高地應力軟弱圍巖隧道開挖預留變形量確定方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于隧道開挖施工技術領域，尤其是涉及一種高地應力軟弱圍巖隧道開挖 預留變形量確定方法。
【背景技術】
[0002] 隧道開挖勢必引發(fā)圍巖原始應力的重新分布，整個圍巖應力重分布的力學行為可 以概化為如下過程：經(jīng)"平衡"、"松弛"與"松散、坍塌"三個階段后，達到新的平衡。"松弛" 和"松散"在描述應力重分布過程是兩個完全不同的概念，在這兩個過程中圍巖荷載的表現(xiàn) 形式也是不同的。"松弛"階段產(chǎn)生的荷載被稱為"形變壓力"，此時圍巖應力水平的降低與 圍巖變形共存，從巖體力學角度分析，該階段的圍巖仍可認為處于連續(xù)介質(zhì)或似連續(xù)介質(zhì) 的性態(tài)；"松散、對塌"階段產(chǎn)生的荷載被稱為"松散壓力"，它是在圍巖變形增長到一定程度 后，巖塊與原巖分離而導致的坍塌或巖塊的自重應力對支護產(chǎn)生作用。
[0003] 國內(nèi)外學者曾對軟巖隧道（也稱為軟弱圍巖隧道）施工后產(chǎn)生大變形的類型進行 過系統(tǒng)的研究，并從不同的角度對大變形的類型進行分類，下面對大變形隧道按其變形機 理的分類進行說明。軟巖大變形隧道按其變形機理可分為松散型、膨脹型和擠壓型三個類 型，誘發(fā)這三種類型的隧道大變形的前提條件相差較大，大變形發(fā)生后表現(xiàn)出來的變形特 征也是各不相同的。
[0004] 其中，松散型大變形出現(xiàn)在硬巖（包括巖塊強度Re > 30MPa的破碎巖體、層狀巖 體和塊狀巖體等）隧道和低地應力的淺埋隧道中，圍巖松弛過程較短，前期變形量較小，在 沒能及時提供足夠的支護反力時，圍巖變形發(fā)展到一定程度后便會松散或坍塌，由此產(chǎn)生 的圍巖松散壓力直接作用在支護結(jié)構(gòu)上，在變形時態(tài)曲線呈現(xiàn)向上反彎或"跳躍"的性態(tài)。 [0005] 膨脹型大變形隧道的變形機理簡單的說就是軟巖內(nèi)的膨脹性礦物成分在水或者 力的作用下體積增大，不斷侵入隧道凈空的現(xiàn)象。當在含膨脹性礦物的地層中開挖隧道時， 巖石遇水或吸濕之后產(chǎn)生膨脹，其量值可能遠大于巖石的彈塑性及碎脹變形量之和，由此 產(chǎn)生的膨脹性變形壓力成為誘發(fā)軟巖隧道支護破壞的一個重要原因。隧道開挖后，圍巖遇 水作用會發(fā)生物理化學反應，引起體積膨脹和力學性能的變化，在隧道周邊圍巖形成了遇 水膨脹區(qū)和穩(wěn)定區(qū)兩個不同的區(qū)域。遇水膨脹區(qū)圍巖的天然裂隙結(jié)構(gòu)、應力調(diào)整引起的圍 巖裂隙為軟巖及膨脹性礦物提供了吸水通道，加劇了圍巖的膨脹變形，最終產(chǎn)生大變形，導 致隧道結(jié)構(gòu)體的破壞。
[0006] "擠壓型大變形"發(fā)生于圍巖松弛階段，其變形機理與"松散型大變形"和"膨脹型 大變形"相差較大，并且變形過程極為復雜，國內(nèi)外大量的專家與學者對這一課題進行了大 量的研究，但擠壓型軟巖大變形隧道的修建仍是世界性難題。
[0007] 其中，具有高應力背景的軟弱圍巖變形稱為"擠壓型"變形，即高應力條件的軟弱 圍巖變形為擠壓型大變形。
[0008] 國際巖石力學學會（簡稱ISRM) "隧道擠壓性巖石專業(yè)委員會"對圍巖擠壓性作 了如下定義："擠壓型"是指圍巖具有時效的大變形；其變形具有明顯的優(yōu)勢部位和方向， 可發(fā)生在施工階段，也可能會延續(xù)較長時間。變形的本質(zhì)是巖體內(nèi)的剪應力超限而引起的 剪切蠕動，這些變形主要可以歸納為以下幾種特點：第一、變形的速度快；第二、變形量大； 第三、變形持續(xù)的時間長；第四、變形有明顯的優(yōu)勢部位和方向。目前，擠壓型大變形隧道比 較認可的破壞機理有如下三種：完全剪切破壞、彎曲破壞和剪力及滑動張裂破壞。
[0009] 軟巖（即軟弱圍巖）發(fā)生塑性變形的概率非常高，常引起隧道的凈空變小，影響正 常的隧道施工和使用。由于軟弱圍巖本身的地質(zhì)性質(zhì)結(jié)構(gòu)松散，并且穩(wěn)定性極差，這就決定 了它在隧道建設中必然會產(chǎn)生一定程度的變形。由于軟弱圍巖穩(wěn)定性較差的原因，在隧道 開挖后，使原有的地應力平衡遭到了破壞，從而導致圍巖發(fā)生變形。在施工的過程中，如果 選用的方法不當，不但會引起工程建設初期支護結(jié)構(gòu)的變形，甚至會引起隧道的塌方等安 全事故。
[0010] 圍巖變形是隧道設計的基本準則之一，也是評價隧道圍巖穩(wěn)定性的重要指標。 在較高地應力（> 25MPa)水平下發(fā)生顯著變形的中、高強工程巖體稱為高地應力軟巖 (highstressed soft rock，簡稱H型）。隧道開挖后的高地應力軟巖隧道大變形大致經(jīng)歷 三個階段：a.彈性變形階段；b.彈性變形和塑行變形共存階段；c.以蠕變?yōu)橹?，蠕變、塑?變形共存，同時伴隨圍巖損傷、斷裂、擠出及膨脹耦合作用階段，大量研究表明軟弱圍巖以 塑性變形和蠕變變形為主。
[0011] 為充分發(fā)揮圍巖自承作用，容許初期支護和圍巖有一定的變形，而將設計開挖線 作適當擴大的預留量，稱之為隧道預留變形量。預留變形量是指從隧道初期支護施工開始， 到隧道周邊位移基本穩(wěn)定時，周邊位移的累計值。
[0012] 由于軟巖具有顯著流變性、圍巖強度低的特點，同時高地應力作用下，上述特點更 加明顯，從而使隧道變形量極大、變形發(fā)展快。一旦施工控制不當或預留變形量不夠，極易 發(fā)生支護開裂、侵限問題。因此確定高地應力軟巖隧道的預留變形量就尤其重要，同時也是 極其困難的。
[0013] 對鐵路而言，隧道施工主要考慮預留變形量、施工誤差和允許超挖，施工誤差和允 許超挖一般基于施工單位經(jīng)驗確定取值范圍；隧道預留變形量的確定則相對復雜。目前對 于高地應力與極高地應力條件下的軟巖大變形隧道，沒有成熟的理論成果來確定隧道預留 變形量，而采用工程類比法時，該類隧道地質(zhì)條件極其復雜，圍巖性質(zhì)千差萬別，地應力條 件不同，導致難以取得理想效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明所要解決的技術問題在于針對上述現(xiàn)有技術中的不足，提供一種高地應力 軟弱圍巖隧道開挖預留變形量確定方法，其方法步驟簡單、實現(xiàn)方便且投入成本低、使用效 果好，能有效解決高地應力軟弱圍巖隧道的預留變形量確定難題。
[0015] 為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是：一種高地應力軟弱圍巖隧道開 挖預留變形量確定方法，其特征在于該方法包括以下步驟：
[0016] 步驟一、試驗段開挖：沿隧道縱向延伸方向，由后向前對所施工軟弱圍巖隧道的試 驗段進行開挖；開挖過程中，由后向前對開挖形成的隧道洞進行初期支護，并獲得隧道洞的 初期支護結(jié)構(gòu)；
[0017] 所施工軟弱圍巖隧道為高地應力軟巖隧道且其分為所述試驗段和位于所述試驗 段前側(cè)的后續(xù)施工段；
[0018] 步驟二、變形監(jiān)測：對所述試驗段內(nèi)N個隧道監(jiān)測斷面上的拱頂沉降值和水平凈 空收斂值分別進行監(jiān)測，并獲得分別與N個所述隧道監(jiān)測斷面對應的N組變形監(jiān)測數(shù)據(jù)；每 組所述變形監(jiān)測數(shù)據(jù)均包括監(jiān)測得到的一個所述隧道監(jiān)測斷面上初期支護結(jié)構(gòu)的拱頂沉 降值和水平凈空收斂值；
[0019] 其中，N為正整數(shù)且N彡100 ;N個所述隧道監(jiān)測斷面沿所施工軟弱圍巖隧道的縱 向延伸方向由后向前進行布設，每個所述隧道監(jiān)測斷面均為所施工軟弱圍巖隧道的一個隧 道橫斷面；
[0020] 步驟三、基于保證率的預留變形量范圍確定：所確定的預留變形量范圍包括隧道 拱部預留變形量范圍和隧道邊墻預留變形量范圍；其中，隧道拱部預留變形量范圍記作 Clni~C 1M，隧道邊墻預留變形量范圍記作C2ni~C 2M;C 1ηι為拱部預留變形量最小值，C 1M為拱部 預留變形量最大值，C2ni為隧道邊墻預留變形量最小值，C2m為隧道邊墻預留變形量最大值， Cln、C1M、C2n和C 2M的單位均為mm且其數(shù)值均為正整數(shù)；
[0021] 其中，對CJi行確定時，根據(jù)步驟二中N組所述變形監(jiān)測數(shù)據(jù)中的N個所述拱 頂沉降值，并結(jié)合公式L11彡Lni(I)和L12SLni(2)進行確定；公式⑴和⑵中，L ni為預先 設定的保證率閾值且Lni= 88%~92% ;L η為隧道拱部預留變形量為C 1ηι時的保證率，且
N11為N個所述拱頂沉降值中小于C 1ηι的所有拱頂沉降值的總數(shù)量；L 12為 隧道拱部預留變形量為Cln/時的保證率，且
N12為N個所述拱頂沉降值中 小于Cln/的所有拱頂沉降值的總數(shù)量，Cln/ = Clni-Imm ;
[0022] 對Cim進行確定時，根據(jù)步驟二中N組所述變形監(jiān)測數(shù)據(jù)中的N個所述拱頂沉降 值，并結(jié)合公式L13彡100% (3)和L 14< 100% (4)進行確定；公式（3)中，L13為隧道拱部 預留變形量為Cim時的保證率，且
N13為N個所述拱頂沉降值中小于C 1M的 所有拱頂沉降值的總數(shù)量；公式（4)中，L14為隧道拱部預留變形量為Cim'時的保證率，且
L為N個所述拱頂沉降值中小于Cim'的所有拱頂沉降值的總數(shù)量，C im' =C1M-Inun ；
[0023] 對C2ni進行確定時，根據(jù)步驟二中N組所述變形監(jiān)測數(shù)據(jù)中的N個所述水平凈空 收斂值，并結(jié)合公式L21彡Lni(5)和L22SLni(6)進行確定；公式（5)和（6)中，L ni為預先 設定的保證率閾值且Lm= 88%~92% ;L21為隧道邊墻預留變形量為C2m時的保證率，且
N21為N個所述水平凈空收斂值中小于C 2"的所有水平凈空收斂值的總數(shù) 量；L22為隧道邊墻預留變形量為C 2"'時的保證率，且
N22為N個所述水平 凈空收斂值中小于C2n/的所有水平凈空收斂值的總數(shù)量，C2n/ = C2ni-Imm ;
[0024] 對C2m進行確定時，根據(jù)步驟二中N組所述變形監(jiān)測數(shù)據(jù)中的N個所述水平凈空收 斂值，并結(jié)合公式L23彡100% (7)和L 24< 100% (8)進行確定；公式（7)中，L23為隧道邊 LlN 丄UO丄Λ 、" 兮/ 丄0 JA 墻預留變形量為C2m時的保證率，且
N23為N個所述水平凈空收斂值中小于 Cim的所有水平凈空收斂值的總數(shù)量；公式（8)中，L24為隧道邊墻預留變形量為C2m'時的保 證率，且
N24為N個所述水平凈空收斂值中小于C 1M'的所有水平凈空收