1.一种高地应力缓倾软岩交通隧道仰拱蠕变底鼓控制方法,其特征在于,包括步骤:S1、收集隧道的仰拱底部的地质条件和应力状态,确定隧道可能出现底鼓的区段;S2、根据隧道的岩体力学参数、隧道几何及支护参数,在隧道可能出现底鼓的区段构建不同布置形式的蠕变变形释能孔的隧道三维数值模型;S3、采用三维数值模型在高地应力条件下,模拟预测100年条件下隧道底部仰拱的上拱变形量,并基于上拱变形量确定最优释能孔布置方式;S4、采用释能孔周边应力计算方法计算释能孔周边不同位置处的应力,并选取所有应力的最小值作为填充释能孔的蠕变释能材料的强度上限值;S5、根据强度上限值选取蠕变释能材料,将其引入三维数值模型验证最优释能孔布置方式是否达到底鼓控制效果,若是进入步骤S7,否则进入步骤S6;S6、调整释能孔布置方式,直至满足底鼓控制效果,将满足底鼓控制效果的释能孔布置方式作为最终的最优释能孔布置方式,之后进入步骤S7;S7、在可能出现底鼓的区段按照最优释能孔布置方式设置释能孔,并将填充有选取的蠕变释能材料的可塑性管放置于释能孔中;在步骤S5和步骤S6之间还包括优化释能孔的直径:计算选取的蠕变释能材料的变形量:其中,U c 为蠕变释能材料的变形量;d为蠕变释能材料内部均匀分布的可压缩空间尺寸;采用蠕变释能材料的变形量作为释能孔的直径的取值下限,并根据取值下限选取释能孔的直径;在步骤S7中安装可塑性管时还包括:安装可塑性管前,清理释能孔,并在释能孔底部设置第一厚度的防水可胶结材料;安装可塑性管后,在释能孔的顶部设置第二厚度的封堵混凝土;第一厚度的确定方法包括:计算防水可胶结材料不被压溃时的材料抗压强度范围:其中,σ m 为材料抗压强度;γ为防水可胶结材料的材料强度设计系数,取值为1.2~1.5,F min 为蠕变释能材料的强度上限值;根据材料抗压强度范围,确定防水可胶结材料填充的第一厚度的下限值:其中,h b 为第一厚度;F max 为防水可胶结材料所需承载的应力;根据第一厚度的下限值,选取防水可胶结材料填充的第一厚度;第二厚度的确定方法包括:根据隧道底部的地基条件,计算隧道处的地基反力:其中,F b 为地基反力;k为地基反力系数;δ为隧道底部竖向变形;根据列车荷载和地基反力,计算封堵混凝土的强度范围:其中,σ c 为封堵混凝土的强度;λ为封堵混凝土的强度设计系数,取值为取1.2~1.5; 为列车荷载;max为取最大值;根据封堵混凝土的强度,确定封堵混凝土填充的第二厚度的下限值:其中,h t 为第二厚度;根据第二厚度的下限值,选取封堵混凝土填充的第二厚度。
2.根据权利要求1所述的高地应力缓倾软岩交通隧道仰拱蠕变底鼓控制方法,其特征在于,所述步骤S4进一步包括:S41、根据隧道处围岩的摩擦角、隧道的衬砌内外半径和仰拱支护抗力,计算隧道处围岩的塑性区半径:其中,R为塑性区半径;r 2 为衬砌外半径;c为围岩粘聚力;σ Z 为释能孔深度距隧道中心距离为R时的切向应力;P为仰拱支护抗力; 为围岩的摩擦角;S42、在塑性区范围内,计算不同深度下的释能孔周边围岩的径向应力F r 与垂直应力F v :其中,r为不同深度处距离隧道中心的径向距离;S43、在释能孔所处弹性区范围内,计算不同深度下的释能孔周边围岩的径向应力F r 与垂直应力F v :其中,r c 为所有释能孔的底部距离隧道中心的径向距离中的最大值;σ R 为蠕变变形释能孔深度距隧道中心距离为R时的径向应力;S44、根据围岩的地质参数、蠕变特性和隧道支护形式,采用有限元仿真软件绘制每组径向应力 F r 和垂直应力F v 的分布曲线,并根据分布曲线确定z轴方向的径向应力F r (z)和垂直应力F v (z);S45、选取每组z轴方向的径向应力F r (z)和垂直应力F v (z)中的最小值作为每组径向应力 F r 和垂直应力F v 对应的特征应力;S46、选取出所有特征应力中的最小值,并将其作为填充释能孔的蠕变释能材料的强度上限值。
3.根据权利要求2所述的高地应力缓倾软岩交通隧道仰拱蠕变底鼓控制方法,其特征在于,所述仰拱支护抗力的表达式为: , 其中, 和E分别为围岩的泊松比和弹性模量; 、 和 分别为仰拱支护结构的刚度系数、泊松比、弹性模量;r 1 为衬砌内半径。
4.根据权利要求1所述的高地应力缓倾软岩交通隧道仰拱蠕变底鼓控制方法,其特征在于,释能孔布置方式包括释能孔的安装位置、相邻释能孔的间距、释能孔的深度和释能孔的直径;基于上拱变形量确定最优释能孔布置方式包括:选取小于设计允许的底鼓变形量的上拱变形量,当选取的上拱变形量数量为1时,将其对应的释能孔布置方式作为最优释能孔布置方式;当选取的上拱变形量大于等于2时,采用多个评价指标对上拱变形量对应的释能孔布置方式进行评价,选取评价得分最高的释能孔布置方式作为最优释能孔布置方式。
5.一种应用于权利要求1-4任一所述的高地应力缓倾软岩交通隧道仰拱蠕变底鼓控制方法的系统,其特征在于,包括按照最优释能孔布置方式在隧道可能出现底鼓的区段中开设的多个释能孔和放置于释能孔内的可塑性管;所述可塑性管内填充有强度小于蠕变释能材料的强度上限值的蠕变释能材料。
6.根据权利要求5所述的系统,其特征在于,所述可塑性管下方的释能孔内填充有防水可胶结材料,所述可塑性管上方的释能孔内填充有封堵混凝土。