考虑围岩应力主轴旋转的深埋隧道主动控制支护设计方法

1.一种考虑围岩应力主轴旋转的深埋隧道主动控制支护设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)基于隧道工程现场地质探测、开挖面岩体参数数字化原位测试与分析，实时获取并动态更新隧道开挖面岩体原位力学参数与工程参数，并基于岩体原位力学参数确定岩体强度参数；步骤2)基于工程参数、原位力学参数和岩体强度参数，建立考虑岩体三维强度及屈服准则的深埋隧道开挖三维数值模型，按照现场全断面或分部开挖的实际开挖进尺模拟开挖，记录随着开挖面推进隧道围岩监测断面关键位置位移、应力的变化情况及弹塑性状态；步骤3)根据深埋隧道开挖三维数值模型，提取监测断面洞周围岩关键岩石单元的应力分量，计算主应力大小及方向，分析其随开挖的分布演化，判断关键岩石单元的弹塑性状态，塑性代表已屈服，并绘制主应力状态随开挖步变化的曲线，从而快速分析深埋隧道开挖三维空间效应，找寻主应力大小及方向变化规律及对岩体强度、强度参数和岩体破坏模式的影响，明确应力主轴旋转对岩体强度、强度参数及破坏模式的影响程度；步骤4)由步骤3)的分析结果，根据应力主轴旋转对岩体强度、强度参数及破坏模式的影响程度，提出“降低最大主应力的应力转移”和“提高最小主应力的应力补偿”两种应力控制方法来改善岩体应力状态，使得岩体从不稳定状态转变到稳定状态；步骤5)根据步骤4)的两种应力控制方法来正分析指导支护设计，采用主动控制措施实现深埋隧道围岩稳定应力控制和主动控制，其中，所述主动控制措施包括对开挖面顶部前方超前注浆、开挖面超前核心岩体加固、开挖后安装钢拱架、打设锚杆。 2.根据权利要求1所述的一种考虑围岩应力主轴旋转的深埋隧道主动控制支护设计方法，其特征在于，所述岩体原位力学参数包括初始地应力，应变软化系数，岩石的密度、弹性模量、泊松比、软硬程度，测定岩石单轴抗压强度，地质强度指标，爆破扰动系数。 3.根据权利要求1所述的一种考虑围岩应力主轴旋转的深埋隧道主动控制支护设计方法，其特征在于，所述工程参数包括隧道半径、支护力。 4.根据权利要求1所述的一种考虑围岩应力主轴旋转的深埋隧道主动控制支护设计方法，其特征在于，所述基于岩体原位力学参数确定岩体强度参数的计算方法为：其中，m b 、s、a是岩体强度参数，m i ，GSI，D均为岩体原位力学参数，m i 是岩石的软硬程度，GSI是地质强度指标，D是爆破扰动系数。 5.根据权利要求4所述的一种考虑围岩应力主轴旋转的深埋隧道主动控制支护设计方法，其特征在于，所述步骤2)包括以下步骤：步骤2-1)采用三维屈服准则GZZ建立考虑岩体三维强度及屈服准则的深埋隧道开挖三维数值模型，GZZ准则如下所示：式中，I 1 ，J 2 和J 3 分别为第一应力不变量，偏应力第二不变量和偏应力第三不变量，σ c 为岩石单轴抗压强度， 步骤2-2)基于现场开挖面处岩体力学参数确定等效岩体粘聚力c和等效岩体内摩擦角 式中， σ 3max 为最大围压上限；最大围压上限σ 3max 与岩体强度σ cm 的关系如下：式中，γ为岩体重度，H为隧道埋深，γ i 和h i 分别为上覆岩层重度和岩层厚度；步骤2-3)三维数值模型边界条件通过现场微压裂测试和地勘资料，综合得到隧址区最大主应力和最小主应力方向的侧压系数λ Hv 和λ hv ，采用下式将地应力参数转化为模型边界条件：式中，σ v 为垂向应力，σ H 为水平最大应力，σ h 为水平最小应力，θ Hy 为最大主应力方向与隧道轴线的夹角；步骤2-4)将三维数值模型的隧道开挖分为开挖步和施工步，根据现场实际开挖工法和进尺选择全断面开挖或分部开挖模拟、循环进尺长度、步距参数，记录随着开挖面推进隧道围岩监测断面关键位置位移、应力的变化情况及弹塑性状态。 6.根据权利要求1所述的一种考虑围岩应力主轴旋转的深埋隧道主动控制支护设计方法，其特征在于，所述步骤3)包括以下步骤：步骤3-1)根据考虑岩体三维强度及屈服准则的深埋隧道开挖三维数值模型计算结果，提取监测断面洞周围岩关键岩石单元的应力分量，计算主应力大小及方向：式中，σ为第一、第二或第三主应力，σ x 、σ y 和σ z 分别为模型计算结果中对关键岩石单元提取的x、y和z方向的正应力，τ xy 、τ yx 、τ xz 、τ zx 、τ yz 、τ zy 分别为关键岩石单元提取的x、y和z向的xy、yx、xz、zx、yz、zy方向的切应力，l、m和n分别是主应力与x、y和z方向的夹角余弦值；步骤3-2)根据关键岩石单元主应力大小及方向，分析关键岩石单元应力状态随开挖的分布演化，根据岩体三维强度准则判断岩石单元的弹塑性状态，塑性表示已屈服；步骤3-3)绘制主应力状态随开挖步变化的曲线，从而快速分析深埋隧道开挖三维空间效应，找寻主应力大小及方向变化规律及对岩体强度、强度参数和岩体破坏模式的影响，明确应力主轴旋转对岩体强度、强度参数及破坏模式的影响程度。 7.根据权利要求6所述的一种考虑围岩应力主轴旋转的深埋隧道主动控制支护设计方法，其特征在于，所述主应力大小及方向变化规律及对岩体强度、强度参数和岩体破坏模式的影响包括：A、岩石单元在原岩应力水平下几乎不存在次生裂缝，随着开挖面不断向该岩石单元推进，应力大小和方向均发生改变，当应力大小超过损伤阈值或岩体屈服强度时，岩体中出现与应力方向存在一定夹角的微裂缝，且每开挖一次便会造成应力主轴旋转，不断产生新的微裂隙，使裂隙密度逐渐增加并最终造成新旧裂隙的交叉、贯通，而新旧微裂缝之间的相互贯通将产生更加明显的宏观裂缝；当开挖面靠近该岩石单元时，岩体内部由于应力主轴的旋转已经产生了大量的裂缝系统，对岩体力学和强度参数造成了极大的弱化，较大的应力差和应力主轴的转移使得该岩石单元产生快速屈服或破坏；应力大小的变化控制着裂隙的深度，应力方向的改变控制着裂隙的密度，岩体破坏是围岩应力大小变化与方向旋转综合作用的结果，而一旦出现初始裂隙，应力旋转会对裂隙扩展方向和扩展深度产生重要影响，岩体参数逐渐弱化；B、深埋隧道开挖过程中伴随着应力主轴的旋转，岩石潜在破裂面也将随着开挖过程而产生相应的旋转，应力主轴转移还会引起额外塑性变形增量，最终应力主轴的旋转造成了岩石破坏模式和破坏形态的改变；C、深埋隧道开挖过程中伴随着关键岩石单元应力主轴的旋转，主要集中于开挖面附近，对开挖面附近的关键岩石单元沿纵轴向、横断面分别进行应力状态计算并统计，得出关键岩石单元应力主轴旋转对岩体强度、强度参数及破坏模式的具体影响范围。 8.根据权利要求1所述的一种考虑围岩应力主轴旋转的深埋隧道主动控制支护设计方法，其特征在于，所述步骤4)采用两种应力控制方法来改善岩体应力状态，使得岩体从不稳定状态转变到稳定状态的核心是将关键岩石单元的应力状态在基于GZZ强度准则得到的三轴岩石抗压强度塑性破坏控制线以内，使得岩石进入塑性屈服状态但不被破坏。 9.根据权利要求1所述的一种考虑围岩应力主轴旋转的深埋隧道主动控制支护设计方法，其特征在于，所述步骤5)具体为：根据步骤4)的两种应力控制方法来正分析指导支护设计，针对关键岩石单元应力主轴旋转对岩体强度、强度参数及破坏模式的具体影响范围，采用主动控制措施，抑制开挖引起的应力卸载作用，将关键岩石单元的应力状态在基于GZZ强度准则得到的三轴岩石抗压强度塑性破坏控制线以内。 10.根据权利要求9所述的一种考虑围岩应力主轴旋转的深埋隧道主动控制支护设计方法，其特征在于，根据关键岩石单元应力主轴旋转对岩体强度、强度参数及破坏模式的具体影响范围确定主动控制措施的控制参数，所述主动控制措施的控制参数包括预留核心岩体的大小，超前核心岩体加固的范围，钢拱架的工字钢型号，钢拱架间距，钢拱架层数，喷射混凝土强度型号及厚度，打设锚杆的长度、直径、间距、预应力大小。