的最佳时机判别依据包括： 1) 围岩-初支护系统的变形在设定范围内； 2) 以围岩-初支护系统的变形历时发展加速度，即变形速率比值作判据，确定围岩-初 支护系统的稳定性； 3) 在保证隧道安全的基础上，让初支护系统承担围岩剩余的变形压力。
3. 根据权利要求1所述的一种软弱破碎围岩隧道二衬施作的最佳时机判别方法，其特 征在于，所述的全站仪现场监测软弱破碎围岩隧道围岩-初支系统的拱顶沉降和边墙变形 收敛的具体操作为： 1. IV级围岩段量测断面间距为10?35m，V级围岩段量测断面间距为5?15m ; 2) 在每个量测断面的拱顶中心埋设一钢筋预埋件，埋设前，首先在待测部位钻孔，然后 将预埋件放入，并用混凝土填塞，待混凝土凝固后即可量测； 3) 收敛量测与拱顶下沉点布置在同一断面，埋设测点时，先在测点处开挖孔径为40? 100_、深为25_的孔，在孔中填满水泥砂浆后插入收敛预埋件，使两预埋件轴线在基线方 向上，并使预埋件销孔轴线处于铅垂位置，安装保护帽，待砂浆凝固后即可量测； 4) 当初支护施作完成后，以设定监测频次进行拱顶沉降和边墙位移的监测。
4. 根据权利要求3所述的一种软弱破碎围岩隧道二衬施作的最佳时机判别方法，其特 征在于，所述的监测频次具体为： 位移速度彡l〇mm/d，监控量测频率为2次/d ;位移速度为1?10mm/d，监控量测频率为 1次/d ;位移速度为0. 6?lmm/d，监控量测频率为1次/2?3d ;位移速度为0. 3?0. 6mm/ d，监控量测频率为1次/3d ;位移速度为< 0. 3mm/d，监控量测频率为1次/7d。
5. 根据权利要求1所述的一种软弱破碎围岩隧道二衬施作的最佳时机判别方法，其特 征在于，所述的软弱破碎围岩隧道围岩-初支系统变形速率比值法的判定具体为： 软弱破碎围岩隧道施工监测中，围岩-初支护的变形速率v与该断面实测围岩-初支 护的变形速率最大值Vmax的比值v/vmax小于或等于设定阈值，所述的设定阈值5%?10% ; 当V/Vmax < 5%时，即是二衬施作的最佳时机。
6. 根据权利要求1所述的一种软弱破碎围岩隧道二衬施作的最佳时机判别方法，其特 征在于，所述的考虑支护是否保守的围岩-初支系统五级速率比值法的判定具体为： 1. I级-支护保守：围岩-初支护系统的变形速率比值v/vmax已经降低到了阈值以下， 并趋于零，同时围岩-初支护系统的变形值h小于允许变形值 U(l ; 2. II级-支护适当：预设计初期支护施作后，5?7d内围岩-初支护系统的变形速率 比值v/vmax降到阈值，并趋近于零，即v/v max < 5%，同时围岩-初支护系统的变形值Ul小 于允许变形值叫，说明支护适当，变形速率已进入阈值下限值，围岩-初支系统已稳定，可进 行二衬施作，即此时是最佳二衬施作时机； 3. III级-支护不足：预设计初期支护全部施作后，12h内围岩-初支护系统的变形速 率与前次相比，未降到〇. 5以下，5?7d内围岩-初支护系统的变形速率未达到阈值，如不 及时加强支护，u-t曲线将出现反弯点，围岩-初支护系统的即将失稳； 4. IV级-支护不足有流变现象发生：预设计初期支护全部施作后，12h内围岩-初支护 系统的变形速率与前次相比，未降到〇. 5以下，5?7d内围岩-初支护系统的变形速率未达 到阈值，围岩-初支护系统的变形速率明显降低后，围岩-初支护系统的变形仍以流变形式 增长；如不及时加强支护，u-t曲线将出现反弯点，围岩即将失稳； 5. V级-失稳前：喷射混凝土、锚杆、钢筋网支护参数已加强到最高限额，12h内围岩变 形速率仍未明显降低，并已出现喷层严重开裂与钢筋网挤出现象，表明围岩-初支护系统 的即将失稳； 6) 当五级速率比值法判定围岩-初支系统变形处于II级状态时，此时就是最佳二衬施 作时机，否则，调整初支护设计参数，然后再重新进行步骤S2、S3、S4,使之达到II级最佳状 态。
【文档编号】E21D11/00GK104047611SQ201410250534
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月6日 优先权日:2014年6月6日
【发明者】许建聪, 周泉吉 申请人:同济大学