隧道围岩预应力加固锚杆长度及径向预应力值的测定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及隧道围岩应力测定与隧道围岩稳定性评价以及内衬支护加固设计方 法领域，具体涉及隧道围岩预应力加固锚杆长度及径向预应力值的测定方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着越来越多的隧道工程建设，我国在交通、水利水电、市政等基础设施 领域取得了令人瞩目的成就，特别是近十年来，更取得了突飞猛进的发展，同时在地下工 程设计和施工技术水平也有了很大提高。
[0003]目前为了保持隧硐断面的使用净空，承受可能出现的各种荷载，保证隧硐围岩的 稳定和安全性，隧道开挖时常常需要设置支护结构。长期以来的支护结构设计往往采用钢 木架和混凝土衬砌，虽然具有足够大的刚性和断面尺寸，但是完全依赖自身的强度，被动的 承受围岩强大的松动压力来维持硐室的稳定，使得采用这些传统的支护尽管花费大量的工 程费用，却很难达到理想的预期效果，同时由于其施工迟缓、结构与围岩相分离等固有弱 点，支护结构的破坏与围岩的塌落常常是难以避免的。随着新奥法的推广，我们可以发现 围岩的适度变形对于隧道结构的整体稳定性具有一定的益处，所以在现代隧道建造中，锚 喷支护作为一种既能及时进行支护，限制围岩过大变形而出现松动，又能允许围岩出现一 定的变形，充分利用围岩变形而增加隧道的稳定性等特点的新型的支护方式，已开始广泛 的应用到现代隧道支护方案设计中来。锚喷支护作为新奥法施工的主要采用的支护方式， 其功能是促使围岩由荷载物变为支护结构的重要组成部分，最大限度地发挥围岩的自承作 用，以较小的支护抗力维护硐室的稳定。
[0004]目前锚喷支护通用的设计方法包括以下几种方法：（1)工程类比法。该方法主要 是在对围岩进行分类的基础上，依据围岩等级及巷道规格尺寸，结合已建工程的经验，直接 确定锚喷参数与施工方法；（2)信息设计法。这种设计方法是以现场所测信息为设计依据， 其最大的特点是在施工时一边进行各种测量，一边把测量的结果反馈到设计施工中，使计 划时的设计、施工变得更加符合现场实际，最终确定支护参数；（3)理论计算法。该方法是 在测得岩体和支护力学参数的前提下，根据围岩力学特征建立数学模型，通过计算确定支 护参数的方法。这种方法是基于岩体力学的发展，考虑围岩与支护共同作用而逐渐形成和 发展起来的。其具体力学模型和计算方法主要是根据岩体属性和结构类型而定，当前有近 似的解析算法和借助于计算机的有限元、边界元等数值解法。上述预测方法虽在锚喷支护 通用的设计中发挥了重要作用，但通过分析上述设计方法的建立过程，可以发现上述方法 存在以下几方面的不足：工程类比法与信息设计法主要以实践经验或者实际测量的数据为 设计依据，但往往会受到客观实践条件、测量精度、测量方法与测量工具的影响，而使得其 在实际运用上存在较大的误差，同时缺乏理论计算依据而使得上述方法无法真正有效的运 用在工程建设上；理论计算法发展虽然已经成熟，但采用的这种计算方法的并不多，这主要 是因为围岩地质状况复杂多变，其力学模型和岩体力学参数不易准确测试与确定，所以一 般只作为设计中的一个演算手段，与其它设计方法相互校核。
[0005] 从以上分析可得，目前国内外对于地下硐室锚喷支护形式的设计并没有一套完整 的理论计算体系，现有的理论计算方法并很难有效准确的应用到支护结构设计中来，为此， 本发明根据围岩弹塑性理论及塑性区分布规律，在综合确定隧道塑性圈半径R和围岩压力 基础上，确定隧道围岩加固锚杆最小长度与径向最低预应力值。
【发明内容】
[0006] 针对上述传统地下硐室内衬加固设计方法中的缺点与不足，根据围岩弹塑性理论 及塑性区分布规律，研究和确定了圆形隧道围岩压力和塑性圈半径，并依据上述两个基本 参数综合确定加固锚杆最小长度与径向最低加固预应力值，以达到在保证圆形隧道稳定的 前提下更节省工程成本与缩短施工工期的目的，在地下隧道加固工程中具有良好实用价 值。
[0007] 为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0008] 隧道围岩预应力加固锚杆长度及径向预应力值的测定方法，包括：
[0009] 第一步：确定围岩岩体的天然应力；
[0010] 第二步：确定围岩岩体的物理力学参数；
[0011] 第三步：根据岩体的天然应力及物理力学参数确定隧道围岩断面塑性圈半径；
[0012] 第四步：根据岩体的天然应力、物理力学参数、隧道开挖圆半径和隧道塑性圈半径 确定隧道围岩压力；
[0013] 第五步：根据第四步中的隧道围岩压力、相邻锚杆的横向间距和纵向间距确定隧 道加固锚杆径向预应力值；
[0014] 第六步：根据锚杆锚固段的最优长度确定隧道加固锚杆的最优设计长度。
[0015] 进一步地，所述第一步中采用钻孔套芯应力接触法确定围岩岩体的天然应力〇 z， 具体步骤如下：
[0016] 1)在隧道围岩处选点、钻孔并在孔底打测量孔；
[0017] 2)在测量孔内装入应变计，应变计与应变仪连接；
[0018] 3)应变仪记录初始读数，通过套钻接触应力，记录应变仪读数Ua、Ub、U。直至应力 完全解除；
[0019] 4)折断岩芯，根据公式⑴求得
[0020]
[0021] 式中：σi-单元体内最大主应力，σ3-单元体内最小主应力，E-岩石的抗压强 度；f一测量孔的半径；ua、Ub、U。一应变仪a、b、C所测得的位移值；2Θ-根据tan2Θ计算 值确定；
[0022] 5)根据公式（6)求得岩体天然应力〇 z:
[0024] 进一步地，所述第二步中围岩的物理力学参数包括围岩内摩擦角参数0，内摩 擦角参数等于岩块内摩擦角标准值乘以设定的折减系数，折减系数根据裂隙发育程度确 定，（裂隙不发育，裂隙较发育，裂隙发育，碎裂结构对应的折减系数分别是〇. 90~0. 95， 0. 85 ~0. 90,0. 80 ~0. 85,0. 75 ~0. 80)。
[0025] 进一步地，所述第二步中围岩的物理力学参数包括围岩内粘聚力参数c，内粘聚力 参数由围岩内粘聚力标准值乘以设定的折减系数，折减系数为〇. 2~0. 3。
[0026] 进一步地，所述第三步中隧道围岩断面塑性圈半径R根据公式（3)求出：
[0027]
[0028] 式中：R-隧道塑性圈半径；R。一松动区半径（取&=r)。
[0029] 进一步地，所述第四步中根据公式（4)求得隧道围岩压力〇 w:
[0030]
[0031] 式中：r一隧道开挖圆半径。
[0032] 进一步地，所述第五步中，根据岩土锚固与喷射混凝土支护工程技术规范，锚杆间 距不宜大于锚杆长度的1/2,当围岩条件较差、地应力较高或硐室开挖尺寸较大时，锚杆布 置间距应适当加密。对于IV、V级围岩中的锚杆间距宜0. 50m~1. 00m，并不得大于1. 25m 确定相邻两锚杆的横向间距§a及纵向间距Sb。
[0033] 进一步地，所述第五步中，根据公式（5)求得加固锚杆径向预应力值fy:
[0034]
[0035] 进一步地，根据岩土锚固与喷射混凝土支护工程技术规范，通过公式（6)计算锚 杆锚固段的最优长度A1 :
[0037] 式中：d-锚杆锚固体直径；^，一锚固体表面与周围岩土体之间的极限粘结强度； η-锚固体粘结安全系数；η-钢筋或钢绞线的根数；ξ-界面的粘结强度降低系数，取 0. 7-0. 85 ;Φ-锚固强度对粘结强度的影响系数。
[0038] 进一步地，所述第六步中，隧道加固锚杆最优设计长度L按照公式（7)计算：
[0039] L=R-r+Δ1 (7)。
[0040] 上式（7)中，R-r就是锚杆自由段的长度。
[0041] 本发明的工作原理是：
[0042] 圆形隧道塑性圈半径是指围岩塑性变形与弹性变形的边界点到圆形隧道圆心的 距离。塑性变形区与弹性变形区边界点的确定关系到锚杆支护锚固段起始点位置的确定， 所以塑性圈半径的确定关系到整个喷锚支护设计参数的确定。而围岩松动区是开挖后表层 围岩随位移的发生与发展、破坏逐渐向深处扩展，使其连续性和完整性遭到破坏的部分岩 石区域，由于围岩松动区半径直接关系到隧道工程的安全，所以要严格控制围岩不产生松 动区，即1?。=r。
[0043] 1.运用弹、塑性理论计算围岩压力，假设在天然应力场岩体内开挖一个水平圆形 隧硐，所引起的围岩应力τ=〇，则〇b、〇e均为主应力。若采用摩尔-库伦强度条件作为 围岩的塑性条件，则当围岩产生塑性区时，出现塑性区后应力的再分布图形（如图5)，其塑 性区内的应力σ#Ρ〇e将满足下式：
[0044]
[0045] 即凡满足上式的区域都将产生塑性变形，出现塑性圈。如果忽略掉地质特征对围 岩应力分布的影响，由于围岩应力分布是轴对称的，故塑性圈也是轴对称的。在塑性圈内岩 石的内聚力c，内摩擦角-和弹性模量E都要降低。在围岩内，应力不满足的区域，仍为弹 性变形区。其应力应变关系仍服从虎克定律。塑性区中，每一点应力必需满足的平衡条件 即：
[0047] 由上述公式（9)可求得塑性区的应力：
[0050] 由上式可知，塑性区的应力〇 b、〇e仅是矢径b的函数，它随b的变化而变化。塑 性区内切向应力σe降低了很多，降低的程度与塑性变形的大小有关，硐壁上塑性变形最 大，故σe降低的最多，但并不为零。因为岩石产生了塑性变形后还具有一定的承载能力。 在弹性区的应力却略有升高，这是由于在塑性区内一部分应力释放了，一部分应力则转嫁 给弹性区的结果。
[0051] 弹性区的应力按下式计算：
[0054] 式中：
[0055] b-计算点的矢径；
[0056] σR-弹、塑性区边界上的径向应力（可理解为塑性圈对弹性圈的作用力）；
[0057] R-塑性圈的半径；
[0058] 〇b-岩体的径向应力
[0059] οο一岩体的切向应力。
[0060] 对于弹、塑区边界上的任意单元，它既属于弹性区单元，又属于塑性区单元，因而 该单元应同时满足上述塑性区和弹性区单元所应满足的条件。即在弹、塑性区边界上（r= R)下面的式（14)成立：
[0061] (σb+oe)弹=(σb+oe)塑 （14)
[0062] 由上式（14)可得到无支护条件下的塑性区半径R:
[0063]
[0064] 在这种情况下塑性区的半径最大。
[0065] 若想使塑性区域不形成，即R=r时，由围岩压力公式（见原理2)求出不形成塑 性区所需的支护阻力：
[0066]
[0067] 这就是维持隧道处于弹性应力场所需