本發(fā)明涉及安全風(fēng)險評估技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種管棚支護(hù)最優(yōu)加固粘聚力計算方法。

背景技術(shù)：

在軟弱圍巖尤其是砂卵巖層中修建隧道時，由于巖土體粘聚力非常低、整體性差，存在較大的開挖時隧道坍塌的安全隱患。對此，選擇施作管棚進(jìn)行注漿預(yù)加固巖土體是一種非常有效的防護(hù)措施，可以有效保證隧道后續(xù)開挖時圍巖的相對穩(wěn)定，減少安全隱患。

對于管棚注漿加固的效果，現(xiàn)行設(shè)計研究等多關(guān)注其加固后巖土體的承載力，通過注漿結(jié)束后的現(xiàn)場取樣、實驗來測定其承載力等參數(shù)；而缺少對隧道后續(xù)開挖時管棚加固區(qū)及隧道拱頂變形，以及注漿加固對巖土體各參數(shù)影響的關(guān)注。關(guān)注管棚加固區(qū)及隧道拱頂變形可以有效降低隧道的安全風(fēng)險；確定注漿加固對巖土體各參數(shù)影響可以幫助確定合理的注漿參數(shù)，輔助施工從而幫助控制隧道變形，降低隧道安全風(fēng)險。這就需要一種考慮隧道開挖時管棚加固區(qū)變形控制的加固后巖土體參數(shù)的確定方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決這些問題，本發(fā)明提出了一種管棚支護(hù)最優(yōu)加固粘聚力計算方法，該方法從控制變形的角度出發(fā)，確定合理的管棚支護(hù)加固巖土體參數(shù)。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種管棚支護(hù)最優(yōu)加固粘聚力計算方法，包括如下步驟：步驟1、由注漿鋼管面積比和注漿量系數(shù)確定管棚支護(hù)加固粘聚力增強系數(shù)；步驟2、在有限元軟件中建立有限元計算模型，輸入相應(yīng)粘聚力增強系數(shù)所對應(yīng)的土體參數(shù)進(jìn)行有限元計算；步驟3、以有限元計算模型拱頂最大變形量作為評判標(biāo)準(zhǔn)，與設(shè)計允許的最大變形量進(jìn)行對比，求出對應(yīng)的安全系數(shù)；步驟4、根據(jù)安全性、經(jīng)濟(jì)性原則得到最優(yōu)粘聚力增強系數(shù)，進(jìn)而得到最優(yōu)加固粘聚力。

優(yōu)選的，所述的步驟1中，設(shè)計n組管棚支護(hù)方案，每組支護(hù)方案包括兩個參數(shù)，即注漿鋼管面積比rp和注漿量系數(shù)δq，注漿鋼管面積比rp表示單位面積土體中所使用的鋼管面積與單位面積的比值，注漿量系數(shù)δq表示單位體積土體所注入漿液量與單位體積的比值，根據(jù)rp和δq確定管棚支護(hù)加固粘聚力增強系數(shù)kc＝1.0+rp×δq，n組管棚支護(hù)方案參數(shù)記為(rp1、δq1)、(rp2、δq2)、……、(rpn、δqn)，相應(yīng)的粘聚力增強系數(shù)記為kc1,kc2,……,kcn。

優(yōu)選的，所述的步驟2中，在有限元軟件midasgtsnx中建立管棚注漿加固有限元計算模型，根據(jù)粘聚力增強系數(shù)和初始粘聚力c0計算加固粘聚力c＝kc×c0；kc1,kc2,……,kcn所對應(yīng)的加固粘聚力記為c1,c2,……,cn；分別將c1,c2,……,cn輸入有限元計算模型進(jìn)行有限元計算，得到所對應(yīng)的拱頂最大變形量s1,s2,……,sn。

優(yōu)選的，所述的步驟3中，根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范tb10003-2016》確定設(shè)計允許變形量s0，若si<s0，(i＝1,2,…,n)則稱第i組管棚支護(hù)方案為符合設(shè)計要求的管棚支護(hù)方案，如此反復(fù)判斷共篩選出m組符合設(shè)計要求的管棚支護(hù)方案，篩選出的管棚支護(hù)方案對應(yīng)的粘聚力增強系數(shù)記為gc1、gc2、……、gcm，對應(yīng)的拱頂最大變形量記為d1、d2、d3、……、dm，計算對應(yīng)的安全系數(shù)fsi＝s0/di，(i＝1,2,…,m)。

優(yōu)選的，所述的步驟4中，利用(gci,fsi)，i＝1,2,……,m繪制安全系數(shù)隨粘聚力增強系數(shù)變化曲線，根據(jù)期望最優(yōu)安全系數(shù)fs查詢曲線確定最優(yōu)粘聚力增強系數(shù)ka，根據(jù)公式ca＝ka×c0計算最優(yōu)加固粘聚力。

本發(fā)明一種管棚支護(hù)最優(yōu)加固粘聚力計算方法的有益效果為：本發(fā)明考慮了管棚注漿加固后隧道施工時的變形控制，可以有效地求得合理的管棚注漿加固粘聚力增強系數(shù)和最優(yōu)加固粘聚力，對確定管棚注漿參數(shù)有很大的參考作用，同時，從控制變形的角度出發(fā)，大大降低了隧道的安全風(fēng)險。

附圖說明

圖1、本發(fā)明流程圖；

圖2、青島大河?xùn)|車站折返區(qū)間隧道crd法區(qū)段斷面圖；

圖3、拱頂最大變形量隨粘聚力增強系數(shù)變化曲線圖；

圖4、安全系數(shù)隨粘聚力增強系數(shù)變化曲線圖；

具體實施方式

以下所述，是以階梯遞進(jìn)的方式對本發(fā)明的實施方式詳細(xì)說明，該說明僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術(shù)語“上”“下”“左”“右”“頂”“底”“內(nèi)”“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以及特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。

一種管棚支護(hù)最優(yōu)加固粘聚力計算方法，如圖1所示，包括如下步驟：步驟1、由注漿鋼管面積比和注漿量系數(shù)確定管棚支護(hù)加固粘聚力增強系數(shù)；步驟2、在有限元軟件中建立有限元計算模型，輸入相應(yīng)粘聚力增強系數(shù)所對應(yīng)的土體參數(shù)進(jìn)行有限元計算；步驟3、以有限元計算模型拱頂最大變形量作為評判標(biāo)準(zhǔn)，與設(shè)計允許的最大變形量進(jìn)行對比，求出對應(yīng)的安全系數(shù)；步驟4、根據(jù)安全性、經(jīng)濟(jì)性原則得到最優(yōu)粘聚力增強系數(shù)，進(jìn)而得到最優(yōu)加固粘聚力；

如圖1所示，所述的步驟1中，設(shè)計n組管棚支護(hù)方案，每組支護(hù)方案包括兩個參數(shù)，即注漿鋼管面積比rp和注漿量系數(shù)δq，根據(jù)rp和δq確定管棚支護(hù)加固粘聚力增強系數(shù)kc＝1.0+rp×δq，n組管棚支護(hù)方案參數(shù)記為(rp1、δq1)、(rp2、δq2)、……、(rpn、δqn)，相應(yīng)的粘聚力增強系數(shù)記為kc1,kc2,……,kcn；

如圖1所示，所述的步驟2中，在有限元軟件midasgtsnx中建立管棚注漿加固有限元計算模型，根據(jù)粘聚力增強系數(shù)和初始粘聚力c0計算加固粘聚力c＝kc×c0；kc1,kc2,……,kcn所對應(yīng)的加固粘聚力記為c1,c2,……,cn；分別將c1,c2,……,cn輸入有限元計算模型進(jìn)行有限元計算，得到所對應(yīng)的拱頂最大變形量s1,s2,……,sn；

如圖1所示，所述的步驟3中，根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范tb10003-2016》確定設(shè)計允許變形量s0，若si<s0，(i＝1,2,…,n)則稱第i組管棚支護(hù)方案為符合設(shè)計要求的管棚支護(hù)方案，如此反復(fù)判斷共篩選出m組符合設(shè)計要求的管棚支護(hù)方案，篩選出的管棚支護(hù)方案對應(yīng)的粘聚力增強系數(shù)記為gc1、gc2、……、gcm，對應(yīng)的拱頂最大變形量記為d1、d2、d3、……、dm，計算對應(yīng)的安全系數(shù)fsi＝s0/di，(i＝1,2,…,m)；

如圖1所示，所述的步驟4中，利用(gci,fsi)，i＝1,2,……,m繪制安全系數(shù)隨粘聚力增強系數(shù)變化曲線，根據(jù)期望最優(yōu)安全系數(shù)fs查詢曲線確定最優(yōu)粘聚力增強系數(shù)ka，根據(jù)公式ca＝ka×c0計算最優(yōu)加固粘聚力。

下面結(jié)合圖2所示青島大河?xùn)|車站折返區(qū)間隧道crd法區(qū)段的管棚實例進(jìn)行說明：

該區(qū)段隧道埋深為25.508m，開挖斷面尺寸為12.1*10.505m，穿過卵石層和中風(fēng)化花崗巖層這兩個巖性相差較大的地層，由于隧道大部分在卵石層中，且卵石層粘聚力非常低，直接施工非常危險，所以先采用管棚注漿加固隧道拱頂土體后再采用crd法施工，本發(fā)明技術(shù)主要求解卵石層的管棚支護(hù)最優(yōu)加固粘聚力。

采用本發(fā)明提出的新技術(shù)方案的求解過程為：

首先，設(shè)計n＝10組管棚支護(hù)方案，10組支護(hù)方案的注漿鋼管面積比rp和注漿量系數(shù)δq分別為(0.1、10)、(0.1、20)、(0.15、20)、(0.2、20)、(0.2、25)、(0.2、30)、(0.25、28)、(0.25、32)、(0.25、36)、(0.25、40)；根據(jù)管棚支護(hù)加固粘聚力增強系數(shù)計算公式kc＝1.0+rp×δq計算得各支護(hù)方案相應(yīng)的粘聚力增強系數(shù)為kc1＝2，kc2＝3，kc3＝4，kc4＝5，kc5＝6，kc6＝7，kc7＝8，kc8＝9，kc9＝10，kc10＝11；

在有限元軟件midasgtsnx中建立管棚注漿加固有限元計算模型，在有限元計算模型中選取巖土體共七層從上到下為素填土層、含有機質(zhì)粉土層、粗砂層、含有機質(zhì)粉質(zhì)黏土層、粗礫砂層、卵石層、中風(fēng)化花崗巖層，模型中所設(shè)各巖土層參數(shù)見下表：

表1模型計算參數(shù)表

根據(jù)初始粘聚力c0＝20kpa和粘聚力增強系數(shù)kc1＝2，kc2＝3，kc3＝4，kc4＝5，kc5＝6，kc6＝7，kc7＝8，kc8＝9，kc9＝10，kc10＝11求得對應(yīng)的加固粘聚力為c1＝40kpa，c2＝60kpa，c3＝80kpa，c4＝100kpa，c5＝120kpa，c6＝140kpa，c7＝160kpa，c8＝180kpa，c9＝200kpa，c10＝220kpa；在有限元計算模型中輸入管棚加固區(qū)土體的粘聚力進(jìn)行有限元計算，得到所對應(yīng)的拱頂最大變形量s1＝39.33cm，s2＝17.19cm，s3＝11.71cm，s4＝9.32cm，s5＝7.91cm，s6＝7.15cm，s7＝6.53cm，s8＝5.89cm，s9＝5.42cm，s10＝4.99cm，不同粘聚力增強系數(shù)所對應(yīng)的拱頂最大變形量見圖3所示；

查詢《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范tb10003-2016》確定設(shè)計允許變形量s0＝100mm，根據(jù)si<s0，(i＝1,2,…,10)篩選出符合設(shè)計要求的7組樣本，其相應(yīng)的粘聚力增強系數(shù)記為gc1＝5，gc2＝6，gc3＝7，gc4＝8，gc5＝9，gc6＝10，gc7＝11，對應(yīng)的拱頂最大變形量為d1＝9.32cm，d2＝7.91cm，d3＝7.15cm，d4＝6.53cm，d5＝5.89cm，d6＝5.42cm，d7＝4.99cm，由s0/di，i＝1,2,……,7，求出所對應(yīng)的安全系數(shù)fs1＝10/9.32＝1.073，fs2＝1.264，fs3＝1.399，fs4＝1.531，fs5＝1.698，fs6＝1.845，fs7＝2.004，各安全系數(shù)隨粘聚力增強系數(shù)變化曲線如圖3所示；

根據(jù)期望最優(yōu)安全系數(shù)fs，然后查詢曲線得到對應(yīng)的最優(yōu)粘聚力增強系數(shù)ka，進(jìn)而可得到最優(yōu)的加固粘聚力ca。例如選擇期望最優(yōu)安全系數(shù)fs＝1.6查詢曲線得到對應(yīng)的最優(yōu)粘聚力增強系數(shù)ka＝8.4375，進(jìn)而可得到最優(yōu)的加固粘聚力ca＝168.75kpa。

因此，在施工時應(yīng)保證將管棚加固區(qū)域的巖土體加固到所需的粘聚力值，這樣，才能盡可能保證隧道在施工過程中的安全。對比以往設(shè)計研究，本發(fā)明考慮了管棚注漿加固后隧道施工時的變形控制，可以有效地求得合理的管棚注漿加固粘聚力增強系數(shù)和最優(yōu)加固粘聚力。并通過實例證明了本發(fā)明的有效性。

技術(shù)特征：

1.一種管棚支護(hù)最優(yōu)加固粘聚力計算方法，其特征為：包括如下步驟：步驟1、由注漿鋼管面積比和注漿量系數(shù)確定管棚支護(hù)加固粘聚力增強系數(shù)；步驟2、在有限元軟件中建立有限元計算模型，輸入相應(yīng)粘聚力增強系數(shù)所對應(yīng)的土體參數(shù)進(jìn)行有限元計算；步驟3、以有限元計算模型拱頂最大變形量作為評判標(biāo)準(zhǔn)，與設(shè)計允許的最大變形量進(jìn)行對比，求出對應(yīng)的安全系數(shù)；步驟4、根據(jù)安全性、經(jīng)濟(jì)性原則得到最優(yōu)粘聚力增強系數(shù)，進(jìn)而得到最優(yōu)加固粘聚力。

2.如權(quán)利要求1所述的一種管棚支護(hù)最優(yōu)加固粘聚力計算方法，其特征為：所述的步驟1中，設(shè)計n組管棚支護(hù)方案，每組支護(hù)方案包括兩個參數(shù)，即注漿鋼管面積比rp和注漿量系數(shù)δq，注漿鋼管面積比rp表示單位面積土體中所使用的鋼管面積與單位面積的比值，注漿量系數(shù)δq表示單位體積土體所注入漿液量與單位體積的比值，根據(jù)rp和δq確定管棚支護(hù)加固粘聚力增強系數(shù)kc＝1.0+rp×δq，n組管棚支護(hù)方案參數(shù)記為(rp1、δq1)、(rp2、δq2)、……、(rpn、δqn)，相應(yīng)的粘聚力增強系數(shù)記為kc1,kc2,……,kcn。

3.如權(quán)利要求2所述的一種管棚支護(hù)最優(yōu)加固粘聚力計算方法，其特征為：所述的步驟2中，在有限元軟件midasgtsnx中建立管棚注漿加固有限元計算模型，根據(jù)粘聚力增強系數(shù)和初始粘聚力c0計算加固粘聚力c＝kc×c0；kc1,kc2,……,kcn所對應(yīng)的加固粘聚力記為c1,c2,……,cn；分別將c1,c2,……,cn輸入有限元計算模型進(jìn)行有限元計算，得到所對應(yīng)的拱頂最大變形量s1,s2,……,sn。

4.如權(quán)利要求3所述的一種管棚支護(hù)最優(yōu)加固粘聚力計算方法，其特征為：所述的步驟3中，根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范tb10003-2016》確定設(shè)計允許變形量s0，若si<s0，(i＝1,2,…,n)則稱第i組管棚支護(hù)方案為符合設(shè)計要求的管棚支護(hù)方案，如此反復(fù)判斷共篩選出m組符合設(shè)計要求的管棚支護(hù)方案，篩選出的管棚支護(hù)方案對應(yīng)的粘聚力增強系數(shù)記為gc1、gc2、……、gcm，對應(yīng)的拱頂最大變形量記為d1、d2、d3、……、dm，計算對應(yīng)的安全系數(shù)fsi＝s0/di，(i＝1,2,…,m)。

5.如權(quán)利要求4所述的一種管棚支護(hù)最優(yōu)加固粘聚力計算方法，其特征為：所述的步驟4中，利用(gci,fsi)，i＝1,2,……,m繪制安全系數(shù)隨粘聚力增強系數(shù)變化曲線，根據(jù)期望最優(yōu)安全系數(shù)fs查詢曲線確定最優(yōu)粘聚力增強系數(shù)ka，根據(jù)公式ca＝ka×c0計算最優(yōu)加固粘聚力。

技術(shù)總結(jié)

一種管棚支護(hù)最優(yōu)加固粘聚力計算方法，涉及安全風(fēng)險評估技術(shù)領(lǐng)域，包括如下步驟：步驟1、由注漿鋼管面積比和注漿量系數(shù)確定管棚支護(hù)加固粘聚力增強系數(shù)；步驟2、在有限元軟件中建立有限元計算模型，輸入相應(yīng)粘聚力增強系數(shù)所對應(yīng)的土體參數(shù)進(jìn)行有限元計算；步驟3、以有限元計算模型拱頂最大變形量作為評判標(biāo)準(zhǔn)，與設(shè)計允許的最大變形量進(jìn)行對比，求出對應(yīng)的安全系數(shù)；步驟4、根據(jù)安全性、經(jīng)濟(jì)性原則得到最優(yōu)粘聚力增強系數(shù)，進(jìn)而得到最優(yōu)加固粘聚力。本發(fā)明提出了一種管棚支護(hù)最優(yōu)加固粘聚力計算方法，該方法從控制變形的角度出發(fā)，確定合理的管棚支護(hù)加固巖土體參數(shù)。

技術(shù)研發(fā)人員：劉志良;李亮;林后來;李東賢;袁長豐;路世豹;孟丹;裴華富;袁銘徽;寇海磊

受保護(hù)的技術(shù)使用者：青島理工大學(xué)

技術(shù)研發(fā)日：2021.05.11

技術(shù)公布日：2021.07.13