一种软岩单线铁路隧道大变形控制方法

1.一种软岩单线铁路隧道大变形控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、地应力参数的获取：在待施工隧道段的隧道探测区域，采用套孔应力解除法对隧道探测区域进行地应力测试,得到第一主应力σ 1 、第二主应力σ 2 、第三主应力σ 3 ；其中，第一主应力σ 1 大于第二主应力σ 2 ，第一主应力σ 1 的方向、第二主应力σ 2 的方向和第三主应力σ 3 的方向相互垂直，第一主应力σ 1 在地平面上的投影与正北方向的夹角为第一主应力σ 1 的方位角α 1 ，第一主应力σ 1 和第一主应力σ 1 在地平面上的投影之间的夹角为第一主应力σ 1 的倾角θ 1 ，第二主应力σ 2 在地平面上的投影与正北方向的夹角为第二主应力σ 2 的方位角α 2 ，第二主应力σ 2 和第二主应力σ 2 在地平面上的投影之间的夹角为第二主应力σ 2 的倾角θ 2 ，第三主应力σ 3 和第三主应力σ 3 在地平面上的投影之间的夹角为第三主应力σ 3 的倾角θ 3 ，|θ 1 |＜|θ 3 |，且|θ 2 |＜|θ 3 |；步骤二、岩体物理力学参数的获取：步骤201、通过岩石单轴压缩实验，得到隧道探测区域的岩石单轴抗压强度σ c ；步骤202、根据广义Hoek-Brown屈服准则，得到岩体抗压强度σ r ；步骤203、在隧道探测区域选择多个岩体试样，得到多个岩体试样的天然容重，然后将多个岩体试样的天然容重进行平均值处理，得到隧道探测区域的岩石的容重γ r ；步骤三、侧压力系数的获取与隧道大变形判断:步骤301、采用计算机根据公式σ max ＝σ 1 ·cos(|θ 1 |)·sin(α 1 -β)+σ 2 ·cos(|θ 2 |)·sin(α 2 -β)，得到水平主应力叠加值σ max ；其中，β表示待施工隧道段的隧道轴线的方位角；步骤302、根据公式 得到侧压力系数K；步骤303、根据公式 得到判断系数P d ，当判断系数P d 不大于0.5，则待施工隧道段为大变形施工隧道段；步骤四、建立隧道开挖断面模型及隧道开挖断面模型的加载力分析：步骤401、采用计算机利用ANSYS有限元分析软件，建立多个隧道开挖断面模型；步骤402、采用计算机设定第j个隧道开挖断面模型中拱顶(4)的曲率为ρ d,j ，设定第j个隧道开挖断面模型中拱腰(3)的曲率为ρ c,j ，设定第j个隧道开挖断面模型中仰拱(1)的曲率为ρ x,j ，第j个隧道开挖断面模型的最大跨度为B t,j ，第j个隧道开挖断面模型的最大高度为H j ；其中，j为正整数，且j≥1，第j个隧道开挖断面模型中拱腰(3)的曲率和边墙(2)的曲率相同；步骤403、当j＝1时设定第1个隧道开挖断面模型中拱顶(4)的曲率为ρ d,1 ，第1个隧道开挖断面模型中拱顶(4)的曲率ρ d,1 的取值为0.3/m～0.35/m，设定第1个隧道开挖断面模型中拱腰(3)的曲率ρ c,1 的取值0.13/m～0.15/m，设定第1个隧道开挖断面模型中仰拱(1)的曲率为ρ x,1 ，且第1个隧道开挖断面模型中仰拱(1)的曲率ρ x,1 的取值为0.15/m～0.16/m；步骤404、采用计算机根据公式 得到第j个隧道开挖断面模型的加载高度h j ；其中，B m,j 表示第j个隧道开挖断面模型中上部形成自然平衡拱的跨度； 表示岩体内摩擦角；步骤405、采用计算机根据公式q c,j ＝γ r h j ，得到第j个隧道开挖断面模型的垂直方向加载力q c,j ；其中，垂直方向加载力q c,j 覆盖第j个隧道开挖断面模型的最大跨度；步骤406、采用计算机根据公式e j ＝K·q c,j ，得到第j个隧道开挖断面模型的水平方向加载力e j ；其中，水平方向加载力e j 覆盖第j个隧道开挖断面模型的最大高度；步骤407、采用计算机利用ANSYS有限元分析软件，在第j个隧道开挖断面模型上建立初期支护结构模型，得到第j个隧道断面模型；其中，初期支护结构模型为钢拱架和喷射混凝土模型；步骤五、隧道开挖断面轮廓的确定：步骤501、采用计算机利用ANSYS有限元分析软件，对第j个隧道断面模型施加垂直方向加载力q c,j 和水平方向加载力e j ，得到第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大应力、第j个隧道断面模型中钢拱架内侧壁的最大应力和第j个隧道断面模型内侧壁沿水平方向的最大变形量x c,max,j ；步骤502、采用计算机将第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大应力和第一屈服强度的设定值进行比较，第j个隧道断面模型中钢拱架内侧壁的最大应力和第二屈服强度的设定值进行比较，第j个隧道断面模型内侧壁沿水平方向的最大变形量x c,max,j 和第j个开挖断面轮廓的变形量设定值 进行比较，当第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大应力小于第一屈服强度的设定值，第j个隧道断面模型中钢拱架内侧壁的最大应力小于第二屈服强度的设定值，且 则说明第j个隧道开挖断面模型为待施工隧道段的开挖断面轮廓；否则，执行步骤503；步骤503、设定第j+1个隧道开挖断面模型中拱腰(3)的曲率为ρ c,j+1 ，且ρ c,j+1 ＝ρ c,j +A×ρ c,j ，A表示曲率调整系数，且A的取值范围为0.1～0.3，则设定第j+1个隧道开挖断面模型的最大跨度为B t,j+1 ，第j+1个隧道开挖断面模型的最大高度为H j+1 ；步骤504、按照步骤501至步骤502所述的方法，对第j+1个隧道开挖断面模型进行判断，直至满足待施工隧道的第一屈服强度的设定值、第二屈服强度的设定值和第j+1个开挖断面轮廓的变形量设定值 则获得待施工隧道段的开挖断面轮廓；步骤六、隧道台阶法开挖及初期支护施工：按照待施工隧道段的开挖断面轮廓，采用隧道台阶法对待施工隧道段开挖，并完成隧道初期支护施工；步骤七、隧道衬砌结构施工：隧道初期支护施工后进行二次衬砌，直至到下一段隧道施工区域；步骤八、循环掘进直至软岩大变形段施工完成：重复步骤一至步骤七，得到下一段隧道施工区域的开挖断面轮廓并进行施工。 2.按照权利要求1所述的一种软岩单线铁路隧道大变形控制方法，其特征在于：步骤202中根据广义Hoek-Brown屈服准则，得到岩体抗压强度σ r ，具体过程如下：步骤2021、采用计算机根据公式 得到Hoek-Brown屈服准则的第一常数s；其中，D表示岩体扰动系数，且D的取值范围为0～1；GSI表示地质强度常数，且GSI的取值范围为0～100；采用计算机根据公式 得到Hoek-Brown屈服准则的第二常数a；步骤2022、采用计算机根据公式σ r ＝σ c s a ，得到岩体抗压强度σ r 。 3.按照权利要求1所述的一种软岩单线铁路隧道大变形控制方法，其特征在于：步骤303中当待施工隧道段为大变形施工隧道段时，待施工隧道段的大变形等级的判断，如下：当判断系数P d 满足0.25≤P d ＜0.5，说明待施工隧道段的大变形等级为Ⅰ级；当判断系数P d 满足0.15≤P d ＜0.25，说明待施工隧道段的大变形等级为Ⅱ级；当判断系数P d 小于0.15，说明待施工隧道段的大变形等级为Ⅲ级。 4.按照权利要求3所述的一种软岩单线铁路隧道大变形控制方法，其特征在于：当待施工隧道段的大变形等级为Ⅰ级，初期支护结构中钢拱架采用I20b钢拱架，喷射混凝土采用C25喷射混凝土；当待施工隧道段的大变形等级为Ⅱ级，初期支护结构中钢拱架采用HW175钢拱架，喷射混凝土采用C25喷射混凝土；当待施工隧道段的大变形等级为Ⅲ级，初期支护结构中钢拱架采用HW175钢拱架，喷射混凝土采用C30喷射混凝土；第j个开挖断面轮廓的变形量设定值 为 其中， 表示第j个隧道开挖断面模型中隧道断面的等代圆半径，且 5.按照权利要求1所述的一种软岩单线铁路隧道大变形控制方法，其特征在于：步骤502中第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大应力和第一屈服强度的设定值进行比较，以使第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大应力小于第一屈服强度的设定值，具体过程如下：当第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁仅存在压应力，则第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大应力记作第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大压应力，第一屈服强度的设定值为喷射混凝土的抗压强度，则第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大压应力小于喷射混凝土的抗压强度；当第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁存在压应力和拉应力时，则第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大应力包括第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大压应力和第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大拉应力，第一屈服强度的设定值包括喷射混凝土的抗压强度和喷射混凝土的抗拉强度，则第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大压应力小于喷射混凝土的抗压强度，且第j个隧道断面模型中喷射混凝土内侧壁的最大拉应力小于喷射混凝土的抗拉强度。