确定岩体隧道开挖破碎区范围的方法与流程

本发明涉及岩体隧道开挖区域确定方法，具体涉及一种确定岩体隧道开挖破碎区范围的方法。

背景技术：

在无限各向同性岩体中开挖的圆形隧道，在隧道开挖之前整个区域存在一个初始应力场，针对软弱破碎岩体隧道，通常认为开挖后围岩分为三个典型区域：弹性区、塑性区和破碎区。结合围岩卸载应力应变曲线，结合芬纳公式的理论，假设塑性区域的围岩体应变为0，即虽然产生了塑性变形但是总体积应变相对于初始值并没有增加。围岩卸载应力应变曲线为某一围压下的极限强度对应破碎区边界上一点，破碎区的围岩由于裂纹的扩展，通常表现为明显的扩容效应，但目前还没有确定破碎区范围的方法，给加固设计和位移计算带来了困难。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种确定岩体隧道开挖破碎区范围的方法，解决目前还没有确定破碎区范围的方法，给加固设计和位移计算带来困难的问题。

技术方案：本发明所述的确定岩体隧道开挖破碎区范围的方法，包括以下步骤：

(1)根据实测初始地应力，采用弹性力学理论解或弹性有限元法，估算洞壁最大切向应力σtmax，对围岩岩样做不同围压下的卸载破坏试验，得到不同围压下的卸载曲线，的曲线进行无量纲化处理后得破碎区计算依据曲线；

(2)将步骤(1)获得的曲线上最高点a对应围岩破碎区与塑性区边界点的应力状态，曲线平稳后最低点b洞壁处岩石卸载破坏的残余强度应力状态，然后将ab之间的曲线等分为n层，对应的围岩破碎区也等分为n层；

(3)根据沿着单元体径向轴上的所有力之和为零的平衡条件得：

将上式简化后得到破碎区第n层的厚度：

其中，b为洞壁半径，hn为第n层的厚度，σrn为第n层上部边界径向应力，σrn+1为第n层下部边界径向应力，σθn为第n层上部边界切向应力，σθn+1为第n层下部边界切向应力；

(4)根据同样的平衡条件可得：在第i层，当i＜n时的厚度：

其中b为洞壁半径，hi为第i层的厚度，σri为第i层上部边界径向应力，σri+1为第i层下部边界径向应力，σθi为第i层上部边界切向应力，σθi+1为第i层下部边界切向应力；

(5)根据步骤(3)和(4)将各层厚度累加可得破碎区的半径：

其中，所述步骤(1)中最大轴压在没有实测初始地应力时取2γh，其中γ为通过试验测得的岩石的重度，h为隧道埋深。所述步骤(2)中n大于等于10。所述σtmax小于岩体无侧限抗压强度时破碎区半径为0。

有益效果：本发明采用围岩岩样不同围压室内卸载试验确定围岩扰动圈内破碎区与塑性区交界面应力状态的方法，获得围岩破碎区岩体卸载破坏过程曲线，并采用分层法建立了计算破碎区半径，反映了隧道围岩松动的过程，把围岩强化区和破坏区分开，概念更明确，计算结果可靠，为隧道支护设计和位移计算提供新的依据。

附图说明

图1是圆形洞室围岩影响区分布示意图；

图2是围岩卸载应力应变曲线；

图3是不同围压下卸载过程曲线；

图4是破碎区分层规律示意图；

图5是破碎区第n层受力分析示意图；

图6是实测的岩石卸载应力-应变曲线；

图7是实测的塑性破碎区偏应力-应变曲线图；

图8是破碎区第30层的受力分析示意图；

图9是实测的破碎区半径随支护力变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，通常认为开挖后围岩分为三个典型区域：弹性区、塑性区和破碎区。结合围岩卸载应力应变曲线图2，ab对应塑性阶段，因此图2中a点对应图1中弹-塑性边界上一点f。根据芬纳公式的理论，假设塑性区域的围岩体应变为0，即虽然产生了塑性变形但是总体积应变相对于初始值并没有增加。图2中b点为某一围压下的极限强度，图2中b点对应图1中破碎区边界上一点g。根据实测初始地应力，采用弹性力学理论解或弹性有限元法，估算洞壁最大切向应力σtmax，没有实测初始地应力时，根据经验大部分深埋隧道，水平向和竖直向初始应力场近似相等并都为p0＝γh时，根据弹性力学理论，当圆形洞室开挖后，洞周切向应力σθ即σtmax增大变为2γh，而径向压力σr沿径向反方向逐渐变小，图1中g点达到破碎区临界值对应卸载曲线图2中b点，在这一位置的岩体达到卸载峰值强度。在破碎区内，沿径向反方向，径向压力继续逐渐减小，洞壁处减小为0，岩体处于卸载破坏软化阶段，因此破坏区内岩石初始状态为均质的沿径向路径的各围岩应力状态可以用室内岩样卸围岩破坏过程描述。

假设破碎区范围相对埋深较小，破碎区边界图1中g点的切向应力接近最大值σθ＝2γh，其中γ为通过试验测得的岩石的重度，h为隧道埋深。沿径向反方向由于径向应力的减小，岩样不断卸载破坏，卸载破坏曲线上各点与破碎区径向路径上各点状态相对应，因此可以建立室内试验方法确定围岩破碎区边界点应力状态，具体方法如下：

根据实测初始地应力，采用弹性力学理论解或弹性有限元法，估算洞壁最大切向应力σtmax，针对围岩岩样做m组不同围压(最大围压应不小于初始水平地应力)下的卸载破坏试验，试验方法参考《岩石物理力学性质试验规程》dz/t0276.21-2015，首先给岩样施加围压，然后施加1倍，岩样较少时可以取1.5倍，初始地应力的轴向压力后进行轴向压力增加的同时进行围压卸载的卸载破坏试验(卸载和加载速率相同)，分别得到m组卸载峰值应力状态如图3所示，即不同围压下最大的轴压值，最大轴压接近σtmax的曲线作为该围岩破碎区边界临界应力状态，，最大轴压在没有实测初始地应力时取2γh，其中γ为通过试验测得的岩石的重度，h为隧道埋深根据该组岩样获得的卸载曲线作为破碎区分层总和法计算的曲线。为了计算方便，把该岩石卸荷偏应力应变曲线做无量纲化处理如图4。其中当σtmax小于岩体无侧限抗压强度时破碎区半径为0。

偏应力应变曲线中的σ1和σ3分别对应破碎区中的σθ和σr，图4右侧曲线最大点a即为围岩破碎区与塑性区边界点的应力状态，点b为洞壁处岩石卸载破坏的残余强度应力状态，因此分层总和法的思想如下：将ab等分为n层并对应破碎区n层，破碎区内第i层的厚度为hi，如果n足够的大，第i层的围岩损伤状态可以近似为均匀的，其扩容应变等力学参数为常数。在采用分层计算时优选层数分为10层以上，即n≥10。

因此，在第n层中如图5，根据平衡条件，沿着单元体径向轴上的所有力之和为零，即σfr＝0，得：

通过化简可得到第n层的厚度

其中b为洞壁半径，hn为第n层的厚度，σrn为第n层上部边界径向应力，σrn+1为第n层下部边界径向应力，σθn为第n层上部边界切向应力，σθn+1为第n层下部边界切向应力且切向应力分布呈梯形分布。图4中σ3⁰为初始围压。

对于第n-1层可以同样用平衡条件得到第n-1层的厚度：

其中b为洞壁半径，hn为第n层的厚度，hn-1为第n-1层厚度，σrn-1为第n-1层上部边界径向应力，σrn为第n-1层下部边界径向应力，σθn-1为第n-1层上部边界切向应力，σθn为第n-1层下部边界切向应力且切向应力分布呈梯形分布。

在第i层(当i＜n时)

其中b为洞壁半径，hi为第i层的厚度，σri为第i层上部边界径向应力，σri+1为第i层下部边界径向应力，σθi为第i层上部边界切向应力，σθi+1为第i层下部边界切向应力且切向应力分布呈梯形分布。其中σθi+1、σri+1、σθi和σri均可在获得的试验曲线上获得，每层厚度累加可得破碎区半径rc

采用本发明的方法计算隧道开挖破碎区范围时，某圆形隧洞埋深1120m，开挖半径为3.7m，通过岩石卸荷试验所取得的岩石物理力学参数见表1。

表1岩石物理力学参数

由于隧道埋深1160m，破碎边界上的σθ＝58mpa，通过不同围压下的岩石卸荷试验的应力应变曲线，根据本发明提出的确定破碎区范围的方法，围压为10mpa时(即σ3⁰＝10mpa)的卸荷试验曲线对应的扩容破坏起始最大主应力最接近58mpa，因此该曲线作为破碎区岩体的卸载破坏过程曲线，如图6。在塑性破碎区要进行分层计算，因此截取扩容起始时(对应破碎区与塑性区交界面的应力状态)的偏应力应变曲线图7，分层方法：假设无支护应力pi时，在本算例中将所得曲线在纵轴等分30层，分别对应破碎区不同厚度的30层。

从第30层开始计算，在图7中取实测曲线第30层的上边界和下边界分别对应的σ1和σ3的值，图7中第30层的上边界对应图8中的破碎区的第30层的上边界，图7中第30层的下边界对应图8中的下边界。且σ1和σ3分别对应于σθ和σr。每一层的取值均按照此方法，第30层的厚度用式(2)n＝30来计算，破碎区的其它层的厚度用式(4)计算，将每层厚度进行累加即可得到破碎区影响范围，进而得到破碎区半径。

当支护应力pi不等于0时，在图7中找到σ3＝pi对应的一点，从该点以上进行分层用同样方法进行破区区范围计算。将破碎区分层处理分30层与破碎区不分层处理即只有一层所得到的破碎区半径进行对比，然后得到破碎区分层处理和不分层处理的半径随支护力变化曲线，如图9所示，可以看出分层所计算的破碎区半径整体比不分层计算的偏大，支护应力pi越小，结果相差越大。随着支护力的增加，即pi增大，破碎区半径呈指数函数衰减，逐渐减小并趋于0，即当pi很大时，破碎区将消失，围岩内只有弹塑性区。

本发明中破碎区与塑性区边界的应力状态由岩体材料强度特性决定，与支护压力本身无关，因此只要破碎区存在，则塑性区边界的应力状态就固定了，当随着支护力pi增大，破碎区半径将逐渐减小直至消失，即当支护力很大时，围岩内将不出现破碎区。因此若岩体质量很好，开挖后也可能不存在破碎区。本方法反映规律符合实际情况，弥补了目前实际工程无法通过室内试验确定破碎区范围的缺陷。