CN112883464A - 一种软岩隧道开挖引起围岩大变形的不确定性预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软岩隧道开挖引起围岩大变形的不确定性预测方法，包含以下步骤：S1：根据区段隧道的岩体强度应力比确定是否属于可能发生隧道围岩大变形区段；S2：对于可能发生隧道围岩大变形区段选择预测围岩大变形公式；S3：分析预测围岩大变形公式中各参数的特征分布，采用蒙特卡罗算法得出围岩大变形的洞壁收敛率及其概率分布，解决了现有预测方法中预测公式内参数采用固定取值导致围岩大变形的洞壁收敛率不准确的技术问题，更符合实际工程情况，为设计、施工人员所接受。

Description

一种软岩隧道开挖引起围岩大变形的不确定性预测方法

技术领域

本发明涉及地下结构及隧道工程领域，尤其涉及一种软岩隧道开挖引起围岩大变形的不确定性预测方法。

背景技术

在软岩地区的隧道开挖施工，由于开挖的卸荷作用，往往会引起隧洞周围岩发生大的变形，特别是在高地应力的情况下更易发生。这种围岩挤压大变形不仅严重影响隧道施工进度，而且给隧道施工带来风险，如造成前方掌子面塌方、洞周围岩侵限、隧道支护结构破坏、隧道二次衬砌开裂、衬砌钢筋外露等。对于隧道开挖出现塌方问题，一般可增加超前支护和加强洞身支护，以防止出现人身安全事故。对于洞周围岩侵限和隧道二次衬砌开裂，一般返工重做，即拆除原二次衬砌结构，重新扩挖和重新支护。这些措施都会导致设计、施工费用的增加，特别是返工重做，造成原材料、人工、机械的极大资源浪费。因此，若能在软岩隧道设计、施工前，对可能发生的围岩变形量做出准确预测，提前进行该区段隧道开挖的相应支护设计和预防措施，可避免返工和其他隧道开挖不安全因素，节约资源，提高效率。

目前针对软岩大变形进行预测常采用确定计算的方法，即根据理论公式、经验公式等计算得到一个确定的围岩变形量。然而，这种计算方法确不是特别准确，原因在于隧道开挖引起的围岩变形存在时空变异性，因此计算公式里的各参数值并不是一个确定的值，而是在一个取值范围波动。

发明内容

为了解决上述问题，本发明公开了一种软岩隧道开挖引起围岩大变形的不确定性预测方法，更符合实际工程情况，为设计、施工人员所接受。

为了实现以上目的，本发明采取的一种技术方案是：

一种软岩隧道开挖引起围岩大变形的不确定性预测方法，包含以下步骤：

S1：根据区段隧道的岩体强度应力比确定是否属于可能发生隧道围岩大变形区段；

S2：对于可能发生隧道围岩大变形区段选择预测围岩大变形公式；

S3：分析预测围岩大变形公式中各参数的特征分布，采用蒙特卡罗算法得出围岩大变形的洞壁收敛率及其概率分布。

进一步地，步骤S1包含以下步骤：

S11：如果区段隧道的岩体强度应力比R_c/σ_max＜7，则此属区段隧道属于可能发生隧道围岩大变形区段进入步骤S2；

S12：如果区段隧道的岩体强度应力比R_c/σ_max≥7，则此属区段隧道不属于可能发生隧道围岩大变形区段不需要预测计算洞壁收敛率；

其中，R_c为岩石饱和抗压强度，σ_max为垂直洞轴线方向的最大初始地应力。

进一步地，步骤S2中可能发生隧道围岩大变形区段内不存在支撑保护时，对应的预测围岩大变形公式为：ε＝0.2(σ_cm/p₀)^-2 (1)；

步骤S2中可能发生隧道围岩大变形区段内存在支撑保护时，对应的预测围岩大变形公式为：

其中，ε为洞壁收敛率，d₀为洞室直径，δ_i为洞室内壁收敛量，p_i为支护压力且成正态分布，p₀为自重应力且成正态分布，σ_cm为岩体抗压强度。

进一步地，步骤二中的岩体抗压强度σ_cm公式为：

其中，m_i为岩石参数且成均匀分布，σ_ci为完整岩石单轴抗压强度且成正态分布，GSI为地质强度指标值且成正态分布。

进一步地，步骤S3中蒙特卡罗算法的计算过程如下：

对支护压力p_i、自重应力p₀、岩石参数m_i、完整岩石单轴抗压强度σ_ci、地质强度指标值GSI在对应的取值区间内分别随机取值3000次，根据预测围岩大变形公式得到3000个围岩大变形的洞壁收敛率及其概率分布。

本发明的有益效果在于：根据隧道围岩实际情况选择围岩大变形预测公式，根据围岩大变形预测公式中各参数的特征分布采用蒙特卡罗算法得出围岩大变形的洞壁收敛率及其概率分布，更符合实际工程情况，为设计、施工人员所接受。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种软岩隧道开挖引起围岩大变形的不确定性预测方法流程图；

图2为本发明一实施例中自重应力p₀的分布图；

图3为本发明一实施例中完整岩石单轴抗压强度σ_ci的分布图；

图4为本发明一实施例中岩石参数m_i的分布图；

图5为本发明一实施例中地质强度指标值GSI的分布图；

图6为本发明一实施例中支护压力p_i的分布图；

图7为本发明一实施例中洞壁收敛率ε的分布图；

图8为本发明一实施例中洞壁收敛率ε的概率分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，一种软岩隧道开挖引起围岩大变形的不确定性预测方法，包含以下步骤：

S1：根据区段隧道的岩体强度应力比确定是否属于可能发生隧道围岩大变形区段；

步骤S1中，根据隧道工程地区地质勘查资料，结合《工程岩体分级标准》(GB50218-2014)，采用工程岩体强度应力比指标R_c/σ_max确定可能发生大变形区间段，一般而言，当岩体强度应力比R_c/σ_max＜4时，该区段隧道位于极高地应力区，隧道开挖后，极可能发生软岩大变形，需要利用本发明的围岩变形不确定性预测方法进行计算；当岩体强度应力比4≤R_c/σ_max≤7时，该区段隧道位于高地应力区，隧道开挖后，有可能发生软岩大变形，需要利用本发明的围岩变形不确定性预测方法进行计算；当岩体强度应力比R_c/σ_max＞7时，该区段隧道位于低地应力区，隧道开挖后，不会发生软岩大变形，不需要利用本发明的围岩变形不确定性预测方法进行计算；

S2：对于可能发生隧道围岩大变形区段选择预测围岩大变形公式；

步骤S2中，针对隧道开挖引起的软岩大变形，存在很多围岩变形量的预测公式，实际应用中，要根据隧道工程的具体地质水文情况，以及隧道自身结构形式等选择。

S3：分析预测围岩大变形公式中各参数的特征分布，采用蒙特卡罗算法得出围岩大变形的洞壁收敛率及其概率分布。

其中，步骤S1包含以下步骤：

S11：如果区段隧道的岩体强度应力比R_c/σ_max≤7，则此属区段隧道属于可能发生隧道围岩大变形区段进入步骤S2；

S12：如果区段隧道的岩体强度应力比R_c/σ_max＞7，则此属区段隧道不属于可能发生隧道围岩大变形区段不需要预测计算洞壁收敛率；

其中，R_c为岩石饱和抗压强度，σ_max为垂直洞轴线方向的最大初始地应力。

现利用一具体实施例对本发明的不确定性预测方法进行说明，某穿山公路隧道工程，隧道穿越一段围岩主要为中风化炭质板岩(p1)区，该隧道段岩石饱和抗压强度R_c约为26Mpa，最大初始地应力σ_max约为12Mpa，由此可得岩体强度应力比R_c/σ_max＝26/12＝2.167＜7属极高地应力区，需要利用本发明的围岩变形不确定性预测方法进行计算，根据穿山公路隧道工程的实际具体地质水文情况选择Hoek围岩变形预测公式，步骤S2中可能发生隧道围岩大变形区段内不存在支撑保护时，对应的预测围岩大变形公式为：

ε＝0.2(σ_cm/p₀)^-2 (1)；

步骤S2中可能发生隧道围岩大变形区段内存在支撑保护时，对应的预测围岩大变形公式为：

其中，ε为洞壁收敛率，d₀为洞室直径，δ_i为洞室内壁收敛量，p_i为支护压力，p₀为自重应力，σ_cm为岩体抗压强度。

步骤二中的岩体抗压强度σ_cm公式为：

公式(3)中由于同一种岩石也存在不同状态，因此m_i为岩石参数根据表1可知是一个取值区间；σ_ci为完整岩石单轴抗压强度，由于存在试验误差以及时空变异性，因此σ_ci值也是一个不确定值；GSI为地质强度指标值可由表2确定，由于查表2不可避免存在误差，因此GSI的取值也应为一个不确定值；

m_i为岩石参数且成均匀分布，σ_ci为完整岩石单轴抗压强度且成正态分布，GSI为地质强度指标值且成正态分布。

本实施例中选用有支撑保护的Hoek围岩变形预测公式即公式(2)，根根据现场地质勘察资料及室内试验，确定公式(2)及公式(3)中各参数的分布，其桩号k1+440～k1+635段围岩主要为中风化炭质板岩(p1)，薄层状构造，完整岩石单轴抗压强度σ_ci约为26Mpa，围岩泊松比υ约为0.35，变形模量E₀约为3.5Gpa。m_i为岩石参数参考表1可知，岩石参数m_i为7±4，即处于[3，11]区间，岩石参数m_i的取值是不确定的，在[3，11]区间内的值都有可能取到，因此，岩石参数m_i在[3，11]区间内服从均匀分布。

表1岩石参数m_i取值经验值

表2地质强度指标值GSI

该区间自重应力值p₀按隧道地质勘察资料计算，该隧道段埋深458m左右，按中风化炭质板岩(p1)容重27.2KN/m3考虑，自重应力值p₀约为12Mpa。根据现场统计资料，可以认为该自重应力值p₀符合μ＝12Mpa，标准差1.2Mpa的正态分布，同理可以得出完整岩石单轴抗压强度σ_ci成正态分布，地质强度指标值GSI成正态分布，支护压力p_i成正态分布，各变量的具体统计值及分布如表3所示：

表3变量统计值及分布

步骤S3中蒙特卡罗算法的计算过程如下：

对自重应力p₀、完整岩石单轴抗压强度σ_ci、岩石参数m_i、地质强度指标值GSI、支护压力p_i在对应的取值区间内分别随机取值3000次，对各参数的取值进行统计和拟合得到各参数的分布，如图2至图6所示；根据预测围岩大变形公式得到3000个围岩大变形的洞壁收敛率如图7所示，由图7可知，该处围岩可能发生大变形的洞壁收敛率ε值集中在1％-3％区间，其变化范围为[0.644％，11.937％]，平均值为2.372％，根据实际工程现场量测，该断面拱顶、边墙及仰拱的洞壁收敛率ε分别为2.7％，3.4％和2.3％，均在预测范围之内。如图8所示，根据3000个围岩大变形的洞壁收敛率算出其概率分布，洞周围岩大变形的洞壁收敛率ε值小于3.634％的概率为90％。

因此，本发明提出的这种不确定性预测方法，不仅能给出隧道开挖后，洞周围岩大变形的洞壁收敛率，而且能够给出发生这种变形的概率和分布。经与现场围岩变形实测资料比较，能准确涵盖实测变形数据，准确性较好。因此相较传统的确定性预测方法，更能被设计、施工单位所接受。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种软岩隧道开挖引起围岩大变形的不确定性预测方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1：根据区段隧道的岩体强度应力比确定是否属于可能发生隧道围岩大变形区段；

S2：对于可能发生隧道围岩大变形区段选择预测围岩大变形公式；

S3：分析预测围岩大变形公式中各参数的特征分布，采用蒙特卡罗算法得出围岩大变形的洞壁收敛率及其概率分布。

2.根据权利要求1所述的软岩隧道开挖引起围岩大变形的不确定性预测方法，其特征在于，步骤S1包含以下步骤：

S11：如果区段隧道的岩体强度应力比R_c/σ_max＜7，则此属区段隧道属于可能发生隧道围岩大变形区段进入步骤S2；

S12：如果区段隧道的岩体强度应力比R_c/σ_max≥7，则此属区段隧道不属于可能发生隧道围岩大变形区段不需要预测计算洞壁收敛率；

其中，R_c为岩石饱和抗压强度，σ_max为垂直洞轴线方向的最大初始地应力。

3.根据权利要求2所述的软岩隧道开挖引起围岩大变形的不确定性预测方法，其特征在于，步骤S2中可能发生隧道围岩大变形区段内不存在支撑保护时，对应的预测围岩大变形公式为：ε＝0.2(σ_cm/p₀)^-2 (1)；

步骤S2中可能发生隧道围岩大变形区段内存在支撑保护时，对应的预测围岩大变形公式为：

其中，ε为洞壁收敛率，d₀为洞室直径，δ_i为洞室内壁收敛量，p_i为支护压力且成正态分布，p₀为自重应力且成正态分布，σ_cm为岩体抗压强度。

4.根据权利要求3所述的软岩隧道开挖引起围岩大变形的不确定性预测方法，其特征在于，步骤二中的岩体抗压强度σ_cm公式为：

σ_cm＝(0.0034m_i ^0.8)·σ_ci·(1.029+0.025e^(-0.1mi))^GSI (3)；

其中，m_i为岩石参数且成均匀分布，σ_ci为完整岩石单轴抗压强度且成正态分布，GSI为地质强度指标值且成正态分布。

5.根据权利要求3所述的软岩隧道开挖引起围岩大变形的不确定性预测方法，其特征在于，步骤S3中蒙特卡罗算法的计算过程如下：

对支护压力p_i、自重应力p₀、岩石参数m_i、完整岩石单轴抗压强度σ_ci、地质强度指标值GSI在对应的取值区间内分别随机取值3000次，根据预测围岩大变形公式得到3000个围岩大变形的洞壁收敛率及其概率分布。

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