一种高原铁路高地应力硬岩隧道主动支护设计方法技术

本发明专利技术公开了一种高原铁路高地应力硬岩隧道主动支护设计方法，包括以下步骤：S1：确定硬岩隧道的支护类型，并根据支护类型确定硬岩隧道的冲击载荷；S2：根据硬岩隧道的冲击载荷进行安全系数验算；S3：根据安全系数验算结果，完成硬岩隧道主动支护设计。本发明专利技术针对高地应力硬岩隧道设计施工难题，从能量释放角度推导了岩爆隧道的冲击荷载计算方法，组合松散荷载，给出岩爆隧道的荷载计算模型及支护结构设计方法，设计方法所给出的岩爆隧道支护参数能满足隧道规范最小安全系数的要求，使隧道结构处于安全状态，并具有一定的安全储备。并具有一定的安全储备。并具有一定的安全储备。

【技术实现步骤摘要】
一种高原铁路高地应力硬岩隧道主动支护设计方法


[0001]本专利技术属于隧道支护
，具体涉及一种高原铁路高地应力硬岩隧道主动支护设计方法。

技术介绍

[0002]高原铁路隧道具有大变形段落长和地应力高的特点，必然导致隧道修建过程中所面临的大变形问题将更为严峻，而现阶段已积累的大变形隧道工程经验可能并不能直接适用于地应力水平过高的情况。
[0003]高原铁路雅林段隧道穿越花岗岩、灰岩等硬质岩约394km(占比47％)，共有28座隧道存在不同程度的岩爆问题。勘察揭示色季拉山隧道实测最大水平地应力为35MPa，模拟预测拉月隧道最大水平地应力达75MPa。可以看出，高原铁路雅林段的地应力水平远超过现有隧道工程，不能再按已有工程进行类比设计。
[0004]鉴于此，本专利技术基于现有研究成果，结合工程实践，提出隧道主动支护理念及相应设计方法。基于能量法推导了岩爆隧道的冲击荷载计算方法，同时组合松散荷载，给出了岩爆隧道的荷载计算模型。

技术实现思路

[0005]本专利技术为了解决上述问题，提出了一种高原铁路高地应力硬岩隧道主动支护设计方法。
[0006]本专利技术的技术方案是：一种高原铁路高地应力硬岩隧道主动支护设计方法包括以下步骤：
[0007]S1：确定硬岩隧道的支护类型，并根据支护类型确定硬岩隧道的冲击载荷；
[0008]S2：根据硬岩隧道的冲击载荷进行安全系数验算；
[0009]S3：根据安全系数验算结果，完成硬岩隧道主动支护设计。
[0010]进一步地，步骤S1包括以下子步骤：
[0011]S11：确定硬岩隧道的支护类型，基于硬岩隧道的支护类型确定硬岩隧道的岩爆倾向性指数，并根据岩爆倾向性指数确定岩爆等级；
[0012]S12：根据不同岩爆等级，确定硬岩隧道的爆块质量和爆块冲击速度；
[0013]S13：根据硬岩隧道的爆块冲击速度，确定动荷因数；
[0014]S14：根据爆块冲击速度和动荷因数，确定硬岩隧道的冲击载荷。
[0015]进一步地，步骤S11中，岩爆倾向性指数W
et
的计算公式为：
[0016]W
et
＝Φ
SP
/Φ
ST
[0017]式中，Φ
SP
表示卸载所释放的弹性应变能，Φ
ST
表示耗损的弹性应变能；
[0018]步骤S11中，岩爆等级的确定方法为：若W
et
≥5.0，则岩爆等级为严重岩爆；若2.0≤W
et
<5.0，则岩爆等级为中低烈度岩爆；若W
et
<2.0，则岩爆等级为不发生岩爆。
[0019]进一步地，步骤S12中，确定硬岩隧道的爆块质量的具体方法为：确定不同岩爆等
级对应的岩爆影响深度，根据岩爆影响深度确定爆块体积，并根据爆块体积和爆块密度确定爆块质量；
[0020]步骤S12中，确定爆块冲击速度的具体方法为：根据爆块体积确定爆块动能，并根据爆块动能确定爆块冲击速度。
[0021]进一步地，步骤S13中，动荷因数K的计算公式为：
[0022][0023]式中，Δ表示受冲击部位的最大挠度，Δ
st
表示自重引起的挠度，v表示爆块冲击速度，g表示重力加速度。
[0024]进一步地，步骤S14中，硬岩隧道的冲击载荷q
冲击
的计算公式为：
[0025][0026]式中，K表示动荷因数，m表示爆块质量，g表示重力加速度，a表示爆块边长。
[0027]进一步地，步骤S2中，根据硬岩隧道的冲击载荷，利用荷载结构法确定安全系数。
[0028]进一步地，步骤S3中，完成硬岩隧道主动支护设计的具体方法为：判断安全系数是否大于预设的安全系数控制基准，若是则完成硬岩隧道主动支护设计，否则调整硬岩隧道的支护参数，并返回步骤S2。
[0029]本专利技术的有益效果是：本专利技术针对高地应力硬岩隧道设计施工难题，从能量释放角度推导了岩爆隧道的冲击荷载计算方法，组合松散荷载，给出岩爆隧道的荷载计算模型及支护结构设计方法，设计方法所给出的岩爆隧道支护参数能满足隧道规范最小安全系数的要求，使隧道结构处于安全状态，并具有一定的安全储备。
附图说明
[0030]图1为硬岩隧道主动支护设计方法的流程图；
[0031]图2为岩爆倾向性指数测试曲线图；
[0032]图3为释放动能占比与内摩擦角关系图；
[0033]图4为岩爆隧道荷载施加示意图；
[0034]图5为ANSYS数值计算模型示意图。
具体实施方式
[0035]下面结合附图对本专利技术的实施例作进一步的说明。
[0036]在描述本专利技术的具体实施例之前，为使本专利技术的方案更加清楚完整，首先对本专利技术中出现的缩略语和关键术语定义进行说明：
[0037]荷载结构法：指荷载结构模型认为地层对结构的作用只是产生作用在地下建筑结构上的荷载(包括主动地层压力和被动地层抗力)，衬砌在荷载的作用下产生内力和变形，与其相应的计算方法。
[0038]如图1所示，本专利技术提供了一种高原铁路高地应力硬岩隧道主动支护设计方法，包括以下步骤：
[0039]S1：确定硬岩隧道的支护类型，并根据支护类型确定硬岩隧道的冲击载荷；
[0040]S2：根据硬岩隧道的冲击载荷进行安全系数验算；
[0041]S3：根据安全系数验算结果，完成硬岩隧道主动支护设计。
[0042]在本专利技术实施例中，隧道开挖导致洞周围岩应力重分布，径向应力消失和切向应力逐渐增大，诱发洞周围岩产生表面张应力，进而发生剪切破坏，弹性势能转为动能，形成岩爆。由此可知，岩爆的形成与洞周围岩应力状态(地应力、洞室状态)和围岩属性(储存弹性势能)相关，故对于岩爆的控制，可从改善围岩应力状态和调整围岩属性两方面分析。岩爆隧道控制核心思想为：利用支护主动提供径向力，改善洞周围岩应力状态，为防止因支护滞后所致岩爆发生，强调支护力及时性。
[0043]作用在支护结构上的冲击荷载计算包括三部分，分别是释放能量的大小、爆块块体大小与速度和作用在支护结构上的荷载。
[0044]首先，通过能量分析，明确岩体中存储的应变能的大小，以及在其所释放的能量中，有多少能够转化成爆块动能。
[0045]其次，确定爆块块体大小与速度。通过对已有岩爆工程的发生特征进行调研，可以得到不同等级岩爆的爆块形态及块体大小等特征。在爆块的动能已知的前提下，采用动能计算公式，进而可以求得爆块的速度。
[0046]最后，在获得爆块块体大小和爆块速度这两个关键参数之后，就可以采用结构力学的方法计算作用在支护结构上的荷载大小。
[0047]除了因岩爆发生等级不同而使得爆块的大小和速度不同以外，作用在支护结构上的荷载大小，还与支护结构的刚度有关。即使是同一大小块体以同样的速度作用在支护结构上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高原铁路高地应力硬岩隧道主动支护设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：确定硬岩隧道的支护类型，并根据支护类型确定硬岩隧道的冲击载荷；S2：根据硬岩隧道的冲击载荷进行安全系数验算；S3：根据安全系数验算结果，完成硬岩隧道主动支护设计。2.根据权利要求1所述的高原铁路高地应力硬岩隧道主动支护设计方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下子步骤：S11：确定硬岩隧道的支护类型，基于硬岩隧道的支护类型确定硬岩隧道的岩爆倾向性指数，并根据岩爆倾向性指数确定岩爆等级；S12：根据不同岩爆等级，确定硬岩隧道的爆块质量和爆块冲击速度；S13：根据硬岩隧道的爆块冲击速度，确定动荷因数；S14：根据爆块冲击速度和动荷因数，确定硬岩隧道的冲击载荷。3.根据权利要求2所述的高原铁路高地应力硬岩隧道主动支护设计方法，其特征在于，所述步骤S11中，岩爆倾向性指数W
et
的计算公式为：W
et
＝Φ
SP
/Φ
ST
式中，Φ
SP
表示卸载所释放的弹性应变能，Φ
ST
表示耗损的弹性应变能；所述步骤S11中，岩爆等级的确定方法为：若W
et
≥5.0，则岩爆等级为严重岩爆；若2.0≤W
et
<5.0，则岩爆等级为中低烈度岩爆；若W
et
&lt...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘大刚，王明年，王志龙，严志伟，赵大铭，
申请(专利权)人：中国国家铁路集团有限公司中国铁道科学研究院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：