水平层状泥岩隧道施工期拱部围岩掉块判别方法

本发明属于隧道工程，具体涉及水平层状泥岩隧道施工期拱部围岩掉块的一种判别方法。

背景技术：

1、泥岩作为一种河、湖相沉积岩，具有典型的层状结构，若未受剧烈板块运动影响，其赋存环境一般为水平层状。同时受地表环境影响，其沉积成岩过程不连续，形成了明显的层状构造，层间一般夹杂薄层弱胶结结构层，如泥质填充、石膏层等。隧道工程一般在地表浅层中修建，不可避免地会穿越水平层状泥岩地层。隧道开挖后，层状围岩受爆破扰动和应力调整的影响，极易发生隧道拱部围岩脱层掉块问题，围岩掉块是一个突发性的工程问题，严重威胁施工人员生命健康安全。

2、现阶段，对于层状围岩掉块问题，全凭现场工程人员经验判别，围岩掉块发生时采取治理措施，当直观感觉围岩掉块问题缓解后，取消治理措施，这种基于主观判别的方法在指导围岩掉块防控工作时，即无法量化掉块危害程度，也无法给出可靠的防控措施建议，具有极大的安全隐患。水平层状泥岩隧道拱部围岩掉块判别背后的科学问题，在于如何构建层状围岩隧道拱部围岩的开挖力学模型。水平岩层的层状构造类似于板梁结构，因此研究人员多采用板模型、梁模型建立其力学计算模型，其中梁模型因为求解方便，应用更为广泛。由于研究目的不同，层状围岩的相关计算力学模型考虑因素各异，适用性存在局限，截至目前，关于层状泥岩隧道掉块问题判别的力学模型研究存在空白。而关于层状围岩掉块问题的研究偏向围岩掉块的治理，由于缺乏围岩掉块判别方法的指导，导致治理措施保守，治理时机盲目。以上问题成为了制约水平层状围岩隧道安全施工的重要因素。

技术实现思路

1、本发明提供了一种水平层状泥岩隧道施工期拱部围岩掉块判别方法。首先，建立水平层状泥岩隧道拱部围岩掉块判别计算力学模型；其次，确定力学模型中控制强度；最后，借助手持式地质雷达仪和米尺测量拱部围岩层厚、裂缝深度和平层跨度，带入力学模型求解，从而对水平层状泥岩隧道掉块问题进行判别。基于本发明，可以快速地对水平层状泥岩隧道施工期拱部围岩掉块风险和程度进行识别，并指导相应的防控措施，极大地保护了施工人员的生命健康，避免隧道施工机械等财产损失。

2、本发明的具体技术方案如下：

3、一种水平层状泥岩隧道施工期拱部围岩掉块判别方法，其包括：

4、【1】水平层状泥岩隧道拱部围岩掉块判别计算力学模型：

5、【1.1】将水平层状泥岩隧道拱部围岩简化为两端锚固浅梁模型；

6、受爆破扰动和应力重分布影响，拱部围岩已经损伤，锚固梁模型视为带裂缝梁，由于无其它加强材料，因此裂缝高度内不具备承载能力。

7、【1.2】明确力学模型的荷载条件

8、锚固梁顶部受围岩压力q1，同时受梁自重g作用，自重g作为体力，可以将等效为作用在梁顶部的均布荷载q2；

9、则力学模型承受荷载q＝q1+q2

10、q1＝γh；

11、h＝0.45×2s-1ω；

12、式中，h为隧道荷载的等效高度，γ为围岩的重度(kn/m3)；s为围岩级别；ω为宽度影响系数，ω＝1+i(b-5)；i为b每增加1m时的围岩压力增加率，b为隧道宽度，b＜5m时，取i＝0.2；b＞5m时，取i＝0.1；

13、q2＝γh1；

14、式中，h1为梁高。

15、【2】确定力学模型中材料破坏控制强度

16、锚固梁作为一种抗弯构件，截面上会产生较大的拉应力，且泥岩的抗拉强度远小于抗压强度和抗剪强度，因此该力学模型应以泥岩的极限抗拉强度作为控制强度，泥岩的极限抗拉强度[σt]通过前期室内试验获取。

17、【3】确定梁高、裂缝深度和拱部平层宽度

18、通过手持式地质雷达仪，对开挖后隧道拱部围岩进行探测，获得其拱部岩层厚度，即梁高h1和裂缝深度h2。通过米尺量测拱部平层宽度l。

19、【4】判别水平层状泥岩隧道掉块问题

20、通过力学模型中最危险截面的临界应力状态分析，获得水平层状泥岩隧道拱部掉块临界厚度值h临界。

21、根据两端锚固浅梁模型的临界拉应力状态构建下式：

22、

23、其中m为梁锚固端弯矩，fs为梁锚固端剪力，ix为梁的截面惯性矩，a为梁的横截面面积，a＝ah'，a为梁的宽度，此处h'为未知量，表示梁的临界有效高度；

24、将上式展开，并将[σt]移到右边，得到下式：

25、

26、进一步的，通过牛顿迭代法求的解；

27、令通过牛顿迭代法计算；

28、

29、当|tk+1-tk|＜ε＝10-3时即为f(t)＝0的数值解；

30、则

31、h临界＝h'+h2；

32、则当h1＜h临界时，水平层状泥岩隧道拱部围岩掉块事件发生。

33、本发明具有的有益技术效果如下：

34、(1)本发明首次建立了用于判别水平层状泥岩隧道拱部围岩掉块的两端锚固浅梁力学模型，该力学模型较为准确地反映了层状泥岩隧道拱部围岩掉块背后的科学问题，具有计算简单，实用性强的优点。

35、(2)本发明基于水平层状泥岩隧道拱部围岩掉块的两端锚固浅梁力学模型，采用泥岩的极限抗拉强度为控制强度，计算拱部掉块临界厚度值，并与实测拱部岩层厚度对比，进而对水平层状泥岩隧道施工期拱部围岩掉块进行判别，形成了系统科学的水平层状泥岩隧道拱部围岩掉块判别方法。

36、(3)本发明中相关计算参数意义明确，易于获取，在工程实例中的应用效果明显，验证了模型的正确性，很好地指导了实际工程的安全施工工作。

技术特征：

1.一种水平层状泥岩隧道施工期拱部围岩掉块判别方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的水平层状泥岩隧道施工期拱部围岩掉块判别方法，其特征在于，步骤【1】中：作用在模型上的荷载包括上覆岩层围岩压力q1和自身重力g，将自身重力g等效为作用在锚固梁上的均布荷载q2，则模型上的总荷载q＝q1+q2，其中：

3.根据权利要求1所述的水平层状泥岩隧道施工期拱部围岩掉块判别方法，其特征在于，步骤【3】中：采用手持式地质雷达仪测量获取梁高h1和裂缝深度h2，采用米尺获取拱部平层宽度l。

4.根据权利要求1所述的水平层状泥岩隧道施工期拱部围岩掉块判别方法，其特征在于，步骤【4】中：

技术总结本发明公开了一种水平层状泥岩隧道施工期拱部围岩掉块判别方法，应用于隧道施工安全防护技术领域。将水平层状泥岩隧道开挖后的拱部岩层等效为两端锚固的浅梁模型，通过内力计算，结合应力状态分析，采用第一强度理论，确定模型的最危险部位，在此基础上提出拱部掉块临界厚度值的计算方法，将实测拱部岩层厚度与计算临界厚度值进行对比，进而对水平层状泥岩隧道施工期拱部围岩掉块进行判别。该方法为水平层状泥岩隧道施工期拱部围岩掉块判别的首创方法，判别精度高，实用性强，对于水平层状泥岩隧道或其它水平层状围岩隧道的施工安全防控工作具有指导意义。技术研发人员：罗彦斌,刘斌,罗华,李昌鹏,李海,刘奇,纪磊,朱谭谭,王传武,方腾飞,雷沐昂,牛开天受保护的技术使用者：长安大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29