[发明专利]高地应力软岩隧道支护结构设计方法、计算机装置及产品

说明书

本发明公开了一种高地应力软岩隧道支护结构设计方法、计算机装置及产品，确定隧道工程参数和围岩强度参数；计算高地应力深埋软岩隧道围岩形变压力和松动压力；确定高地应力深埋软岩隧道围岩特征曲线；拟定初期支护的设计参数，计算得到初期支护的支护特征曲线；检算初期支护的内力和变形；在初期支护内侧增设第二层钢拱架，计算得到不同支护时机和不同支护参数下第二层钢拱架的支护特征曲线；检算不同支护方案下第二层钢拱架的内力和变形，比选得到最优的支护结构设计方案。本发明提出的支护结构设计方法考虑了围岩的形变压力和松动压力，与现有规范相比更适合应用于高地应力深埋软岩隧道的支护结构设计。

技术领域

本发明涉及隧道工程领域，具体涉及一种适用于高地应力深埋软岩隧道的支护结构设计方法。

背景技术

高地应力深埋软岩隧道的支护结构设计问题一直困扰着广大隧道建设者。目前隧道复合式衬砌结构的设计主要采用荷载结构法，首先计算围岩压力，然后检算支护结构在围岩压力的作用下是否满足变形和强度的要求。根据《铁路隧道设计规范》(TB10003-2016)，深埋隧道的围岩压力计算按松动压力考虑，将隧道周围松动破坏的岩土体自重作为确定围岩压力的依据。然而，大量实际工程案例表明，由高地应力引发的软弱围岩大变形属于挤压性大变形，作用于支护结构上的围岩压力除松动压力外，主要为形变压力。以规范计算的围岩松动压力为依据进行支护结构设计，经常导致支护刚度不足，造成初期支护混凝土开裂侵限，钢拱架扭曲变形，严重情况还会使二次衬砌开裂压溃。因此，既有的支护结构设计方法对高地应力深埋软岩隧道具有明显的不适用性。

此外，目前“让抗结合，刚柔并济”的支护结构体系设计理念在诸多高地应力深埋软岩隧道工程中得到实践。即在早期支护结构允许围岩有一定的变形，以降低施工期作用在支护结构上的形变压力。在后期为保证隧道稳定，支护结构需具有足够大的刚度以防止围岩的松动破坏。隧道支护结构的“让压”通常采用加大预留变形量和采用让压支护结构实现。常见的让压支护结构包括可缩式钢拱架、可压缩缓冲层、恒阻吸能锚杆等。提高支护结构的“抗压”能力，通常采用增加混凝土厚度、减少钢拱架间距、增加支护层数等手段加强初期支护的整体刚度。然而，对于围岩让压程度和支护抗压能力的量化问题，实际工程应用中还没有明确的设计计算方法。若围岩的让压程度不足、抗压支护过早，围岩释放的变形能仍然会使支护结构发生破坏；若围岩的让压程度过大、支护的抗压能力不足，围岩的松动范围会快速扩展，过大的松动压力会使支护结构的变形同样难以控制。

综上，既有的支护结构设计方法对高地应力深埋软岩隧道具有明显的不适用性。且实际工程中，虽然“让抗结合”的变形控制理念已在高地应力深埋软岩隧道工程中深入实践，但对支护结构让压程度及支护刚度的确定仍以经验类比为主，难以保证支护设计方案的有效性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种高地应力软岩隧道支护结构设计方法、计算机装置及产品，适用于高地应力深埋软岩隧道，避免实际工程中因只考虑围岩松动压力而导致的支护结构设计强度不足。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种隧道支护结构设计方法，包括以下步骤：

S1、确定隧道的工程参数和围岩的强度参数；

S2、利用隧道的工程参数和围岩的强度参数计算高地应力深埋软岩隧道围岩形变压力，得到围岩形变压力特征曲线，计算高地应力深埋软岩隧道围岩松动压力，得到围岩松动压力特征曲线；

S3、将围岩形变压力特征曲线和松动压力特征曲线叠加，得到高地应力深埋软岩隧道总围岩特征曲线；

S4、拟定初期支护的设计参数和预留变形量，利用初期支护的设计参数计算支护结构的支护刚度和最大承载力，确定支护设置前洞壁的径向位移u₀，得到初期支护的支护特征曲线；