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申请/专利权人：中电建十一局工程有限公司;中国水利水电第十一工程局有限公司

摘要：本发明涉及破碎岩体泄洪隧洞开挖，属于隧洞开挖技术领域，包括如下步骤：数值模拟方法与模型构建、出口段下半洞开挖前计算模拟与监测反演分析、破碎岩体段预加固后再实施分部开挖过程计算模拟、衬砌支护与衬砌应力校核、上平段衬砌应力复核、出口泄槽应力复核、洞身围岩超前固结灌浆、增加钢复拱支撑等步骤，本发明已成功应用于涔天河水库扩建工程1#泄洪洞出口段施工中，其模型验算及综合加固处理措施具备典型的代表性，同时与传统大开挖方案相比较，经济效益显著，节约施工成本约2672万元，有效解决破碎岩体隧洞处理的技术难题，达到经济、快速、安全施工目标，加快了水利工程的安全施工进度。

主权项：1.一种破碎岩体泄洪隧洞施工处理的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1:数值模拟方法与模型构建：数值模拟基本原理：以岩土弹塑性理论为基础，采用摩尔-库伦屈服准则和关联流动法则，基于有限差分法，进行应力、变形计算以及开挖、支护模拟；计算模型：通过对泄洪洞出口段工程地质条件的分析，依据洞室布置方案，建立1#泄洪洞出口三维网格模型；模型可以对1#泄洪洞的施工支洞、放空洞及放空洞调压井、放空洞施工支洞进行模拟计算，开挖边坡、地形地貌、地层岩性及主要控制性结构面进行模拟；网格模型范围如下：模型外侧取自洞口往外80～100m，山体内侧取自洞口距离80m；两侧分布距离洞室中心60m～70m；模型最低高程取200m；1#泄洪洞出口三维网格模型，采用实体单元进行模拟；S2:出口段下半洞开挖前计算模拟与监测反演分析：初始地应力场分析：基于监测资料分析反馈出口段岩土体物理力学参数；岩土体开挖总变形分为两部分：第一部分，为开挖后瞬间释放荷载产生的瞬间弹塑性变形；第二部分，为开挖产生瞬间变形后，岩土体后续粘性荷载继续缓慢释放产生的残余变形；出口段变形监测始于1#洞上半洞开挖之后，监测所得变形为残余荷载继续释放产生；根据所提供应力及变形监测资料，通过不断调整物理力学参数，计算开挖释放荷载引起的总变形，再根据残余变形与总变形的比例，反推出口段岩土体物理力学参数；根据分析确定的岩体物理力学参数，对泄洪洞出口边坡的初始地应力场进行模拟，作为开挖应力计算的初始条件，计算模型网格的底部、侧边均采用法向约束，通过计算，得到了边坡的初始地应力分布；边坡分级开挖模拟：以初始地应力计算结果为前提，进行前期洞室、边坡开挖计算，模拟出口段真实的开挖、施工支护顺序，其顺序为：放空洞施工支洞，泄洪洞平直段，出口边坡分级开挖，1#洞施工支洞，1#洞上半洞；每一个马道或台阶的开挖为一次开挖计算步，从273m台阶开始，分4个台阶，开挖至237m平台，对边坡开挖逐次进行计算，得到最后的计算结果，在边坡开挖模拟中，考虑边坡的支护效应及边坡开挖荷载释放对其变形的影响；第一级边坡开挖至273m高程后的最大位移为4.7mm，边坡向上发生轻微抬动；第二级边坡开挖至261m高程后的位移为8.6mm，边坡向上发生轻微抬动；第三级边坡开挖至250m高程后的位移为9.7mm，边坡向上发生轻微抬动；第四级边坡开挖至237m高程后的位移为9.8mm，边坡及洞口向上发生抬动；泄洪洞管棚预支护及出口段开挖模拟计算：形成237m平台后，对出口段上半洞进行开挖，先管棚后开挖，再实施喷锚支护及锚筋桩，对该过程实现过程模拟；S3:破碎岩体段预加固后再实施分部开挖过程计算模拟：开挖前预加固措施及围岩土体力学参数反演：鉴于出口段在开挖前虽然能保持自稳，但安全储备极低，边坡及洞室边墙部位出现裂缝及较大拉应力现状，使得出口段继续下切开挖存在极大的风险，因此，设计变更采取洞身围岩超前固结灌浆、增加钢复拱支撑、侧墙二次锚杆与锚筋桩加固、出口段坡脚抗滑桩阻滑、出口边坡截水防水处理及安全监测综合加固措施；下半洞分级开挖模拟：每次开挖后，获取新的监测数据，基于这些监测数据先进行岩土力学参数反演，从而获得更为精准的岩土材料参数，用于下一层开挖情况下的洞口围岩体的稳定预测计算；在加固措施施工完毕后，对洞身及洞口明挖段实施8级分步开挖，各级开挖的高程分别为：241m、238m、235m、232m、229m、226m、223m、221.5m；S4:衬砌支护与衬砌应力校核：下半洞开挖完后，实施1#泄洪洞衬砌施工及泄槽挡墙混凝土浇筑施工，施工完后，分析出口段衬砌各断面最大主应力、最小主应力；S5:上平段衬砌应力复核：下半洞开挖完后，实施1#泄洪洞衬砌施工及泄槽挡墙混凝土浇筑施工，施工完后，分析上平段衬砌各断面最大主应力、最小主应力；S6:出口泄槽应力复核：下半洞开挖完后，实施1#泄洪洞衬砌施工及泄槽挡墙混凝土浇筑施工，施工完后，分析出口泄槽各断面最大主应力、最小主应力；S7:洞身围岩超前固结灌浆：对破碎岩体洞段侧壁围岩及底板进行固结灌浆，包括侧壁无盖重灌浆和侧壁及底板超前灌浆，用于增强破碎岩体洞段围岩整体性，抑制洞室侧壁进一步变形；S8:增加钢复拱支撑、侧墙二次锚杆与锚筋桩加固方法：在洞身变形区域内增加I18钢复拱支撑，间距0.5m，挂网喷混凝土；出口洞身之间两侧边墙增设L＝12m长锚筋桩进行锚固；洞身右侧墙之间锚筋桩钻孔如果进入1#泄洪洞右侧施工支洞；各层锚筋桩端头采用Ⅰ14工字钢连接，与原有钢拱架焊接形成整体，挂网喷混凝土覆盖；预应力锚杆：为了抑制洞室侧壁进一步变形，对破碎岩体区域右侧壁进行加强锚固，在洞室右侧壁布置预应力锚杆；右侧壁布置三排预应力锚杆，预应力锚杆高度方向间距3m，顺水流向间距3m；预应力锚杆入岩有效长度21m，俯角20度，方位角与锚筋桩方位角相同；岩体的应力-应变关系基本原理：对于岩块视为等效连续介质，以张量形式表示的岩石的弹性本构关系为： 其中和分别是岩石弹性和柔度系数张量，为四阶张量，如果岩石看作是极端各向异性材料，则它们各有8个常数，对于各向同性材料，只有2个独立常数，用E～ν表示的岩石各向同性广义HOOKE定律张量表达式： E、ν分别是岩石弹性模量和泊松比；Mohr屈服理论的一般表达式为：F＝τ|-fσn以线性形式表示的Mohr-Coulomb准则表示为： 拉应力为正，压应力为负，因此σn前面取“－”号，c、分别是凝聚力和内摩擦角，以主应力形式表示： σ1、σ2、σ3分别是主应力，但不考虑其大小排列，以应力不变量表示： 式中J2即为偏应力张量第二不变量；θ为罗德角，假如已知岩石的抗拉、抗压强度Rt、Rc，则有： 式中az＝RtRc以抗拉抗压强度表示的Mohr-Coulomb准则为：

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