阅读说明：本技术 一种膨胀性隧道围岩的卸压方法 (Pressure relief method for expansive tunnel surrounding rock ) 是由 许崇帮 李磊 秦幼林 王华牢 于 2019-11-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种膨胀性隧道围岩的处治方法,具体涉及一种膨胀性隧道围岩的卸压方法,所述方法包括如下步骤：(1)探明因隧道施工导致膨胀性围岩的扰动范围；(2)试验确定膨胀性围岩试块的孔隙率n、膨胀率α及抗压强度σ<Sub>ci</Sub>；(3)初步确定膨胀性围岩卸压换填的位置和深度；(4)计算膨胀性围岩的弹性模量E<Sub>m</Sub>及抗压强度σ<Sub>cm</Sub>；(5)选取弹性体换填材料类型；(6)计算确定卸压换填孔的孔径、孔深、孔数及孔距；与现有技术相比,本发明的有益效果是：采取将膨胀应力释放卸除的方法处理膨胀性岩土体,可以减小或消除膨胀应力,无需投入大量人力物力即可实现对于膨胀性岩土体的治理效果。(The invention relates to a method for treating expansive tunnel surrounding rocks, in particular to a method for relieving pressure of the expansive tunnel surrounding rocks, which comprises the following steps: (1) the disturbance range of the expansive surrounding rock caused by tunnel construction is ascertained; (2) the porosity n, the expansion rate alpha and the compressive strength sigma of the expansive surrounding rock test block are determined through tests ci (ii) a (3) Preliminarily determining the pressure relief and replacement position and depth of the expansive surrounding rock; (4) calculating the elastic modulus E of expansive surrounding rock m And compressive strength sigma cm (ii) a (5) Selecting the type of elastomer filling material; (6) calculating and determining the aperture, the depth, the number and the pitch of the pressure relief filling holes; compared with the prior art, the invention has the beneficial effects that: the expansive rock-soil body is processed by the method of releasing and removing the expansive stress, so that the expansive stress can be reduced or eliminated, and the treatment effect on the expansive rock-soil body can be realized without investing a large amount of manpower and material resources.)

一种膨胀性隧道围岩的卸压方法

技术领域

本发明涉及一种膨胀性隧道围岩的处治方法，具体涉及一种膨胀性隧道围岩的卸压方法。

背景技术

我国幅员辽阔，工程地质条件复杂多变，目前而言对于膨胀性岩(土)体的认识尚不成熟，未形成系统理论与技术体系，设计及施工过程中对工程经验依赖较多。工程中对于膨胀岩(土)体的治理方法也较传统，主要依靠以往工程经验即工程类比的方法采取加强结构强度及防排水等传统的工程措施。即便如此，治理效果依旧不够理想，膨胀性岩(土)体的存在仍常会使结构开裂甚至破坏。产生膨胀的反应过程往往是不可逆的，膨胀压力一旦产生基本不随时间变小，呈逐渐增大的趋势。膨胀压力给隧道施工及运营带来巨大的安全隐患。如果能够将膨胀压力释放，从而减小或消除作用于隧道衬砌结构的膨胀压力，膨胀性岩(土)体对工程所带来的不利影响将大为改善。

目前已有技术中对于隧道膨胀岩(土)体的治理方法主要采取加强衬砌结构强度及防排水等传统的工程措施，虽然投入了大量的人力、物力，但在多个工程实践中对于膨胀性岩(土)体的治理效果仍然不理想，膨胀性岩(土)体对于工程安全依旧存在巨大威胁。

在隧道围岩膨胀性岩(土)体中钻孔进行卸压换填的方法在相关行业及工程中还没有相关应用的案例。因此，研发一种综合的有效的卸压方法是极为必要的，以此提高膨胀性岩(土)体的处理效果，提高工程的长期安全性和稳定性。

因此，开发一种膨胀性隧道围岩的卸压方法，不但具有迫切的研究价值，也具有良好的经济效益和工业应用潜力，这正是本发明得以完成的动力所在和基础。

发明内容

为了克服上述所指出的现有技术的缺陷，本发明人对此进行了深入研究，在付出了大量创造性劳动后，从而完成了本发明。

具体而言，本发明所要解决的技术问题是：提供一种膨胀性隧道围岩的卸压方法，该方法可吸收和承担岩(土)体膨胀变形及膨胀应力，能够实现持久的卸压作用，保证隧道围岩稳定和衬砌结构安全。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种膨胀性隧道围岩的卸压方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

(1)探明因隧道施工导致膨胀性围岩的扰动范围；

(2)试验确定膨胀性围岩试块的孔隙率n、膨胀率α及抗压强度σ_ci；

(3)判断隧道是否需要卸压换填施工，若需要进行卸压换填则进入步骤(4)；

(4)初步确定膨胀性围岩卸压换填的位置和深度；

(5)计算膨胀性围岩的弹性模量E_m及抗压强度σ_cm；

(6)根据膨胀性围岩的物理力学参数选取弹性体换填材料类型；

(7)计算确定卸压换填孔的孔径、孔深、孔数及孔距；

(8)选择直径及长度合适的弹性体换填材料；

(9)施工现场测量放线定位卸压换填孔孔位，钻孔、吹孔施工；

(10)将弹性体换填材料填充至卸压换填孔内，尾部预留封孔段；

(11)水泥砂浆填充卸压换填孔的封孔段封孔。

在本发明中，作为一种改进，所述步骤(3)中包括如下具体步骤：

1)根据权利要求1所述的步骤(2)得到膨胀性岩(土)试块的孔隙率均值n、膨胀率均值α；

2)判断是否需要卸压换填施工：若n≥α则无需进行卸压换填施工，若n＜α则需要进行卸压换填施工。

在本发明中，作为一种改进，所述步骤(4)中包括如下具体步骤：

1)根据权利要求1所述的步骤(1)得到膨胀性围岩在隧道施工过程中的扰动范围；

2)在不损坏较好围岩的原则下，卸压换填范围初步取为膨胀性围岩的松动范围，最终卸压换填孔施工位置和深度根据计算结果、地质条件、施工条件和控制原则综合确定。

在本发明中，作为一种改进，所述岩体的弹性模量E_m计算过程如下：

1)由试验得到岩石试块的抗压强度σ_ci；

2)通过Hoek-Brown强度准则的GSI围岩分级系统得到地质强度指标GSI，结合施工对隧道岩体的扰动情况确定岩体扰动系数D；

3)通过以下公式计算岩体的弹性模量E_m：

当σ_ci≤100MPa时，

当σ_ci＞100MPa时，

在本发明中，作为一种改进，所述岩体的抗压强度σ_cm的计算公式为：

其中：S、m_b、a—岩土体的Hoek-Brown强度准则常数，计算如下：

其中，m_i为岩石块体的Hoek-Brown常数；

在本发明中，作为一种改进，所述土体或岩土混合体的弹性模量E_m及抗压强度σ_cm确定过程如下：

1)当围岩地质为土体时，土体的弹性模量E_m由室内三轴压缩试验计算得知，土体的抗压强度σ_cm同样可由强度试验经计算得到；

2)当围岩地质既有岩体也有土体时，则分别计算岩体及土体弹性模量及抗压强度，综合得到该地质区域的岩土混合体的弹性模量E_m及抗压强度σ_cm。

在本发明中，作为一种改进，所述步骤(6)中选取的弹性体换填材料应满足下列要求：

1)选取的弹性体换填材料的弹性模量E₁及应力均小于岩(土)体弹性模量E_m及抗压强度σ_cm；

2)选取的弹性体换填材料的体积压缩率ε不小于30％；

所述弹性体换填材料可以为固体弹性材料，也可以为注浆类弹性材料。

在本发明中，作为一种改进，所述步骤(7)中包括如下具体步骤：

1)计算岩(土)体膨胀充满岩土体孔隙后的膨胀体积V_β；

2)卸压换填孔位置及深度根据权利要求4方法初步确定；

3)由膨胀性岩(土)体膨胀充满岩(土)体孔隙之后的膨胀体积V_β等于弹性体换填材料压缩体积V_γ的变形协调条件计算卸压换填孔孔径、孔深、孔数及孔距。

在本发明中，作为一种改进，在步骤(7)中的1)步骤中，膨胀性岩(土)体膨胀充满岩(土)体孔隙后的膨胀体积V_β的计算公式为：V_β＝V_α-V_V＝α·V-n·V，所述孔隙率

其中V_V为膨胀性岩(土)体孔隙体积，V为膨胀性岩(土)体未膨胀时总体积，所述膨胀率

其中V_a为膨胀性岩(土)体膨胀的体积，V为膨胀性岩(土)体未膨胀时总体积。

在本发明中，作为一种改进，所述弹性体材料压缩体积为V_γ，由膨胀性岩(土)体膨胀充满岩(土)体孔隙之后的膨胀体积V_β等于弹性体压缩体积V_γ的变形协调条件V_β＝V_γ计算确定卸压孔参数，计算公式如下：

式中，D—卸压换填孔直径/弹性体材料直径；

L—弹性体材料长度，即卸压换填孔深度H减去尾端预留封孔段；

η—卸压换填孔个数；

ε—弹性体材料的体积压缩率。

在本发明中，作为一种改进，所述卸压换填孔参数的计算过程如下：

1)所述卸压换填孔参数计算过程中，在不损坏较好围岩的原则下，卸压换填孔位置、深度初步取隧道围岩的扰动范围，根据变形协调条件V_β＝V_γ确定卸压换填孔孔径D及卸压孔个数η；

2)当卸压换填孔深度取隧道围岩的扰动深度将破坏较好围岩或计算的卸压换填孔孔径D及卸压孔个数η不合理时，根据变形协调条件V_β＝V_γ重新计算确定弹性体材料长度L、卸压换填孔孔深H(H＝L+0.2m)、卸压孔孔径D及卸压孔个数η；

3)结合地质条件及现场实际施工情况判断前述步骤1)与步骤2)的卸压换填孔参数是否可行，参数不可行，则根据前述步骤1)及步骤2)重新计算确定卸压换填孔参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)相对于以往加强隧道衬砌结构强度、提高防排水等膨胀性岩(土)体传统处理方法，采取将膨胀应力释放卸除的方法处理隧道围岩膨胀性岩(土)体，可以大幅度降低甚至消除围岩膨胀压力对支护结构的影响，无需投入大量人力物力即可实现对于膨胀性岩(土)体的治理效果。

(2)在岩(土)体中钻孔施工后，因为钻孔处截面尺寸突变，钻孔处受应力集中的影响极易出现塌孔、堵孔情况，而钻孔内若充填弹性体材料，不仅可以有效承担和吸收岩(土)体的膨胀变形及膨胀应力，而且还可以与膨胀性岩(土)体协同变形，避免了岩(土)体出现截面突然改变的情况，解决了目前岩(土)体钻孔常产生应力集中及出现塌孔的工程问题。

(3)相较传统卸压孔而言，在孔内充填弹性材料完成封孔，有效避免了卸压孔成为新的地下水运移通道而加速围岩的破坏，提高卸压换填方法处治膨胀性围岩的适用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明

具体实施方式

或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明卸压换填方法的步骤流程图；

图2为本发明卸压换填钻孔的环向布置剖视图；

图3为本发明卸压换填钻孔的纵向布置剖视图；

图4为本发明卸压换填材料埋设示意图；

图中：1—卸压换填径向边界；2—卸压换填孔；3—隧道轮廓线；4—隧道围岩；5—卸压换填环向边界；6—隧道中线；7—弹性体换填材料；8—水泥砂浆封孔段。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一：一种膨胀性隧道围岩的卸压方法，探明因隧道施工导致膨胀性围岩的扰动范围，初步确定卸压换填范围，扰动范围的确定可以采用工程常用技术手段，如工程物探技术等。

探明膨胀性岩体分布范围之后，现场选取典型膨胀性岩石试块进行试验测定岩块的天然抗压强度σ_ci、并计算岩土体的如下参数：岩土体孔隙率n和膨胀率α，判断是否需要卸压换填施工，若n≥α则无需进行卸压换填施工，若n＜α则需要进行卸压换填施工。

初步确定膨胀性围岩卸压换填的位置，根据前述的步骤得到膨胀性围岩在隧道施工过程中的扰动范围，在不损坏较好围岩的原则下，卸压换填范围初步取为膨胀性围岩的松动范围，最终卸压换填孔施工位置、深度由计算、地质条件、现场施工情况和可提供的施工技术条件及结合卸压换填施工不应损坏较好围岩的原则综合确定。

在选取弹性体换填材料前需计算岩土体的弹性模量E_m及抗压强度σ_cm，使选取弹性体材料的弹性模量E₁及应力均小于岩土体的弹性模量E_m及抗压强度σ_cm，且所选取弹性体材料的体积压缩率不小于30％。

岩土体的地质包括岩体、土体或岩体土体相结合三种形态，当岩土体地质为岩体时，岩体的弹性模量E_m及抗压强度σ_cm可由Hoek-Brown强度准则计算得到。

其中，所述岩体的弹性模量E_m计算过程如下：

1)由试验得到岩石试块的抗压强度σ_ci；

2)通过Hoek-Brown强度准则的GSI围岩分级系统得到地质强度指标GSI，结合施工对隧道岩体的扰动情况确定岩体扰动系数D；

3)通过以下公式计算岩体的弹性模量E_m：

当σ_ci≤100MPa时，

当σ_ci＞100MPa时，

所述岩体的抗压强度σ_cm的计算公式为：

其中：S、m_b、a—岩土体的Hoek-Brown强度准则常数，计算如下：

其中，m_i为岩石块体的Hoek-Brown常数；

所述土体或岩土混合体的弹性模量E_m及抗压强度σ_cm确定过程如下：

1)当围岩地质为土体时，土体的弹性模量E_m由室内三轴压缩试验计算得知，土体的抗压强度σ_cm同样可由强度试验经计算得到；

2)当围岩地质既有岩体也有土体时，则分别计算岩体及土体弹性模量及抗压强度，综合得到该地质区域的岩土混合体的弹性模量E_m及抗压强度σ_cm；

3)岩体及土体的弹性模量E_m及抗压强度σ_cm均通过试验计算取得，且试验的方式为现有技术中具有的岩体或土体弹性模量实验及强度实验。

由于土体的弹性模量E_m及抗压强度σ_cm均通过实验计算取得，且实验的方式为现有技术中具有的土质弹性模量实验及强度实验，因此，不再详细叙述具体实验过程。

通过以上计算得到岩土体的弹性模量E_m及抗压强度σ_cm参数，根据弹性体材料的选取条件选择合适的弹性体材料，代入参数进行验算，验证是否满足要求。

选取完弹性体材料后，计算确定卸压换填孔的孔径、孔深、孔数及孔距，计算步骤如下：

1)计算岩(土)体膨胀充满岩土体孔隙后的膨胀体积V_β；

2)由步骤(4)中确定的膨胀性围岩卸压换填位置和深度确定卸压换填孔的位置及深度；

3)由膨胀性岩(土)体膨胀充满岩(土)体孔隙之后的膨胀体积V_β等于弹性体换填材料压缩体积V_γ的变形协调条件计算卸压换填孔孔径、孔深、孔数及孔距的相应参数。

步骤1)中，岩土体膨胀充满岩土体孔隙后的膨胀体积V_β的计算公式为：V_β＝V_α-V_V＝α·V-n·V，所述孔隙率

其中V_V为岩土体孔隙体积，V为岩土体未膨胀时总体积，所述膨胀率

其中V_a为岩土体膨胀后的体积，V为岩土体未膨胀时总体积。

步骤3)中，所述弹性体压缩体积为V_γ，由岩土体膨胀充满岩土体孔隙之后的膨胀体积V_β等于弹性体压缩体积V_γ的变形协调条件V_β＝V_γ确定卸压孔参数，计算公式如下：

式中，D—卸压换填孔直径/弹性体材料直径；

L—弹性体材料长度，即卸压换填孔深度H减去尾端预留封孔段，封孔段可根据需要预留不同的长度，在实际应用过程中一般预留0.2m；

η—卸压换填孔个数；

ε—弹性体材料的体积压缩率。

在卸压换填孔参数计算过程中，1)在不损坏较好围岩的原则下，卸压换填孔位置、深度初步取隧道围岩的扰动范围，根据变形协调条件V_β＝V_γ确定卸压换填孔孔径D及卸压孔个数η；

2)当卸压换填孔深度取隧道围岩的扰动深度将破坏较好围岩或步骤1)中计算的卸压换填孔孔径D及卸压孔个数η不合理时，根据变形协调条件V_β＝V_γ重新计算确定弹性体材料长度L、卸压换填孔孔深H(H＝L+0.2m)、卸压孔孔径D及卸压孔个数η；

3)结合地质条件及现场实际施工情况判断本权利要求卸压换填孔参数计算过程中步骤1)与步骤2)的卸压换填孔参数是否可行，参数不可行，则根据本权利要求步骤1)及步骤2)重新计算确定卸压换填孔参数。

其中，所考虑的地质条件及现场实际施工情况包括但不限于下列考察范围：围岩破裂的范围、围岩变形量级、支护强度等，以上因素的参数与计算相结合确定卸压换填孔参数。

卸压换填孔参数计算完成后，根据卸压换填孔的孔径及孔深选择合适直径及长度的弹性体换填材料，测量放线定位卸压换填孔的位置，钻孔施工。

将弹性体换填材料填充至卸压换填孔内，并在所述卸压换填孔尾部预留20cm的封孔段，泥砂浆填充至卸压换填孔的封孔段封孔，完成整个卸压换填过程。

实施例二：深埋岩石隧道，拱腰处围岩为膨胀性岩体，探明因为施工导致膨胀性岩体松动的深度为3m，尾端预留20cm封孔段，因此初步取卸压换填孔孔深H＝3.2m，即弹性体换填材料L＝H-0.2＝3.2-0.2＝3m，卸压换填范围初步定为拱腰处整个岩体膨胀范围，计算得到岩体未膨胀时体积V＝28.73m³(隧道轴向方向取单位长度1m分析)。

探明膨胀性岩体分布范围之后，现场选取典型膨胀性岩石试块进行试验测定岩块的抗压强度σ_ci、孔隙率n和膨胀率α，试验测得实施例岩石试块的天然抗压强度σ_ci＝36.4MPa，岩体的孔隙率n＝3.0％、膨胀率α＝6％。因为α＞n，所以需要进行卸压换填施工。两侧拱腰膨胀性岩体膨胀体积均为V_β＝V_α-V_V＝α·V-n·V＝(6％-3％)×28.73＝0.862m³。

由Hoek-Brown强度准则计算岩体的弹性模量E_m及抗压强度σ_cm，根据对现场地质揭露情况结合Hoek-Brown强度准则得到地质强度指标GSI＝50，岩土体扰动系数D＝0.3，岩块参数m_i＝15。

m_i为岩石试块的Hoek-Brown常数计算如下：

岩体的Hoek-Brown强度准则常数S、m_b计算如下：

当σ_ci＝36.4MPa≤100MPa时，岩体的弹性模量E_m计算如下：

岩体的抗压强度计算如下：

本实施例选取的弹性体材料为聚氨酯固体弹性材料，室内试验所得弹性体材料参数如下表。

聚氨酯弹性体材料参数表

由上表可知道弹性体换填材料的弹性模量E₁小于岩体的弹性模量E_m，弹性体材料应力小于岩体的抗压强度σ_cm，弹性体的最大压缩量可以达到40％以上，综上选择的弹性体换填材料满足要求。

由岩体膨胀充满岩土体孔隙之后的膨胀体积V_β等于弹性体压缩体积V_γ的变形协调条件V_β＝V_γ，初步计算确定卸压孔参数。弹性体换填材料的体积压缩率取40％进行计算，弹性体材料剩余的可压缩量作为安全储备，不纳入计算。

弹性体换填材料L＝H-0.2＝3.2-0.2＝3m，岩体未膨胀时体积V＝28.73m³，岩体的孔隙率n＝3.0％、膨胀率α＝6％；

卸压换填孔孔径及孔数计算如下：

进行试算得孔数η＝5，D＝331mm；

此时换填孔孔径较大，考虑减小隧道环向孔距，计算得孔数η＝10，D＝165mm。

经计算，结合现场实际施工情况及围岩破裂的范围、围岩变形量级、支护强度等因素最终确定本实施例隧道卸压换填范围为隧道拱腰处全部膨胀性岩体，卸压换填孔孔径D＝165mm，孔深H＝3.2m，孔距环向×轴向＝1m×1m。

弹性体换填材料充填完成后进行尾端20cm的水泥砂浆封孔施工。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。