一种公路隧道锚杆支护设计方法技术

本发明专利技术为一种公路隧道锚杆支护设计方法，其特征在于：所述的公路隧道锚杆支护设计方法是基于岩体节理特征与爆破振动效应设计的，所述的公路隧道锚杆支护设计方法的实施步骤如下：步骤（1）构建三维数字数值一体化模型；步骤（2）提出锚杆支护初步方案；步骤（3）动态确定适合工程的锚杆支护方案与参数；步骤（4）构建公路隧道锚杆支护智能设计数据库；步骤（5）逐步提高设计方案及其所构建的数据库的工程应用性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种公路隧道的锚杆支护设计，特别是公开一种基于岩体节理特征与爆破振动效应的公路隧道锚杆支护设计方法。
技术介绍
锚杆支护是隧道支护体系的重要一环，锚杆设计参数是否合理直接影响着建设阶段与运营阶段的结构安全问题。当前依据国内公路隧道设计规范进行隧道锚杆支护设计时，仅以围岩级别为重点考虑因素，单纯的依据围岩级别给出推荐的支护形式与支护参数，同时全断面采取均一化参数。而工程经验表明，围岩节理特征（走向、倾向、倾角）、施工工法以及爆破参数对隧道的支护方式和稳定性也存在影响较大，进行锚杆设计时忽略围岩节理特征、施工工法、爆破参数的影响，极易造成过度经济浪费或安全隐患。国内外部分研究提到了岩体特征对支护参数的影响，但未进行较为系统的研究，且未量化研究爆破振动对裂隙扩展、围岩松动圈的范围、支护参数的影响。现有的公路隧道锚杆支护设计设计周期较长，可操作性较弱。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有技术的缺陷，提供一种公路隧道锚杆支护设计方法，所述的公路隧道锚杆支护设计方法是基于岩体节理特征与爆破振动效应设计的，通过构建公路隧道锚杆支护智能设计数据库，以有效解决现行规范、标准难以量化分析节理特征及开挖爆破扰动影响的技术难点，从而避免实际工程中出现材料严重浪费、支护结构安全性不足的问题。本专利技术是这样实现的：一种公路隧道锚杆支护设计方法，其特征在于：所述的公路隧道锚杆支护设计方法是基于岩体节理特征与爆破振动效应设计的，所述的公路隧道锚杆支护设计方法的实施步骤如下：A、步骤（1）构建三维数字数值一体化模型：通过节理发育产状精细化描述，重构隧址区三维网络模型，赋予其围岩、节理面关键力学参数，构建三维数字数值一体化模型；B、步骤（2）提出锚杆支护初步方案：针对三维数字模型，运用块体理论分析方法，开展关键块体检索计算，分析不同锚杆支护方案、参数下围岩稳定安全系数，快速提出合理的锚杆支护初步方案；C、步骤（3）动态确定适合工程的锚杆支护方案与参数：针对三维数值计算模型，通过现场测试、工程调研，确定爆破参数；随后基于离散元分析，确定隧道开挖、循环爆破条件下围岩节理扩展规律，探明节理裂隙扩展前后的松动圈范围、围岩压力分布特征，提出松动圈范围围岩及节理面强度折减系数；量化分析不同锚杆支护参数下结构受力变形特性与围岩稳定安全系数，动态确定适合工程的锚杆支护方案与参数；D、步骤（4）构建公路隧道锚杆支护智能设计数据库：为推广应用，通过调研、分析，构建不同地质条件、爆破参数的组合工况，开展步骤（2）和步骤（3）的正交试验，建立不同地质条件、爆破参数下支护参数与结构变形、围岩稳定特性的对应关系，构建公路隧道锚杆支护智能设计数据库，依据勘察资料快速检索最优支护方案，直接指导设计：（a）若隧道工程勘察资料揭示的地质条件及施工方案在步骤（4）所构建的公路隧道锚杆支护智能设计数据库中找到匹配项，则直接提取对应的锚杆支护方案与参数，形成设计方案；（b）若隧道工程勘察资料揭示的地质条件及施工方案在步骤（4）所构建的公路隧道锚杆支护智能设计数据库中无法找到匹配项，则应在设计阶段，基于地勘资料初步构建隧址区三维网络模型，按步骤（2）初步确定锚杆设计方案；在施工阶段，依次执行步骤（1）～步骤（3），动态、量化设计锚杆支护参数，指导实际施工；E、步骤（5）逐步提高设计方案及其所构建的数据库的工程应用性：实际建设阶段，对于上述提出的锚杆支护方案，均应开展现场监测及动态反馈工作，修正、完善提出的设计方案及数据库，逐步提高设计方案及其所构建的数据库的工程应用性。所述的步骤（1）构建三维数字数值一体化模型中的节理发育产状精细化描述包括优势节理走向、倾向、倾角、组数、贯通度、填充物、节理面粘聚力、节理面内摩擦角及掌子面出水形态；除统计掌子面横向揭露的节理特征外，还必须考虑沿隧道轴向的纵向发育节理：A、节理物理参数通过掌子面地质素描获取，结合数理统计，确定优势节理及其产状；B、节理力学参数通过现场或室内力学试验三轴剪切获取；C、围岩块体力学参数依据地勘资料、工程经验及必要的室内测试点荷载强度试验和三轴剪切获取。所述的步骤（1）构建三维数字数值一体化模型中重构的隧址区三维网络模型提供围岩及节理面力学参数接口，利用三维可视化平台将数字模型直接导出为数值仿真计算模型，进行结构受力、变形分析，使得三维数字数值模型一体化，分析结果可直接对比、验证。所述的步骤（2）提出锚杆支护初步方案中将块体理论应用于不同锚杆支护方案的合理性快速分析领域，利用赤平投影解析法探索开挖后临空面关键块体的分布位置，明确重点支护部位；计算不同锚杆支护参数下的关键块体安全系数，结合工程造价、施工进度分析几种推荐方案的合理性，提出初步的锚杆支护方案。所述的步骤（3）动态确定适合工程的锚杆支护方案与参数中针对三维数值计算模型，将调研、现场测试获取的爆破参数代入三维数值计算模型，分析隧道开挖卸荷以及爆破震动效应下围岩节理扩展过程、松动圈发展趋势，基于应力应变特征，明确爆破扰动后松动圈范围及围岩压力分布形式，提出松动圈范围内围岩及节理面力学强度的折减系数；基于上述提出的松动圈内围岩及节理面力学强度折减系数，调整三维数值计算模型，分析、优化步骤（2）提出的锚杆支护初步方案的结构受力变形特性与围岩稳定安全系数，量化锚杆支护参数对节理裂隙扩展的抑制作用，建立其与围岩稳定性的对应关系，最终提出合理的锚杆支护设计方案；技术要点如下：A、节理扩展过程模拟：综合考虑裂缝尖端因子与节理面最大拉应力、剪应力准则，形成自主提出的裂缝新生判断及扩展准则，基于fish语言对离散元软件3DEC进行二次开发，通过应力应变分析，实现断续节理扩展及围岩新生裂隙的模拟；B、提出松动圈内围岩及节理面力学强度折减系数：将折减系数法应用于爆破振动效应分析领域，通过应力分布规律及应力强度比值，以不考虑爆破情况的自重及开挖效应下的围岩变形与考虑爆破扰动的围岩变形基本一致为判据，通过反分析模式，计算松动圈范围内的围岩、节理面力学强度折减系数，为后期支护参数量化分析提供数据支持。所述的步骤（4）构建公路隧道锚杆支护智能设计数据库中的地质条件包括节理特征、水文因素；所述的步骤（4）构建公路隧道锚杆支护智能设计数据库中的爆破参数为波速、爆破扰动范围和爆破次数；所述的步骤（4）构建公路隧道锚杆支护智能设计数据库中的施工方案为施工工法和爆破参数；所述的步骤（4）构建公路隧道锚杆支护智能设计数据库中对围岩节理特征、施工工法、爆破参本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种公路隧道锚杆支护设计方法，其特征在于：所述的公路隧道锚杆支护设计方法是基于岩体节理特征与爆破振动效应设计的，所述的公路隧道锚杆支护设计方法的实施步骤如下：A、步骤（1）构建三维数字数值一体化模型：通过节理发育产状精细化描述，重构隧址区三维网络模型，赋予其围岩、节理面关键力学参数，构建三维数字数值一体化模型；B、步骤（2）提出锚杆支护初步方案：针对三维数字模型，运用块体理论分析方法，开展关键块体检索计算，分析不同锚杆支护方案、参数下围岩稳定安全系数，快速提出合理的锚杆支护初步方案；C、步骤（3）动态确定适合工程的锚杆支护方案与参数：针对三维数值计算模型，通过现场测试、工程调研，确定爆破参数；随后基于离散元分析，确定隧道开挖、循环爆破条件下围岩节理扩展规律，探明节理裂隙扩展前后的松动圈范围、围岩压力分布特征，提出松动圈范围围岩及节理面强度折减系数；量化分析不同锚杆支护参数下结构受力变形特性与围岩稳定安全系数，动态确定适合工程的锚杆支护方案与参数；D、步骤（4）构建公路隧道锚杆支护智能设计数据库：为推广应用，通过调研、分析，构建不同地质条件、爆破参数的组合工况，开展步骤（2）和步骤（3）的正交试验，建立不同地质条件、爆破参数下支护参数与结构变形、围岩稳定特性的对应关系，构建公路隧道锚杆支护智能设计数据库，依据勘察资料快速检索最优支护方案，直接指导设计：（a）若隧道工程勘察资料揭示的地质条件及施工方案在步骤（4）所构建的公路隧道锚杆支护智能设计数据库中找到匹配项，则直接提取对应的锚杆支护方案与参数，形成设计方案；（b）若隧道工程勘察资料揭示的地质条件及施工方案在步骤（4）所构建的公路隧道锚杆支护智能设计数据库中无法找到匹配项，则应在设计阶段，基于地勘资料初步构建隧址区三维网络模型，按步骤（2）初步确定锚杆设计方案；在施工阶段，依次执行步骤（1）～步骤（3），动态、量化设计锚杆支护参数，指导实际施工；E、步骤（5）逐步提高设计方案及其所构建的数据库的工程应用性：实际建设阶段，对于上述提出的锚杆支护方案，均应开展现场监测及动态反馈工作，修正、完善提出的设计方案及数据库，逐步提高设计方案及其所构建的数据库的工程应用性。...

【技术特征摘要】
1.一种公路隧道锚杆支护设计方法，其特征在于：所述的公路隧道锚杆支护设计方法
是基于岩体节理特征与爆破振动效应设计的，所述的公路隧道锚杆支护设计方法的实施步
骤如下：
A、步骤（1）构建三维数字数值一体化模型：通过节理发育产状精细化描述，重构隧址区
三维网络模型，赋予其围岩、节理面关键力学参数，构建三维数字数值一体化模型；
B、步骤（2）提出锚杆支护初步方案：针对三维数字模型，运用块体理论分析方法，开展
关键块体检索计算，分析不同锚杆支护方案、参数下围岩稳定安全系数，快速提出合理的锚
杆支护初步方案；
C、步骤（3）动态确定适合工程的锚杆支护方案与参数：针对三维数值计算模型，通过现
场测试、工程调研，确定爆破参数；随后基于离散元分析，确定隧道开挖、循环爆破条件下围
岩节理扩展规律，探明节理裂隙扩展前后的松动圈范围、围岩压力分布特征，提出松动圈范
围围岩及节理面强度折减系数；量化分析不同锚杆支护参数下结构受力变形特性与围岩稳
定安全系数，动态确定适合工程的锚杆支护方案与参数；
D、步骤（4）构建公路隧道锚杆支护智能设计数据库：为推广应用，通过调研、分析，构建
不同地质条件、爆破参数的组合工况，开展步骤（2）和步骤（3）的正交试验，建立不同地质条
件、爆破参数下支护参数与结构变形、围岩稳定特性的对应关系，构建公路隧道锚杆支护智
能设计数据库，依据勘察资料快速检索最优支护方案，直接指导设计：
（a）若隧道工程勘察资料揭示的地质条件及施工方案在步骤（4）所构建的公路隧道锚
杆支护智能设计数据库中找到匹配项，则直接提取对应的锚杆支护方案与参数，形成设计
方案；
（b）若隧道工程勘察资料揭示的地质条件及施工方案在步骤（4）所构建的公路隧道锚
杆支护智能设计数据库中无法找到匹配项，则应在设计阶段，基于地勘资料初步构建隧址
区三维网络模型，按步骤（2）初步确定锚杆设计方案；在施工阶段，依次执行步骤（1）～步骤
（3），动态、量化设计锚杆支护参数，指导实际施工；
E、步骤（5）逐步提高设计方案及其所构建的数据库的工程应用性：实际建设阶段，对于
上述提出的锚杆支护方案，均应开展现场监测及动态反馈工作，修正、完善提出的设计方案
及数据库，逐步提高设计方案及其所构建的数据库的工程应用性。
2.根据权利要求1所述的一种公路隧道锚杆支护设计方法，其特征在于：所述的步骤
（1）构建三维数字数值一体化模型中的节理发育产状精细化描述包括优势节理走向、倾向、
倾角、组数、贯通度、填充物、节理面粘聚力、节理面内摩擦角及掌子面出水形态；除统计掌
子面横向揭露的节理特征外，还必须考虑沿隧道轴向的纵向发育节理：
A、节理物理参数通过掌子面地质素描获取，结合数理统计，确定优势节理及其产状；
B、节理力学参数通过现场或室内力学试验三轴剪切获取；
C、围岩块体力学参数依据地勘资料、工程经验及必要的室内测试点荷载强度试验和三
轴剪切获取。
3.根据权利要求1所述的一种公路隧道锚杆支护设计方法，其特征在于：所述的步骤
（1）构建三维数字数值一体化模型中重构的隧址区三维网络模型提供围岩及节理面力学参
数接口，利用三维...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭吉平，冉茂学，刘学增，周森，朱文轩，桑运龙，周若阳，孙州，杨帆，
申请(专利权)人：同济大学，贵州独平高速公路有限公司，贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，上海同岩土木工程科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31