一种新意法公路隧道支护方式和开挖方式的确定方法

1.本发明涉及隧道施工技术领域，尤其涉及一种新意法公路隧道支护方式和开挖方式的确定方法。


背景技术：

2.随着我国经济的不断发展，隧道工程的发展十分迅速，目前我国山岭隧道普遍采用的施工方法为20世纪50年代奥地利学者提出的新奥法。近年来，我国引入了岩土控制变形分析法，即新意法，目前新意法在我国处于推广应用阶段。
3.新意法由意大利学者pietro教授于20世纪70年代提出，其核心思想是超前核心土的变形是隧道变形的主要原因，其设计施工程序一共分为五个步骤：勘察阶段、诊断阶段、处治阶段、实施阶段、检测阶段。其中，诊断阶段需要通过数学方法预测隧道超前核心土的稳定性，根据超前核心土的稳定性选择隧道的支护类型。然而数学方法使用起来较为困难，在现场使用时较难实现。此外，新意法设计施工程序中仅说明了隧道支护形式的确定方法，隧道的开挖方式并未做详细说明，在现场施工时还需根据实际情况决定开挖方式。


技术实现要素：

4.针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种新意法公路隧道支护方式和开挖方式的确定方法，以解决现有技术中存在的问题。
5.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
6.一种新意法公路隧道支护方式和开挖方式的确定方法，其特征在于，包括以下步骤，
7.s1：在隧道一个循环完成且露出新的掌子面后，对掌子面围岩rmr级别进行确定；
8.s2：根据掌子面围岩rmr分级结果以及岩体破碎程度，是否处于特殊地段，确定隧道的支护方式；
9.s3：根据掌子面围岩rmr分级结果，基于修正的围岩自稳时间nguyen模型确定最终隧道开挖方式。
10.进一步的，步骤s1的具体操作包括以下步骤，
11.s101：在掌子面处取多个岩块，进行载荷强度试验，确定掌子面围岩的点载荷强度；
12.s102：测量掌子面围岩的等级参数，所述等级参数包括掌子面上主要不连续面长度，宽度，粗糙度，风化程度，填充情况，产状以及不连续面间距；
13.s103：根据掌子面上不连续面间距，计算掌子面围岩的rqd值，
14.rqd＝115-3.3jv15.jv＝1/s1 1/s2
……
1/sn16.式中，jv为单位体积节理数；s1，s2，
……
，sn为掌子面不连续面的间距；
17.s104：观察掌子面，判断掌子面状态，所述掌子面状态包括干燥、潮湿、湿润、滴水
和流动；
18.s105：根据步骤s101～s104的结果，计算掌子面围岩rmr级别。
19.进一步的，掌子面围岩rmr级别为ii级，岩体轻微破碎时，支护方式为：拱项预支护采用全灌浆岩石锚杆7-12根，长6.0m，纵向间距1.2m，横向间距2.05m；初支采用厚度20cm的钢纤维喷射混凝土；二衬采用厚度为40cm的素混凝土，仰拱采用厚度为70cm的素混凝土。
20.进一步的，掌子面围岩rmr级别为ii-iii级，岩体中度破碎时，支护方式为：初支采用厚度20cm的钢纤维喷射混凝土，2榀160工字钢组合的型钢拱架，纵向间距1.2
±
10％m；二衬采用厚度为40cm的素混凝土，仰拱采用厚度为70cm的素混凝土；
21.掌子面围岩rmr分级为ii-iii级，且处于特殊地段时，支护方式为：拱顶预支护采用壁厚10mm的39
±
10根直径114.3mm钢管；初支采用厚度为20cm的钢纤维喷射混凝土，2榀160工字钢组合的型钢拱架，纵向间距1.0m；二衬采用厚度为40cm～110cm的素混凝土，仰拱采用厚度为70cm的素混凝土。
22.进一步的，掌子面围岩rmr级别为iii-iv级，岩体中度至高度破碎时，支护方式为：初支采用厚度20cm的钢纤维喷射混凝土，2榀180工字钢组合的型钢拱架，纵向间距1.2
±
10％m；二衬采用厚度为65cm的素混凝土，仰拱采用厚度为80cm的钢筋混凝土；
23.掌子面围岩rmr级别为iii-iv级，岩体中度破碎时，支护方式为：拱顶预支护采用全灌浆岩石锚杆7-12根，长6.0m，纵向间距为1.4m，横向间距2.05m；初支采用20cm厚度的钢纤维喷射混凝土，2榀180工字钢组合的型钢拱架，纵向间距1.4
±
10％m；二衬采用厚度为65cm的素混凝土，仰拱采用厚度为80cm的钢筋混凝土。
24.进一步的，掌子面围岩rmr级别为iv级，且处于特殊地段时，支护方法为：拱顶预支护采用壁厚10mm的39
±
10根直径114.3mm钢管；初支采用厚度为20cm的钢纤维喷射混凝土，2榀180工字钢组合的型钢拱架，纵向间距1.0m；二衬采用厚度为40cm～110cm的钢筋混凝土，仰拱采用厚度为80cm钢筋混凝土；
25.掌子面围岩rmr级别为iv级以及iv级以上，未处于特殊地段时，支护方法为：拱顶预支护采用壁厚10mm的39
±
10根直径114.3mm钢管；初支采用厚度为20cm的钢纤维喷射混凝土，2榀180工字钢组合的型钢拱架，纵向间距1.0m；超前核心土加固采用长18.0m的55
±
10％根玻璃纤维导管；二衬采用厚度65cm的钢筋混凝土，仰拱采用厚度为80cm的钢筋混凝土。
26.进一步的，所述特殊地段包括低覆盖层、隧道轴线与边坡平行、岩体破碎、涌水强烈以及接近断层带。
27.进一步的，步骤s3的具体操作包括以下步骤，
28.s301：根据掌子面围岩rmr分级结果，确定初步隧道开挖方式；
29.s302：构建基于修正的围岩自稳时间nguyen模型，计算隧道的自稳时间；
30.s303：对比隧道的自稳时间与步骤s301中确定的不同初步隧道开挖方式所需的时间，确定最终隧道开挖方式。
31.进一步的，步骤s301中，初步隧道开挖方式包括全断面开挖法、二台阶法和三台阶法。
32.进一步的，步骤s302中构建基于修正的围岩自稳时间nguyen模型的具体操作包括以下步骤，
33.s3021：根据隧道的埋深对nguyen模型的系数进行修正；
34.深埋情况下，nguyen的修正系数为k＝a1h-3.333
，式中，a1＝4.75e 23rmr-7.75
，式中，h为隧道的埋深，e为掌子面围岩的弹性模量；
35.浅埋情况下，nguyen的修正系数为k＝a2rmr-7.751
，式中，a2＝4.58e 23h-3.333
；
36.s3022：根据修正后的nguyen模型的系数，构建修正后的nguyen模型为
[0037][0038][0039]
式中，l(kt
*
)表示深埋情况下未支护跨度；l
*
(kt
*
)表示浅埋情况下未支护跨度；γ为岩体重度，α和δ为nguyen模型的参数，α＝0.700，δ＝0.005，为位移。
[0040]
本发明的有益效果是：
[0041]
本发明中新意法公路隧道支护方式和开挖方式的确定方法根据掌子面围岩rmr分级结果以及岩体破碎程度，确定隧道的支护方式；根据掌子面围岩rmr分级结果，同时基于修正的围岩自稳时间nguyen模型确定最终隧道开挖方式，这能很大程度简化隧道的设计工作。此外，目前国内还没有确定隧道自稳时间的方法，本发明中隧道自稳时间的确定为隧道施工开挖方法提供了新思路。
附图说明
[0042]
图1为本发明中掌子面围岩rmr级别为ii级，岩体轻微破碎时的支护方式示意图；
[0043]
图2为本发明中掌子面围岩rmr级别为ii-iii级，岩体中度破碎时的支护方式示意图；
[0044]
图3为本发明中掌子面围岩rmr分级为ii-iii级，且处于特殊地段时时的支护方式示意图；
[0045]
图4为本发明中掌子面围岩rmr级别为iii-iv级，岩体中度至高度破碎时的支护方式示意图；
[0046]
图5为本发明中掌子面围岩rmr级别为iii-iv级，岩体中度破碎时的支护方式示意图；
[0047]
图6为本发明中掌子面围岩rmr级别为iv级，且处于特殊地段时的支护方式示意图；
[0048]
图7为本发明中掌子面围岩rmr级别为iv级以及iv级以下，未处于特殊地段时的支护方式示意图；
[0049]
图8为本发明中rmr与隧道自稳时间的关系曲线；
[0050]
图9为本发明rmr＝100，90，70，60时隧道埋深与修正系数的关系；
[0051]
图10为本发明rmr＝50，40，30，20时隧道埋深与修正系数的关系；
[0052]
图11为本发明中rmr与系数a的关系曲线；
[0053]
图12为本发明实施例一中断面掌子面情况；
[0054]
图13为本发明实施例二中2号隧道出口段掌子面情况；
[0055]
图14为本发明实施例二中30米的隧道掘进后掌子面情况；
[0056]
图15为本发明实施例二中40米的隧道掘进后掌子面情况；
[0057]
图16为本发明实施例二中开挖约300米处隧道掌子面情况。
具体实施方式
[0058]
为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
[0059]
一种新意法公路隧道支护方式和开挖方式的确定方法，包括以下步骤，
[0060]
s1：在隧道一个循环完成且露出新的掌子面后，对掌子面围岩rmr级别进行确定；
[0061]
具体的，s101：在掌子面处取多个岩块，进行载荷强度试验，得到多个岩块的点荷载强度，将最高和最低各删去3个，求其算术平均值，作为掌子面围岩的点载荷强度，为计算rmr等级提供所需数据；
[0062]
s102：通过罗盘，尺子，地质锤等工具测量掌子面围岩的等级参数，所述等级参数包括掌子面上主要不连续面长度，宽度，粗糙度，风化程度，填充情况，产状以及不连续面间距，为计算rmr等级提供所需数据；
[0063]
s103：根据掌子面上不连续面间距，计算掌子面围岩的rqd值，为计算rmr等级提供所需数据；
[0064]
rqd＝115-3.3jv[0065]
jv＝1/s1 1/s2
……
1/sn[0066]
式中，jv为单位体积节理数；s1，s2，
……
，sn为掌子面不连续面的间距；
[0067]
s104：观察掌子面，判断掌子面状态，所述掌子面状态包括干燥、潮湿、湿润、滴水和流动，为计算rmr等级提供所需数据；
[0068]
s105：根据步骤s101～s104的结果，从下表1-5中找出对应的点数，求和计算掌子面围岩rmr级别。
[0069]
表1地质力学分级rmr评价点数及分级
[0070][0071]
表2不连续面条件指标
[0072][0073]
表3不连续面产状对隧道掘进的影响
[0074][0075]
表4不连续面产状的修正点数
[0076][0077]
表5按rmr值确定的岩体类别
[0078][0079]
进一步的，s2：根据掌子面围岩rmr分级结果以及岩体破碎程度，是否处于特殊地段，确定隧道的支护方式；
[0080]
具体的，
[0081]
(1)掌子面围岩rmr级别为ii级，岩体轻微破碎时，支护方式为：拱顶预支护采用全灌浆岩石锚杆7-12根，长6.0m，纵向间距1.2m，横向间距2.05m；初支采用厚度20cm的钢纤维喷射混凝土；二衬采用厚度为40cm的素混凝土，仰拱采用厚度为70cm的素混凝土，如附图1所示。
[0082]
(2)掌子面围岩rmr级别为ii-iii级，岩体中度破碎时，支护方式为：初支采用厚度20cm的钢纤维喷射混凝土，2榀160工字钢组合的型钢拱架，纵向间距1.2
±
10％m；二衬采用厚度为40cm的素混凝土，仰拱采用厚度为70cm的素混凝土，如附图2所示；
[0083]
(3)掌子面围岩rmr分级为ii-iii级，低覆盖层、隧道轴线与边坡平行、岩体破碎、涌水强烈以及接近断层带等较危险区域时，支护方式为：拱顶预支护采用壁厚10mm的39
±
10根直径114.3mm钢管；初支采用厚度为20cm的钢纤维喷射混凝土，2榀160工字钢组合的型钢拱架，纵向间距1.0m；二衬采用厚度为40cm～110cm的素混凝土，仰拱采用厚度为70cm的素混凝土，如附图3所示。
[0084]
(4)掌子面围岩rmr级别为iii-iv级，岩体中度至高度破碎时，支护方式为：拱顶预支护采用全灌浆岩石锚杆7-12根，初支采用厚度20cm的钢纤维喷射混凝土，2榀180工字钢组合的型钢拱架，纵向间距1.2
±
10％m；二衬采用厚度为65cm的素混凝土，仰拱采用厚度为80cm的钢筋混凝土(具体为钢纤维喷射混凝土)，如附图4所示；
[0085]
(5)掌子面围岩rmr级别为iii-iv级，岩体中度破碎时，支护方式为：拱顶预支护采用全灌浆岩石锚杆7-12根，长6.0m，纵向间距为1.4m，横向间距2.05m；初支采用20cm厚度的钢纤维喷射混凝土，2榀180工字钢组合的型钢拱架，纵向间距1.4
±
10％m；二衬采用厚度为65cm的素混凝土，仰拱采用厚度为80cm的钢筋混凝土，如附图5所示。
[0086]
(6)掌子面围岩rmr级别为iv级，低覆盖层、隧道轴线与边坡平行、岩体破碎、涌水强烈以及接近断层带等较危险区域时，支护方法为：拱顶预支护采用壁厚10mm的39
±
10根直径114.3mm钢管；初支采用厚度为20cm的钢纤维喷射混凝土，2榀180工字钢组合的型钢拱架，纵向间距1.0m；二衬采用厚度为40cm～110cm的钢筋混凝土，仰拱采用厚度为80cm钢筋混凝土，如附图6所示；
[0087]
(7)掌子面围岩rmr级别为iv级以及iv级以上时，支护方法为：拱顶预支护采用壁厚10mm的39
±
10根直径114.3mm钢管；初支采用厚度为20cm的钢纤维喷射混凝土，2榀180工字钢组合的型钢拱架，纵向间距1.0m；超前核心土加固采用长18.0m的55
±
10％根玻璃纤维导管；二衬采用厚度65cm的钢筋混凝土，仰拱采用厚度为80cm的钢筋混凝土，如附图7所示。
[0088]
进一步的，s3：根据掌子面围岩rmr分级结果，基于修正的围岩自稳时间nguyen模型确定最终隧道开挖方式。
[0089]
具体的，s301：根据掌子面围岩rmr分级结果，确定初步隧道开挖方式，初步隧道开挖方式包括全断面开挖法、二台阶法和三台阶法；
[0090]
rmr分级结果与开挖方法的关系如下表6所示。
[0091]
表6不同开挖方法及其适用范围
[0092][0093]
从表5中可以看出，根据隧道围岩不同的rmr值，可以确定初步隧道开挖方式，但是，相同rmr分级结果也对应着多种开挖方案，例如，rmr为51的围岩，既可使用全断面开挖，又可使用二台阶开挖，因此，还需要进一步的通过隧道的自稳时间对开挖方式进行选择，隧道自稳时间根据修正的围岩自稳时间nguyen模型来计算，因此，需进一步的进行以下步骤。
[0094]
s302：构建基于修正的围岩自稳时间nguyen模型，计算隧道的自稳时间；
[0095]
bieniawski提出的自稳时间与rmr分级关系如附图8所示，提取图8中的数据点如下表7所示，根据表7中的数据对nguyen模型进行一定的折减修正。
[0096]
表7 rmr与自稳时间数据点
[0097]
rmr来支护跨度l(m)弹性模量e(gpa)自稳时间t(h)1003010010000009024803100080226060007020.24011506014202005010.310204085.663053.161.22031.780.2
[0098]
表7中，弹性模量根据公式进行计算得出。
[0099]
为了将上述数据点中代入到nguyen模型中，还需要设定岩体的重度，泊松比，允许
位移及α和δ。以rmr为划分标准，rmr＞60时，岩体重度γ＝26500n/m3，允许位移u＝0.01m；40＜rmr＜60时，岩体重度γ＝25500n/m3，允许位移u＝0.02m；rmr＜40时，岩体重度γ＝24500n/m3，允许位移u＝0.03m，泊松比统一取0.3。根据依托工程的岩石种类，参考nguyen给出的α和δ，取α＝0.700，δ＝0.005。
[0100]
除了上述参数的设定，隧道的埋深也是nguyen模型中一个参数，对nguyen模型的修正的系数根据隧道的埋深不同也会变化。
[0101]
将数据点及设定的岩体条件代入nguyen模型中，同时，分别假定隧道埋深h为20m，50m，100m，150m，200m，250m，300m，400m，500m。当rmr＝80时，计算结果如下表8所示。将计算结果与相应数据点的结果作比值，得到相对应的修正系数。
[0102]
表8 rmr＝80时计算结果及修正系数表
[0103][0104]
可以得到rmr＝80时修正系数与隧道埋深的关系k＝1.24e 09h-3.333
，此关系式相关系数为1，有很高的相关性。
[0105]
同理计算rmr＝100，90，70，60，50，40，30，20时修正系数与隧道埋深的关系，结果如附图9和附图10所示，总结出不同rmr下埋深与修正系数的关系规律为k＝ah-3.333
，可以发现，该关系式中只有系数a不相同，同时发现系数a的大小与rmr也有一定的规律，用同样的方法，将系数a与rmr的关系进行函数拟合，得到结果如下表9和附图11所示。
[0106]
表9不同rmr与其对应的系数a
[0107][0108]
综上所述，深埋情况下，nguyen的修正系数为k＝a1h-3.333
，式中，a1＝4.75e 23rmr-7
.75
；
[0109]
浅埋情况下，nguyen的修正系数为k＝a2rmr-7.751
，式中，a2
＝
4.58e 23h-3.333
；
[0110]
根据修正后的nguyen模型的系数，可得修正后的nguyen模型为
[0111][0112][0113]
式中，l(kt
*
)表示深埋情况下未支护跨度；l
*
(kt
*
)表示浅埋情况下未支护跨度；γ为岩体重度，α和δ为nguyen模型的参数，α＝0.700，δ＝0.005，为位移。
[0114]
s303：对比隧道的自稳时间与步骤s301中确定的不同初步隧道开挖方式所需的时间，保证求得的自稳时间大于所采用开挖方法需要的时间，确定最终隧道开挖方式。
[0115]
实施例一：
[0116]
格鲁吉亚e60公路f3标2号隧道at方向起讫桩号为pk3 122.5-pk4 750，全长1627.5m，ta方向起讫桩号为pk3 117.2-pk4 741.5，全长1621.3m。选取2号隧道at方向pk4 300断面，断面掌子面照片如附图12所示。
[0117]
应用实施例一中的方法确定隧道支护方式和开挖方式的具体操作包括以下步骤，
[0118]
s1：在隧道一个循环完成且露出新的掌子面后，对掌子面围岩rmr级别进行确定，提前准备罗盘，地质锤，尺子等工具；
[0119]
具体的，取掌子面处合适大小的岩块15块，求得点荷载强度分别为2.44mpa，4.53mpa，2.24mpa，5.59mpa，3.58mpa，4.41mpa，3.78mpa，4.89mpa，3.98mpa，3.30mpa，5.61mpa，5.70mpa，2.20mpa，3.86mpa，2.15mpa。去掉三个最大值和最小值，求得算术平均值，岩体点荷载强度的平均值为3.86mpa。
[0120]
通过罗盘，尺子，地质锤等工具测量估计隧道掌子面上主要不连续面长度，粗糙度，风化程度，填充情况，产状以及不连续面间距等参数，掌子面上主要存在两组不连续面。经测量，第一组平均间距为20cm～30cm，长度约6m，被石英等硬质材料填充，节理面较粗糙，中等风化，倾向倾角为260
°
∠50
°
；第二组的性质与第一组相似，倾向倾角为85
°
∠60
°
。
[0121]
通过所测得的不连续面间距为40cm～50cm，单位体积节理数为4.5，计算rqd值为90％。
[0122]
观察掌子面，掌子面处于湿润状态。
[0123]
根据上述数据，计算岩体得rmr为42，岩体为ⅲ级围岩。
[0124]
s2：由于围岩的rmr级别为iii-iv级，且岩体高度破碎，因此支护方式为：初支采用厚度20cm的钢纤维喷射混凝土，2榀180工字钢组合的型钢拱架，纵向间距1.2
±
10％m。二衬采用厚度为65cm的素混凝土，仰拱采用厚度为80cm的钢筋混凝土。
[0125]
s3，根据rmr等级及实施例一中的表1，隧道适用的开挖方法为全断面开挖和二台阶法开挖。
[0126]
由于隧道的未支护跨度约为8m，rmr值为42，通过图1可得隧道自稳时间约为10小时。
[0127]
根据现场统计，采用全断面法开挖一个循环约为17小时，采用二台阶法开挖约为9.5小时。二台阶法所需时间小于隧道自稳时间，可以保证隧道在开挖完成前隧道处于稳定状态，因此选择二台阶对隧道进行开挖。
[0128]
实施例二：
[0129]
格鲁吉亚e60高速公路隧道地处花岗岩地段，使用新意法施工，隧道多次穿过破碎带，低覆盖层，施工时应及时根据掌子面情况，判断掌子面的情况，选择出合适的支护方式，保证隧道施工的安全经济。
[0130]
2号隧道出口段在掌子面暴露后，观察判断，掌子面种存在充填粘土的软弱夹层，掌子面高度风化至全风化，如附图13所示。拱顶掉块严重，且掌子面处于隧道洞口段，超前核心土处于短期稳定状态，经过计算，围岩等级为iv级，gsi值为40左右。因此，适用于实施例一中“掌子面围岩rmr级别为iv级，且处于特殊地段时”的支护方法。
[0131]
在经过30m的隧道掘进后，掌子面情况有好转的趋势，掌子面上存在一个小断层，且左侧的岩石中等风化，中度破碎，右侧岩石全风化，如附图14所示。经过计算，rmr等级为
ⅲ‑ⅳ
级，gsi为45左右，并且根据断层的走向，掌子面右侧的全风化部分将会越来越小，因
此隧道掌子面围岩适用“掌子面围岩rmr级别为iii-iv级，岩体中度至高度破碎”的支护方式，继续掘进10m(总掘进40m)后的掌子面如附图15所示，右半边的全风化岩几乎消失。
[0132]
在开挖约300m处，隧道掌子面潮湿，岩石强度强，轻度风化，轻度破碎，大多数节理闭合，存在少部分节理中有石英等硬质材料填充，如附图16所示。经计算岩石等级为ⅲ级，gsi为53左右。因此，适用于实施例一中的“掌子面围岩rmr级别为ii-iii级，岩体中度破碎时”的支护方式。
[0133]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。