隧道锚岩承载拱安全系数验证与修正方法与流程

本发明属于隧道工程领域，涉及一种隧道锚岩承载拱安全系数验证与修正方法，尤其涉及一种基于总安全系数法设计理论的隧道锚岩承载拱安全系数验证与修正方法。

背景技术：

1、近年来，随着我国经济的飞速发展，不断推动着新一代信息技术与制造业深度融合，交通是新一代信息技术与制造业深度融合最重要的基础设施，与此同时，我国交通运输现代化建设进度越来越快，铁路隧道、公路隧道、水底隧道、地下铁道和人行地道建设等不断发展，隧道支护相关技术得到不断地完善，但修建过程中仍不免会出现失稳、大变形、岩爆等灾害问题，当围岩位移量超过临界值时，就会出现失稳、垮塌现象。隧道开挖后，为了有效地约束和控制围岩的变形，加强围岩的稳定性，保证施工安全，以及为了确保运营过程中的稳定、耐久、减小通风阻力和整体美观，均需要施作必要的支护结构。在隧道工程中，隧道支护结构体系是围岩稳定性控制的关键，隧道支护具有“调动”和“协助”围岩承载的基本作用。

2、隧道支护结构设计目前还处在“工程类比为主，理论计算为主”的阶段，无法实现支护参数的量化设计，因此无法对隧道支护结构的安全性与经济性进行分析评判，极大制约了隧道修建技术的发展。随着隧道支护结构设计总安全系数法的提出，系统地总结了国内外隧道设计理论与方法，提出隧道支护参数设计由“类比设计”向“量化设计”转变，推动隧道对支护结构设计的计算向精细化、定量化发展，对推动隧道工程设计技术发展具有积极作用。

3、在隧道支护体系当中，锚杆-围岩承载拱(下文统一简称：锚岩承载拱)能够提高围岩的整体稳定性，具有良好的支护效果和承载能力。锚岩承载拱强度机理是指：当对围岩进行开挖后，使洞内临空面变形较大，周边一定深度范围内的围岩进入塑性，无法承担后续增加荷载。采取锚杆、喷层支护后，可增加塑性区围岩的侧限力，进而增加围岩继续承载的能力，减少围岩的变形，从而提高围岩的整体稳定性。

4、隧道支护结构设计总安全系数法对锚岩承载拱力学机理与量化分析方法进行了研究，提出了关于锚岩承载拱的安全系数计算方法，当前亟需采用室内模型试验的方法加以验证。室内模型试验，是对按比例缩小或等比的模型进行相应的试验，保持与原结构相似的关系。在一些大型结构物或者难以直接用理论分析的结构物试验当中，通常采用模型试验来代替原型结构试验或作为原型结构试验的辅助试验，为其提供设计参数，检验理论假设的可靠性，以避免不利因素，降低试验成本，缩短试验周期，是一种经济有效的方法。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种隧道锚岩承载拱安全系数验证与修正方法，该方法拟采用室内模型试验手段，对锚岩承载拱的承载能力与支护效果进行研究，从而对锚岩承载拱的安全系数进行验证与修正，以便进一步完善总安全系数法设计体系。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种隧道锚岩承载拱安全系数验证与修正方法，包括以下步骤：

4、s1)确定模型试验的拟开展工况、几何相似比、围岩与支护相似材料以及模型箱尺寸；

5、s2)根据依托工况设计千斤顶的荷载和行程，确定施加在模型箱上的荷载和行程范围；

6、s3)锚岩承载拱工况的毛洞模型体制作；

7、s4)施加锚杆相似材料；

8、s5)分级加载直至支护相似材料被破坏；

9、s6)监测锚岩承载拱的受力、应变，记录其极限承载力，计算并验证锚岩承载拱的安全系数，进而进行修正。其中，极限承载力是指当锚杆(支护相似材料)受到的最大压应力与锚杆的抗压强度最为接近时对应的边界荷载，安全系数等于极限承载力除以围岩设计压力值。在试验中不断地增加竖向加载力，锚杆(支护相似材料)受到的最大压应力也在不断地增加，记录随着竖向加载力增加对应的最大压应力，取与抗压强度最为接近的最大压应力为极限承载力，安全系数就等于极限承载力除以围岩设计压力值。

10、进一步，步骤s1)中，围岩的等级是ⅳ级以及ⅴ级；所述ⅳ级围岩对应800m埋深；所述ⅴ级围岩对应600m埋深；

11、所述步骤s1)中几何相似比是12.5；

12、所述步骤s1)中围岩相似材料以重度、变形模量、内摩擦角以及黏聚力为参考的力学参数；

13、所述围岩相似材料包括骨料、黏结剂以及调节剂；

14、所述支护相似相似材料考虑抗拉刚度、抗拉强度以及弹性模量的力学参数。

15、更进一步，ⅳ级围岩中，骨料是重晶石和河砂；所述黏结剂是粉煤灰；所述调节剂是机油和饱和松香酒精溶液，所述ⅳ级围岩对应相似材料的原料质量比是重晶石：河砂：粉煤灰：饱和松香酒精溶液：机油＝1013：506：380：120：80，即，ⅳ级围岩对应相似材料的骨料、黏结剂与调节剂的质量比是1519：380：200。

16、更进一步，

17、v级围岩中，骨料是重晶石和河砂；所述黏结剂是粉煤灰；所述调节剂是饱和松香酒精溶液，所述v级围岩对应相似材料的原料质量比是重晶石：河砂：粉煤灰：机油＝926：116：524：166，即，v级围岩对应相似材料的骨料、黏结剂以及调节剂的配比为1042：524：116。

18、示例性的，所述步骤s1)中模型箱的长×宽×高是2.08m×0.45m×1.98m。

19、进一步，所述步骤s2)包括以下子步骤：

20、s21)参考依托工况中围岩压力设计值与安全系数来确定iv级围岩相似材料所需承受最大荷载以及v级围岩相似材料所需承受最大荷载；

21、s22)根据步骤s21)计算得到的结果分别计算iv级围岩相似材料中千斤顶施加的荷载以及v级围岩相似材料中千斤顶施加的荷载；所述iv级围岩相似材料中千斤顶施加的荷载是iv级围岩相似材料需要承受的最大荷载与荷载扩大系数的乘积；所述v级围岩相似材料中千斤顶施加的荷载是v级围岩相似材料需要承受的最大荷载与荷载扩大系数的乘积；所述荷载扩大系数是4；

22、s23)根据围岩相似材料自身的弹性模量和泊松比计算得到v级围岩相似材料的侧限压缩模量、iv级围岩相似材料的侧限压缩模量、v级围岩相似材料的侧向最大位移以及iv级围岩相似材料的侧向最大位移；

23、s24)根据步骤s23)的计算结果确定施加荷载的行程范围。

24、进一步，步骤s3)包括以下子步骤：

25、s31)在模型体铺设过程中，四周预置聚四氟乙烯薄膜，减小模型体的摩擦力；

26、s32)采用围岩相似材料对模型箱内部底部及中部进行填充和夯实，在模型箱两侧填充细砂至设计高度；在填充围岩相似材料的过程中，在每次摊铺围岩相似材料之前将上一层压实的围岩相似材料的表面刨松，然后再摊铺压实下一层围岩相似材料，保证分层围岩相似材料间不形成界面；

27、s33)制作隧道模具并在隧道模具中预埋模具；所述隧道模具采用加硬加重高密实的聚苯乙烯泡沫原料制作，并在隧道模具外包裹一层塑料膜；在设计高程部位固定并预埋模具，预埋模具周边用光滑薄膜包裹；

28、s34)在模型箱内填充和夯实相似材料和细砂；

29、s35)在设计高程部位埋设量测元件，量测元件包括微型土压力盒、应变砖、位移计以及应变计；

30、s36)重复步骤s34)以及步骤s35)直至铺设至模型顶部，盖上钢板为止；最后对预埋好的隧道模具进行开挖，并清空模具外层塑料膜。

31、进一步，步骤s34)包括以下子步骤：首先，安装挡板支架，确定并标记承载拱位置，随后在模型箱内部靠两侧的地方安装挡板及支架；接着，在挡板、模型箱框架和隧道模具围成的区域内进行第二次相似材料填充并按照规定压实度进行夯实；最后，拆除挡板和支架。

32、进一步，步骤s4)的具体实现方式是：

33、在锚杆相似材料上挖槽置入光纤光栅应变测点并进行封装，分步开挖隧道模具后，根据锚杆布置图在预定的位置钻孔，采用注浆机将粘结材料环氧树脂注入钻孔内部，注浆完成之后，在靠近洞壁位置粘结托盘，托盘是附带的，托盘用于支撑锚杆，通常由钢板或钢管制成，它的作用是在锚杆和岩石体之间提供支撑和分散荷载，以防止锚杆因负荷过大而失效。

34、进一步，步骤s5)的具体实现方式是：

35、通过千斤顶进行分级加载，开启监测设备，记录加载过程中的围岩与衬砌的应力应变，结合围岩材料受力状态，以围岩相似材料出现贯通裂缝、出现压溃现象为准，作为试验终止条件；分析锚杆受力与变形，探究锚岩承载拱的力学作用机理，根据极限加载力分析锚岩承载拱的安全系数，与理论结果进行对比。其中，理论结果是根据《隧道支护结构设计总安全系数法》(肖明清著，人民交通出版社股份有限公司出版，isbn：9787114165580)得到的，该方法提出了关于锚岩承载拱的安全系数计算方法，通过该方法得到的计算结果就是理论结果。本发明中与理论结果进行对比，对比的是锚杆-围岩承载拱的安全系数。

36、进一步，所述步骤s6)中，极限承载力为当锚杆受到的最大压应力与锚杆的抗压强度最为接近时对应的边界荷载，安全系数等于极限承载力除以围岩设计压力值；利用锚岩承载拱工况的毛洞模型的数据对真实锚岩承载拱的安全系数进行验证和修正。

37、本发明所述方法的目的之一就是去对隧道支护结构设计总安全系数法提出的锚杆-围岩承载拱安全系数的计算方法进行验证和修正。总安全系数法采用的锚杆-围岩承载拱计算模型可以得到锚杆-围岩承载拱的安全系数，此为理论值。通过本试验可以得到锚岩承载拱的极限加载力，进一步分析可以得到锚岩承载拱的实际安全系数，此为实际值，从而对比理论值与实际值之间差异。

38、本发明具有以下有益效果：

39、本发明所述方法基于总安全系数法设计理论，主要研究锚杆-围岩承载拱(后简称“锚岩承载拱”)的承载机理与载荷效果，对锚岩承载拱的安全系数的计算方法进行验证，以便进一步对总安全系数法进行修正。

40、本发明通过对原始隧道进行等比例缩小试验，其步骤包括确定模型试验的拟开展工况、几何相似比、围岩与支护相似材料、模型箱尺寸，再根据依托工况设计千斤顶的荷载和行程，确定施加的荷载和行程范围，制作模型箱，在模型箱内填充相似材料和细砂，制作隧道模具并预埋，埋设量测元件，开挖隧道模具，布置锚杆，最后分级加载，监测锚岩承载拱的受力、应变，记录其极限承载力，根据采集的数据计算锚岩承载拱的安全系数，从而对锚岩承载拱的安全系数的计算方法进行验证与修正。

41、本发明针对现有技术中，尤其是在大部分关于隧道支护结构设计研究的模型试验中，并没有提供较大尺寸的锚岩承载拱，较难分析锚岩承载拱的受力机理，锚杆的受力与破坏形式也较难监测。本发明通过设计较大尺寸的锚岩承载拱，能更方便、更直观地研究锚岩承载拱的承载机理与载荷效果。

42、本发明所述方法旨在对锚岩承载拱的安全系数计算方法进行验证，以便进一步对总安全系数法理论进行验证与修正，从而完善总安全系数法设计体系，推动隧道修建技术的发展。