本發(fā)明涉及一種隧道工程技術(shù)領(lǐng)域中施工參數(shù)的確定方法，具體地，涉及一種巖溶地區(qū)盾構(gòu)隧道安全盾尾注漿壓力的確定方法。

背景技術(shù)：

由于我國經(jīng)濟高速發(fā)展和地下工程大規(guī)模建設(shè)，在巖溶地區(qū)出現(xiàn)了大量的隧道施工需求。盾構(gòu)法是隧道施工的常用方法，采用盾構(gòu)法施工時，在盾構(gòu)機推進過程中，盾構(gòu)脫離管片后管片外會出現(xiàn)超挖間隙，此時以一定壓力向超挖間隙注入適量的漿液以填充空隙，最大限度地避免超挖間隙對圍巖的擾動，控制沉降和變形，從而保證隧道和地面建筑物的穩(wěn)定性，這一隧道施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)稱為盾尾注漿。在巖溶地區(qū)進行盾尾注漿施工時，注漿漿液在一定壓力下注入周圍土層中，若注漿壓力過大，則會導(dǎo)致漿液切入圍巖，造成“劈裂現(xiàn)象”，使附近溶洞發(fā)生劈裂破壞并進一步形成塌陷破壞，地面產(chǎn)生較大沉降。因而確定巖溶地區(qū)盾構(gòu)隧道安全盾尾注漿壓力，避免溶洞發(fā)生劈裂破壞，在巖溶地區(qū)的盾構(gòu)施工中尤為重要。現(xiàn)有盾構(gòu)注漿壓力的確定方法適用于普通地質(zhì)條件，沒有考慮巖溶地區(qū)隧道附近溶洞對盾尾注漿壓力的影響，目前尚缺乏針對巖溶地區(qū)特殊地質(zhì)情況的安全盾尾注漿壓力的確定方法。

經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)檢索發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的盾構(gòu)注漿壓力的確定通常采用經(jīng)驗公式，主要考慮注漿壓力與開挖面水土壓力之和的平衡，并在此基礎(chǔ)上考慮管片性能、漿液特征及盾構(gòu)機性能等因素進行修正。由中國鐵道出版社于2013年出版，由中鐵二局股份有限公司、卿三惠等人編著的《隧道及地鐵工程(第2版)》一書，基于注漿壓力與開挖面水土壓力之和的平衡，給出了盾構(gòu)注漿壓力的具體計算公式，并提出了常見土體性質(zhì)下的注漿壓力范圍以及采用混凝土盾構(gòu)管片時的注漿壓力最大值。然而在巖溶地區(qū)，當溶洞與隧道距離較近時，對于盾尾注漿壓力的確定，關(guān)鍵影響因素為注漿壓力過大導(dǎo)致的隧道附近溶洞發(fā)生劈裂、張開，從而導(dǎo)致溶洞的坍塌破壞，上述公式?jīng)]有考慮隧道附近溶洞對盾尾注漿壓力極限值的影響，因而無法確定巖溶地區(qū)盾構(gòu)隧道的安全盾尾注漿壓力，不能指導(dǎo)巖溶地區(qū)盾構(gòu)隧道盾尾注漿的工程實踐。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提出一種巖溶地區(qū)盾構(gòu)隧道安全盾尾注壓力的確定方法。針對巖溶地區(qū)盾構(gòu)隧道盾尾注漿施工，根據(jù)溶洞洞壁的力學(xué)平衡和盾尾注漿壓力在圍巖中的傳遞規(guī)律，提出了安全盾尾注漿壓力的具體的確定方法。本發(fā)明不僅克服了現(xiàn)有技術(shù)不適用于巖溶地區(qū)盾構(gòu)隧道施工的問題，保證了巖溶地區(qū)盾構(gòu)隧道施工注漿壓力的合理性，防止了注漿壓力過大導(dǎo)致的溶洞塌陷破壞，而且簡單、實用，便于推廣。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種巖溶地區(qū)盾構(gòu)隧道安全盾尾注漿壓力的確定方法，所述方法包括如下步驟：

第一步、根據(jù)隧道設(shè)計與施工方案，確定隧道埋深h、隧道直徑R；在隧道沿線獲取施工現(xiàn)場土樣，對施工現(xiàn)場土樣進行重度試驗、內(nèi)摩擦角和粘聚力試驗、靜止側(cè)壓力試驗，以確定施工現(xiàn)場各土層的重度γ_a、內(nèi)摩擦角內(nèi)粘聚力c_a和靜止側(cè)壓力系數(shù)K_0a；確定施工現(xiàn)場地質(zhì)情況并對施工現(xiàn)場進行土層劃分，判斷施工現(xiàn)場是否為上覆軟土巖溶地區(qū)；a為由地面向下第a層土層；

第二步、對隧道沿線進行地質(zhì)鉆探，確定隧道沿線溶洞的分布情況，并確定溶洞與隧道之間各土層的厚度l_e；e為由隧道底部起至溶洞頂部第e層土層；

第三步、根據(jù)溶洞邊界面上的力學(xué)平衡，建立關(guān)于溶洞頂托力M、土體摩擦力F、土體重力G和注漿傳遞力T的溶洞安全平衡公式：M+F＝G+T；

第四步、根據(jù)溶洞安全平衡公式，確定安全傳遞壓力t的計算公式，計算各溶洞的安全傳遞壓力；其中：所述安全傳遞壓力t的計算公式為：

式中：K₀為溶洞頂部土層的靜止側(cè)壓力系數(shù)；γ為溶洞頂部土層的重度，kN/m³；l_e為溶洞與隧道之間各土層的厚度，m；為溶洞頂部土層的內(nèi)摩擦角，°；c為溶洞頂部土層的內(nèi)粘聚力，kN/m²；γ'_e為溶洞與隧道之間各土層的重度，kN/m³；

第五步、計算各溶洞的安全注漿壓力P，則各溶洞施工段的安全盾尾注漿壓力為安全注漿壓力P，若兩個及其以上溶洞處于同一溶洞施工段，則取安全注漿壓力P中的最小值；

所述安全注漿壓力P的計算方法為建立如下關(guān)系式，求解安全注漿壓力P的值：

式中：t為特征傳遞壓力，kPa；Re表示取實部；Z為復(fù)變函數(shù)，Z＝x+iy，其中，x、y為自變量；φ(Z)和ψ(Z)為解析函數(shù)；φ'(Z)為解析函數(shù)φ(Z)的一階導(dǎo)數(shù)；φ”(Z)為解析函數(shù)φ(Z)的二階導(dǎo)數(shù)；ψ'(Z)為解析函數(shù)ψ(Z)的一階導(dǎo)數(shù)；i為虛數(shù)單位；m、n、q為計算參數(shù)，不具有實際意義；r為隧道半徑，m；i為虛數(shù)單位；d為隧道軸線至地表的豎直距離，m；P為安全注漿壓力，kPa；

求解上述關(guān)系式，然后令x的值為0，令y的值為溶洞埋深h'，得安全注漿壓力P的值。

優(yōu)選地，第一步中，所述獲取施工現(xiàn)場土樣采用鉆孔取土的方法，取土深度為H，取土量滿足每層土的取土量制作不少于三個的三軸試驗儀試件。

更優(yōu)選地，所述取土深度H按下式計算：

H＝h+2R

式中：h為隧道埋深，m；R為隧道直徑，m。

優(yōu)選地，第一步中，所述重度試驗為：采用環(huán)刀密度試驗法測得各土層的濕密度ρ_i，并計算各土層重度γ_i＝ρ_ig，其中g(shù)為重力加速度，g取9.81m/s²。

優(yōu)選地，第一步中，所述內(nèi)摩擦角和粘聚力試驗為：把施工現(xiàn)場土樣制成圓柱體試件，每層土不少于三個圓柱體試件，圓柱體試件的直徑和高度由三軸試驗儀的技術(shù)參數(shù)確定；對圓柱體試件進行三軸壓縮試驗，得到多組破壞時主應(yīng)力差σ_1a-σ_3a與圍壓σ_3a的數(shù)據(jù)；根據(jù)得到的多組數(shù)據(jù)確定多個破壞莫爾圓，再根據(jù)摩爾-庫倫破壞準則確定破壞包絡(luò)線，其中：破壞包絡(luò)線與水平方向的夾角為內(nèi)摩擦角破壞包絡(luò)線在縱軸上截距的大小為內(nèi)粘聚力c_a。

優(yōu)選地，第一步中，所述靜止側(cè)壓力試驗為把施工現(xiàn)場土樣制成圓柱體試件，每層土不少于三個圓柱體試件，圓柱體試件的直徑和高度由三軸試驗儀的技術(shù)參數(shù)確定；對圓柱體試件進行三軸側(cè)壓力儀試驗，得到軸向壓力σ′_1a、側(cè)向壓力σ'_3a和孔隙水壓力u_a，計算靜止側(cè)壓力系數(shù)K_0a＝(σ′_1a-u_a)/(σ'_3a-u_a)。

優(yōu)選地，第一步中，所述a為由地面向下第a層土層。

優(yōu)選地，第一步中，所述土層劃分的標準通過查閱《土的工程分類標準》(GB/T 50145-2007)確定。

優(yōu)選地，第一步中，所述上覆軟土巖溶地區(qū)為：巖溶巖層上面覆蓋有砂土或粘土的地區(qū)。

優(yōu)選地，第二步中，所述溶洞與隧道之間各土層的厚度l_e為：隧道底部至溶洞頂部之間區(qū)域內(nèi)各土層的厚度，其中：e為由隧道底部起至溶洞頂部第e層土層。

優(yōu)選地，第三步中，所述溶洞頂托力M的表達式為：

M＝Y(jié)/b

式中：Y為托力；b為溶洞寬度。

優(yōu)選地，第三步中，所述土體摩擦力F的表達式為：

F＝bf

式中：f為單位寬度摩擦力；b為溶洞寬度。

更優(yōu)選地，所述單位寬度摩擦力f的表達式為

式中：K₀為溶洞頂部土層的靜止側(cè)壓力系數(shù)；γ為溶洞頂部土層的重度；l_e為溶洞與隧道之間各土層的厚度；為溶洞頂部土層的內(nèi)摩擦角；c為溶洞頂部土層的內(nèi)粘聚力。

優(yōu)選地，第三步中，所述土體重力G的表達式為：

G＝Σ(bl_eγ'_e)

式中：b為溶洞寬度；l_e為溶洞與隧道之間各土層的厚度；γ'_e為溶洞與隧道之間各土層的重度。

優(yōu)選地，第三步中，所述注漿傳遞力T的表達式為：

T＝tb

式中：t為安全傳遞壓力；b為溶洞寬度。

優(yōu)選地，第四步中，所述安全傳遞壓力t的計算公式的確定方法為：

根據(jù)溶洞邊界處的力學(xué)平衡得到溶洞安全平衡公式M+F＝G+T，由溶洞安全平衡公式得到：

令得到安全傳遞壓力t的計算公式：

其中：M為溶洞頂托力，F(xiàn)為土體摩擦力，G為土體重力，T為注漿傳遞力，t為安全傳遞壓力，Y為托力，b為溶洞寬度，f為單位寬度摩擦力，l_e為溶洞與隧道之間各土層的厚度，γ'_e為溶洞與隧道之間各土層的重度，γ為溶洞頂部土層的重度，K₀為溶洞頂部土層的靜止側(cè)壓力系數(shù)，為溶洞頂部土層的內(nèi)摩擦角，c為溶洞頂部土層的內(nèi)粘聚力。

優(yōu)選地，第五步中，所述隧道半徑r按下式計算：

r＝R/2

式中：R為隧道直徑，m。

優(yōu)選地，第五步中，所述隧道軸線至地表的豎直距離d按下式計算：

d＝h+r

式中：h為隧道埋深，m；r為隧道半徑，m。

優(yōu)選地，第五步中，所述溶洞施工段為：在隧道橫截面上有該溶洞分布的隧道施工段。

優(yōu)選地，第五步中，所述溶洞埋深h'按下式計算：

h'＝d+r+Σl_e

式中：d為隧道軸線至地表的豎直距離，m；r為隧道半徑，m；l_e為溶洞與隧道之間各土層的厚度，m。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

本發(fā)明提供了一種巖溶地區(qū)盾構(gòu)隧道安全盾尾注漿壓力的確定方法，考慮了隧道附近溶洞對盾構(gòu)隧道施工盾構(gòu)注漿壓力的影響，防止注漿壓力過大導(dǎo)致隧道臨近溶洞的破壞，保障施工安全，且本發(fā)明簡單、實用，便于推廣。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1為本發(fā)明一優(yōu)選實施例中地層橫截面圖；

圖2為本發(fā)明一優(yōu)選實施例中溶洞施工段縱截面圖；

圖中：

1為砂土層，2為粉質(zhì)粘土層，3為微風化灰?guī)r層，4為隧道，5為溶洞，6為溶洞施工段。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

一種巖溶地區(qū)盾構(gòu)隧道安全盾尾注漿壓力的確定方法，用于巖溶地區(qū)的盾構(gòu)隧道施工，工程地質(zhì)為上覆砂土、粉質(zhì)粘土下臥微風化灰?guī)r的巖溶地區(qū)，如圖1所示，砂土層1的厚度為8.6m，粉質(zhì)粘土層2的厚度為13m，隧道4位于粉質(zhì)粘土層2中，其中：隧道4埋深11m、隧道4直徑6m；取隧道4的一段施工段，溶洞5位于微風化灰?guī)r層3，溶洞5的截面近似圓形并位于隧道4左下方，并與隧道4的垂直距離為4.6m。

所述方法的具體施工步驟如下：

步驟一、根據(jù)隧道設(shè)計與施工方案，確定隧道埋深h＝11m、隧道直徑R＝6m；在隧道沿線獲取施工現(xiàn)場土樣，取土深度H滿足公式：H＝h+2R(式中：h為隧道埋深，取11m；R為隧道直徑，取6m)，得到：H＝h+2R＝11+2×6＝23m；對施工現(xiàn)場土樣進行重度試驗、內(nèi)摩擦角和粘聚力試驗、靜止側(cè)壓力試驗，依據(jù)《土的工程分類標準》(GB/T 50145-2007)確定隧道施工現(xiàn)場為上覆砂土、粉質(zhì)粘土下臥微風化灰?guī)r的巖溶地區(qū)，可采用所述方法，確定：

砂土層的重度γ₁＝19.6kN/m³、內(nèi)摩擦角內(nèi)粘聚力c₁＝0kPa、靜止側(cè)壓力系數(shù)K₀₁＝0.4，

粉質(zhì)粘土的重度γ₂＝19.1kN/m³、內(nèi)摩擦角內(nèi)粘聚力c₂＝31kPa、靜止側(cè)壓力系數(shù)K₀₂＝0.51。

步驟二、對隧道沿線進行地質(zhì)鉆探，確定隧道沿線分布有溶洞一個，溶洞位于微風化灰?guī)r層中，隧道與溶洞之間有一層地層，為粉質(zhì)粘土層(如圖1所示)，確定溶洞與隧道之間粉質(zhì)粘土層的厚度l₁＝4.2m；

步驟三、根據(jù)溶洞邊界面上的力學(xué)平衡，建立關(guān)于溶洞頂托力M、土體摩擦力F、土體重力G和注漿傳遞力T的溶洞安全平衡公式：M+F＝G+T。

步驟四、根據(jù)溶洞安全平衡公式：M+F＝G+T確定安全傳遞壓力t的計算公式，計算該溶洞的安全傳遞壓力t；

所述安全傳遞壓力t滿足公式：

式中：K₀為溶洞頂部土層的靜止側(cè)壓力系數(shù)，取K₀＝K₀₂＝0.51；γ為溶洞頂部土層的重度，取γ＝γ₂＝19.1kN/m³；l_e為溶洞與隧道之間各土層的厚度，溶洞與隧道之間僅有一層粉質(zhì)粘土層，l₁＝4.2m；為溶洞頂部土層的內(nèi)摩擦角，c為溶洞頂部土層的內(nèi)粘聚力，c＝c₂＝31kPa；γ'_e為溶洞與隧道之間各土層的重度，溶洞與隧道之間僅有一層粉質(zhì)粘土層，γ'₁＝γ₂＝19.1kN/m³)，

從而得到安全傳遞壓力t的值為198kPa。

步驟五、計算該溶洞的安全注漿壓力P＝350kPa，在該溶洞施工段上僅有一個溶洞，則該溶洞施工段的安全盾尾注漿壓力即為350kPa。

作為一優(yōu)選的實施方式，第五步中，所述安全注漿壓力P的確定方法為建立如下關(guān)系式，求解安全注漿壓力P的值：

式中：t為安全傳遞壓力，為198kPa；；Re表示取實部；Z為復(fù)變函數(shù)，Z＝x+iy，其中，x、y為自變量；φ(Z)和ψ(Z)為解析函數(shù)；φ'(Z)為解析函數(shù)φ(Z)的一階導(dǎo)數(shù)；φ”(Z)為解析函數(shù)φ(Z)的二階導(dǎo)數(shù)；ψ'(Z)為解析函數(shù)ψ(Z)的一階導(dǎo)數(shù)；i為虛數(shù)單位；m、n、q為計算參數(shù)，不具有實際意義；r為隧道半徑，取r＝R/2＝3m；d為隧道軸線至地表的豎直距離，取d＝h+r＝14m；P為安全注漿壓力。

求解上述關(guān)系式，然后令x的值為0，令y的值為溶洞埋深h'，取h'＝d+r+Σl_e＝d+r+l₁＝21.2m，得安全注漿壓力P的值為350kPa。

如圖2所示，作為優(yōu)選的，第五步中，所述溶洞施工段6為在隧道4橫截面上有溶洞5分布的隧道施工段。

本發(fā)明所述方法考慮了在盾構(gòu)隧道注漿施工過程中注漿壓力可能對隧道附近溶洞造成的破壞，確定了巖溶地區(qū)盾構(gòu)隧道安全盾尾注漿壓力的大小，保障了盾構(gòu)隧道注漿施工安全可靠。

盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細介紹，但應(yīng)當認識到上述描述不應(yīng)被認為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。