软弱围岩隧道暗挖初支应力平衡控制地层变形稳定方法与流程

1.本发明涉及隧道及地下工程技术领域，具体为软弱围岩隧道暗挖初支应力平衡控制地层变形稳定方法。


背景技术：

2.软弱围岩隧道开挖后，隧道围岩应力平衡被打破，隧道周围一定范围的围岩应力向洞内进行快速应力释放，围岩应力状态发生转变，原来三维应力平衡状态的围岩转变为开挖面处围岩为二维应力状态，隧道地层围岩应力进行释放，围岩发生形变，应力释放越多，围岩变形越充分，围岩的自身强度降低的就越多，开挖面围岩随时间逐渐向隧道空间变形，隧道开挖面一定范围的围岩发生剪切松动破坏，一般围岩自身的抗剪能力不强，特别是软弱围岩自身的抗剪能力很差，加之围岩应力释放，围岩的应力状态发生了变化，这也导致围岩抗剪切能力降低，隧道围岩随应力释放逐渐发生松弛与破坏；
3.传统暗挖隧道施工在隧道开挖及出渣后必须在掌子面架设钢拱架，现场焊接纵向连接筋，然后喷射速凝混凝土，过一段距离后向初支背后回填注浆；这种方法工序多，施工循环时间长，架设钢拱架、初支喷射的混凝土，混凝土强度增长至少需要几个小时后才能实现，常常是一天仅能完成一个开挖循环，围岩需要支撑及补充应力的时间要等的时间就比较长，由于隧道作业时间长，工序作业效率低，速度慢，初支混凝土强度增长相对较慢，隧道初支与开挖围岩间存在一定的孔隙，常常导致围岩不能及时得到支护，不能及时给围岩提供约束应力，使隧道围岩受力变形的自由状态时间过长，易造成围岩应力恶化，围岩自身物理力学指标降低，甚至恶化，造成隧道围岩变形量大，围岩变形松弛，围岩受力状况恶化，造成隧道施工安全风险高，施工成本高。
4.隧道施工进度慢，效率低，造成隧道围岩先变形，围岩的形变压力再作用在初支上，初支才开始被动变形，初支形变造成初支支护内力逐渐增强，增强的初支内力逐渐使初支抵抗变形的能力加强，即围岩先变形，支护结构后变形，支护结构变形后才能再对围岩提供支护应力，这种能力反作用在围岩的开挖面上，使初支给围岩提供支护应力，逐渐使围岩的应力状态发生变化，隧道开挖面的围岩在支护一定时间后逐渐由二维应力转变为三维应力，随着时间和变形的发展，在隧道初支安全的状况下，围岩逐渐达到三维应力再平衡状态，隧道变形趋于稳定与安全；隧道初支的作用是要能够及时提供给围岩应力，约束和协调围岩的变形，使围岩与支护共同作用来协调平衡围岩因开挖而产生的应力释放，使围岩应力重新达到新的平衡状态；正是传统隧道作业效率低、支护作用效率低，被动式支护作用，支护作用的发挥需要等相对比较长的时间，围岩相对长时间得不到有效应力的约束，在形变应力作用下围岩易被破坏，特别是软弱围岩变形更易破坏，由于不能及时提供约束变形的应力，有效时间大量的被浪费掉，导致围岩受力恶化，支护措施成本也就随之增高，暗挖隧道风险高，变形大，环境保护难度自然也就高，施工成本也随之增大。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供了软弱围岩隧道暗挖初支应力平衡控制地层变形稳定方法，解决了背景技术中所提及的技术问题。
6.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：软弱围岩隧道暗挖初支应力平衡控制地层变形稳定方法，具体包括以下步骤：
7.步骤一：软弱围岩隧道采用上下台阶法施工，在上台阶开挖完成后，及时架设初支拱架，采用在隧道上台阶初支的两侧及拱顶先安设导向顶、底纵梁，然后再安设临时支撑及仰拱钢架，再拼装拱架，形成一个结构受力整体，然后再在初支、拱架背后均匀安设串联多个条状施力装置，最后给施力装置充气膨胀施加应力，让其同时作用在初支拱架及围岩上；
8.步骤二：在施作施力装置前，先施作5米的初支标准段，在标准段施作时，按标准安设拱架定位受力系统装置，在拱架背后施力装置施力稳定后，再进行拱架间填充早强混凝土施工，每次混凝土施工前取出上一循环施加的拱架后的施力装置，这样循环施工推进；
9.步骤三：下台阶开挖完成后，及时施作底部早强塑性混凝土找平，安设仰拱初支拱架，然后再拼接中部初支拱架，在中部初支拱架背后均匀安设串联多个施力装置后，让施力装置给拱架及围岩施加应力，最后再施作拱架间早强混凝土，施作早强混凝土前取出上前一拱架背后的施力装置，循环推进；
10.步骤四：在隧道初支结构闭合5米后，保持5米的距离，从后向前逐品拆除拱架定位受力系统，循环使用。
11.作为本技术方案的进一步优选，纵向梁与初支及临时仰拱采用螺栓连接。
12.作为本技术方案的进一步优选，根据围岩应力释放的大小控制施力装置施加应力的大小数值，从而控制围岩的应力释放，快速建立新的应力平衡状态。
13.作为本技术方案的进一步优选，施力装置主要由橡胶组成的中空条状气囊，其能够承受2mpa破坏压力，充气能够膨胀30倍，厚度达到20至30cm，并设置用于多个施力装置串联联通的承插式闸阀及侧向充放气的承插式闸阀。
14.作为本技术方案的进一步优选，施力装置同时给隧道围岩与拱架施力，这个过程使围岩、施力装置、初支拱架结构相互作用，通过施力装置施加应力，协调围岩、拱架的变形，实现三者变形及其应力状态达到统一。
15.作为本技术方案的进一步优选，开挖面及时支护，并迅速施加给围岩应力，使开挖面围岩的径向方向的应力得到恢复，围岩处于三维应力状态。
16.作为本技术方案的进一步优选，在施力装置及拱架拼装定位受力控制系统保护下，在三道纵向受力钢梁及仰拱的支撑约束下，在相邻其他施力装置作用下的环形封闭结构的整体约束保护下，并在相邻拱架间混凝土的支撑作用下，逐品取出拱架背后施力装置，然后在拱架间填充混凝土，实现拆除施力装置后结构受力顺利转换，逐品拆除施力装置。
17.与现有技术相比具备以下有益效果：
18.主动掌控隧道受力变化，快速建立初支结构与围岩的受力平衡系统，保证隧道稳定安全；在拱架结构拼装完成后，通过施力装置迅速给围岩施加应力，并根据围岩的受力状况进行及时调整，主动掌控围岩支护应力大小，控制围岩因隧道开挖应力平衡打破的时间，充分利用围岩的自稳性能，快速安装拱架结构，提高围岩的支护应力比，控制围岩应力释放程度，保护围岩，建立围岩快速应力平衡恢复系统，实现隧道的安全稳定。
19.安全稳定的结构受力转换体系；闭合受力结构受力最大稳定性最好，稳定的结构定位控制系统，为拱架背后施力装置施加应力提供有力的稳定技术保障，保证受力转换对系统结构受力产生影响很小，分段拆除拱架背后施力装置，及时回填早强混凝土为结构转换后小部分拱架背后空腔回填，提供混凝土支护强度，由于两侧的约束，在拱架结构、纵向梁、临时支撑及仰拱限制和约束情况下，围岩在拆除施力装置后短时间内局部应力释放程度有限，拱架受力基本稳定，不会影响隧道的安全，最后隧道初支结构成环并稳定后才逐品分段拆除拱架定位控制系统，拆除过程结构受力逐步转化，不会影响隧道受力稳定。
20.系统自动应力调整平衡功能；由于拱架背后安设柔性施力装置，隧道围岩、拱架在受力变化调整时，通过系统柔性装置的自动约束变形来实现系统的自动应力平衡调整，达到整体应力新的平衡状态。
21.利于隧道开展高效机械化施工作业奠定基础；快速拼装化组织作业、高强度的拱架支撑体系、快速隧道受力稳定体系，为高效快速的机械化施工奠定基础，发挥机械化施工效率。
22.施工更便于组织管理；拱架受力定位系统及快速柔性施力装置为隧道提供快速稳定的受力体系外，为隧道上下台阶平行作业提供施工通道，相互作业互不影响，便于施工组织管理。
附图说明
23.图1为本发明的隧道初支纵断面示意图；
24.图2为本发明中隧道断面的结构示意图；
25.图3为本发明中部分隧道断面的结构示意图。
26.图中：1、初支拱架；2、底纵梁；3、临时支撑及仰拱钢架；4、施力装置；5、导向顶；6、早强砂浆；7、早强混凝土；8、掌子面。
具体实施方式
27.下面将结合说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.请参阅图1－图3，本发明提供一种技术方案：软弱围岩隧道暗挖初支应力平衡控制地层变形稳定方法，具体包括以下步骤：
29.步骤一：软弱围岩隧道采用上下台阶法施工，在上台阶开挖完成后，及时架设一定刚度的初支拱架1，采用在隧道上台阶初支的两侧及拱顶先安设导向顶5、底纵梁2，具体的根据开挖的长度分节段拼接，然后再安设临时支撑及仰拱钢架3，具体的安设前先铺设塑性早强砂浆6找平层，再拼装有一定刚度的拱架，纵向梁与初支及临时仰拱采用螺栓连接，这样形成一个结构受力整体，然后再在初支拱架1背后均匀安设串联多个条状施力装置4，最后给施力装置4充气膨胀施加应力，让其同时作用在初支拱架1及围岩上，根据围岩应力释放的大小控制施力装置4施加应力的大小数值，从而快速及时的控制围岩的应力释放，快速建立新的应力平衡状态；
30.通过初支拱架1变形让初支拱架1结构产生内部应力，给施力装置4提供支撑，围岩约束施力装置4膨胀，施力装置4及时快速的给围岩提供应力，限制并约束围岩的变形，这样就能克服传统施工工艺工法被动性给围岩提供约束应力的方法，能够及早协调控制围岩的应力释放，控制围岩的变形，充分发挥围岩的自身承载能力，快速达到围岩因隧道开挖造成的应力平衡失衡的问题，及早引领围岩快速实现新的应力平衡状态，控制隧道施工的安全风险；
31.步骤二：在施作施力装置4前，先施作5米左右的初支标准段，在标准段施作时，按标准安设拱架定位受力系统装置，在拱架背后施力装置4施力稳定后，再进行拱架间填充早强混凝土7施工，每次混凝土施工前取出上一循环施加的拱架后的施力装置4，具体的，早强混凝土7至少养护8小时后才能拆除拱架背后的施力装置4，以便保证初支混凝土能够受力，一般隧道作业循环时间能够满足此要求，这样循环施工推进；
32.施力装置4主要由橡胶组成的中空条状气囊，其能够承受2mpa破坏压力，充气能够膨胀约30倍，厚度达到20至30cm，并设置用于多个施力装置4串联联通的承插式闸阀及侧向充放气的承插式闸阀；
33.施力装置4同时给隧道围岩与拱架施力，这个过程使围岩、施力装置4、初支拱架1结构相互作用，通过施力装置4施加应力，协调围岩、拱架的变形，实现三者变形及其应力状态达到有机统一，拱架通过受力变形而产生内部应力，将变形能储存在的拱架结构内，快速达到支护受力状态，提供足够的稳定的应力，同时为施力装置4提供支撑能力，施力装置4施力给拱架的同时也给围岩提供适当的应力，施力装置4膨胀挤压围岩，同时这种应力在施力装置4一定宽度范围给围岩相对均匀的条状面应力作用不是集中应力，围岩不易被破坏，围岩受到反向的挤压约束变形而增加内部应力，使围岩内部应力迅速转变应力状态，成为三维受力状态；围岩应力状态的快速变化状态约束围岩的应力释放程度，限制围岩向洞内变形，同时施力装置4通过条状、面状主动挤压围岩而使其受到径向面应力，使围岩变形而储存内应力，通过主动控制迅速改变隧道开挖后洞壁围岩处于二维应力的不利状态，迅速向三维有利应力状态转变，并迅速实现应力平衡状态，随着围岩应力向良性状态的转变，三维应力状态利于围岩自身稳定，围岩的自身抗剪能力得到提高加强，抗变形能力也随之得到加强，当快速实现应力平衡后，消除了围岩内部的应力差，围岩自然处于良好的稳定状态，隧道的稳定性也就得到保证；
34.在这一过程中通过施力装置4压力的调整主动控制围岩的三维应力状态，能够快速实现，围岩自由变形的时间就能控制在有限的时间内，隧道开挖后，围岩一般都有一定自稳时间，即隧道开挖后围岩应力释放是需要时间的，在一定的时间内，应力释放产生的破坏应力相对较小，在这种状态下围岩能够靠自身的强度实现自稳，在有限的时间内通过施力装置4及时给围岩提供支护应力，能够快速实现围岩内的应力平衡，促使围岩的稳定，使隧道围岩因隧道开挖而失稳状态迅速转变为新的三维应力稳定平衡状态，实现隧道围岩的稳定与施工安全，充分维持并调动围岩的自稳能力，控制围岩的应力状态，控制隧道围岩的变形与破坏。
35.施力装置4、拱架实现并达到隧道新奥法施工所要求的及时施加有一定支护刚度的柔性支护体，充分调动和利用围岩自身承载能力，达到最大限度的保护围岩；创造性的利用主动施力装置4，主动快速控制施加并补充给围岩应力，调整围岩的应力状态，大大加速
围岩内部应力的再平衡，缩短隧道围岩应力变化平衡的时间，迅速控制因隧道开挖而造成的应力释放程度，最大限度的保护和充分利用围岩的自身稳定性，对隧道围岩的稳定和隧道的安全施工产生重大意义；
36.由于拱架背后安设施力装置4，隧道围岩、拱架在受力变化时，由于施力装置4是柔性的，能够实现与拱架即围岩间自动调整应力，实现系统的自动应力平衡调整，达到并控制隧道施工过程中应力调整变化，实现不断的平衡状态，维持隧道施工过程中整体平衡与稳定；
37.开挖面及时支护，并迅速施加给围岩应力，使开挖面围岩的径向方向的应力得到恢复，围岩处于三维应力状态，有利于降低掌子面8处围岩的应力坡降，降低围岩的应力释放程度；
38.步骤三：下台阶开挖完成后，及时施作底部早强塑性混凝土找平，具体的，便于仰拱受力通过塑性混凝土传递力给基岩，安设仰拱初支拱架1，然后再拼接中部初支拱架1，在中部初支拱架1背后均匀安设串联多个施力装置4后，让施力装置4给拱架及围岩施加应力，最后再施作拱架间早强混凝土7，施作早强混凝土7前取出上前一拱架背后的施力装置4，循环推进；
39.距掌子面8一定距离在施力装置4及拱架拼装定位受力控制系统保护下，在三道纵向受力钢梁及仰拱的支撑约束下，在相邻其他施力装置4作用下的环形封闭结构的整体约束保护下，并在相邻拱架间混凝土的支撑作用下，逐品取出拱架背后施力装置4，采取不同方法和措施实现拱架间填充混凝土，实现拆除施力装置4后结构受力顺利转换，逐品拆除施力装置4，仅使单品拱架处于悬空状态，但在纵向梁的约束及相邻拱架背后混凝土的支撑作用下，储藏在该拱架内的形变应力基本不会发生较大变化，其状态是安全的，虽然隧道整体系统应力会部分调整，但临近拱架背后的柔性施力装置4会自动进行应力及变形调整，不会影响隧道整体结构受力，通过监控相邻附近施力装置4的受力状况及围岩应力状态，必要时补充施力装置4压力；
40.步骤四：在隧道初支结构闭合约5米后，保持5米左右的距离，从后向前逐品拆除拱架定位受力系统，循环使用；
41.在隧道初支拱架1间混凝土填充一段长度后，且混凝土强度达到一定强度后，开始逐段拆除拱架拼装定位受力控制装置，循环使用，完成隧道结构最终的顺利安全转换。
42.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.软弱围岩隧道暗挖初支应力平衡控制地层变形稳定方法，其特征在于：具体包括以下步骤：步骤一：软弱围岩隧道采用上下台阶法施工，在上台阶开挖完成后，及时架设初支拱架(1)，采用在隧道上台阶初支的两侧及拱顶先安设导向顶(5)、底纵梁(2)，然后再安设临时支撑及仰拱钢架(3)，再拼装拱架，形成一个结构受力整体，然后再在初支、拱架背后均匀安设串联多个条状施力装置(4)，最后给施力装置(4)充气膨胀施加应力，让其同时作用在初支拱架(1)及围岩上；步骤二：在施作施力装置(4)前，先施作5米的初支标准段，在标准段施作时，按标准安设拱架定位受力系统装置，在拱架背后施力装置(4)施力稳定后，再进行拱架间填充早强混凝土(7)施工，每次混凝土施工前取出上一循环施加的拱架后的施力装置(4)；步骤三：下台阶开挖完成后，及时施作底部早强塑性混凝土找平，安设仰拱初支拱架(1)，然后再拼接中部初支拱架(1)，在中部初支拱架(1)背后均匀安设串联多个施力装置(4)后，让施力装置(4)给拱架及围岩施加应力，最后再施作拱架间早强混凝土(7)，施作早强混凝土(7)前取出上前一拱架背后的施力装置(4)，循环推进；步骤四：在隧道初支结构闭合5米后，保持5米的距离，从后向前逐品拆除拱架定位受力系统，循环使用。2.根据权利要求1所述的软弱围岩隧道暗挖初支应力平衡控制地层变形稳定方法，其特征在于：纵向梁与初支及临时仰拱采用螺栓连接。3.根据权利要求1所述的软弱围岩隧道暗挖初支应力平衡控制地层变形稳定方法，其特征在于：根据围岩应力释放的大小控制施力装置(4)施加应力的大小数值。4.根据权利要求1所述的软弱围岩隧道暗挖初支应力平衡控制地层变形稳定方法，其特征在于：施力装置(4)是由橡胶组成的中空条状气囊，其能够承受2mpa破坏压力，充气膨胀30倍，厚度达到20至30cm，并设置用于多个施力装置(4)串联联通的承插式闸阀及侧向充放气的承插式闸阀。5.根据权利要求1所述的软弱围岩隧道暗挖初支应力平衡控制地层变形稳定方法，其特征在于：施力装置(4)同时给隧道围岩与拱架施力。6.根据权利要求1所述的软弱围岩隧道暗挖初支应力平衡控制地层变形稳定方法，其特征在于：开挖面及时支护，并迅速施加给围岩应力。7.根据权利要求1所述的软弱围岩隧道暗挖初支应力平衡控制地层变形稳定方法，其特征在于：在施力装置(4)及拱架拼装定位受力控制系统保护下，在三道纵向受力钢梁及仰拱的支撑约束下，在相邻其他施力装置(4)作用下的环形封闭结构的整体约束保护下，并在相邻拱架间混凝土的支撑作用下，逐品取出拱架背后施力装置(4)，然后在拱架间填充混凝土，逐品拆除施力装置(4)。

技术总结
本发明公开了软弱围岩隧道暗挖初支应力平衡控制地层变形稳定方法，具体包括以下步骤：步骤一：软弱围岩隧道采用上下台阶法施工，然后再在初支、拱架背后均匀安设串联多个条状施力装置；步骤二：按标准安设拱架定位受力系统装置，进行拱架间填充早强混凝土施工；步骤三：安设仰拱初支拱架，然后再拼接中部初支拱架并安设串联多个施力装置后；步骤四：从后向前逐品拆除拱架定位受力系统，循环使用；本发明涉及隧道及地下工程技术领域。该软弱围岩隧道暗挖初支应力平衡控制地层变形稳定方法，使初支能够快速及时给围岩提供支护应力，及时调整围岩的应力状态，尽快形成新的应力平衡，至少降低围岩的形变应力恶化程度，避免围岩应力恶化。恶化。恶化。


技术研发人员：苗泽纯 林波 谢文博 刁天祥 余立龙
受保护的技术使用者：保利长大海外工程有限公司
技术研发日：2023.06.13
技术公布日：2023/8/31