本发明涉及隧道工程围岩支护领域，尤其是一种监测围岩稳定所需最小支护力的方法。
背景技术：
支护结构对围岩的变形稳定、施工安全、隧道运营中的稳定性具有重要意义。当前高地应力软岩隧洞围岩蠕变量大，变形时间长、围岩应力不均匀性显著，此外围岩在变形过程中对支护结构施加的压力处于变化状态，所以围岩变形达到稳定时所需支护力较难测定。加之，现阶段我国隧洞工程中主要依据围岩最大应力设计支护结构，这将导致支护结构受力较大部位破坏时，受力较小部位远未发挥自身强度，同时也造成资源浪费。目前没有一种方法能根据工程精度要求精确测定围岩变形达到稳定时所需最小支护力。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种监测围岩稳定所需最小支护力的方法，可以解决围岩变形达到稳定时所需支护力较难测定的问题，可以根据工程精度的要求，精确监测围岩变形围岩所需的最小支护力，简单易行。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种监测围岩稳定所需最小支护力的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：在围岩上安装永不拆除衬砌轮胎的隧道衬砌结构：所述隧道衬砌结构包括钢拱架，钢拱架和围岩之间设有衬砌轮胎，衬砌轮胎内充有空气，衬砌轮胎上设有泄载装置，泄载装置底部设有排气、输气为一体的输气孔，钢拱架和衬砌轮胎通过钢绞线和围岩上的锚杆固定在围岩上；
步骤2：监测围岩变形加速率，根据相应的技术规范确定步骤1的围岩变形达到稳定时的时间；
步骤3：记录步骤2当围岩变形达到稳定时的衬砌轮胎的胎体压强a的数值；
步骤4：粗调:利用泄载装置将衬砌轮胎的胎体压强减少F兆帕，检查泄载装置是否发生泄气现象，如果未发生泄气现象，再将衬砌轮胎的胎体压强减少F兆帕后再进行检查，重复上述减少胎体压强及是否发生漏气的步骤，直至泄载装置发生泄气现象，记录此时的衬砌轮胎的胎体压强b的数值：
b＝(a-F×N)兆帕
其中N＝衬砌轮胎的胎体压强减少的次数,F＝0.5～3兆帕；
步骤5：通过向泄载装置充气的方式将衬砌轮胎的胎体压强调整上一级的数值c，
c＝{a-F×(N-1)}兆帕
其中N＝步骤4中衬砌轮胎的胎体压强减少的次数,F＝0.5～3兆帕，根据工程精度的要求选择具体数值；
即得到围岩稳定所需最小支护力d＝c兆帕。
该方法还包括步骤6和步骤7，
步骤6：微调：利用泄载装置将经过步骤5的衬砌轮胎的胎体压强减少E兆帕，检查泄载装置是否发生泄气现象，如果未发生泄气现象，再将衬砌轮胎的胎体压强减少E兆帕后再进行检查，重复上述减少胎体压强及是否发生漏气的步骤，直至泄载装置发生泄气现象，记录此时的衬砌轮胎的胎体压强b’的数值：
b’＝(c-E×M)兆帕
其中M＝衬砌轮胎的胎体压强减少的次数,E＝0.1～0.5兆帕，根据工程精度的要求选择具体数值；
步骤7：通过向泄载装置充气的方式将衬砌轮胎的胎体压强调整上一级的数值c’，
c’＝{c-E×(M-1)}兆帕
其中M＝步骤6中衬砌轮胎的胎体压强减少的次数,E＝0.1～0.5兆帕；
即得到围岩稳定所需最小支护力d’＝c’兆帕。
E优选为0.1兆帕。
F优选为0.5兆帕。
泄载装置为自动泄压阀。
本发明提供的一种监测围岩稳定所需最小支护力的方法，可以解决围岩变形达到稳定时所需支护力较难测定的问题，可以根据工程精度的要求，精确监测围岩变形围岩所需的最小支护力，简单易行。
具体实施方式
以某高地应力软岩隧洞工程一年监测围岩变形情况为例，该工程围边变形监测结果以及胎内气压变化数据，如表1所示：
表1某工程软岩段隧洞开挖后隧洞围岩变形监测数据
注：该工程的围岩变形稳定所需的最小支护力是2..8Mpa，以该工程为例便于对监测最小支护力方法叙述。
通过上述监测围岩变形的数据，由第7～9月变形平均加速率(-0.009mm/d2)可得该工程前6个月是围岩蠕变的主要时间段期，随后围岩变形逐渐稳定，由表1中变形平均加速率、日变形平均速率和总变形量可得，在第10个月基本认为围岩变形达到稳定。
对上述工程的隧洞围岩安装永不拆除衬砌轮胎的隧道衬砌结构后监测的胎内气压变化数据如表2所示：
表2上述工程的隧洞围岩安装永不拆除衬砌轮胎的隧道衬砌结构后监测的胎内气压变化数据
从表2中可以看出，围岩变形形达到稳定记录胎体压强a＝4Mpa。
通过现场实际测量得出，该工程的围岩变形稳定所需的最小支护力是2.8Mpa。
实施例一
一种监测围岩稳定所需最小支护力的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：在围岩上安装永不拆除衬砌轮胎的隧道衬砌结构：所述隧道衬砌结构包括钢拱架，钢拱架和围岩之间设有衬砌轮胎，衬砌轮胎内充有空气，衬砌轮胎上设有泄载装置，泄载装置底部设有排气、输气为一体的输气孔，钢拱架和衬砌轮胎通过钢绞线和围岩上的锚杆固定在围岩上；
步骤2：监测围岩变形加速率，根据相应的技术规范(《铁路隧道喷锚构筑法技术规范》)确定步骤1的围岩变形达到稳定时的时间；
步骤3：记录步骤2当围岩变形达到稳定时的衬砌轮胎的胎体压强a＝4Mpa；
步骤4：粗调:利用泄载装置将衬砌轮胎的胎体压强减少F兆帕，检查泄载装置是否发生泄气现象，如果未发生泄气现象，再将衬砌轮胎的胎体压强减少F兆帕后再进行检查，重复上述减少胎体压强及是否发生漏气的步骤，直至泄载装置发生泄气现象，记录此时的衬砌轮胎的胎体压强b的数值：
b＝(a-F×N)兆帕＝(4-0.5×3)兆帕＝2.5兆帕
其中N＝衬砌轮胎的胎体压强减少的次数,F＝0.5兆帕；
步骤5：通过向泄载装置充气的方式将衬砌轮胎的胎体压强调整上一级的数值c，
c＝{a-F×(N-1)}兆帕＝{4-0.5×(3-1)}兆帕＝3兆帕
其中N＝步骤4中衬砌轮胎的胎体压强减少的次数,F＝0.5兆帕；
即得到围岩稳定所需最小支护力d＝c＝3兆帕。
实施例二
步骤1-5同实施例一
步骤6：微调：利用泄载装置将经过步骤5的衬砌轮胎的胎体压强减少E兆帕，检查泄载装置是否发生泄气现象，如果未发生泄气现象，再将衬砌轮胎的胎体压强减少E兆帕后再进行检查，重复上述减少胎体压强及是否发生漏气的步骤，直至泄载装置发生泄气现象，记录此时的衬砌轮胎的胎体压强b’的数值：
b’＝(c-E×M)兆帕＝(3-0.1×3)兆帕＝2.7兆帕
其中M＝衬砌轮胎的胎体压强减少的次数,E＝0.1兆帕；
步骤7：通过向泄载装置充气的方式将衬砌轮胎的胎体压强调整上一级的数值c’，
c’＝{c-E×(M-1)}兆帕＝{3-0.1×(3-1)}兆帕＝2.8兆帕
其中M＝步骤6中衬砌轮胎的胎体压强减少的次数,E＝0.1兆帕；
即得到围岩稳定所需最小支护力d’＝c’兆帕＝2.8兆帕。
泄载装置为自动泄压阀。
实施例三
一种监测围岩稳定所需最小支护力的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：在围岩上安装永不拆除衬砌轮胎的隧道衬砌结构：所述隧道衬砌结构包括钢拱架，钢拱架和围岩之间设有衬砌轮胎，衬砌轮胎内充有空气，衬砌轮胎上设有泄载装置，泄载装置底部设有排气、输气为一体的输气孔，钢拱架和衬砌轮胎通过钢绞线和围岩上的锚杆固定在围岩上；
步骤2：监测围岩变形加速率，根据相应的技术规范(《铁路隧道喷锚构筑法技术规范》)确定步骤1的围岩变形达到稳定时的时间；
步骤3：记录步骤2当围岩变形达到稳定时的衬砌轮胎的胎体压强a＝4Mpa；
步骤4：粗调:利用泄载装置将衬砌轮胎的胎体压强减少F兆帕，检查泄载装置是否发生泄气现象，如果未发生泄气现象，再将衬砌轮胎的胎体压强减少F兆帕后再进行检查，重复上述减少胎体压强及是否发生漏气的步骤，直至泄载装置发生泄气现象，记录此时的衬砌轮胎的胎体压强b的数值：
b＝(a-F×N)兆帕＝(4-2×1)兆帕＝2兆帕
其中N＝衬砌轮胎的胎体压强减少的次数,F＝2兆帕；
步骤5：通过向泄载装置充气的方式将衬砌轮胎的胎体压强调整上一级的数值c，
c＝{a-F×(N-1)}兆帕＝{4-2×(1-1)}兆帕＝4兆帕
其中N＝步骤4中衬砌轮胎的胎体压强减少的次数,F＝2兆帕；
步骤6：微调：利用泄载装置将经过步骤5的衬砌轮胎的胎体压强减少E兆帕，检查泄载装置是否发生泄气现象，如果未发生泄气现象，再将衬砌轮胎的胎体压强减少E兆帕后再进行检查，重复上述减少胎体压强及是否发生漏气的步骤，直至泄载装置发生泄气现象，记录此时的衬砌轮胎的胎体压强b’的数值：
b’＝(c-E×M)兆帕＝(4-0.4×4)兆帕＝2.4兆帕
其中M＝衬砌轮胎的胎体压强减少的次数,E＝0.4兆帕；
步骤7：通过向泄载装置充气的方式将衬砌轮胎的胎体压强调整上一级的数值c’，
c’＝{c-E×(M-1)}兆帕＝{4-0.4×(4-1)}兆帕＝2.8兆帕
其中M＝步骤6中衬砌轮胎的胎体压强减少的次数,E＝0.4兆帕；
即得到围岩稳定所需最小支护力d’＝c’兆帕＝2.8兆帕。
泄载装置为自动泄压阀。
实施例四
一种监测围岩稳定所需最小支护力的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：在围岩上安装永不拆除衬砌轮胎的隧道衬砌结构：所述隧道衬砌结构包括钢拱架，钢拱架和围岩之间设有衬砌轮胎，衬砌轮胎内充有空气，衬砌轮胎上设有泄载装置，泄载装置底部设有排气、输气为一体的输气孔，钢拱架和衬砌轮胎通过钢绞线和围岩上的锚杆固定在围岩上；
步骤2：监测围岩变形加速率，根据相应的技术规范(《铁路隧道喷锚构筑法技术规范》)确定步骤1的围岩变形达到稳定时的时间；
步骤3：记录步骤2当围岩变形达到稳定时的衬砌轮胎的胎体压强a＝4Mpa；
步骤4：粗调:利用泄载装置将衬砌轮胎的胎体压强减少F兆帕，检查泄载装置是否发生泄气现象，如果未发生泄气现象，再将衬砌轮胎的胎体压强减少F兆帕后再进行检查，重复上述减少胎体压强及是否发生漏气的步骤，直至泄载装置发生泄气现象，记录此时的衬砌轮胎的胎体压强b的数值：
b＝(a-F×N)兆帕＝(4-3×1)兆帕＝1兆帕
其中N＝衬砌轮胎的胎体压强减少的次数,F＝3兆帕；
步骤5：通过向泄载装置充气的方式将衬砌轮胎的胎体压强调整上一级的数值c，
c＝{a-F×(N-1)}兆帕＝{4-1×(1-1)}兆帕＝4兆帕
其中N＝步骤4中衬砌轮胎的胎体压强减少的次数,F＝4兆帕；
步骤6：微调：利用泄载装置将经过步骤5的衬砌轮胎的胎体压强减少E兆帕，检查泄载装置是否发生泄气现象，如果未发生泄气现象，再将衬砌轮胎的胎体压强减少E兆帕后再进行检查，重复上述减少胎体压强及是否发生漏气的步骤，直至泄载装置发生泄气现象，记录此时的衬砌轮胎的胎体压强b’的数值：
b’＝(c-E×M)兆帕＝(4-0.5×3)兆帕＝2.5兆帕
其中M＝衬砌轮胎的胎体压强减少的次数,E＝0.5兆帕；
步骤7：通过向泄载装置充气的方式将衬砌轮胎的胎体压强调整上一级的数值c’，
c’＝{c-E×(2-1)}兆帕＝{4-0.5×(3-1)}兆帕＝3兆帕
其中M＝步骤6中衬砌轮胎的胎体压强减少的次数,E＝0.5兆帕；
即得到围岩稳定所需最小支护力d’＝c’兆帕＝3兆帕。
泄载装置为自动泄压阀。
将实施例一-四计算所得的围岩稳定所需最小支护力d’的数值与工程实际测量所得的最小支护力数值做比较发现，本发明提供的方法能精确监测围岩变形围岩所需的最小支护力，简单易行。
上述实施例一-四中，步骤1的结构和安装方法为中国发明专利CN201510101208.7公开的技术方案，发明名称为《一种具有永不拆除衬砌轮胎的隧道衬砌结构及其施工安装方法》；
测量衬砌轮胎的胎体压强所用工具为气压表。