两向不等压圆形隧道非均匀注浆加固厚度确定方法

1.本发明涉及隧道工程领域，尤其涉及一种两向不等压圆形隧道非均匀注浆加固厚度确定方法。


背景技术：

2.隧洞边界上任意一点的围岩应力随位置的不同有所变化，注浆加固圈厚度也应该随之有所增加或减少。选取合适的注浆加固圈厚度可降低施工成本、提高整个工程的安全性，因此，加固体厚度的合理设计对地下工程安全具有重要意义。目前有关两向不等压应力场下圆形隧道工程的非均布注浆圈厚度设计方法主要有工程类比法、现场试验法以及数值模拟法等。工程类比法过于依赖设计人员的施工经验和主观意识；现场试验法耗时耗力，且所选取的试验段不能涵盖整个隧道工程地质状况；数值模拟法同样存在建模工作量大，模型不具备通用性等不足。
3.因此，为了解决上述技术问题，亟需提出新的技术手段。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的是提供一种两向不等压圆形隧道非均匀注浆加固厚度确定方法，能够对隧道的注浆加固圈不同位置的厚度进行准确确定，从而为工程安全提供保障，而且整个过程简单，方便，具有较强的通用性。
5.本发明提供的一种两向不等压圆形隧道非均匀注浆加固厚度确定方法，包括以下步骤：
6.s1.建立两向不等压圆形隧道围岩-注浆加固圈模型，其中，该模型为由内道外分别为隧道、注浆加固圈和围岩；
7.s2.构建围岩-注浆加固圈耦合作用下围岩应力模型、围岩-注浆加固圈耦合作用下注浆加固圈应力模型、两向不等压圆形隧道注浆厚度平衡模型以及围岩-注浆加固圈交界线模型，并基于所构建的模型求解出系数εk；
8.s3.构建目标注浆点的注浆厚度计算模型，并求出目标注浆点的注浆加固厚度；其中：注浆厚度计算模型为：
[0009][0010]
其中：tj表示第j个注浆点处注浆加固厚度，i为虚数单位，θj表示第j个注浆点处的角度，r0为隧道半径，a为补偿值，表示围岩-注浆加固圈交界线模型。
[0011]
进一步，所述围岩-注浆加固圈交界线模型为：
[0012][0013]
其中：r为围岩-注浆加固圈交界线模型的虚拟半径；ξ＝e
iθ
。
[0014]
进一步，围岩-注浆加固圈耦合作用下围岩应力模型为：
[0015][0016][0017][0018]
其中：λ表示围岩的侧向压力系数，p表示围岩的垂直力，表示围岩-注浆加固圈交界线模型的导数，表示围岩-注浆加固圈交界线模型的共轭，ζk表示系数，为围岩的切向应力、为围岩的径向应力，为围岩的剪应力。
[0019]
进一步，围岩-注浆加固圈耦合作用下注浆加固圈应力模型为：
[0020][0021][0022][0023]
其中：表示注浆加固圈的内摩擦角，c表示注浆加固圈的黏聚力，为注浆加固圈的切向应力，为注浆加固圈的径向应力，为注浆加固圈的剪应力。
[0024]
进一步，两向不等压圆形隧道注浆厚度平衡模型为：
[0025][0026]
本发明的有益效果：通过本发明，能够对隧道的注浆加固圈不同位置的厚度进行准确确定，从而为工程安全提供保障，而且整个过程简单，方便，具有较强的通用性。
附图说明
[0027]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
[0028]
图1为本发明的流程图。
[0029]
图2为本发明的两向不等压圆形隧道围岩-注浆加固圈模型结构示意图。
[0030]
图3为本发明的具体实例的围岩-注浆加固圈交界线示意图。
[0031]
图4为注浆后两向不等压圆形隧道围岩-注浆加固圈模型图。
具体实施方式
[0032]
以下进一步对本发明做出详细说明：
[0033]
本发明提供的一种两向不等压圆形隧道非均匀注浆加固厚度确定方法，包括以下步骤：
[0034]
s1.建立两向不等压圆形隧道围岩-注浆加固圈模型，其中，该模型为由内道外分别为隧道、注浆加固圈和围岩；两向不等压圆形隧道围岩-注浆加固圈模型如图2所示，1-破碎围岩；2-隧洞开挖边界；3-未扰动围岩；图4中，1-隧洞边界；2-注浆圈；3-未扰动围岩；4-注浆厚度。
[0035]
s2.构建围岩-注浆加固圈耦合作用下围岩应力模型、围岩-注浆加固圈耦合作用下注浆加固圈应力模型、两向不等压圆形隧道注浆厚度平衡模型以及围岩-注浆加固圈交界线模型，并基于所构建的模型求解出系数εk；
[0036]
s3.构建目标注浆点的注浆厚度计算模型，并求出目标注浆点的注浆加固厚度；其中：注浆厚度计算模型为：
[0037][0038]
其中：tj表示第j个注浆点处注浆加固厚度，i为虚数单位，θj表示第j个注浆点处的角度，r0为隧道半径，a为补偿值，其取值范围为0《a《1，一般情况取值为0.5，表示围岩-注浆加固圈交界线模型。
[0039]
具体地：所述围岩-注浆加固圈交界线模型为：
[0040][0041]
其中：r为围岩-注浆加固圈交界线模型的虚拟半径，ξ＝e
iθ
。
[0042]
围岩-注浆加固圈耦合作用下围岩应力模型为：
[0043][0044][0045][0046]
其中：λ表示围岩的侧向压力系数，p表示围岩的垂直力，表示围岩-注浆加固圈交界线模型的导数，表示围岩-注浆加固圈交界线模型的共轭，ζk表示系数，
为围岩的切向应力、为围岩的径向应力，为围岩的剪应力。
[0047]
围岩-注浆加固圈耦合作用下注浆加固圈应力模型为：
[0048][0049][0050][0051]
其中：表示注浆加固圈的内摩擦角，c表示注浆加固圈的黏聚力，为注浆加固圈的切向应力，为注浆加固圈的径向应力，为注浆加固圈的剪应力。
[0052]
两向不等压圆形隧道注浆厚度平衡模型为：
[0053]
在求解时，先联立方程(3)—(9),从而解出系数εk，将系数εk代入到公式(2)中，从而确定出交界线方程，最后将交界线方程代入到公式(1)中，从而求解出各个点的注浆加固圈的厚度。其中，系数εk为一个级数，k表示级数的项数，通过上述方法，能够对隧道的注浆加固圈不同位置的厚度进行准确确定，从而为工程安全提供保障，而且整个过程简单，方便，具有较强的通用性。
[0054]
下面以一个具体实例进一步说明：
[0055]
某隧道工程，隧址为iv级围岩，主要岩性为粉砂质页岩、灰岩；岩体较破碎～破碎，层镶嵌碎裂结构。该处岩溶发育，进行隧道开挖易产生冒顶及突水突泥，因此需要对其进行注浆加固。已知该区域垂直地应力p＝15mpa，侧压力系数λ＝0.67，隧洞等效开挖半径为r0＝2.0m，岩体黏聚力c＝2mpa，内摩擦角
[0056][0057]
通过两向不等压圆形隧道注浆理论厚度平衡关系式(7)可求得相应的围岩-注浆加固圈交界线方程为：
[0058]
从该式可以看出，对系数εk只取到5阶就可以满足工程精度要求；
[0059]
式中ξ＝e
iθ
。
[0060]
进而可得到第j个注浆点的注浆厚度tj的计算公式：
[0061][0062]
依托工程基于注浆压力、施工安全考虑每30度设置一个注浆点，则相应注浆点的
注浆厚度为：
[0063][0064][0065]
其围岩-注浆加固圈交界线如图3所示。
[0066]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种两向不等压圆形隧道非均匀注浆加固厚度确定方法，其特征在于：包括以下步骤：s1.建立两向不等压圆形隧道围岩-注浆加固圈模型，其中，该模型为由内道外分别为隧道、注浆加固圈和围岩；s2.构建围岩-注浆加固圈耦合作用下围岩应力模型、围岩-注浆加固圈耦合作用下注浆加固圈应力模型、两向不等压圆形隧道注浆厚度平衡模型以及围岩-注浆加固圈交界线模型，并基于所构建的模型求解出系数ε
k
；s3.构建目标注浆点的注浆厚度计算模型，并求出目标注浆点的注浆加固厚度；其中：注浆厚度计算模型为：其中：t
j
表示第j个注浆点处注浆加固厚度，i为虚数单位，θ
j
表示第j个注浆点处的角度，r0为隧道半径，a为补偿值，表示围岩-注浆加固圈交界线模型。2.根据权利要求1所述两向不等压圆形隧道非均匀注浆加固厚度确定方法，其特征在于：所述围岩-注浆加固圈交界线模型为：其中：r为围岩-注浆加固圈交界线模型的虚拟半径，ξ＝e
iθ
。3.根据权利要求2所述两向不等压圆形隧道非均匀注浆加固厚度确定方法，其特征在于：围岩-注浆加固圈耦合作用下围岩应力模型为：注浆加固圈耦合作用下围岩应力模型为：注浆加固圈耦合作用下围岩应力模型为：其中：λ表示围岩的侧向压力系数，p表示围岩的垂直力，表示围岩-注浆加固圈交界线模型的导数，表示围岩-注浆加固圈交界线模型的共轭，ζ
k
为系数，为围岩的切向应力、为围岩的径向应力，为围岩的剪应力。4.根据权利要求3所述两向不等压圆形隧道非均匀注浆加固厚度确定方法，其特征在于：围岩-注浆加固圈耦合作用下注浆加固圈应力模型为：
其中：表示注浆加固圈的内摩擦角，c表示注浆加固圈的黏聚力，为注浆加固圈的切向应力，为注浆加固圈的径向应力，为注浆加固圈的剪应力。5.根据权利要求4所述两向不等压圆形隧道非均匀注浆加固厚度确定方法，其特征在于：两向不等压圆形隧道注浆厚度平衡模型为：

技术总结
本发明提供的一种两向不等压圆形隧道非均匀注浆加固厚度确定方法，包括以下步骤：S1.建立两向不等压圆形隧道围岩-注浆加固圈模型，其中，该模型为由内道外分别为隧道、注浆加固圈和围岩；S2.构建围岩-注浆加固圈耦合作用下围岩应力模型、围岩-注浆加固圈耦合作用下注浆加固圈应力模型、两向不等压圆形隧道注浆厚度平衡模型以及围岩-注浆加固圈交界线模型，并基于所构建的模型求解出系数ε


技术研发人员：吴梦军 吴庆良 胡学兵 方林 王惠贤 杨军 吴岱峰
受保护的技术使用者：西南大学 重庆市城市建设投资（集团）有限公司
技术研发日：2023.03.30
技术公布日：2023/7/20