隧道分步施工判斷方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種隧道分步施工判斷方法，屬于隧道施工方法技術領域，為解決現有的隧道分步施工決策缺乏有效、嚴謹的理論依據從而導致隧道施工安全系數低或施工效率低等問題而設計。本發(fā)明提供的隧道分步施工判斷方法通過隧道圍巖穩(wěn)定性的影響因素構建隧道分析樣本數據庫進而獲取隧道圍巖穩(wěn)定性量化函數，根據隧道圍巖穩(wěn)定性量化函數獲得隧道單次最大開挖跨度的計算公式，并由此確定隧道施工中分步施工導坑數目。本發(fā)明的隧道分步施工判斷方法能夠為隧道分步施工決策提供有效、嚴謹的理論依據，隧道施工更加安全，施工效率更高。
【專利說明】
隧道分步施工判斷方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及隧道施工方法技術領域，具體設及一種隧道分步施工判斷方法。
【背景技術】
[0002] 目前，大斷面隧道施工工法種類多、工藝復雜，常見工法類型有中隔壁法(C的去)或 交叉中隔壁法(CRD)、雙側壁導坑法、臺階法W及在上述基本工法類型的基礎上衍生出的形 式各異的工法。各種工法均W分步施工為特征，但對大斷面隧道分步施工適用條件的認識 還僅僅停留在定性層面上，因而，現階段對大斷面隧道分步施工決策多依賴于主管技術人 員工程經驗和隧道開挖后對圍巖條件的認知，對工法的選用缺乏有效、嚴謹的理論依據和 相關指標標準。
【發(fā)明內容】
[0003] 本發(fā)明的目的是提出一種能夠提高隧道施工安全系數、提高施工效率的隧道分步 施工判斷方法。
[0004] 為達此目的，本發(fā)明采用W下技術方案：
[0005] -種隧道分步施工判斷方法，通過隧道圍巖穩(wěn)定性的影響因素構建隧道分析樣本 數據庫進而獲取隧道圍巖穩(wěn)定性量化函數，根據所述隧道圍巖穩(wěn)定性量化函數獲得隧道單 次最大開挖跨度的計算公式，并由此確定隧道施工中分步施工導坑數目。
[0006] 進一步的，所述隧道分步施工判斷方法具體包括下述步驟：
[0007] 步驟Sl、通過隧道圍巖穩(wěn)定性的關鍵影響因素構建隧道分析樣本數據庫；
[000引步驟S2、根據隧道圍巖穩(wěn)定性判據對樣本數據庫進行穩(wěn)定性判斷和量化標識；
[0009] 步驟S3、演化隧道圍巖穩(wěn)定性與單一影響因素間可量化的函數關系，構建影響因 素的隧道圍巖穩(wěn)定性量化函數；
[0010] 步驟S4、由所述步驟S3中獲得的量化函數建立隧道單次最大開挖跨度的計算公 式；
[0011] 步驟S5、確定隧道施工中分步施工導坑數目。
[0012] 作為本發(fā)明的一個優(yōu)選方案，所述隧道圍巖穩(wěn)定性的關鍵影響因素為:A:隧道跨 度、B:圍巖強度、C:圍巖完整性。
[0013] 作為本發(fā)明的一個優(yōu)選方案，所述隧道分析樣本數據庫按照正交試驗方法進行設 計。
[0014] 作為本發(fā)明的一個優(yōu)選方案，所述隧道圍巖穩(wěn)定性判據為：當圍巖塑性區(qū)互不連 通時，隧道的全斷面開挖是穩(wěn)定的；當圍巖塑性區(qū)連通時，隧道的全斷面開挖是不穩(wěn)定的。
[0015] 作為本發(fā)明的一個優(yōu)選方案，正交試驗中，所述隧道跨度A選取的5種水平分別為： 6m、9m、12m、15m、18m;所述圍巖強度B選取的5種水平分別為：2MPa、1 OMPa、20MPa、40MPa、 65MPa;所述圍巖完整性C選取的5種水平分別為:0.1、0.2、0.4、0.6、0.75。
[0016] 作為本發(fā)明的一個優(yōu)選方案，隧道圍巖穩(wěn)定性與=個影響因素 A、B、C的整體關系 表述為：
[0017] 隧道圍巖穩(wěn)定性=kf (A)f (B)f (C)，其中，k為常數項。
[0018] 作為本發(fā)明的一個優(yōu)選方案，隧道單次最大開挖跨度A的計算公式為：
[0019]
氏中，
[0020] B為圍巖強度值；
[0021] C為圍巖完整性系數；
[0022] F為隧道圍巖穩(wěn)定性值。
[0023] 作為本發(fā)明的一個優(yōu)選方案，隧道施工中分步施工導坑數目n為：
[0024]
式中，
[0025] A為隧道施工開挖最大跨度值；
[00%] B為圍巖強度值；
[0027] C為圍巖完整性系數；
[002引F為隧道圍巖穩(wěn)定性值；
[0029] ^心、1?山均為常數項。
[0030] 本發(fā)明的有益效果為：
[0031] 本發(fā)明的隧道分步施工判斷方法通過隧道圍巖穩(wěn)定性的影響因素構建隧道分析 樣本數據庫進而獲取了隧道圍巖穩(wěn)定性量化函數，從而使得在隧道施工過程中隧道圍巖穩(wěn) 定性與影響因素間得W量化表述;根據隧道圍巖穩(wěn)定性量化函數獲得了隧道單次最大開挖 跨度的計算公式，并確定了隧道施工中分步施工導坑數目，保障了隧道施工安全、提高了施 工效率，此外，該方法能夠為隧道分步施工決策提供有效、嚴謹的理論依據。
【附圖說明】
[0032] 圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施例一提供的隧道分步施工判斷方法的流程圖；
[0033] 圖2是本發(fā)明優(yōu)選實施例一提供的隧道跨度與圍巖穩(wěn)定性的擬合曲線圖；
[0034] 圖3是本發(fā)明優(yōu)選實施例一提供的隧道強度與圍巖穩(wěn)定性的擬合曲線圖；
[0035] 圖4是本發(fā)明優(yōu)選實施例一提供的圍巖完整性與圍巖穩(wěn)定性的擬合曲線圖。
【具體實施方式】
[0036] 下面結合附圖并通過【具體實施方式】來進一步說明本發(fā)明的技術方案。
[0037] 優(yōu)選實施例一：
[0038] 本優(yōu)選實施例提供一種隧道分步施工判斷方法。該隧道分步施工判斷方法具體包 括下述步驟，如圖1所示：
[0039] 步驟S1、通過隧道圍巖穩(wěn)定性的關鍵影響因素構建隧道分析樣本數據庫，其中，隧 道圍巖穩(wěn)定性的關鍵影響因素為:A:隧道跨度、B:圍巖強度、C:圍巖完整性;隧道分析樣本 數據庫按照正交試驗方法進行設計，具體如下：
[0040] 步驟Sll、設置=種因素5種水平，=種因素5種水平值如下：
[0041] (1)、因素 A:根據公路隧道中常見的隧道跨度、大斷面隧道跨度W及依托工程隧道 斷面跨度，因素 A的5種水平分別為:6m、9m、12m、15m、18m;
[0042] (2)、因素 B:圍巖強度因素 B選取巖石試塊強度指標，5種水平取值分別為：2MPa、 IOMPa、20MPa、40MPa、65MPa。為數值試驗計算方便，根據莫爾-庫倫準則將因素 B的5種水平 轉換為對應的內摩擦角4和凝聚力C，如表1所列：
[0043] 表1數值模擬材料參數取值
[0044]
[0045] 注:試驗研究中不考慮重度、彈模和泊松比的影響。
[0046] (3)、因素。圍巖完整性系數的5種水平取值分別為:0.1、0.2、0.4、0.6、0.75。同 樣，為數值試驗計算方便，將圍巖完整性系數通過結構面發(fā)育程度(節(jié)理組數、節(jié)理間距)來 表述;同時為簡化計算，節(jié)理組數僅考慮水平和豎直方向兩組。試驗中因素 C的5種表述如表 2:
[0047] 表2因素 C五種水平的取值 [004引
[0049]節(jié)理面的試驗參數根據《公路隧道設計細則KJTG/T D70-2010)中有關巖體結構 面抗剪斷峰值強度的內容取值如下表3:
[(K)加]表3節(jié)理參數取值
[0化1 ]
[0052] 步驟S12、根據正交試驗設計方法，隧道分析樣本數據庫W25組樣本為例進行說 明，如表4所列：
[0053] 表4正交試驗分析表
[0化4]
[0化5]
[0化6] 步驟Sl 3、計算模型 [0057] (1)、隧道斷面形式
[005引根據《公路隧道設計規(guī)范KJTG D70-20004)設計和隧道工程建設經驗，在跨度較 小時隧道斷面一般采用直墻加半圓拱形式;跨度稍大時隧道斷面采用單屯、圓形式;跨度再 大時隧道斷面采用=屯、圓形式;大斷面隧道、特大斷面隧道則采用五屯、圓形式。
[0059] (2)、模型尺寸
[0060] 埋深:為了建立統一的計算分析條件、避免隧道深淺埋的影響，隧道埋深按最大跨 度水平選取，地表至拱底的間距統一取為50m。
[0061] 模型邊長:計算模型邊界到隧道壁的距離不小于取3倍的跨度，模型按最大跨度 18m選取，計算模型長度擬取200m;隧道底部到模型下邊界取為50m。
[0062] 施工模擬與釋放率:試驗計算是采用一次性開挖方式，隧道圍巖應力釋放率根據 《公路隧道設計細則KJTGT D70-2010)中有關合荷載釋放系數建議值的規(guī)定，隧道初期支 護前的荷載釋放率定為30%。
[0063] 步驟S2、根據隧道圍巖穩(wěn)定性判據對樣本數據庫進行穩(wěn)定性判斷和量化標識；
[0064] 試驗計算模型采用理想彈塑性材料，采用Mohr-Coulomb本構模型非線性計算。根 據《公路隧道設計細則KJTG/T D70-2010)中隧道穩(wěn)定性判別的相關規(guī)定，將圍巖失穩(wěn)判 據定為：當圍巖塑性區(qū)互不連通時，隧道的全斷面開挖是穩(wěn)定的；當圍巖塑性區(qū)連通時，隧 道的全斷面開挖是不穩(wěn)定的。
[00化]步驟S21、25組隧道分析樣本試驗計算結果如表5所列：
[0066] 表5試驗計算結果
[0067]
[0069]
[0070] 步驟S22、對試驗計算結果根據塑性區(qū)性質做如下量化規(guī)定：
[0071] (1)、節(jié)理面和巖石塊體均出現塑性區(qū)并且塑性區(qū)均連通，得分為1;
[0072] (2)、節(jié)理面和巖石塊體均出現塑性區(qū)但僅節(jié)理部分塑性區(qū)連通，得分為2;
[0073] (3)、僅節(jié)理面出現塑性區(qū)并且連通，得分為3;
[0074] (4)、節(jié)理面和巖石塊體均出現塑性區(qū)但均未連通，得分為4;
[0075] (5)、僅節(jié)理面出現塑性區(qū)但未連通，得分為5;
[0076] (6 )、節(jié)理面和巖石塊體都未出現塑性區(qū)，得分為6。
[0077] 根據量化規(guī)定對試驗計算結果進行統計如下表6:
[0078] 表6試驗數據與圍巖穩(wěn)定指標量化
[0079]
[0080]
[0081] 步驟S23、根據正交試驗分析表可得到因素 A不同水平條件下試驗組合的宏觀形 式，如表7所示：
[0082] 表7因素 A各水平試驗組合宏觀形式表
[0083]
[0084] 注:B(5)表示涵蓋因素 B的5種水平，C(5)表示涵蓋因素 C的5種水平。
[0085] 依照試驗結果穩(wěn)定性量化方法，因素 A各水平條件下的隧道圍巖穩(wěn)定性量化指標 值如下：
[0086] (1)、因素 A第1水平(6m跨度）：
[0087] IA=AlB(S)C(S) =A1B1C1+A1B2C2+A1B3C3+A1B4C4+A1B5C5
[0088] =1+化 5+6+6 = 20
[0089] (2)、因素 A第2水平(9m跨度）：
[0090] nA=A2B(5)C(5)=A2BlC2+A2B2C3+A2B3C4+A2B4C5+A2B5Cl
[0091] =1+3+5+5+3 = 17
[0092] (3)、因素 A第3水平（12m跨度）：
[0093] 虹 A=A3B(5)C(5) =A3B1C3+A3B2C4+A3B3C5+A3B4C1+A3B5C2
[0094] =1+3+5+3+4 = 16
[0095] (4)、因素 A第4水平（15m跨度）：
[0096] IVA=A4B(5)C(5)= A4B1C4+A4B2C5+A4B3C1+A4B4C2+A4B5C3
[0097] =1+3+1+3+5 = 13
[0098] (5)、因素 A第5水平（18m跨度）：
[0099] VA=A5B(5)C(5) =A5B1C5+A5B2C1+A5B3C2+A5B4C3+A5B5C4
[0100] =化 1+化 3+5 = 13
[0101] 對因素 B和因素 C做同樣的數據處理分析，可得到不同因素水平隧道穩(wěn)定性量化指 標，如8所列：
[0102] 表8不同因素水平下隧道圍巖穩(wěn)定性量化指標
[0103]
[0104] 步驟S3、演化隧道圍巖穩(wěn)定性與單一影響因素間可量化的函數關系，構建影響因 素的隧道圍巖穩(wěn)定性量化函數；
[0105] 步驟S31、根據表8各影響因素不同水平下隧道圍巖穩(wěn)定性量化指標可W獲得各因 素與隧道圍巖穩(wěn)定性指標的變化關系，如圖2、圖3和圖4。
[0106] (1)、隧道跨度
[0107] 如圖2所示，隧道開挖跨度與隧道圍巖穩(wěn)定性呈反比關系，隧道跨度越大越不利于 隧道穩(wěn)定，兩者的關系用幕函數表述如下：
[010 引 f(A)=42.39A-*^'" (1)
[0109] (2)、圍巖強度
[0110] 如圖3所示，隧道圍巖強度與隧道圍巖穩(wěn)定性呈正比關系，隧道圍巖強度越大越利 于隧道穩(wěn)定，兩者的關系用幕函數表述如下：
[0111] f(B)=4.8B〇'393 (2)
[0112] (3)、圍巖完整性
[0113] 如圖4所示，隧道圍巖巖體完整性系數與隧道圍巖穩(wěn)定性呈正比關系，隧道巖體完 整性系數越好越利于隧道穩(wěn)定，兩者的關系用對數函數表述如下：
[0114] f(C)=6.2081n(C)+22.78 (3)
[0115] 由于f (C) >0，因此，巖體完整性系數C需滿足C>0.03。
[0116] 步驟S32、在=個影響因素中隧道開挖后的圍巖穩(wěn)定性與隧道的跨度成反比、與圍 巖強度和巖體完整性系數呈正比，且圍巖穩(wěn)定性指標與=種因素的關系均可采用幕函數來 描述。隧道工程開挖后的圍巖穩(wěn)定性是一個綜合因素共同作用的結果，各因素間對穩(wěn)定性 的影響存在某種程度的關聯、禪合，運種關聯關系宜用乘除的關系，因此，隧道開挖后的圍 巖穩(wěn)定性指標與=個影響因素的整體關系可表述如下：
[0117] 隧道圍巖穩(wěn)定性=kf(A)f(B)f(C) (4)
[011引將公式（1)、公式(2)、公式(3)帶入可得：
[0119] 隧道圍巖穩(wěn)定性=A-0'"b0'393 ( 6.20 別 n(C)+22.78) (5)
[0120] 式中：k-常數項，取0.004907。
[0121] 步驟S33、根據公式(5)可W通過隧道跨度、圍巖強度和巖體完整性系數3個因素計 算得到隧道開挖后量化的圍巖穩(wěn)定指標值，為獲得圍巖穩(wěn)定指標值所表征的穩(wěn)定狀態(tài)，將 公式(5)代入到試驗計算結果表6,可得到各試驗的圍巖穩(wěn)定性指標值如表9所示：
[0122] 表9隧道圍巖穩(wěn)定性指標計算值
[0123]
[0124]
[0125] 由表9可知:在25組正交試驗中隧道開挖后圍巖不穩(wěn)定時隧道圍巖穩(wěn)定性指標最 小值為5.3、最大值為22.3;隧道圍巖穩(wěn)定時隧道圍巖穩(wěn)定性指標最小值為23.8、最大值為 51.9,由此根據試驗計算結果可W給出利用隧道圍巖穩(wěn)定指標值F判斷圍巖穩(wěn)定的標準：
[0126] F=A-°'4V'392 ( 6.20Wn(C)+22.78) (6)
[0127] 由此規(guī)定:F>23時，隧道圍巖穩(wěn)定;F《23時，隧道圍巖不穩(wěn)定。
[0128] 此外，根據正交試驗結果計算得到的隧道穩(wěn)定程度，可對隧道圍巖穩(wěn)定性指標值 劃分為=種情況，如表10所示：
[0129] 表10圍巖穩(wěn)定性指標值與定性描述 [mr^nl
[0131] 步驟S4、由所述步驟S3中獲得的量化函數建立隧道單次最大開挖跨度的計算公 式；
[0132] 根據公式(6)可知隧道在圍巖條件(強度和完整系數)一定的情況下可W求得單次 最大開挖寬度A，計算公式如下：
[0133]
(7)
[0134] 式中，根據隧道施工中對圍巖穩(wěn)定性大小的要求對F按表10進行取值;B為圍巖強 度值;C為圍巖完整性系數。
[0135] 步驟S5、確定隧道施工中分步施工導坑數目：
[0136] 假定隧道施工開挖最大跨度為A，隧道施工中分步施工導坑數目為n，則由公式(7)
可知，隧冷輸丫出A擊輸丫巧+ 古嫩r曰。筆'溫口.
[0137] (8)
[013 引 W
[0139]
[0140] 式中，A為隧道施工開挖最大跨度值;B為圍巖強度值;C為圍巖完整性系數;F為隧 道圍巖穩(wěn)定值;ki、k2、k3、k4均為常數項。
[0141] 優(yōu)選實施例二：
[0142] 本優(yōu)選實施例提供一種隧道分步施工判斷方法。該隧道分步施工判斷方法與優(yōu)選 實施例一所述的方法基本相同，通過隧道圍巖穩(wěn)定性的影響因素構建隧道分析樣本數據庫 進而獲取隧道圍巖穩(wěn)定性量化函數，根據所述隧道圍巖穩(wěn)定性量化函數獲得隧道單次最大 開挖跨度的計算公式，并由此確定隧道施工中分步施工導坑數目。
[0143] 不同之處在于：隧道分析樣本數據庫可W按照正交試驗方法進行設計，也可W按 照其他試驗方法進行設計，根據實際情況選擇即可；正交試驗中可W選擇5種試驗水平，構 建25個樣本數據，也可W選擇多個試驗水平，構建更多個樣本數據，并不限于實施例一中所 述的情況;隧道開挖后的圍巖穩(wěn)定性指標與=個影響因素的關系式并不限于實施例一中的 情況，還可W根據實際計算情況進行調整，能夠獲得量化函數即可。
[0144] 最后，還需要說明的是，在本文中，術語"包括"、"包含"或者其任何其他變體意在 涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些 要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為運種過程、方法、物品或者設 備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句"包括一個……"限定的要素，并不排除 在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。
[0145] W上是結合附圖給出的實施例，僅是實現本發(fā)明的優(yōu)選方案而非對其限制，任何 對本發(fā)明的【具體實施方式】進行修改或者對部分技術特征進行等同替換，而不脫離本發(fā)明技 術方案的精神，均應涵蓋在本發(fā)明請求保護的技術方案范圍當中。本發(fā)明的保護范圍還包 括本領域技術人員不付出創(chuàng)造性勞動所能想到的任何替代技術方案。
【主權項】
1. 一種隧道分步施工判斷方法，其特征在于，通過隧道圍巖穩(wěn)定性的影響因素構建隧 道分析樣本數據庫進而獲取隧道圍巖穩(wěn)定性量化函數，根據所述隧道圍巖穩(wěn)定性量化函數 獲得隧道單次最大開挖跨度的計算公式，并由此確定隧道施工中分步施工導坑數目。2. 根據權利要求1所述的一種隧道分步施工判斷方法，其特征在于，具體包括下述步 驟： 步驟S1、通過隧道圍巖穩(wěn)定性的關鍵影響因素構建隧道分析樣本數據庫； 步驟S2、根據隧道圍巖穩(wěn)定性判據對樣本數據庫進行穩(wěn)定性判斷和量化標識； 步驟S3、演化隧道圍巖穩(wěn)定性與單一影響因素間可量化的函數關系，構建影響因素的 隧道圍巖穩(wěn)定性量化函數； 步驟S4、由所述步驟S3中獲得的量化函數建立隧道單次最大開挖跨度的計算公式； 步驟S5、確定隧道施工中分步施工導坑數目。3. 根據權利要求2所述的一種隧道分步施工判斷方法，其特征在于，所述隧道圍巖穩(wěn)定 性的關鍵影響因素為:A:隧道跨度、B:圍巖強度、C:圍巖完整性。4. 根據權利要求3所述的一種隧道分步施工判斷方法，其特征在于，所述隧道分析樣本 數據庫按照正交試驗方法進行設計。5. 根據權利要求4所述的一種隧道分步施工判斷方法，其特征在于，所述隧道圍巖穩(wěn)定 性判據為：當圍巖塑性區(qū)互不連通時，隧道的全斷面開挖是穩(wěn)定的；當圍巖塑性區(qū)連通時， 隧道的全斷面開挖是不穩(wěn)定的。6. 根據權利要求4所述的一種隧道分步施工判斷方法，其特征在于，正交試驗中，所述 隧道跨度A選取的5種水平分別為:6m、9m、12m、15m、18m;所述圍巖強度B選取的5種水平分別 為：2MPa、lOMPa、20MPa、40MPa、65MPa;所述圍巖完整性C選取的5種水平分別為：0.1、0.2、 0·4、0·6、0·75〇7. 根據權利要求3-6任一所述的一種隧道分步施工判斷方法，其特征在于，隧道圍巖穩(wěn) 定性與三個影響因素 A、B、C的整體關系表述為： 隧道圍巖穩(wěn)定性=kf (A)f (B)f (C)，其中，k為常數項。8. 根據權利要求1-6任一所述的一種隧道分步施工判斷方法，其特征在于，隧道單次最 大開挖跨度A的計算公式為：B為圍巖強度值； C為圍巖完整性系數； F為隧道圍巖穩(wěn)定性值。9. 根據權利要求1-6任一所述的一種隧道分步施工判斷方法，其特征在于，隧道施工中 分步施工導坑數目η為：Α為隧道施工開挖最大跨度值； B為圍巖強度值； C為圍巖完整性系數； F為隧道圍巖穩(wěn)定性值； ki、k2、k3、k4均為常數項。
【文檔編號】G06Q50/08GK105956941SQ201610308368
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月11日
【發(fā)明人】許崇幫
【申請人】交通運輸部公路科學研究所