一种钻爆法隧道斜向超前预支护锚杆系统设计分析方法与流程

本发明涉及隧道和地下工程的施工，具体涉及一种钻爆法隧道斜向超前预支护锚杆系统设计分析方法。

背景技术：

1、应力场是研究隧道围岩变形与破坏、围岩与支护结构相互作用的核心问题。隧道掌子面挤出变形、拱顶塌落、钢拱架变形等灾害，均与围岩应力场密切相关。只有充分了解隧道应力场的时空分布特征，通过分析围岩初始应力场、开挖应力场和支护应力场，才能对围岩变形与破坏、围岩与支护结构之间的相互作用进行合理的、符合实际的分析，进而提出合理的支护设计与变形控制措施。初始应力场是指在未经人为扰动的状态下,隧道围岩中具有的初始应力。开挖应力场是指由于隧道掌子面向前开挖引起围岩中应力重分布出现的应力场。开挖应力场在空间分布上有一定的范围,而且随着掌子面的推进与时间的推移不断变化。支护应力场出现在与支护相接触的围岩周围,它在空间分布上范围较小,而且随着开挖活动的进行与时间的推移发生变化。上述3种应力场构成了围岩综合应力场。

2、锚杆是隧洞工程中广泛采用的支护结构之一，锚杆的加固效果已被大量工程实践所证实。目前，采用径向锚杆对围岩加固已经得到了大规模的应用，但大多是作为围岩开挖后的辅助加固手段。在隧道掌子面超前支护中，大多使用超前小导管或超前管棚进行预加固，采用斜向锚杆进行超前加固的技术并未得到大规模应用，相关的研究也较少。因此，建立斜向超前预支护锚杆支护系统定量化评价和参数优化方法，对有效评价斜锚杆的加固范围并进行相应的参数优化设计，进而指导现场超前支护施工具有重要意义。

3、然而，作为支护设计的有利支撑，如何利用科学手段有效地反映锚杆对围岩的加固效果仍是一个需要广泛讨论和研究的热点问题。通常采用解析解和数值模拟两种方法对锚杆的加固效果进行评价：(1)建立加锚岩体的本构关系，如建立锚杆与注浆体或岩体耦合及非耦合状态下的解析本构方程，此类方法虽然能较好地反应围岩与锚杆的相互作用关系，但其计算机制过于复杂；(2)采用数值模拟方法，将常规锚杆单元模型作为杆(cable)单元来处理，这种模拟方法虽然能较准确地获得锚杆轴力，但是没有考虑锚杆与岩体的联合作用，因此计算得到的锚杆对围岩的支护效果甚微，反映不出大量工程实践所揭示的锚杆强有力的支护效果。因此，目前的数值模拟研究为体现锚杆对围岩的支护效果，一般采用两种方法：①提高锚杆作用区域的围岩参数(弹性模量、粘聚力和内摩擦角等)，这样可以较好地实现模拟锚杆控制围岩变形及应力释放等作用；②将锚杆作用在垫板的力等效处理为均匀分布在隧道壁上的力(smeared approach)，以此体现锚杆对围岩的联合支护作用。

4、但是，上述两种方法存在明显问题。方法①中锚杆的加固范围并没有一个定量化的分析，很多研究都粗略地取为锚杆长度或者锚固段长度，没有相关的理论依据对加固范围的取值进行解释。事实上，锚杆作用范围是围岩—锚杆支护应力场相互作用的结果，受开挖工法、掌子面推进距离、斜锚杆长度、角度等参数的影响，是一个关于时间—空间—工法参数—锚杆设计参数等多元信息为自变量的综合函数，而非固定的单一数值函数。方法②换算后得到的面力值很小，如果不成倍数增大此面力值，锚杆对围岩的支护效果仍然不明显，这就导致要达到实际效果所需的锚杆轴力值过大，已经远超锚杆的设计抗拉强度。

技术实现思路

1、为解决上述现有技术中的不足，本发明提供一种钻爆法隧道斜向超前预支护锚杆系统设计分析方法，以分析因掌子面开挖而引起隧道围岩应力场演化为基础，通过数值模拟分析、比较不同支护条件下围岩开挖应力场，得到斜向超前锚杆支护应力场，实现了斜向锚杆影响(加固)范围的定量化描述，通过提高此范围内的围岩参数来实现锚杆对围岩支护效果的有效模拟，同时根据现场实测信息反演应力场并修正计算结果。提高研究不同工法、掌子面推进距离和锚杆参数下支护应力场演化特征，为超前支护的设计、施工提供理论基础。

2、为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种钻爆法隧道斜向超前预支护锚杆系统设计分析方法，包括以下步骤：

4、s1、统计隧道在围岩的物理力学参数、地应力场大小及方向、地层岩性产状信息；

5、s2、利用数值模拟计算得到围岩初始应力场；

6、s3、对隧道围岩采用不同工法进行模拟开挖，计算得到隧道不采用斜向超前锚杆支护系统时，开挖扰动后形成的开挖应力场σ开挖2；

7、s4、对隧道围岩采用同样的工法进行模拟开挖，计算得到隧道采用斜向超前锚杆支护系统时，开挖扰动后形成的开挖应力场σ开挖1；

8、s5、分析开挖应力场的演化特征，计算围岩应力集中比，分析超前支护对围岩应力集中的改善情况；

9、s6、计算斜向超前锚杆形成的支护应力场，分析支护应力场的演化特征；

10、σ支护＝σ开挖1-σ开挖2                       (4)

11、式中：σ支护为由于斜向超前锚杆支护形成的附加应力场，σ开挖1为有斜向超前锚杆支护时围岩开挖形成的应力场，σ开挖2为无支护时围岩开挖形成的应力场；

12、s7、对步骤s6中得到的斜向超前锚杆支护应力场采用tecplot绘图软件进行等值线的绘制，取0.1mpa等值线作为斜锚杆影响范围的界限；

13、s8、根据施工开挖工法、掌子面推进距离、锚杆设计参数确定特定断面锚杆加固范围；

14、s9、提高锚杆影响范围内的围岩参数；

15、s10、重新计算斜向超前预支护锚杆作用下加固范围内参数提高后的隧道围岩开挖应力场和开挖位移场；

16、s11、根据优化后的锚杆设计参数，反馈给施工现场进行锚杆参数的优化设计；

17、s12、根据隧道施工现场实测洞周扰动应力、监控量测位移数据反推围岩应力场，与计算得到的开挖应力场和位移场进行比较，修正计算参数并重复步骤s1-s11，重新计算，直到计算得到的开挖应力场、位移场与实测值大致相符。

18、优选的，在步骤s2、s3、s4中，通过flac3d进行计算。

19、进一步地，在步骤s3中，不同工法包括两台阶和三台阶工法。

20、进一步地，在步骤s5中，围岩应力集中比的计算方法为：

21、

22、

23、

24、式中：λx、λy、λz分别代表围岩单元x、y、z方向的应力集中比，σx、σy、σz分别代表围岩单元x、y、z方向开挖应力场下应力，σx0、σy0、σz0分别代表围岩单元x、y、z方向初始应力场下应力。

25、进一步地，在步骤s7中，大于等于0.1mpa的区域为斜向超前锚杆的影响范围，小于0.1mpa的区域为斜向超前锚杆的非影响范围。

26、进一步地，在步骤s8中，确定开挖工法的方法为：绘制不同工法下斜向超前锚杆支护应力场的影响范围图，分析两台阶和三台阶工法下斜向超前锚杆支护应力场的演化特征，比较不同工法下影响范围的差异，得到最能发挥斜向超前锚杆支护作用的开挖工法。

27、进一步地，在步骤s8中，掌子面推进距离的确定方法为：绘制斜向超前锚杆支护应力场随掌子面推进的影响范围演化图，分析随掌子面推进，斜向超前锚杆支护应力场的演化特征，得到斜向超前锚杆支护应力场的时空分布特征。

28、进一步地，在步骤s8中，锚杆设计参数的确定方法为：通过改变锚杆设计参数得到最能发挥斜向超前锚杆支护作用的长度、角度、打设范围和其他关键设计参数，绘制斜向超前锚杆支护应力场随锚杆参数变化的影响范围图，分析斜向超前预支护锚杆参数变化下斜向超前锚杆支护应力场的演化特征，得到最能发挥斜向超前锚杆支护作用的长度、角度、打设范围和其他关键设计参数。

29、与现有技术相比，本发明的有益效果有：

30、本发明以因掌子面开挖而引起隧道围岩应力场演化为基础，将应力场的时空演化分析贯彻到支护系统设计的全流程中。通过数值模拟分析、比较不同支护条件下围岩开挖应力场，得到斜向超前锚杆支护应力场，实现斜向锚杆影响范围的定量化描述，通过提高此范围内的围岩参数来实现锚杆对围岩支护效果的有效模拟，同时根据现场实测信息反演应力场并修正计算结果。本发明研究了不同工法、掌子面推进距离和锚杆参数下支护应力场演化特征，为超前支护的设计、施工提供了理论基础。