一种软弱围岩隧道基底破坏模型及加固设计方法与流程

本发明涉及隧道施工，特别涉及一种软弱围岩隧道基底破坏模型及加固设计方法。

背景技术：

1、在公路隧道的建设过程中，出现软弱围岩的比例越来越大。软弱围岩因构造发育、胶结强度低、风化条件复杂等情况导致其整体稳定性差，隧道在开挖至软弱围岩地段时容易发生各种工程事故。其中仰拱隆起是软弱围岩隧道常出现的一种问题，隧道两侧岩柱在较大的竖向荷载的作用下，岩柱软弱基底的压力达到其极限荷载，围岩发生整体或者局部的剪切破坏，导致仰拱发生隆起破坏，进而引发隧底渗水、隧道整体变形等问题，给隧道建设带来了极大的风险。

技术实现思路

1、本发明提供一种软弱围岩隧道基底破坏模型及加固设计方法，旨在通过计算、拟合得到隧道两侧岩柱基底破坏后形成的剪切滑移面，利用钢花管从隧道底部打穿剪切滑移面并进行注浆加固，控制软弱围岩隧道地基的滑移变形，从而防止隧底发生隆起破坏，保障隧道的施工安全。

2、本发明采用的技术方案为：

3、一种软弱围岩隧道基底破坏模型及加固设计方法，包括以下步骤：

4、步骤1，基于隧道主体结构通过计算绘制得到隧道基底发生剪切破坏而形成的对数螺线滑移面；步骤2，在隧道基底发生剪切破坏而形成的对数螺线滑移面基础上，计算基底注浆钢花管的布设长度、打设角度、及纵向间距；步骤3，根据计算得到的基底注浆钢花管的布设长度、打设角度、及纵向间距，将钢花管从隧道底部及拱脚位置，以一定的长度和角度打入地基并穿过滑移面；步骤4，通过基底注浆钢花管进行注浆改善加固范围内的围岩性质，基底注浆钢花管穿过滑移面以较为稳定的围岩为支点，从而控制滑移面的滑移趋势，对隧底形成保护。

5、进一步的，步骤1中，在绘制对数螺线滑移面之前，需对隧道主体结构进行受力分析及计算；对隧道主体结构的受力分析及计算包括以下步骤：步骤1.1自然平衡拱拱脚受力分析：

6、根据普氏理论，深埋条件下的隧道在开挖后，隧道上方一定的区域内会形成自然平衡拱，平衡拱将作用于拱顶的垂直均布压力q传递至隧道两侧壁岩柱，压力导致隧道侧壁岩柱不稳定，产生破裂面；所述破裂面，其夹角为45°-φ/2，φ为围岩内摩擦角；两侧岩柱作为支承承载拱的拱脚抵抗着自然平衡拱拱脚传递而来的竖向荷载，两侧岩柱的竖向荷载分别为f1和f2；f1＝f2＝q*(2b+d)/2；式中，d为隧道跨度，b为破裂面形成的平衡拱拱脚宽度；

7、步骤1.2岩柱体受力分析：

8、取一侧岩柱进行受力分析，岩柱受三个力作用，分别为受到拱脚传递的荷载f1、岩柱自重g1、以及侧抗滑力fc；其中，岩柱自重g1的计算公式为：g1＝γg*h*b；式中，γg为岩土体的重度，h为岩柱高度，b为破裂面形成的平衡拱拱脚宽度；侧抗滑力fc的计算公式为：fc＝c*h式中，h为岩柱高度，c为岩土体的黏聚力；

9、因此，该侧岩柱基底受到的荷载为fq，荷载fq的计算公式为：fq＝f1+g1-fc；式中，f1为岩柱的竖向荷载，g1为岩柱自重，fc为侧抗滑力。

10、进一步的，基于对隧道主体结构的受力分析及计算后，设定地基将发生剪切破坏条件；根据魏锡克极限承载力理论，岩柱地基的极限承载力为pu；岩柱地基的极限承载力pu的计算公式为：

11、pu＝1/2*γg*b*nr+c*nc+(h+h1)*γc*nq

12、式中，nr、nc、nq为承载力系数，1/2*γg*b*nr为滑动岩土体自重产生的抗力，c*nc为地基滑移面的抗滑力，(h+h1)*γc*nq为平衡拱下隧道衬砌对岩柱基础两侧的超载，γc为隧道衬砌混凝土重度。

13、当一侧岩柱基底受到的荷载fq≥该岩柱地基的极限承载力pu时，岩柱的地基承载力不足，地基将发生剪切破坏。

14、进一步的，步骤1中，绘制对数螺线滑移面包括以下步骤：

15、当一侧岩柱基底受到的荷载fq≥该岩柱地基的极限承载力pu，即岩柱的地基承载力不足时，地基将发生剪切破坏，岩柱基底产生宽度为b的ijk等腰三角形受压楔形体i区，该区域随岩柱向下运动，使仰拱底岩土体形成处于塑性极限平衡状态的ii区和iii区；基于i区和ii区、iii区的滑移面，能够确定仰拱基底滑移面的形状；

16、其中，ijk等腰三角形受压楔形体与水平面形成的夹角为α，楔形体高度为h1，楔形体边长r0；

17、ijk等腰三角形受压楔形体与水平面形成的夹角为α的取值范围为：φ≤α≤45°+φ/2，楔形体边长r0的计算公式为：r0＝b/2cos(α)；式中，φ为围岩内摩擦角；

18、ii区的滑移面则由r的对数螺旋线组成，其中r＝r0eβtanφ；式中，β＝90°-φ/2，φ为围岩内摩擦角；对数螺旋线n点距岩柱底部的深度为h2，h2＝rsinβ；

19、iii区为与水平面形成夹角呈θ，腰边长度为r1的等腰三角形iqp，iii区的滑移面为直线；其中，夹角θ的取值范围为：45°-φ/2≤θ≤φ；式中，φ为围岩内摩擦角；

20、进一步的，在计算基底注浆钢花管的布设长度、打设角度、及纵向间距之前，需对基底滑移面的滑动力进行分析计算；

21、基于边坡滑动计算原理计算基底滑移面的滑动力fh；基底滑移面的滑动力fh的计算公式为：fh＝(fq+g2)cosα-(fq+g2)sinαtanφ-cl；式中，fq为岩柱基底受到的荷载，g2为楔形体自重，α楔形体与水平面形成的夹角，φ为围岩内摩擦角，c为岩土体的黏聚力，l为滑动条带单位长度。

22、进一步的，步骤2中，基底注浆钢花管的打设角度确定过程为：在已经绘出仰拱基底滑移面形状的条件下，通过设置若干钢花管穿越滑移面进行加固；钢花管i由隧道一侧拱脚平行楔形体ik边打设；钢花管ii与钢花管i形成(90°-α)/2的角度打设；钢花管iii与钢花管ii形成(90°-α)/2的角度垂直打设；钢花管iv与钢花管iii形成(90°-α)/2的角度打设；钢花管v与钢花管iv形成(90°-α)/2的角度垂直于iii区滑移面打设；其中，α为ijk等腰三角形受压楔形体与水平面形成的夹角。

23、进一步的，所述钢花管i、钢花管ii、钢花管iii、钢花管iv和钢花管v均穿过滑移面1m以上。

24、进一步的，步骤2中，基底注浆钢花管的纵向间距计算过程如下：

25、根据土拱效应计算公式，通过滑移面的滑动力fh计算得到钢花管沿隧道纵向的打设最大间距rmax和最小间距rmin；最大间距rmax和最小间距rmin的计算公式为：

26、

27、

28、式中，y为钢花管注浆刚性直径，取0.6；c为岩土体的黏聚力；为围岩内摩擦角；fq为岩柱基底受到的荷载。

29、本发明的有益效果是：

30、当软弱围岩隧道开挖时，可通过钢花管首先通过注浆改善隧道基底围岩的物理力学性质，防范隧道将可能发生的整体沉降及不均匀沉降，提高隧道整体稳定性。其次，当隧道两侧岩柱基底发生剪切滑移破坏时，通过计算得到的基底对数螺线滑移面可以指导钢花管能以最经济、有效的长度、角度及纵向间距打设并穿越隧底滑移面，在隧底形成多个支点控制滑移面的滑移，从而有效加固隧道基底，防止隧底隆起，保障隧道结构安全及施工安全。