用于层状软岩的高地应力大变形隧道支护体系及施工方法与流程

本发明涉及隧道施工，具体涉及一种用于层状软岩的高地应力大变形隧道支护体系及施工方法。

背景技术：

1、复杂地质条件区域，隧道会呈现出超长、埋深大、跨度大等特点，使得高地应力软岩大变形成为了困扰隧道施工与设计的重大工程问题之一。软岩大变形隧道施工过程造价较高，支护体系存在较强或较弱问题，施工方法仍然不成体系，由于支护参数与开挖方法不合理造成的隧道换拱与支护开裂造成巨大的经济浪费。大变形软岩以层状砂岩与板岩为主，具有低强度、强流变性、开挖后应力重分布的持续时间长、变形的收敛持续时间也较长等特点，最大隧道变形达米级，易造成支护结构出现初支开裂、剥落，钢架扭曲、坍塌，二衬脱落等多种破坏形式。隧道支护参数与施工方法合理时，隧道变形与围岩压力在支护封闭后都能够得到控制，反之则致使支护结构破坏，因此合理的层状软岩高地应力大变形隧道支护体系与施工方法成为技术关键。

2、目前软岩大变形分级与分类技术体系已经较为成熟，前者常分为强度应力比分级法、初始地应力分级法、相对变形分级法、综合分级法等，后者常分为岩性控制型、结构控制型、开挖扰动控制型等。软岩大变形机理研究取得了一些成果，但是仍需要从根本上得到认知突破，目前认为软岩大变形可能原因有三种，膨胀岩作用、高地应力作用和局部水压及气压力的作用，也可以分为九种，围岩塑流、膨胀变形、层状岩体的板梁弯曲变形、塑性楔体、结构性流变、累进松脱扩展、差异性松脱、倾斜沉降变形和垂直沉降变形等。对于软岩大变形控制理念分为刚性控制型与柔性控制型，前者多采用大刚度支护和衬砌结构及大范围围岩加固，后者多采用多重支护、可缩式支护、分阶段综合控制等，目前变形控制技术体系不完整，遇到问题时缺乏统筹和综合考虑，往往处理过于简单，容易造成措施失效，引发不良后果。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于层状软岩的高地应力大变形隧道支护体系及施工方法，以解决现有方法存在的支护措施容易失效的缺陷，在保证隧道安全施工的同时降低造价。

2、为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

3、用于层状软岩的高地应力大变形隧道支护体系，所述体系包括双层初期支护、二次衬砌、系统锚杆和预应力锚索；

4、所述系统锚杆和所述预应力锚索沿隧道环向部分布设，位于垂直于层状软岩层理角度方向的隧道拱部或隧道边墙。

5、进一步地，层状软岩层理角度方向为水平方向时，所述系统锚杆和所述预应力锚索布设在隧道拱部。

6、或者，层状软岩层理角度方向为倾斜方向时，所述系统锚杆和所述预应力锚索布设在部分隧道拱部和部分隧道边墙，并垂直于层状软岩层理角度方向。

7、或者，层状软岩层理角度方向为垂直方向时，所述系统锚杆和所述预应力锚索布设在两侧的隧道边墙。

8、进一步地，所述体系还包括超前小导管，所述超前小导管布设在隧道拱部。

9、进一步地，所述双层初期支护包括外层的第一层初期支护和内层的第二层初期支护，内层的所述第二层初期支护与二次衬砌之间设置有缓冲层。

10、另一方面，提供用于层状软岩的高地应力大变形隧道支护体系的施工方法，所述方法包括：

11、在隧道掌子面施作地应力释放孔，之后通过岩层定向压力测试判断层状软岩层理角度方向；

12、施作隧道超前小导管；

13、开挖隧道；

14、施作双层初期支护，根据层状软岩层理角度方向布设系统锚杆和预应力锚索；层状软岩层理角度方向为水平方向时，系统锚杆和预应力锚索布设在隧道拱部；层状软岩层理角度方向为倾斜方向时，系统锚杆和预应力锚索布设在部分隧道拱部和部分隧道边墙，并垂直于层状软岩层理角度方向；层状软岩层理角度方向为垂直方向时，系统锚杆和预应力锚索布设在两侧的隧道边墙；

15、施做缓冲层，之后施作二次衬砌，继续下一个循环进尺。

16、进一步地，地应力释放孔施做于隧道掌子面的中央，共设置九个，呈矩阵式布置。

17、进一步地，通过岩层定向压力测试判断层状软岩层理角度方向，包括：

18、通过地应力释放孔释放掌子面地应力；

19、通过岩层定向压力测试，获得局部坐标系下的三向主应力与切应力；

20、对局部坐标系下的三向主应力与切应力进行坐标转换，获得主坐标系下的三向主应力与切应力，转换过程为：

21、

22、其中：

23、l1为主坐标x与x’的的夹角余弦；

24、l2为主坐标x与y’的的夹角余弦；

25、l3为主坐标x与z’的的夹角余弦；

26、m1为主坐标y与x’的的夹角余弦；

27、m2为主坐标y与y’的的夹角余弦；

28、m3为主坐标y与z’的的夹角余弦；

29、n1为主坐标z与x’的的夹角余弦；

30、n2为主坐标z与y’的的夹角余弦；

31、n3为主坐标z与z’的的夹角余弦；

32、σx为主坐标系下水平最小主应力；

33、σy为主坐标系下水平最大主应力；

34、σz为主坐标系下垂直主应力；

35、σx'为局部坐标系下水平最小主应力；

36、σy'为局部坐标系下水平最大主应力；

37、σz'为局部坐标系下垂直主应力；

38、τxy为主坐标系下上下两个表面切应力；

39、τyz为主坐标系下前后两个表面切应力；

40、τxz为主坐标系下左右两个表面切应力；

41、τx'y'为局部坐标系下上下两个表面切应力；

42、τy'z'为局部坐标系下前后两个表面切应力；

43、τx'z'为局部坐标系下左右两个表面切应力；

44、以主坐标系下水平最大主应力校核层状软岩层理角度方向，层状软岩层理角度方向垂直于主坐标系下水平最大主应力方向。

45、进一步地，开挖隧道采用台阶法、三台阶法或预留核心土的三台阶法进行施工，每个台阶底部的两侧布设锁脚锚杆。

46、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

47、1、本发明首次提出了适用于不同等级大变形的各向异性层状软岩的隧道支护体系，对于层状软岩变形主要发生在垂直层理角度方向上特点，在此方向设置预应力锚索加强支护，针对性较强，可行性较高。

48、2、本发明在设计隧道支护体系时，以让压理念为技术核心，首先进行掌子面地应力释放，设置双层初支，充分释放围岩压力，减小支护结构上围岩压力，设置预应力锚索与加筋二衬以保证支护结构整体刚度，具有较好施工效果。

49、3、本发明的隧道支护体系，取消了不受力或机理上受力较小的平行于或近似平行于层理角度方向上系统锚杆，可以减小在软岩层理角度方向上的隧道开挖扰动，节省部分造价，经济效益好。

50、4、本发明的隧道支护体系及施工方法，能结合隧道变形与围岩压力的现场监测数据进行实时动态调整，直到满足控制标准后总结一套技术体系并进行推广，具有灵活性较高，适应性较强特点。