非对称主应力环境下挤压性软岩隧道围岩压力计算方法与流程

本发明涉及隧道工程领域，特别是一种适用于深部的非对称主应力环境下挤压性软岩隧道围岩压力计算方法。

背景技术：

1、围岩压力是指导隧道支护结构设计的重要依据。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散压力考虑。然而，大量的实际工程案例表明，由高地应力引发的软岩大变形属于挤压性大变形，作用于支护结构上的荷载以形变压力为主。以规范计算的围岩松动压力为依据指导高地应力深埋软岩隧道的支护结构设计，经常会导致支护刚度不足，引发支护结构发生大变形。因此，计算挤压性软岩隧道的围岩压力时应考虑围岩的形变压力。形变压力是指洞室开挖后为了阻止洞周围岩塑性变形的发展而产生的作用在支护结构上的荷载。形变压力来源于隧道开挖后伴随的应力释放过程，其大小与隧道所处的地应力环境密切相关。

2、既有研究计算深埋隧道的围岩形变压力时，都只限于针对左右对称的初始应力场，其主应力分量的方向为垂直和水平。然而，受地质构造运动的影响，深部地层的初始地应力场多是复杂变化的。我国西南、川藏地区地质构造运动强烈，岩层深部构造应力量值大，且具有明显的方向性。多次构造运动形成的构造应力场与自重应力场叠加，易形成主应力倾斜且二向不等压的非对称高地应力环境，即主应力方向偏离隧道对称轴线一定的角度，主应力分量的大小不相等。对于穿越软弱破碎地层的深埋长大隧道，非对称的高地应力环境会引发围岩产生不均匀的挤压大变形，给施工带来极大的困难。目前针对位于深部非对称主应力环境的挤压性软岩隧道，还没明确的围岩压力计算方法。

技术实现思路

1、对于目前没有明确的围岩压力计算方法，导致无法对位于深部的非对称主应力环境下挤压性软岩隧道进行施工计算的技术问题，本发明提供一种适用于深部的非对称主应力环境的挤压性软岩隧道围岩压力计算方法，以对位于深部的非对称主应力环境下挤压性软岩隧道的支护结构设计给出相关指导。

2、为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，

3、一种非对称主应力环境下挤压性软岩隧道围岩压力计算方法，包括以下步骤：

4、s1、获取初始应力场和圆形隧道半径，建立深部非对称主应力环境下隧道力学分析模型；

5、s2、获取包括黏聚力相关参数和剪胀扩容相关参数在内的围岩强度参数，并根据黏聚力相关参数建立围岩黏聚力随塑性切向应变衰减的线性软化模型，根据剪胀扩容相关参数建立剪胀扩容模型；

6、s3、计算隧道开挖后围岩塑性区半径与隧道断面径向变形的函数关系；

7、s4、基于步骤s3得到的函数关系，获取深部非对称主应力环境下隧道断面不同位置的围岩形变压力和围岩松动压力的计算式；

8、s5、将隧道断面任一位置实测的径向变形代入步骤s4的计算式中，然后将围岩形变压力和围岩松动压力的计算结果叠加，得到此时作用在该位置支护结构上的总围岩压力。

9、所述的方法，步骤s1中，初始应力场的参数包括主应力第一分量p0、主应力第二分量λp0和主应力倾角β；其中λ是主应力分量系数，β是λp0与水平线的夹角。

10、所述的方法，步骤s2中，围岩的强度参数包括弹性模量e、泊松比v、地层重度γ0、内摩擦角φ、初始黏聚力c0、残余黏聚力、黏聚力软化模量mc和剪胀扩容系数α。

11、所述的方法，步骤s2中，是根据初始黏聚力c0、残余黏聚力和黏聚力软化模量mc，来建立围岩黏聚力随塑性切向应变衰减的线性软化模型：

12、

13、其中，

14、式中，是围岩切向应变，θ表示圆形隧道断面不同位置与水平线的夹角；是围岩初始屈服时的切向应变，即围岩弹塑性交界面上的最大主应变，则是围岩的塑性切向应变；是黏聚力衰减到残余值时的围岩切向应变；是切向应变达到时围岩软化后黏聚力。

15、所述的方法，步骤s2中，根据剪胀扩容系数α和非关联流动法则，建立剪胀扩容模型为：

16、

17、式中，是围岩径向应变，是初始屈服时的径向应变，则是围岩的塑性径向应变。

18、所述的方法，步骤s3中，是根据塑性区半径，计算隧道开挖后围岩塑性区半径与隧道断面径向变形的函数关系，其中塑性区半径为断面不同位置围岩的塑性区深度与圆形隧道半径的和；则隧道断面周边不同位置围岩的塑性区深度rp与隧道断面径向变形ur0的函数关系如下：

19、

20、其中：

21、

22、

23、

24、

25、式中，r0是圆形隧道半径；p1是弹塑性交界面的接触应力。

26、所述的方法，在计算断面不同位置围岩的塑性区半径时，是基于满足以下条件来进行计算：

27、1）将隧道简化为平面应变问题处理；

28、2）围岩为均匀连续、各向同性的弹塑性体，塑性区符合莫尔—库伦强度准则；

29、3）岩体塑性变形阶段具有应变软化和剪胀扩容效应，黏聚力c随塑性切向应变增大呈线性衰减。

30、所述的方法，步骤s4中，计算深部非对称主应力环境下隧道断面不同位置的围岩形变压力pi和松动压力pa如下：

31、

32、

33、其中，是切向应变达到时围岩软化后的黏聚力，其计算公式为：

34、

35、是围岩黏聚力衰减至残余值时的临界塑性区半径，计算公式为：

36、。

37、本发明的技术效果在于，（1）本发明提出的围岩压力计算方法，考虑了深部复杂地应力场的方向性和二向不等压性，得到了引发隧道产生不均匀大变形的围岩压力，计算结果更适用于指导位于深部非对称主应力环境的挤压性软岩隧道的支护结构设计。实际应用时可根据断面不同位置的围岩压力计算结果，判断隧道的关键变形部位，对关键变形部位的围岩和支护进行针对性补强，从而提高围岩和支护结构适应非对称挤压变形的能力。

38、（2）本发明提出的围岩压力计算方法，同时考虑了围岩的形变压力和松动压力，避免了既有规范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。且本发明建立的黏聚力软化模型和剪胀扩容模型反映了软弱破碎岩体在塑性变形阶段的应变软化特性和剪胀扩容特性，使得基于此提出的围岩压力计算方法能更准确地描述深部破碎软岩的真实属性。

技术特征：

1.一种适用于深部非对称主应力环境的挤压性软岩隧道围岩压力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s1中，初始应力场的参数包括主应力第一分量p0、主应力第二分量λp0和主应力倾角β；其中λ是主应力分量系数，β是λp0与水平线的夹角。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s2中，围岩的强度参数包括弹性模量e、泊松比v、地层重度γ0、内摩擦角φ、初始黏聚力c0、残余黏聚力、黏聚力软化模量mc和剪胀扩容系数α。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤s2中，是根据初始黏聚力c0、残余黏聚力和黏聚力软化模量mc，来建立围岩黏聚力随塑性切向应变衰减的线性软化模型：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤s2中，根据剪胀扩容系数α和非关联流动法则，建立剪胀扩容模型为：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤s3中，是根据塑性区半径，计算隧道开挖后围岩塑性区半径与隧道断面径向变形的函数关系，其中塑性区半径为断面不同位置围岩的塑性区深度与圆形隧道半径的和；则隧道断面周边不同位置围岩的塑性区深度rp与隧道断面径向变形ur0的函数关系如下：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在计算断面不同位置围岩的塑性区半径时，是基于满足以下条件来进行计算：

8.根据权利要求6所述方法，其特征在于，步骤s4中，计算深部非对称主应力环境下隧道断面不同位置的围岩形变压力pi和松动压力pa如下：

技术总结
本发明公开了一种非对称主应力环境的挤压性软岩隧道围岩压力计算方法，根据初始地应力场建立深部非对称主应力环境下隧道力学分析模型；根据围岩强度参数建立围岩应变软化模型和剪胀扩容模型；计算隧道开挖后断面周边不同位置围岩的塑性区半径；计算深部非对称主应力环境下围岩形变压力和围岩松动压力；将形变压力和松动压力计算结果叠加，得到作用在支护结构上的总围岩压力。本发明提出的围岩压力计算方法，考虑了深部复杂地应力场的方向性和二向不等压性，得到了引发隧道产生不均匀大变形的围岩形变压力和松动压力，计算结果更适用于指导位于深部非对称主应力环境的挤压性软岩隧道的支护结构设计。

技术研发人员：施成华,郑可跃,赵前进,彭铸,娄义黎,贾朝军,雷明锋,黄娟
受保护的技术使用者：高速铁路建造技术国家工程研究中心
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13