本发明属于隧道围岩大变形灾害防治技术领域，特别是涉及一种受构造应力及层理控制的隧道大变形靶向支护方法。
背景技术：
在交通、水力水电、矿山等领域中，隧道工程的施工量逐年攀升，而且这些隧道工程经常处于构造运动强烈的地区，加之隧道围岩多为三叠系岩板、千枚岩、片岩、砂岩等层状软质岩，在隧道工程建设过程中，经常出现严重的层状围岩大变形灾害，而工程活动中所引发的岩体破坏现象则与层状岩体力学性质的各向异性特征密切相关，同时层状围岩隧道发生的此类灾害多与层状岩体的层理产状及地应力方位密切相关。
为此，必须对隧道层状围岩大变形进行防治，在目前的工程实践中，多采用锚杆、钢拱架、喷射混凝土等无差别加强支护措施，部分区段还会采用普通水泥材料注浆加固。但是，虽然这些防治手段在一定程度上抑制了大变形灾害的发生，但也存在支护效率低、支护成本高的不足，并且在高地应力、强卸荷、围岩完整性差等极端复杂地址条件下，往往不能取得较好的控制效果。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种受构造应力及层理控制的隧道大变形靶向支护方法，根据隧道围岩大变形等级的不同，在隧道内采用差异化的支护措施，可有效提高支护效率，同时可以节约支护成本，有效保证层状围岩大变形的控制效果。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种受构造应力及层理控制的隧道大变形靶向支护方法，具体为：
一、根据岩层产状与隧道之间空间关系的不同，将隧道围岩划分为三种类型，分别为缓倾类型、倾斜小夹角类型及陡倾小夹角类型；
①、缓倾类型：θ<30°，θ为岩层倾角；
②、倾斜小夹角类型：30°<θ<75°且γ<45°，θ为岩层倾角，γ为岩层走向与隧道轴线的夹角；
③、陡倾小夹角类型：θ>75°且γ<30°，θ为岩层倾角，γ为岩层走向与隧道轴线的夹角；
二、根据隧道围岩大变形严重程度的不同，将隧道围岩大变形划分为三个等级，分别为i级、ii级和iii级；
①、i级：0.2<gn<0.3，变形潜势属轻微，gn为岩体强度应力比；
②、ii级：0.15<gn<0.2，变形潜势属中等，gn为岩体强度应力比；
③、iii级：gn<0.15，变形潜势属强烈，gn为岩体强度应力比；
三、根据隧道围岩大变形等级的不同，采用如下支护措施：
①、当隧道围岩大变形等级为i级和ii级时，采用开挖后布设锚杆的支护措施；
②、当隧道围岩大变形等级为iii级时，采用开挖前超前注浆加固、开挖后布设锚杆的支护措施。
当隧道围岩大变形等级为i级和ii级时，且隧道围岩为缓倾类型时，锚杆的布设位置在顶底板区域，锚杆采用抗拉型锚杆。
当隧道围岩大变形等级为i级和ii级时，且隧道围岩为倾斜小夹角类型时，锚杆的布设位置在层理与洞周平行的位置、顶板及顺层侧边墙区域，锚杆采用抗拉型和抗剪型锚杆。
当隧道围岩大变形等级为i级和ii级时，且隧道围岩为陡倾小夹角类型时，锚杆的布设位置在两侧边墙区域，锚杆采用抗拉型锚杆。
当隧道围岩大变形等级为iii级时，在开挖前，布设中空注浆锚杆并注浆加固，注浆锚杆的布设方向与隧道轴线的夹角δ为30°～45°，在开挖后，当隧道围岩为缓倾类型时，锚杆的布设位置在顶底板区域，锚杆采用抗拉型锚杆；当隧道围岩为缓倾类型时，锚杆的布设位置在顶底板区域，锚杆采用抗拉型锚杆；当隧道围岩为陡倾小夹角类型时，锚杆的布设位置在两侧边墙区域，锚杆采用抗拉型锚杆。
当隧道围岩大变形等级为iii级时，在开挖后进行锚杆支护时，锚杆的布设方向与岩层视倾斜方向的夹角大于30°，且锚固剂采用速凝类锚固剂。
当隧道围岩大变形等级为iii级时，在开挖前进行注浆加固时，注浆浆料采用双液速凝注浆浆料，注浆浆料的双液混合后需要满足在3分钟内失去流动性的要求，同时需要满足1天龄期净浆的单轴抗压强度大于15mpa的要求。
本发明的有益效果：
本发明的受构造应力及层理控制的隧道大变形靶向支护方法，根据隧道围岩大变形等级的不同，在隧道内采用差异化的支护措施，可有效提高支护效率，同时可以节约支护成本，有效保证层状围岩大变形的控制效果。
附图说明
图1为岩层产状与隧道的空间位置关系示意图；
图2为隧道围岩为缓倾类型时的锚固布设方位示意图；
图3为隧道围岩为倾斜小夹角类型时的锚固布设方位示意图；
图4为隧道围岩为陡倾小夹角类型时的锚固布设方位示意图；
图5为超前注浆加固时的注浆锚杆锚固布设方位示意图；
图中，1—层状围岩，2—隧道，3—水平基准面，4—岩层走向基准线，5—岩层倾向基准线，6—隧道轴线，7—锚杆，8—注浆锚杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
一种受构造应力及层理控制的隧道大变形靶向支护方法，具体为：
一、根据岩层产状与隧道之间空间关系的不同，将隧道围岩划分为三种类型，分别为缓倾类型、倾斜小夹角类型及陡倾小夹角类型；具体的，岩层产状与隧道的空间位置关系如图1所示；
①、缓倾类型：θ<30°，θ为岩层倾角；
②、倾斜小夹角类型：30°<θ<75°且γ<45°，θ为岩层倾角，γ为岩层走向与隧道轴线的夹角；
③、陡倾小夹角类型：θ>75°且γ<30°，θ为岩层倾角，γ为岩层走向与隧道轴线的夹角；
二、根据隧道围岩大变形严重程度的不同，将隧道围岩大变形划分为三个等级，分别为i级、ii级和iii级；
①、i级：0.2<gn<0.3，变形潜势属轻微，gn为岩体强度应力比；
②、ii级：0.15<gn<0.2，变形潜势属中等，gn为岩体强度应力比；
③、iii级：gn<0.15，变形潜势属强烈，gn为岩体强度应力比；
三、根据隧道围岩大变形等级的不同，采用如下支护措施：
①、当隧道围岩大变形等级为i级和ii级时，采用开挖后布设锚杆的支护措施；
②、当隧道围岩大变形等级为iii级时，采用开挖前超前注浆加固、开挖后布设锚杆的支护措施。
当隧道围岩大变形等级为i级和ii级时，且隧道围岩为缓倾类型时，如图2所示，锚杆的布设位置在顶底板区域，锚杆采用抗拉型锚杆。
当隧道围岩大变形等级为i级和ii级时，且隧道围岩为倾斜小夹角类型时，如图3所示，锚杆的布设位置在层理与洞周平行的位置、顶板及顺层侧边墙区域，锚杆采用抗拉型和抗剪型锚杆。
当隧道围岩大变形等级为i级和ii级时，且隧道围岩为陡倾小夹角类型时，如图4所示，锚杆的布设位置在两侧边墙区域，锚杆采用抗拉型锚杆。
当隧道围岩大变形等级为iii级时，在开挖前，布设中空注浆锚杆并注浆加固，如图5所示，注浆锚杆的布设方向与隧道轴线的夹角δ为30°～45°，在开挖后，当隧道围岩为缓倾类型时，锚杆的布设位置在顶底板区域，锚杆采用抗拉型锚杆；当隧道围岩为缓倾类型时，锚杆的布设位置在顶底板区域，锚杆采用抗拉型锚杆；当隧道围岩为陡倾小夹角类型时，锚杆的布设位置在两侧边墙区域，锚杆采用抗拉型锚杆。
当隧道围岩大变形等级为iii级时，在开挖后进行锚杆支护时，锚杆的布设方向与岩层视倾斜方向的夹角大于30°，且锚固剂采用速凝类锚固剂。
当隧道围岩大变形等级为iii级时，在开挖前进行注浆加固时，注浆浆料采用双液速凝注浆浆料，注浆浆料的双液混合后需要满足在3分钟内失去流动性的要求，同时需要满足1天龄期净浆的单轴抗压强度大于15mpa的要求。
实施例一
某层状围岩隧道受构造应力主导，岩层倾角θ为5°，岩层走向与隧道轴线的夹角γ为10°，因此该隧道围岩属于缓倾类型。当隧道围岩大变形等级为i级和ii级时，在开挖后立即布设锚杆，锚杆布设方向与隧道轴线相垂直，锚杆的布设位置在顶板、底板、拱腰和底脚，且锚杆需具备较强的抗拉能力；当隧道围岩大变形等级为iii级时，在开挖前，布设中空注浆锚杆并注浆加固，布设方向与隧道轴线的夹角δ为30°～45°，开挖后立即采用锚杆支护，锚杆布设方向与隧道轴线相垂直，锚杆的布设位置在顶板、底板、拱腰和底脚，且锚杆需具备较强的抗拉能力。锚杆具体可以采用申请号为201810283159.7的专利申请中公开的恒阻大变形锚杆，锚固剂采用速凝类锚固剂，可以使锚杆安装完毕后施加较高的预紧力。在注浆加固时，注浆浆料采用双液速凝注浆浆料，双液速凝注浆浆料具体可以采用申请号为201310566695.5的双液注浆材料，双液混合后可在3分钟内失去流动性，1天龄期净浆单轴抗压强度可达15mpa以上。为防止围岩风化、局部掉块或塌方，在采用上述支护措施后，应在围岩表面喷射5～10cm厚的混凝土或局部采用锚杆补强支护。
实施例二
某层状围岩隧道受构造应力主导，岩层倾角θ为60°，岩层走向与隧道轴线的夹角γ为10°，因此该隧道围岩属于倾斜小夹角类型。当隧道围岩大变形等级为i级和ii级时，在开挖后立即布设锚杆，锚杆布设方向与隧道轴线相垂直，锚杆的布设位置在层理与洞周平行的位置、顶板及顺层侧边墙，锚杆采用抗拉型和抗剪型锚杆；当隧道围岩大变形等级为iii级时，在开挖前，布设中空注浆锚杆并注浆加固，布设方向与隧道轴线的夹角δ为30°～45°，开挖后立即采用锚杆支护，锚杆布设方向与隧道轴线相垂直，锚杆的布设位置在层理与洞周平行的位置、顶板及顺层侧边墙，锚杆采用抗拉型和抗剪型锚杆。锚杆具体可以采用申请号为201810283159.7的专利申请中公开的恒阻大变形锚杆，锚固剂采用速凝类锚固剂，可以使锚杆安装完毕后施加较高的预紧力。在注浆加固时，注浆浆料采用双液速凝注浆浆料，双液速凝注浆浆料具体可以采用申请号为201310566695.5的双液注浆材料，双液混合后可在3分钟内失去流动性，1天龄期净浆单轴抗压强度可达15mpa以上。在完成上述支护措施后，应严格进行量测工作，根据围岩变形情况，调整锚杆的长度、支护密度，布设位置，必要时在局部采用补强支护。此外，为防止围岩风化、局部掉块或塌方，在采用上述支护措施后，应在围岩表面喷射10～30cm厚的混凝土并布设钢拱架。
实施例三
某层状围岩隧道受构造应力主导，岩层倾角θ为85°，岩层走向与隧道轴线的夹角γ为20°，因此该隧道围岩属于陡倾小夹角类型。当隧道围岩大变形等级为i级和ii级时，在开挖后立即布设锚杆，锚杆布设方向与隧道轴线相垂直，锚杆的布设位置在在两侧边墙，锚杆为抗拉型锚杆；当隧道围岩大变形等级为iii级时，在开挖前，布设中空注浆锚杆并注浆加固，布设方向与隧道轴线的夹角δ为30°～45°，开挖后立即采用锚杆支护，锚杆布设方向与隧道轴线相垂直，锚杆的布设位置在在两侧边墙，锚杆为抗拉型锚杆；锚杆具体可以采用申请号为201810283159.7的专利申请中公开的恒阻大变形锚杆，锚固剂采用速凝类锚固剂，可以使锚杆安装完毕后施加较高的预紧力。在注浆加固时，注浆浆料采用双液速凝注浆浆料，双液速凝注浆浆料具体可以采用申请号为201310566695.5的双液注浆材料，双液混合后可在3分钟内失去流动性，1天龄期净浆单轴抗压强度可达15mpa以上。在完成上述支护措施后，应严格进行量测工作，根据围岩变形情况，调整锚杆的长度、支护密度，布设位置，必要时在局部采用补强支护。此外，为防止围岩风化、局部掉块或塌方，在采用上述支护措施后，应在围岩表面喷射10～30cm厚的混凝土并布设钢拱架。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。
技术特征：
1.一种受构造应力及层理控制的隧道大变形靶向支护方法，其特征在于具体为：
一、根据岩层产状与隧道之间空间关系的不同，将隧道围岩划分为三种类型，分别为缓倾类型、倾斜小夹角类型及陡倾小夹角类型；
①、缓倾类型：θ<30°，θ为岩层倾角；
②、倾斜小夹角类型：30°<θ<75°且γ<45°，θ为岩层倾角，γ为岩层走向与隧道轴线的夹角；
③、陡倾小夹角类型：θ>75°且γ<30°，θ为岩层倾角，γ为岩层走向与隧道轴线的夹角；
二、根据隧道围岩大变形严重程度的不同，将隧道围岩大变形划分为三个等级，分别为i级、ii级和iii级；
①、i级：0.2<gn<0.3，变形潜势属轻微，gn为岩体强度应力比；
②、ii级：0.15<gn<0.2，变形潜势属中等，gn为岩体强度应力比；
③、iii级：gn<0.15，变形潜势属强烈，gn为岩体强度应力比；
三、根据隧道围岩大变形等级的不同，采用如下支护措施：
①、当隧道围岩大变形等级为i级和ii级时，采用开挖后布设锚杆的支护措施；
②、当隧道围岩大变形等级为iii级时，采用开挖前超前注浆加固、开挖后布设锚杆的支护措施。
2.根据权利要求1所述的一种受构造应力及层理控制的隧道大变形靶向支护方法，其特征在于：当隧道围岩大变形等级为i级和ii级时，且隧道围岩为缓倾类型时，锚杆的布设位置在顶底板区域，锚杆采用抗拉型锚杆。
3.根据权利要求1所述的一种受构造应力及层理控制的隧道大变形靶向支护方法，其特征在于：当隧道围岩大变形等级为i级和ii级时，且隧道围岩为倾斜小夹角类型时，锚杆的布设位置在层理与洞周平行的位置、顶板及顺层侧边墙区域，锚杆采用抗拉型和抗剪型锚杆。
4.根据权利要求1所述的一种受构造应力及层理控制的隧道大变形靶向支护方法，其特征在于：当隧道围岩大变形等级为i级和ii级时，且隧道围岩为陡倾小夹角类型时，锚杆的布设位置在两侧边墙区域，锚杆采用抗拉型锚杆。
5.根据权利要求1所述的一种受构造应力及层理控制的隧道大变形靶向支护方法，其特征在于：当隧道围岩大变形等级为iii级时，在开挖前，布设中空注浆锚杆并注浆加固，注浆锚杆的布设方向与隧道轴线的夹角δ为30°～45°，在开挖后，当隧道围岩为缓倾类型时，锚杆的布设位置在顶底板区域，锚杆采用抗拉型锚杆；当隧道围岩为缓倾类型时，锚杆的布设位置在顶底板区域，锚杆采用抗拉型锚杆；当隧道围岩为陡倾小夹角类型时，锚杆的布设位置在两侧边墙区域，锚杆采用抗拉型锚杆。
6.根据权利要求1所述的一种受构造应力及层理控制的隧道大变形靶向支护方法，其特征在于：当隧道围岩大变形等级为iii级时，在开挖后进行锚杆支护时，锚杆的布设方向与岩层视倾斜方向的夹角大于30°，且锚固剂采用速凝类锚固剂。
7.根据权利要求1所述的一种受构造应力及层理控制的隧道大变形靶向支护方法，其特征在于：当隧道围岩大变形等级为iii级时，在开挖前进行注浆加固时，注浆浆料采用双液速凝注浆浆料，注浆浆料的双液混合后需要满足在3分钟内失去流动性的要求，同时需要满足1天龄期净浆的单轴抗压强度大于15mpa的要求。
技术总结
一种受构造应力及层理控制的隧道大变形靶向支护方法，具体为：根据岩层产状与隧道空间关系不同，将隧道围岩划分为缓倾类型、倾斜小夹角类型及陡倾小夹角类型；缓倾类型：θ<30°，θ为岩层倾角；倾斜小夹角类型：30°<θ<75°且γ<45°；陡倾小夹角类型：θ>75°且γ<30°；θ为岩层倾角，γ为岩层走向与隧道轴线的夹角；根据隧道围岩大变形严重程度不同，将隧道围岩大变形划分为三个等级，分别为I级、II级和III级；I级：0.2<Gn<0.3，变形潜势属轻微；II级：0.15<Gn<0.2，变形潜势属中等；III级：Gn<0.15，变形潜势属强烈；Gn为岩体强度应力比；根据隧道围岩大变形等级不同，采用如下支护措施：I级和II级时采用开挖后布设锚杆的支护措施；III级时采用开挖前超前注浆加固、开挖后布设锚杆的支护措施。
技术研发人员：刘旭锋;周扬一;李西凡;孙本通
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：2021.03.18
技术公布日：2021.06.15
声明：
“受构造应力及层理控制的隧道大变形靶向支护方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：东北大学
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2024年09月11日 ~ 13日 
