[发明专利]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

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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

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。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

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：

第一步：确定围岩岩体的天然应力；

第二步：确定围岩岩体的物理力学参数；

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；

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；

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；

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。

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σ_Z，具体步骤如下：