一种单洞四车道公路隧道围岩稳定性分级方法

技术领域

本发明属于隧道工程围岩技术领域，尤其涉及一种单洞四车道公路隧道围岩稳定性分级方法。

背景技术

围岩分级是依照各种围岩的物理性质之间存在的内在联系和规律，将围岩划分为若干个等级，在目前的围岩分级方法中，作为分级的基本要素大致有四类：1、与岩性有关的要素；2、与地质构造有关的要素；3、与地下水有关的要素；4、与隧道跨度和施工方法有关的要素。

目前公路隧道规范中提供的围岩分级方法是采用定量计算与定性分析相结合的综合方法，主要采用两步分级：首先根据岩石的坚硬程度和岩体完整程度计算得到岩体基本质量指标BQ，进行初步分级；然后在岩体基本质量分级基础上，考虑地下水影响、主要软弱结构面产状影响、初始应力状态影响，修正BQ值，得到基本质量指标修正值[BQ]，再结合岩体的定性特征进行综合评判，确定围岩的详细分级。此种分级方法仅考虑了四类分级基本要素中的三种，并未考虑到与隧道跨度和施工方法有关的要素。

而对于单洞四车道公路隧道，其开挖跨度大且截面扁平，属于超大断面扁平隧道，且单洞四车道公路隧道开挖后围岩应力复杂，应力重分布范围大，拱部和仰拱部位易出现受拉区，施工力学复杂，需根据设计情况选择适合的施工方法，而目前的施工方法选择缺乏有效依据，若对于不同的围岩级别，选择了不合适的施工工法，将会导致施工费用和工期的增加，同时也会对施工人员的安全造成影响。

因此希望有一种围岩稳定性分级修正方法可以将单洞四车道公路隧道的开挖跨度及施工工法纳入考虑，得到更加贴合实际描述的单洞四车道公路隧道围岩稳定性分级，并对不同围岩级别的施工工法选择给出依据。

发明内容

为解决现有超大断面扁平隧道的围岩稳定性分级问题，本发明提供一种单洞四车道公路隧道围岩稳定性分级方法。

本发明的一种单洞四车道公路隧道围岩稳定性分级方法，包括以下步骤：

步骤1：获取实际工程隧道开挖的埋深和断面尺寸。

步骤2：将现有规范提供的II～V级围岩的物理力学参数范围等分为若干个围岩条件由好到差的工况，同时将规范提供的II～V级围岩BQ值范围划分为同样的工况数，与力学参数的工况一一对应。

步骤3：对步骤1所述的隧道采用有限元或有限差分计算软件进行数值模拟，且围岩物理参数的选取按围岩条件由好到差的顺序依次设置为步骤2中划分的工况。

步骤4：记录各计算工况下围岩的损伤情况和破坏特征。

步骤5：根据围岩的损伤情况和破坏特征进行单洞四车道公路隧道围岩的稳定性分级并选择合适的开挖方法。

进一步的，步骤4中围岩的破坏特征分为三类：(1)围岩出现显著的塑性区使围岩损伤加剧；(2)拱部出现受拉区致使围岩局部失稳；(3)基底承载力不足导致结构整体失稳。

进一步的，步骤5中根据围岩破坏特征将围岩的稳定性分级的三个判别指标分为为塑性区骤增、隧道拱顶围岩出现受拉区、隧道基底位移骤增。

进一步的，步骤5中，由于考虑围岩工况由好到差，因此工法选择由简单到复杂，当围岩条件为Ⅱ级围岩采用全断面法、Ⅲ级围岩采用台阶法、Ⅳ级围岩采用CD法、Ⅴ级围岩采用CRD法。

本发明的有益技术效果为：

本发明解决了现有分级技术中未考虑隧道开挖跨度和施工方法有关要素的问题，提高了单洞四车道公路隧道围岩分级的准确性以及实用性，根据不同围岩级别采用不同开挖方法，为实际工程隧道施工方法的选择提供了依据。

附图说明

图1为本发明单洞四车道公路隧道围岩稳定性分级方法流程示意图。

图2为本发明通过围岩破坏过程确定的围岩分级和施工方法选择的流程示意图。

图3为本发明单洞四车道公路隧道III、IV、V级围岩开挖方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明的一种单洞四车道公路隧道围岩稳定性分级方法流程如图1所示，具体为：

步骤1：获取实际工程隧道开挖的埋深和断面尺寸。

步骤2：将现有规范提供的II～V级围岩的物理力学参数范围等分为若干个围岩条件由好到差的工况，同时将规范提供的II～V级围岩BQ值范围划分为同样的工况数，与力学参数的工况一一对应。

步骤3：对步骤1所述的隧道采用有限元或有限差分计算软件进行数值模拟，且围岩物理参数的选取按围岩条件由好到差的顺序依次设置为步骤2中划分的工况。

步骤4：记录各计算工况下围岩的损伤情况和破坏特征。

步骤5：根据围岩的损伤情况和破坏特征进行单洞四车道公路隧道围岩的稳定性分级并选择合适的开挖方法。

单洞四车道公路隧道在开挖过程中，隧道结构破坏可以概括为局部破坏以及整体失稳两种情况。当围岩条件好时，围岩出现的损伤区较小，以塑性区来看即塑性区面积较小，具有较好的自稳能力，随着围岩条件由好到差，围岩损伤加剧，塑性区面积也会逐渐增大，说明围岩的自承载能力不足，需要外界提供更强的支护；同时由于单洞四车道公路隧道断面大，截面扁平，隧道拱顶更易出现受拉区，围岩发生局部失稳，出现衬砌结构破坏、拱顶掉块、崩落等危害；而当围岩条件很差时，隧道所在基岩的承载力低，隧道开挖造成的应力重分布超出其承受能力，支护结构可能发生整体失稳，初期支护出现整体下沉、错台等现象。

故将隧道开挖围岩的破坏特征分为三类：(1)围岩出现显著的塑性区使围岩损伤加剧；(2)拱部出现受拉区致使围岩局部失稳；(3)基底承载力不足导致结构整体失稳。

进一步的，根据围岩破坏特征将围岩的稳定性分级的三个判别指标分为为塑性区骤增、隧道拱顶围岩出现受拉区、隧道基底位移骤增。

一种单洞四车道公路隧道围岩稳定性分级方法仅考虑Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩分级，围岩条件好的Ⅰ、Ⅱ级围岩能够充分发挥围岩的自承能力，沿用规范即可；Ⅵ级围岩条件太差，单洞四车道大断面扁平隧道的修建难度过大，多数情况下选择绕行方案，因此也不做分析。

确定围岩分级和施工方法选择的流程如图2所示。具体为：

(1)因为前面工况的围岩条件很好，具有较强的自稳能力，步骤3中隧道开挖方法首先为全断面法，考虑最不利情况为无支护时，计算模型采用毛洞开挖。

(2)当某一工况下围岩的损伤区，即塑性区出现显著的增加时，此时的工况对应的围岩的物理力学参数即作为II、III级围岩分级指标，该工况下的BQ值即为II、III级围岩的分级。因为，此时隧道的塑性区较大或洞周均存在塑性区，表明必须采用更为保守的开挖方式，此时全断面开挖已不合适。

在确定好II、III级围岩分级指标后，步骤3中之后的工况隧道开挖改为台阶法开挖，以减小隧道开挖对围岩的扰动，数值计算时仅开挖上台阶来模拟此过程。

(3)当隧道拱部出现受拉区，围岩发生局部破坏，此时的工况对应的围岩的物理参数即作为III、IV级围岩分级指标，该工况下的BQ值即为III、IV级围岩的分级。由于隧道拱部围岩出现受拉破坏，易发生松动掉块，表明继续采用台阶法开挖已不合适，需要在拱顶部位施加一个竖向支撑力，即竖撑。

在确定好III、IV级围岩分级指标后，所述步骤(3)中之后的工况隧道开挖改为CD法开挖，在开挖过程中通过临时竖撑支撑隧道拱部破坏的围岩，数值模拟时采用开挖上台阶加临时竖撑以及施作初期支护来模拟此过程。

(4)当出现隧道基底承载力不足，即结构存在发生整体失稳的可能性，若当围岩条件继续变差，隧道结构出现整体下沉，表现为隧道基底的位移骤增，此时取出现位移突变工况的前一个工况对应的围岩物理参数作为IV、V级围岩的分级指标，该工况下的BQ值即为IV、V级围岩的分级。由于出现隧道基底承载力不足，结构易发生整体失稳，表明隧道继续采用CD法开挖已不合适，需采用CRD法或更为安全的工法开挖，以使初期支护、临时仰拱步步成环并及时闭合，提高支护强度和刚度，与临时竖撑一起有效支撑、传递围岩荷载。

如图3所示，分别代表了III、IV、V级围岩的隧道开挖方法。

本发明的一种单洞四车道公路隧道围岩稳定性分级方法主要是基于数值模拟进行计算，考虑了单洞四车道公路隧道的开挖跨度和施工工法等因素，但不应仅限于单洞四车道公路隧道，凡是应用此方法进行围岩分级计算的均属本发明保护范围内。

实施例

某单洞四车道公路隧道开挖跨度为19.23m，高度为11.23m，埋深200m。在有限差分计算软件中建立此隧道的计算模型，由于本次计算主要是考虑单洞四车道等大跨度隧道对计算的影响，未考虑开挖进尺等影响，故采用二维模型进行计算，围岩采用基于Mohr-Coulomb准则的弹塑性本构模型，若有支护则支护结构采用弹性本构模型。

将II～V级围岩的物理参数由好到差按线性分配为21个工况，具体工况设置如表1，支护结构物理参数见表2。

表1计算工况设置

表2支护结构物理力学参数

每个工况通过有限差分计算软件按上述步骤进行数值模拟，并对计算结果按上述实施步骤进行分析，得到修正后的III～V级围岩单洞四车道公路隧道的围岩物理力学参数如表3所示，同时得到单洞四车道公路隧道修正后的围岩级别BQ值范围如表4所示。

表3修正后围岩物理力学参数表

表4单洞四车道公路隧道围岩分级修正

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。在没有做出创造性劳动前提下的所有其他实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。