一种地下工程最佳初次支护时机确定方法技术

本发明专利技术公开一种地下工程最佳初次支护时机确定方法，提出了塑性体积率的概念，通过塑性体积率随围岩释放率的变化曲线突变点确定最佳初次支护时机，以位移释放率为纽带，结合围岩纵向变形收敛曲线，确定了用支护结构跟进掌子面距离指标作为支护时机的判据，定量明确了围岩的最佳初次支护时机，建立了基于塑性体积率的地下工程分层开挖初次支护时机确定方法，突破了以往基于位移释放率确定初次支护时机方法中位移演化临界状态难找及无法应用于地下厂房分层开挖不同层初次支护时机确定的难题，为大型地下工程分层分步开挖设计及施工提供了参考。提供了参考。提供了参考。

【技术实现步骤摘要】
一种地下工程最佳初次支护时机确定方法


[0001]本专利技术涉及隧道与地下工程领域，具体涉及一种地下工程最佳初次支护时机确定方法。

技术介绍

[0002]地下工程稳定性是地下工程建设中最需要关注的问题，其中，根据新奥法原理，最佳支护时机的含义是隧洞开挖后何时进行支护，保证既能发挥围岩的自承载能力，又能保证支护结构受力最小。支护过早，围岩自承能力得不到充分发挥，支护承载压力过大，因而提高了造价且降低了施工效率；而支护不及时，则围岩产生过度变形而失稳。因此，如何选择合适的初次支护时机直接关系到能否充分发挥围岩的自承能力，进而降低工程造价及提高施工效率。
[0003]在以往的针对地下工程开挖过程初次支护时机的研究中，学者们通过理论分析、室内试验及数值模拟、现场监测等方法对地下工程的支护时机进行了深入探索，但这些研究存在以下不足：1)理论分析存在过多的理想化假设，不能反映复杂地质条件下地下工程现场实际；此外，大多数的理论分析只能给出定性的支护时机解释，并不能得到定量的结果；2)室内试验及数值模拟大多偏向于对支护效果进行定性评价，且未能给出有效可行的控制条件或选择方法；3)利用现场监测是较常规且有效的确定支护时机的手段，但在实际操作上面临难以在爆破完成立即对围岩变形进行连续监测的困难；4)这些研究都未能给出有效可行的控制条件或选择方法，因此这些方法难以应用于实际工程中；5)现有的研究成果大多是针对隧洞开挖进行的，在应用在大型地下工程分步开挖时还具有局限性。
[0004]由于隧洞开挖时，围岩应力释放宏观表现为围岩的变形，开挖过程中围岩应力释放率与围岩变形收敛必然存在紧密的联系，部分学者基于此，以收敛
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约束法基础理论为依据，采用二维和三维数值模拟方法分析隧洞开挖后横断面和纵断面围岩的空间变形特征，提出了将位移释放率与围岩应力释放率关系曲线中位移释放率突变点作为初次支护时机确定的基础，以围岩纵向收敛变形曲线中监测断面与掌子面间距为支护时机选择判据的最佳支护时机确定方法，并应用到实际工程中，但此种方式存在以下问题：1)只适用于一般的断面较小仅需一次开挖的地下工程中；2)对于断面较大需要分层开挖的大型地下工程比如地下厂房，位移释放率随围岩应力释放率变化的趋势不明显，难以查找位移演化临界状态。
[0005]综上所述，急需一种地下工程最佳初次支护时机确定方法以解决现有技术中确定最佳支护时机的问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术目的在于提供一种地下工程最佳初次支护时机确定方法，以解决现有技术中确定最佳支护时机的问题，具体技术方案如下：
[0007]一种地下工程最佳初次支护时机确定方法，包括如下步骤：
[0008]步骤S1：根据施工资料，建立地下工程的二维和三维数值计算模型，并在二维数值
计算模型开挖断面上布置多个监测点；在三维数值计算模型轴线中心位置布置监测断面；
[0009]步骤S2：基于二维数值计算模型，对地下工程的第i层进行全断面开挖模拟，根据不同围岩应力释放率下的模拟结果确定出围岩塑性体积率突变点所对应的位移释放率；
[0010]步骤S3：基于三维数值计算模型，采用分步开挖的方式对地下工程的第i层模拟开挖，获得分步开挖过程中各监测点的位移，对各监测点的位移进行处理后得到掌子面离监测断面距离与位移释放率关系的围岩纵向收敛变形曲线；
[0011]步骤S4：根据步骤S2中确定的位移释放率，并基于步骤S3的围岩纵向收敛变形曲线，查取对应的掌子面离监测断面距离作为第i层的最佳初次支护时机；
[0012]步骤S5：采用步骤S4中获得的最佳初次支护时机对二维和三维数值计算模型施加相应的支护，获得第i层开挖和支护后的最终状态，将第i层开挖模拟后的最终状态，作为下一层开挖的初始状态；
[0013]步骤S6：令i＝i+1，重复步骤S2至步骤S5，确定第i+1层开挖的最佳初次支护时机；
[0014]步骤S7：重复步骤S6，依次确定各层开挖的最佳初次支护时机。
[0015]以上技术方案优选的，所述步骤S1中，在二维数值计算模型开挖断面上布置4个监测点。
[0016]以上技术方案优选的，所述步骤S2包括：
[0017]步骤S2.1、根据不同围岩应力释放率下的模拟结果，分别绘制横断面上围岩塑性体积率与围岩应力释放率关系曲线以及纵断面上围岩位移释放率与围岩应力释放率关系曲线；
[0018]步骤S2.2、根据围岩塑性体积率与围岩应力释放率关系曲线的陡增点确定围岩塑性体积率突变点所对应的围岩应力释放率，根据围岩应力释放率与位移释放率的关系曲线，确定出围岩塑性体积率突变点所对应的位移释放率。
[0019]以上技术方案优选的，步骤S2.1中，围岩塑性体积率ξ的定义如式1)所示：
[0020][0021]其中：V
p
为开挖后的发生塑性变形部分围岩的体积；V
E
为整个开挖进尺的体积。
[0022]以上技术方案优选的，步骤S2.2中，位移释放率λ的定义如式2)所示：
[0023]λ＝(u
x
/u
∞
)
×
100％
ꢀꢀ
2)；
[0024]其中：u
x
为任意围岩应力释放率下围岩位移量，u
∞
表示围岩应力释放率为100％下的位移量。
[0025]以上技术方案优选的，所述步骤S2.1中，通过依次施加不同的围岩应力释放率，获取第i层开挖不同围岩应力释放率下的围岩塑性体积率与围岩应力释放率关系曲线以及围岩位移释放率与围岩应力释放率关系曲线；
[0026]其中，依次施加10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％以及100％的围岩应力释放率。
[0027]以上技术方案优选的，所述步骤S3中，获得分步开挖过程中各监测点的位移，基于各监测点的位移得到位移量变化曲线，通过位移量变化曲线进行均一化处理后得到掌子面离监测断面距离与位移释放率关系的围岩纵向收敛变形曲线。
[0028]以上技术方案优选的，所述步骤S4中，根据步骤S2确定的位移释放率在围岩纵向
收敛变形曲线上对应的掌子面离监测断面距离作为最佳初次支护时机。
[0029]应用本专利技术的技术方案，具有以下有益效果：
[0030]本专利技术的最佳支护时机确定方法提出了塑性体积率的概念，通过塑性体积率随围岩释放率的变化曲线突变点确定最佳初次支护时机，以位移释放率为纽带，结合围岩纵向变形收敛曲线，确定了用支护结构跟进掌子面距离指标作为支护时机的判据，定量明确了围岩的最佳初次支护时机，建立了基于塑性体积率的地下工程分层开挖初次支护时机确定方法，突破了以往基于位移释放率确定初次支护时机方法中位移演化临界状态难找及无法应用于地下厂房分层开挖不同层初次支护时机确定的难题，为大型地下工程分层分步开挖设计及施工提供了参考；本专利技术的方法可直接应用于大型地下工程施工设计，在保证结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种地下工程最佳初次支护时机确定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1：根据施工资料，建立地下工程的二维和三维数值计算模型，并在二维数值计算模型开挖断面上布置多个监测点；在三维数值计算模型轴线中心位置布置监测断面；步骤S2：基于二维数值计算模型，对地下工程的第i层进行全断面开挖模拟，根据不同围岩应力释放率下的模拟结果确定出围岩塑性体积率突变点所对应的位移释放率；步骤S3：基于三维数值计算模型，采用分步开挖的方式对地下工程的第i层模拟开挖，获得分步开挖过程中各监测点的位移，对各监测点的位移进行处理后得到掌子面离监测断面距离与位移释放率关系的围岩纵向收敛变形曲线；步骤S4：根据步骤S2中确定的位移释放率，并基于步骤S3的围岩纵向收敛变形曲线，查取对应的掌子面离监测断面距离作为第i层的最佳初次支护时机；步骤S5：采用步骤S4中获得的最佳初次支护时机对二维和三维数值计算模型施加相应的支护，获得第i层开挖和支护后的最终状态，将第i层开挖模拟后的最终状态，作为下一层开挖的初始状态；步骤S6：令i＝i+1，重复步骤S2至步骤S5，确定第i+1层开挖的最佳初次支护时机；步骤S7：重复步骤S6，依次确定各层开挖的最佳初次支护时机。2.根据权利要求1所述的地下工程最佳初次支护时机确定方法，其特征在于，所述步骤S1中，在二维数值计算模型开挖断面上布置4个监测点。3.根据权利要求1所述的地下工程最佳初次支护时机确定方法，其特征在于，所述步骤S2包括：步骤S2.1、根据不同围岩应力释放率下的模拟结果，分别绘制横断面上围岩塑性体积率与围岩应力释放率关系曲线以及纵断面上围岩位移释放率与围岩应力释放率关系曲线；步骤S2.2、根据围岩塑性体积率与围岩应力释放率关系曲线的陡增点确定围岩塑性体积率突变点所对应的围岩应力释放率，根据围岩应力释放率与位移释放率的...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾朝军，冯业林，赵富刚，陈光明，张强，谭彬，刘小岩，戴梁，杨肖锋，范雪枫，程伟，黄青富，
申请(专利权)人：华能澜沧江水电股份有限公司中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司中南大学，
类型：发明
国别省市：