高地应力软弱围岩隧道开挖预留变形量确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于隧道开挖施工技术领域，尤其是涉及一种高地应力软弱围岩隧道开挖 预留变形量确定方法。
【背景技术】
[0002] 隧道开挖势必引发围岩原始应力的重新分布，整个围岩应力重分布的力学行为可 以概化为如下过程：经"平衡"、"松弛"与"松散、坍塌"三个阶段后，达到新的平衡。"松弛" 和"松散"在描述应力重分布过程是两个完全不同的概念，在这两个过程中围岩荷载的表现 形式也是不同的。"松弛"阶段产生的荷载被称为"形变压力"，此时围岩应力水平的降低与 围岩变形共存，从岩体力学角度分析，该阶段的围岩仍可认为处于连续介质或似连续介质 的性态；"松散、對塌"阶段产生的荷载被称为"松散压力"，它是在围岩变形增长到一定程度 后，岩块与原岩分离而导致的坍塌或岩块的自重应力对支护产生作用。
[0003] 国内外学者曾对软岩隧道（也称为软弱围岩隧道）施工后产生大变形的类型进行 过系统的研究，并从不同的角度对大变形的类型进行分类，下面对大变形隧道按其变形机 理的分类进行说明。软岩大变形隧道按其变形机理可分为松散型、膨胀型和挤压型三个类 型，诱发这三种类型的隧道大变形的前提条件相差较大，大变形发生后表现出来的变形特 征也是各不相同的。
[0004] 其中，松散型大变形出现在硬岩（包括岩块强度Re > 30MPa的破碎岩体、层状岩 体和块状岩体等）隧道和低地应力的浅埋隧道中，围岩松弛过程较短，前期变形量较小，在 没能及时提供足够的支护反力时，围岩变形发展到一定程度后便会松散或坍塌，由此产生 的围岩松散压力直接作用在支护结构上，在变形时态曲线呈现向上反弯或"跳跃"的性态。 [0005] 膨胀型大变形隧道的变形机理简单的说就是软岩内的膨胀性矿物成分在水或者 力的作用下体积增大，不断侵入隧道净空的现象。当在含膨胀性矿物的地层中开挖隧道时， 岩石遇水或吸湿之后产生膨胀，其量值可能远大于岩石的弹塑性及碎胀变形量之和，由此 产生的膨胀性变形压力成为诱发软岩隧道支护破坏的一个重要原因。隧道开挖后，围岩遇 水作用会发生物理化学反应，引起体积膨胀和力学性能的变化，在隧道周边围岩形成了遇 水膨胀区和稳定区两个不同的区域。遇水膨胀区围岩的天然裂隙结构、应力调整引起的围 岩裂隙为软岩及膨胀性矿物提供了吸水通道，加剧了围岩的膨胀变形，最终产生大变形，导 致隧道结构体的破坏。
[0006] "挤压型大变形"发生于围岩松弛阶段，其变形机理与"松散型大变形"和"膨胀型 大变形"相差较大，并且变形过程极为复杂，国内外大量的专家与学者对这一课题进行了大 量的研究，但挤压型软岩大变形隧道的修建仍是世界性难题。
[0007] 其中，具有高应力背景的软弱围岩变形称为"挤压型"变形，即高应力条件的软弱 围岩变形为挤压型大变形。
[0008] 国际岩石力学学会（简称ISRM) "隧道挤压性岩石专业委员会"对围岩挤压性作 了如下定义："挤压型"是指围岩具有时效的大变形；其变形具有明显的优势部位和方向， 可发生在施工阶段，也可能会延续较长时间。变形的本质是岩体内的剪应力超限而引起的 剪切蠕动，这些变形主要可以归纳为以下几种特点：第一、变形的速度快；第二、变形量大； 第三、变形持续的时间长；第四、变形有明显的优势部位和方向。目前，挤压型大变形隧道比 较认可的破坏机理有如下三种：完全剪切破坏、弯曲破坏和剪力及滑动张裂破坏。
[0009] 软岩（即软弱围岩）发生塑性变形的概率非常高，常引起隧道的净空变小，影响正 常的隧道施工和使用。由于软弱围岩本身的地质性质结构松散，并且稳定性极差，这就决定 了它在隧道建设中必然会产生一定程度的变形。由于软弱围岩稳定性较差的原因，在隧道 开挖后，使原有的地应力平衡遭到了破坏，从而导致围岩发生变形。在施工的过程中，如果 选用的方法不当，不但会引起工程建设初期支护结构的变形，甚至会引起隧道的塌方等安 全事故。
[0010] 围岩变形是隧道设计的基本准则之一，也是评价隧道围岩稳定性的重要指标。 在较高地应力（> 25MPa)水平下发生显著变形的中、高强工程岩体称为高地应力软岩 (highstressed soft rock，简称H型）。隧道开挖后的高地应力软岩隧道大变形大致经历 三个阶段：a.弹性变形阶段；b.弹性变形和塑行变形共存阶段；c.以蠕变为主，蠕变、塑性 变形共存，同时伴随围岩损伤、断裂、挤出及膨胀耦合作用阶段，大量研究表明软弱围岩以 塑性变形和蠕变变形为主。
[0011] 为充分发挥围岩自承作用，容许初期支护和围岩有一定的变形，而将设计开挖线 作适当扩大的预留量，称之为隧道预留变形量。预留变形量是指从隧道初期支护施工开始， 到隧道周边位移基本稳定时，周边位移的累计值。
[0012] 由于软岩具有显著流变性、围岩强度低的特点，同时高地应力作用下，上述特点更 加明显，从而使隧道变形量极大、变形发展快。一旦施工控制不当或预留变形量不够，极易 发生支护开裂、侵限问题。因此确定高地应力软岩隧道的预留变形量就尤其重要，同时也是 极其困难的。
[0013] 对铁路而言，隧道施工主要考虑预留变形量、施工误差和允许超挖，施工误差和允 许超挖一般基于施工单位经验确定取值范围；隧道预留变形量的确定则相对复杂。目前对 于高地应力与极高地应力条件下的软岩大变形隧道，没有成熟的理论成果来确定隧道预留 变形量，而采用工程类比法时，该类隧道地质条件极其复杂，围岩性质千差万别，地应力条 件不同，导致难以取得理想效果。
【发明内容】
[0014] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种高地应力 软弱围岩隧道开挖预留变形量确定方法，其方法步骤简单、实现方便且投入成本低、使用效 果好，能有效解决高地应力软弱围岩隧道的预留变形量确定难题。
[0015] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高地应力软弱围岩隧道开 挖预留变形量确定方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
[0016] 步骤一、试验段开挖：沿隧道纵向延伸方向，由后向前对所施工软弱围岩隧道的试 验段进行开挖；开挖过程中，由后向前对开挖形成的隧道洞进行初期支护，并获得隧道洞的 初期支护结构；
[0017] 所施工软弱围岩隧道为高地应力软岩隧道且其分为所述试验段和位于所述试验 段前侧的后续施工段；
[0018] 步骤二、变形监测：对所述试验段内N个隧道监测断面上的拱顶沉降值和水平净 空收敛值分别进行监测，并获得分别与N个所述隧道监测断面对应的N组变形监测数据；每 组所述变形监测数据均包括监测得到的一个所述隧道监测断面上初期支护结构的拱顶沉 降值和水平净空收敛值；
[0019] 其中，N为正整数且N彡100 ;N个所述隧道监测断面沿所施工软弱围岩隧道的纵 向延伸方向由后向前进行布设，每个所述隧道监测断面均为所施工软弱围岩隧道的一个隧 道横断面；
[0020] 步骤三、基于保证率的预留变形量范围确定：所确定的预留变形量范围包括隧道 拱部预留变形量范围和隧道边墙预留变形量范围；其中，隧道拱部预留变形量范围记作 Clni~C 1M，隧道边墙预留变形量范围记作C2ni~C 2M;C 1ηι为拱部预留变形量最小值，C 1M为拱部 预留变形量最大值，C2ni为隧道边墙预留变形量最小值，C2m为隧道边墙预留变形量最大值， Cln、C1M、C2n和C 2M的单位均为mm且其数值均为正整数；
[0021] 其中，对CJi行确定时，根据步骤二中N组所述变形监测数据中的N个所述拱 顶沉降值，并结合公式L11彡Lni(I)和L12SLni(2)进行确定；公式⑴和⑵中，L ni为预先 设定的保证率阈值且Lni= 88%~92% ;L η为隧道拱部预留变形量为C 1ηι时的保证率，且
N11为N个所述拱顶沉降值中小于C 1ηι的所有拱顶沉降值的总数量；L 12为 隧道拱部预留变形量为Cln/时的保证率，且
N12为N个所述拱顶沉降值中 小于Cln/的所有拱顶沉降值的总数量，Cln/ = Clni-Imm ;
[0022] 对Cim进行确定时，根据步骤二中N组所述变形监测数据中的N个所述拱顶沉降 值，并结合公式L13彡100% (3)和L 14< 100% (4)进行确定；公式（3)中，L13为隧道拱部 预留变形量为Cim时的保证率，且
N13为N个所述拱顶沉降值中小于C 1M的 所有拱顶沉降值的总数量；公式（4)中，L14为隧道拱部预留变形量为Cim'时的保证率，且
L为N个所述拱顶沉降值中小于Cim'的所有拱顶沉降值的总数量，C im' =C1M-Inun ；
[0023] 对C2ni进行确定时，根据步骤二中N组所述变形监测数据中的N个所述水平净空 收敛值，并结合公式L21彡Lni(5)和L22SLni(6)进行确定；公式（5)和（6)中，L ni为预先 设定的保证率阈值且Lm= 88%~92% ;L21为隧道边墙预留变形量为C2m时的保证率，且
N21为N个所述水平净空收敛值中小于C 2"的所有水平净空收敛值的总数 量；L22为隧道边墙预留变形量为C 2"'时的保证率，且
N22为N个所述水平 净空收敛值中小于C2n/的所有水平净空收敛值的总数量，C2n/ = C2ni-Imm ;
[0024] 对C2m进行确定时，根据步骤二中N组所述变形监测数据中的N个所述水平净空收 敛值，并结合公式L23彡100% (7)和L 24< 100% (8)进行确定；公式（7)中，L23为隧道边 LlN 丄UO丄Λ 、" 兮/ 丄0 JA 墙预留变形量为C2m时的保证率，且
N23为N个所述水平净空收敛值中小于 Cim的所有水平净空收敛值的总数量；公式（8)中，L24为隧道边墙预留变形量为C2m'时的保 证率，且
N24为N个所述水平净空收敛值中小于C 1M'的所有水平净空收