隧道围岩承载环形成方法

1.本技术涉及土木工程技术领域，具体而言，涉及一种隧道围岩承载环形成方法。


背景技术：

2.在修建隧道时，高地应力现象常表现于深埋地层或大埋深地层中，加之软岩挤压效应的影响，导致高地应力挤压性软岩隧道出现严重大变形问题，若仅靠支护结构的被动支护，则难以保证在长期应力作用下支护结构的安全性和有效性，因此，隧道穿越这种复杂地质施工时，为了维持隧道围岩稳定，如何解决软岩隧道变形大的问题是亟需解决的。


技术实现要素：

3.本技术的主要目的在于提供一种隧道围岩承载环形成方法，解决挤压性软岩隧道变形大的问题。
4.为了实现上述目的，本技术提供了一种围岩变形控制方法。所述方法包括：根据所述隧道围岩的岩石单轴抗压强度以及所述隧道的开挖宽度，确定锚杆长度和锚杆间隔；根据所述锚杆长度和所述锚杆间隔，实施锚杆的安装，使得所述锚杆对围岩施加预应力，以形成待定围岩承载环；测量所述待定围岩承载环的第一弹性纵波速度；根据所述第一弹性纵波速度和预设弹性纵波速度，确定是否增加所述锚杆的安装密度，以形成最终的隧道围岩承载环。可选的，根据所述隧道围岩的岩石单轴抗压强度以及所述隧道的开挖宽度，确定锚杆长度和锚杆间隔包括：根据所述隧道围岩的岩石单轴抗压强度以及所述隧道的开挖宽度，确定锚杆长度；根据所述隧道围岩的岩石单轴抗压强度、所述隧道的开挖宽度以及所述锚杆长度，确定所述锚杆的纵向间隔和径向间隔。
5.可选的，所述锚杆对围岩施加预应力，以形成待定围岩承载环包括：每个锚杆对围岩施加预应力，形成与每个锚杆各自相关的锥形压缩区；相邻两个锥形压缩区部分地重合，形成重合压缩区；基于所有重合压缩区形成连续压缩带，以形成待定围岩承载环。
6.可选的，每个锚杆对围岩施加预应力，形成与每个锚杆各自相关的锥形压缩区包括：每个锚杆的两端对围岩向锚杆中间方向以一扩散角度施加压力，形成与每个锚杆各自相关的锥形压缩区。
7.可选的，基于所有重合压缩区形成连续压缩带，以形成待定围岩承载环包括：通过所述预应力和锚杆被动支护力使得所述连续压缩带在三向受压状态下形成待定围岩承载环。
8.可选的，所述锚杆为实心锚杆，根据所述锚杆长度和所述锚杆间隔，实施锚杆的安装，使得所述锚杆对围岩施加预应力，以形成待定围岩承载环包括：根据所述锚杆长度和所述锚杆间隔对所述隧道围岩进行钻孔，以获得安装孔；将具有所述锚杆长度的锚杆插入所述安装孔，所述锚杆和所述安装孔周边围岩之间具有间隙；向所述间隙施加树脂，以将所述锚杆的位于其深入所述安装孔的一端的锚固段与所述隧道围岩进行锚固；在所述安装孔中抵靠树脂安装止浆塞；向所述间隙注浆，以将所述锚杆的自由段与所述隧道围岩黏结固定，
其中，所述自由段是所述锚杆的位于所述安装孔中的除所述锚固段之外的部分；采用扭力扳手通过所述锚杆的露出所述安装孔的一端对所述锚杆进行张拉以施加预应力；将螺母和垫板安装在所述锚杆的露出所述安装孔的一端，以锁定所述锚杆。
9.可选的，所述锚杆为空心锚杆并且所述空心锚杆的周边壁上具有多个溢浆孔，根据所述锚杆长度和所述锚杆间隔，实施锚杆的安装，使得所述锚杆对围岩施加预应力，以形成待定围岩承载环包括：根据所述锚杆长度和所述锚杆间隔对所述隧道围岩进行钻孔，以获得安装孔；将具有所述锚杆长度的锚杆插入所述安装孔，所述锚杆和所述安装孔周边围岩之间具有间隙；向所述间隙施加树脂，以将所述锚杆的位于其深入所述安装孔的一端的锚固段与所述隧道围岩进行锚固；在所述安装孔中抵靠树脂安装止浆塞；采用扭力扳手通过所述锚杆的露出所述安装孔的一端对所述锚杆进行张拉以施加预应力；将螺母和垫板安装在所述锚杆的露出所述安装孔的一端，以锁定所述锚杆；通过所述空心锚杆的露出所述安装孔的一端向所述空心锚杆内注浆，并且通过所述空心锚杆的溢浆孔向所述间隙填充浆体，以将所述锚杆的自由段与所述隧道围岩黏结固定，其中，所述自由段是所述锚杆的位于所述安装孔中的除所述锚固段之外的部分。
10.可选的，测量所述待定围岩承载环的第一弹性纵波速度包括：通过松动圈测试仪测量所述待定围岩承载环的第一弹性纵波速度。
11.可选的，根据所述第一弹性纵波速度和预设弹性纵波速度，确定是否增加所述锚杆的安装密度，以形成最终的隧道围岩承载环包括：若所述第一弹性纵波速度大于或等于所述预设弹性纵波速度，则确定所述待定围岩承载环为最终的隧道围岩承载环；若所述第一弹性纵波速度小于所述预设弹性纵波速度，则增加所述锚杆的安装密度，以形成最终的隧道围岩承载环。
12.可选的，若所述第一弹性纵波速度小于所述预设弹性纵波速度，则增加所述锚杆的安装密度，以形成最终的隧道围岩承载环包括：若所述第一弹性纵波速度小于所述预设弹性纵波速度，则根据所述锚杆的径向间隔和纵向间隔，在相邻两个锚杆之间的中间位置安装增设锚杆，使得所述增设锚杆对围岩施加所述预应力，以形成加密后待定围岩承载环；测量所述加密后待定围岩承载环的第二弹性纵波速度；根据所述第二弹性纵波速度和所述预设弹性纵波速度，确定是否增加所述锚杆的安装密度，以形成最终的隧道围岩承载环。
13.根据本技术的技术方案，可以通过锚杆利用浅层围岩主动形成承载环，并且可以通过弹性纵波速度判断承载环是否符合要求并通过调整锚杆密度来最终形成承载环，从而有效地解决挤压性软岩隧道大变形问题。
附图说明
14.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，使得本技术的其它特征、目的和优点变得更明显。本技术的示意性实施例附图及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
15.图1是根据本技术实施例提供的一种隧道围岩承载环形成方法的流程图；
16.图2是根据本技术实施例的单根锚杆安装后的结构示意图；
17.图3是根据本技术实施例的单根锚杆安装后的预应力示意图；
18.图4是根据本技术实施例的锚杆和围岩相互作用的示意图；
19.图5是根据本技术实施例的隧道围岩承载环的示意图。
具体实施方式
20.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域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，都属于本技术保护的范围。
21.下面结合附图来详细描述本技术的具体实施方式。
22.本技术提供一种隧道围岩承载环形成方法。参照图1，图1是根据本技术实施例提供的一种隧道围岩承载环形成方法的流程图。如图1中所示，所述方法包括以下步骤s101-s104。步骤s101：根据所述隧道围岩的岩石单轴抗压强度以及所述隧道的开挖宽度，确定锚杆长度和锚杆间隔。步骤s102：根据所述锚杆长度和所述锚杆间隔，实施锚杆的安装，使得所述锚杆对围岩施加预应力，以形成待定围岩承载环。步骤s103：测量所述待定围岩承载环的第一弹性纵波速度。步骤s104：根据所述第一弹性纵波速度和预设弹性纵波速度，确定是否增加所述锚杆的安装密度，以形成最终的隧道围岩承载环。
23.通过本技术的隧道围岩承载环形成方法，可以通过锚杆利用浅层围岩主动形成承载环，并且可以通过弹性纵波速度判断承载环是否符合要求并通过调整锚杆密度来最终形成承载环，从而有效地解决挤压性软岩隧道大变形问题。
24.在步骤s101中，可以根据所述隧道围岩的岩石单轴抗压强度以及所述隧道的开挖宽度，确定锚杆长度和锚杆间隔。
25.根据本技术的实施例，为了形成隧道围岩的承载环，需要对围岩安装锚杆，由此需要确定锚杆的长度和安装间隔。因此，可以通过隧道围岩的岩石单轴抗压强度以及隧道的开挖宽度来确定锚杆的长度和安装间隔。
26.进一步地，根据所述隧道围岩的岩石单轴抗压强度以及所述隧道的开挖宽度，确定锚杆长度和锚杆间隔可以包括：根据所述隧道围岩的岩石单轴抗压强度以及所述隧道的开挖宽度，确定锚杆长度；根据所述隧道围岩的岩石单轴抗压强度、所述隧道的开挖宽度以及所述锚杆长度，确定所述锚杆的纵向间隔和径向间隔。
27.具体地，可以参照以下表1中的参数对应关系来确定锚杆长度和锚杆的纵向间隔和径向间隔。
[0028][0029]
表1
[0030]
通过表1可知，根据隧道围岩的岩石单轴抗压强度，将30mpa以下的软岩分为三类5
～10mpa、10～20mpa、20～30mpa，针对不同类的软岩，根据隧道开挖宽度w，可以确定相应的锚杆长度l，并且根据该锚杆长度l可以确定相应的锚杆设置间隔，即径向间隔和纵向间隔。其中，纵向间隔是指锚杆沿着隧道方向的间隔，径向间隔是指锚杆沿着隧道的径向截面上的间隔。
[0031]
在步骤s102中，可以根据所述锚杆长度和所述锚杆间隔，实施锚杆的安装，使得所述锚杆对围岩施加预应力，以形成待定围岩承载环。
[0032]
根据本技术的实施例，在确定锚杆长度和锚杆间隔之后，按照该间隔安装该长度的锚杆。并且在安装后锚杆对围岩施加预应力，从而形成围岩承载环，由于该围岩承载环还需最后的判断来确定是否符合要求，因此该围岩承载环为待定的围岩承载环。
[0033]
下面将具体描述锚杆的预应力安装的两个实施例。
[0034]
根据一个实施例，参照图2，图2是根据本技术实施例的单根锚杆安装后的结构示意图。如图2所示，所述锚杆1为实心锚杆，根据所述锚杆长度和所述锚杆间隔，实施锚杆1的安装，使得所述锚杆1对围岩施加预应力，以形成待定围岩承载环可以包括：根据所述锚杆长度和所述锚杆间隔对所述隧道围岩进行钻孔，以获得安装孔；将具有所述锚杆长度的锚杆1插入所述安装孔，所述锚杆1和所述安装孔周边围岩之间具有间隙；向所述间隙施加树脂13，以将所述锚杆1的位于其深入所述安装孔的一端的锚固段11与所述隧道围岩进行锚固；在所述安装孔中抵靠树脂13安装止浆塞17；向所述间隙注浆，优选地注入水泥浆14，以将所述锚杆1的自由段12与所述隧道围岩黏结固定，其中，所述自由段12是所述锚杆1的位于所述安装孔中的除所述锚固段11之外的部分；采用扭力扳手通过所述锚杆1的露出所述安装孔的一端对所述锚杆1进行张拉以施加预应力；将螺母15和垫板16安装在所述锚杆的露出所述安装孔的一端，以锁定所述锚杆1。
[0035]
值得注意的是，注浆是为了将锚杆的自由段与所述隧道围岩黏结固定，水泥浆会在螺母和垫板安装完毕以后凝固。
[0036]
根据另一个未示出的实施例，所述锚杆为空心锚杆并且所述空心锚杆的周边壁上具有多个溢浆孔，根据所述锚杆长度和所述锚杆间隔，实施锚杆的安装，使得所述锚杆对围岩施加预应力，以形成待定围岩承载环可以包括：根据所述锚杆长度和所述锚杆间隔对所述隧道围岩进行钻孔，以获得安装孔；将具有所述锚杆长度的锚杆插入所述安装孔，所述锚杆和所述安装孔周边围岩之间具有间隙；向所述间隙施加树脂，以将所述锚杆的位于其深入所述安装孔的一端的锚固段与所述隧道围岩进行锚固；在所述安装孔中抵靠树脂安装止浆塞；采用扭力扳手通过所述锚杆的露出所述安装孔的一端对所述锚杆进行张拉以施加预应力；将螺母和垫板安装在所述锚杆的露出所述安装孔的一端，以锁定所述锚杆；通过所述空心锚杆的露出所述安装孔的一端向所述空心锚杆内注浆，并且通过所述空心锚杆的溢浆孔向所述间隙填充浆体，以将所述锚杆的自由段与所述隧道围岩黏结固定，其中，所述自由段是所述锚杆的位于所述安装孔中的除所述锚固段之外的部分。
[0037]
值得注意的是，由于锚杆的一端的锚固段与围岩锚固在一起，因此在通过扭力扳手施作于锚杆的另一端对锚杆进行张拉后时，锚杆的螺母和垫板处的螺头和锚固段会对围岩施加预应力。
[0038]
通过以上两个实施例中所述的锚杆的预应力安装，可以形成待定围岩承载环。下面将主要描述如此安装的锚杆形成待定围岩承载环的原理。
[0039]
具体地，所述锚杆对围岩施加预应力，以形成待定围岩承载环可以包括：每个锚杆对围岩施加预应力，形成与每个锚杆各自相关的锥形压缩区；相邻两个锥形压缩区部分地重合，形成重合压缩区；基于所有重合压缩区形成连续压缩带，以形成待定围岩承载环。
[0040]
根据本公开的实施例，每个锚杆对围岩施加预应力，形成与每个锚杆各自相关的锥形压缩区可以包括：每个锚杆的两端对围岩向锚杆中间方向以一扩散角度施加压力，形成与每个锚杆各自相关的锥形压缩区。基于所有重合压缩区形成连续压缩带，以形成待定围岩承载环可以包括：通过所述预应力和锚杆被动支护力使得所述连续压缩带在三向受压状态下形成待定围岩承载环。
[0041]
下面将参照图3至图5进行具体描述，图3是根据本技术实施例的单根锚杆安装后的预应力示意图；图4是根据本技术实施例的锚杆和围岩相互作用的示意图；图5是根据本技术实施例的隧道围岩承载环的示意图。
[0042]
如图3所示，单个锚杆1的两端对周围的围岩以扩散角2θ施加预应力p，从而形成锥形压缩区2。扩散角2θ的大小根据锚杆周围的岩石硬度来确定，由于该图3为剖面图，图3中的锥形压缩区2为锥形，实际上锥形压缩区2为锥体形状的三维区域。如图4所示，相邻两个锥形压缩区2之间产生重合区域，从而形成连续压缩带3，通过所述预应力p和锚杆被动支护力f使得所述连续压缩带3的内部承受三个方向的应力，即如图4中所示的径向应力σr、径向应力σr以及图中未示出的沿着隧道方向的纵向应力，由此连续压缩带3在三向受压状态下形成待定围岩承载环，从而有效增强了围岩的自承能力，其中锚杆被动支护力是锚杆与围岩在协调变形过程中锚杆增长的轴力。应当理解，为了清楚，图4中仅示出三个锥形压缩区2，并且径向应力σr和径向应力σr未呈现在示出的连续压缩带3中。如图5所示，在隧道净空5上方周围具有支护结构7，支护结构7的另一侧是浅层围岩4安装有锚杆1，从而形成围岩承载环6。
[0043]
在步骤s103中，可以测量所述待定围岩承载环的第一弹性纵波速度。
[0044]
根据本技术的实施例，在形成待定围岩承载环后，需要测量该待定围岩承载环的弹性纵波速度，以确定该承载环的承载力是否符合要求。
[0045]
进一步地，测量所述待定围岩承载环的第一弹性纵波速度可以包括：通过松动圈测试仪测量所述待定围岩承载环的第一弹性纵波速度。除了松动圈测试仪，当然还可以采用任何其它适用于测量弹性纵波速度的仪器对承载环进行测量，在此不做限定。
[0046]
在步骤s104中，可以根据所述第一弹性纵波速度和预设弹性纵波速度，确定是否增加所述锚杆的安装密度，以形成最终的隧道围岩承载环。
[0047]
根据本技术的实施例，在测得待定围岩承载环的弹性纵波速度之后，可以通过将该弹性纵波速度与预设的弹性纵波速度进行对比，从而确定该待定围岩承载环是否符合要求，进而确定是否需要增设锚杆，以便形成符合要求的最终的隧道围岩承载环。其中，参照以上在步骤s101中的描述中给出的表1可知，对应于不同的岩石单轴抗压强度等参数，预设弹性纵波速度不同。
[0048]
具体地，根据所述第一弹性纵波速度和预设弹性纵波速度，确定是否增加所述锚杆的安装密度，以形成最终的隧道围岩承载环可以包括：若所述第一弹性纵波速度大于或等于所述预设弹性纵波速度，则确定所述待定围岩承载环为最终的隧道围岩承载环；若所述第一弹性纵波速度小于所述预设弹性纵波速度，则增加所述锚杆的安装密度，以形成最
终的隧道围岩承载环。
[0049]
在该实施例中，例如当岩石单轴抗压强度为5～10mpa时，则对应的预设弹性纵波速度为2.0km/s，因此只有针对待定围岩承载环测量得到的弹性纵波速度大于或等于2.0km/s时，该待定围岩承载环为最终的围岩承载环，当测量得到的弹性纵波速度小于2.0km/s时，则表明该待定围岩承载环不符合要求，需要增加锚杆的安装密度，以形成最终的隧道围岩承载环。
[0050]
进一步地，若所述第一弹性纵波速度小于所述预设弹性纵波速度，则增加所述锚杆的安装密度，以形成最终的隧道围岩承载环可以包括：若所述第一弹性纵波速度小于所述预设弹性纵波速度，则根据所述锚杆的径向间隔和纵向间隔，在相邻两个锚杆之间的中间位置安装增设锚杆，使得所述增设锚杆对围岩施加所述预应力，以形成加密后待定围岩承载环；测量所述加密后待定围岩承载环的第二弹性纵波速度；根据所述第二弹性纵波速度和所述预设弹性纵波速度，确定是否增加所述锚杆的安装密度，以形成最终的隧道围岩承载环。
[0051]
在该实施例中，如表1所示，例如当岩石单轴抗压强度为5～10mpa时，则对应的锚杆设置间隔为0.5l
×
0.5l，对应的预设弹性纵波速度为2.0km/s，若测量得到的弹性纵波速度小于2.0km/s，则可以增设锚杆，使得锚杆的纵向间隔和/或径向间隔减半，例如为0.25l
×
0.5l、0.5l
×
0.25l或0.25l
×
0.25l。值得注意的是，针对同一范围的岩石单轴抗压强度，锚杆设置间隔越小，则针对承载环测得的弹性纵波速度越大。当然对于增设的锚杆可以同样采用步骤s102中所述的方法来安装。在增设完锚杆后，可以如步骤s103中所述的方法来测量所形成的承载环的弹性纵波速度。最后如在该步骤s104中所述，再将该弹性纵波速度与预设弹性速度进行对比，以形成最终的隧道围岩承载环。由上可知，如此循环直到形成符合要求的最终的隧道围岩承载环。
[0052]
以上对本技术实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本技术的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。
[0053]
应当理解，本技术的权利要求、说明书及附图中的术语“第一”和“第二”、等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本技术的说明书和权利要求书中使用的术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0054]
还应当理解，在此本技术说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的，而并不意在限定本技术。如在本技术说明书和权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。还应当进一步理解，在本技术说明书和权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
[0055]
以上对本技术实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本技术的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本技术的思想，基于本技术的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本技术保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术
的限制。