高地应力软岩隧道支护结构设计方法、计算机装置及产品

1.本发明涉及隧道工程领域，具体涉及一种适用于高地应力深埋软岩隧道的支护结构设计方法。


背景技术：

2.高地应力深埋软岩隧道的支护结构设计问题一直困扰着广大隧道建设者。目前隧道复合式衬砌结构的设计主要采用荷载结构法，首先计算围岩压力，然后检算支护结构在围岩压力的作用下是否满足变形和强度的要求。根据《铁路隧道设计规范》(tb10003-2016)，深埋隧道的围岩压力计算按松动压力考虑，将隧道周围松动破坏的岩土体自重作为确定围岩压力的依据。然而，大量实际工程案例表明，由高地应力引发的软弱围岩大变形属于挤压性大变形，作用于支护结构上的围岩压力除松动压力外，主要为形变压力。以规范计算的围岩松动压力为依据进行支护结构设计，经常导致支护刚度不足，造成初期支护混凝土开裂侵限，钢拱架扭曲变形，严重情况还会使二次衬砌开裂压溃。因此，既有的支护结构设计方法对高地应力深埋软岩隧道具有明显的不适用性。
3.此外，目前“让抗结合，刚柔并济”的支护结构体系设计理念在诸多高地应力深埋软岩隧道工程中得到实践。即在早期支护结构允许围岩有一定的变形，以降低施工期作用在支护结构上的形变压力。在后期为保证隧道稳定，支护结构需具有足够大的刚度以防止围岩的松动破坏。隧道支护结构的“让压”通常采用加大预留变形量和采用让压支护结构实现。常见的让压支护结构包括可缩式钢拱架、可压缩缓冲层、恒阻吸能锚杆等。提高支护结构的“抗压”能力，通常采用增加混凝土厚度、减少钢拱架间距、增加支护层数等手段加强初期支护的整体刚度。然而，对于围岩让压程度和支护抗压能力的量化问题，实际工程应用中还没有明确的设计计算方法。若围岩的让压程度不足、抗压支护过早，围岩释放的变形能仍然会使支护结构发生破坏；若围岩的让压程度过大、支护的抗压能力不足，围岩的松动范围会快速扩展，过大的松动压力会使支护结构的变形同样难以控制。
4.综上，既有的支护结构设计方法对高地应力深埋软岩隧道具有明显的不适用性。且实际工程中，虽然“让抗结合”的变形控制理念已在高地应力深埋软岩隧道工程中深入实践，但对支护结构让压程度及支护刚度的确定仍以经验类比为主，难以保证支护设计方案的有效性。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种高地应力软岩隧道支护结构设计方法、计算机装置及产品，适用于高地应力深埋软岩隧道，避免实际工程中因只考虑围岩松动压力而导致的支护结构设计强度不足。
6.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种隧道支护结构设计方法，包括以下步骤：
7.s1、确定隧道的工程参数和围岩的强度参数；
8.s2、利用隧道的工程参数和围岩的强度参数计算高地应力深埋软岩隧道围岩形变压力，得到围岩形变压力特征曲线，计算高地应力深埋软岩隧道围岩松动压力，得到围岩松动压力特征曲线；
9.s3、将围岩形变压力特征曲线和松动压力特征曲线叠加，得到高地应力深埋软岩隧道总围岩特征曲线；
10.s4、拟定初期支护的设计参数和预留变形量，利用初期支护的设计参数计算支护结构的支护刚度和最大承载力，确定支护设置前洞壁的径向位移u0，得到初期支护的支护特征曲线；
11.s5、将总围岩特征曲线和初期支护特征曲线绘制在同一坐标平面，以两个特征曲线交点的横纵坐标作为依据，检算初期支护的变形和强度是否满足设计要求；若初期支护的变形和强度不满足设计要求，采用在初期支护内表面增设第二层钢拱架的变形控制措施，计算不同支护时机和不同支护参数下第二层钢拱架的支护特征曲线；
12.s6、判断不同支护方案下第二层钢拱架的变形和强度是否满足设计要求，比较不同支护方案下第二层钢拱架的变形和强度，获得最优的支护结构设计方案，确定第二层钢拱架的最优支护参数。
13.与既有隧道支护结构的设计方法相比，本发明提出的设计方法同时考虑了围岩的形变压力和松动压力，避免了实际工程中因只考虑围岩松动压力而导致的支护结构设计强度不足，更适用于高地应力深埋软岩隧道的支护结构设计。同时本发明提出的设计方法采用特征曲线法，计算了围岩形变压力和松动压力随断面变形的演化关系，与既有设计方法相比，可明确支护结构的支护时机。
14.步骤s1中，隧道的工程参数包括原岩应力p0、地层重度γ0、隧道埋深h、断面形状、断面跨度b和断面高度h。原岩应力p0取决于隧道埋深h，等于隧道埋深h与地层重度γ0的乘积。断面形状采用目前在山岭隧道应用最广的马蹄形断面。为得到步骤s2的特征曲线方程，根据e.hoek的算法取隧道高度h和跨度b之和的1/4作为马蹄形隧道的等价圆半径r0。隧道的强度参数包括弹性模量e、泊松比v、内摩擦角φ、初始粘聚力c0、残余粘聚力c
*
、粘聚力软化模量mc和剪胀扩容系数α。强度参数是步骤s2计算围岩特征曲线方程的基本参数，通过现场取样和室内试验获得。本发明包含的强度参数mc和α反映了软弱岩体在塑性变形阶段的应变软化特性和剪胀扩容特性，能更准确地描述岩体的真实属性。
15.步骤s2中，围岩形变压力特征曲线的获取过程包括：获取围岩形变压力pi与断面径向变形u
r0
之间的函数关系，从而得到高地应力深埋软岩隧道围岩形变压力特征曲线；所述围岩形变压力pi与断面径向变形之间的函数关系为：
[0016][0017]
其中：为岩体的内摩擦角，b0是围岩弹塑性交界处围岩的切向弹性应变量，
[0018]
步骤s2中，围岩形变压力特征曲线的计算公式基于经典kastner公式的求解方法。但经典kastner公式视围岩为理想弹塑性体，且不考虑岩体在塑性阶段的剪胀扩容特性。本发明提出的围岩形变压力特征曲线方程的计算方法，考虑了围岩的峰后应变软化和剪胀扩容特性，同时引入围岩塑性区半径与断面径向变形的数量关系，得到了高地应力深埋软岩隧道围岩形变压力在软化阶段和破碎阶段随断面变形的演化方程，更准确地反映岩体的真实属性。
[0019]
步骤s2中，围岩松动压力特征曲线的获取过程包括：获取围岩松动压力pa与断面径向变形之间的函数关系，从而得到高地应力深埋软岩隧道围岩松动压力特征曲线；获取围岩松动压力pa与断面径向变形之间的函数关系为：
[0020][0021]
其中：
[0022]
步骤s2中，围岩松动压力特征曲线的计算公式基于经典caquot公式的求解方法。但经典caquot公式同样没有考虑软弱岩体在塑性变形阶段的应变软化特性和剪胀扩容特性，使计算结果偏小，不能反映岩体的真实属性。本发明提出的围岩松动压力特征曲线方程的计算方法，考虑了围岩的峰后应变软化和剪胀扩容特性，同时引入围岩塑性区半径与断面径向变形的数量关系，得到了高地应力深埋软岩隧道围岩松动压力在软化阶段和破碎阶
段随断面变形的演化方程，反映了岩体的真实属性。
[0023]
步骤s4中，支护结构的支护刚度的计算公式为：k
tot
＝k
shot
+k
st
+k
bol
；
[0024]
喷射混凝土层的支护刚度k
shot
：
[0025]
钢拱架的支护刚度k
st
：
[0026]
系统锚杆的支护刚度k
bol
：
[0027]
其中，e
con
为喷射混凝土弹性模量；v
con
为喷射混凝土泊松比；r0为隧道半径；t
shot
为喷射混凝土厚度；σc为喷射混凝土的单轴抗压强度d
bol
为锚杆直径；e
st
'是钢拱架折算至喷射混凝土层的等效弹性模量，将型钢钢架按抗弯刚度等效折算为厚度与喷射混凝土层相同的等效层；σ
st
'是钢拱架的等效抗压强度；e
bol
为锚杆材料弹性模量；l
bol
为锚杆的长度；q为锚杆、锚头、垫板受力变形特征有关的常数；sm为锚杆纵向间距，sn为锚杆横向间距；σ
bol
为锚杆材料的屈服应力。步骤s4中，最大承载力的计算公式为：p
max,tot
＝p
shot
+p
st
+p
bol
；v
st
是钢拱架钢材的泊松比；
[0028]
喷射混凝土层的最大承载力
[0029]
钢拱架的最大承载力
[0030]
系统锚杆的最大承载力
[0031]ist
为钢拱架截面惯性矩；i
st
'为等效层截面惯性矩；d为钢拱架拱间距；e
st
为钢拱材料的弹性模量，a
st
为钢拱架截面积；σ
st
为钢拱材料的屈服应力。
[0032]
步骤s4中，采用等效刚度法计算钢拱架的支护刚度和最大承载力，将钢架按抗弯刚度等效折算为厚度与喷射混凝土层相同的等效层。将喷射混凝土支护、钢拱架支护和系统锚杆支护组成的复合支护形式看作一个由各个子构件并联组成的结构体系，复合支护结构的支护刚度和最大承载力为各子构件的和。
[0033]
步骤s5中，当满足下述公式时，初期支护的变形和强度满足设计要求：
[0034][0035]
其中，u
eq
为特征曲线交点的横坐标，u1为预留变形量；fs为支护结构安全系数；p
max，tot
为最大承载力；p
eq
为平衡时支护抗力。
[0036]
步骤s5从最大承载力的角度定义支护结构安全系数，以围岩特征曲线和支护特征曲线交点的纵坐标作为评价依据，能直观评价支护结构的支护效果。
[0037]
一种计算机装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序；所述处理器执行所述计算机程序，以实现本发明所述方法的步骤。
[0038]
一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令；该计算机程序/指令被处理器执行时实现本发明所述方法的步骤。
[0039]
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
[0040]
1、本发明提出的支护结构设计方法同时考虑了围岩的形变压力和松动压力，提出了高地应力深埋软岩隧道的围岩压力主要由挤压变形引发的形变压力和松动破坏导致的松动压力组成，明确了围岩形变压力和松动压力的计算方法。与现有规范提出的挤压性软岩隧道结构设计方法相比，可避免实际工程中因只考虑围岩松动压力而导致的支护结构设计强度不足，从而引起支护开裂侵限的大变形事故。本发明提出的围岩形变压力和松动压力的计算方法，考虑了围岩的应变软化特性和剪胀扩容特性，能更准确地反映深部软弱岩体的真实属性。因此，本发明提出的支护结构设计方法更适用于高地应力深埋软岩隧道。
[0041]
2.本发明提供的支护结构设计方法为特征曲线法。高地应力深埋软岩隧道属于挤压性隧道，作用在支护结构上的围岩压力与围岩变形密切相关。允许围岩释放的变形越大，作用在支护结构上的围岩形变压力越小、围岩松动压力越大。挤压性软岩隧道宜遵循“让抗结合”的支护结构设计理念。支护结构的设计应包含合理的支护时机和对应的围岩变形程度。而围岩特征曲线能反映围岩压力随围岩变形的演化关系，因此，本发明采用的特征曲线法更适于应用在高地应力深埋软岩隧道的支护结构设计。
[0042]
3.本发明提出增设第二层钢拱架的高地应力深埋软岩隧道围岩变形控制方法，明确了第二层钢拱架的支护时机和支护参数。支护时机即第二层钢拱架设置时第一层初期支护的变形量，支护参数即第二层钢拱架的拱架刚度和拱架间距。本发明提出的支护方案及设计方法能更直观、更明确地指导现场施工。现场只需要根据断面变形的实时监测数据，在监测数值达到某一阈值后施作第二层钢拱架，即可通过设计计算明确拱架刚度和布置间距。
附图说明
[0043]
图1为高地应力深埋软岩隧道支护结构设计流程图。
[0044]
图2为高地应力深埋软岩隧道围岩特征曲线和支护特征曲线。图中：
①
—围岩形变压力特征曲线；
②
—围岩松动压力特征曲线；
③
—总围岩特征曲线；
④
—初期支护特征曲线。
[0045]
图3为不同支护时机和支护刚度的第二层钢拱架支护特征曲线。图中，曲线
⑤
、
⑥
、
⑦
分别代表不同的支护时机，曲线ⅰ、ⅱ、ⅲ代表不同的支护刚度。
具体实施方式
[0046]
本发明实施例基于特征曲线法，提供一种适用于高地应力深埋软岩隧道的支护结构设计方法。下面结合说明书附图和具体的设计实例对本发明提出的设计方法及步骤进行说明：
[0047]
步骤一：确定深埋软岩隧道的工程参数和围岩的强度参数。隧道的工程参数包括原岩应力p0、地层重度γ0、隧道埋深h、断面形状、断面跨度b和断面高度h。某铁路隧道穿越深埋软弱破碎地层，隧道埋深接近400m，地层重度γ0＝25kn/m3，原岩应力p0＝10mpa。断面形状为马蹄形，隧道高度h＝12.03m，隧道跨度b＝12.96m。取隧道高度h和跨度b之和的1/4作为马蹄形隧道的等价圆半径r0＝6.25m。根据现场取样和试验测试结果，岩体的弹性模量e＝0.5gpa，泊松比v＝0.48，内摩擦角φ＝20
°
，初始粘聚力c0＝15kpa，残余粘聚力c
*
＝5kpa，粘聚力软化模量mc＝0.2mpa，剪胀扩容系数α＝1.5。
[0048]
步骤二：计算高地应力深埋软弱围岩形变压力，基于经典卡斯特耐尔(kastner)公式，考虑围岩的峰后应变软化和剪胀扩容特性，引入围岩塑性区半径r
p
和断面径向变形u
r0
的数量关系，得到围岩形变压力特征曲线解析解(式1)，即围岩形变压力pi与断面径向变形u
r0
之间的函数关系，从而得到高地应力深埋软岩隧道围岩在软化阶段和破碎阶段的形变压力特征曲线
①
。
[0049][0050]
其中：
[0051]
步骤三：计算高地应力深埋软弱围岩松动压力，基于经典卡科(caquot)公式，考虑围岩的峰后应变软化和剪胀扩容特性，引入围岩塑性区半径r
p
和断面径向变形u
r0
的数量关系，得到围岩松动压力特征曲线解析解，即围岩松动压力pa与断面径向变形u
r0
之间的函数关系(式2)，从而得到高地应力深埋软岩隧道围岩在软化阶段和破碎阶段的松动压力特征曲线
②
。
[0052][0053]
步骤四：将围岩形变压力特征曲线和松动压力特征曲线叠加，如式(3)，从而得到高地应力深埋软岩隧道总的围岩特征曲线
③
。
[0054]
p＝pi+p
a (3)
[0055]
步骤五：拟定第一层初期支护的设计参数和预留变形量u1。该铁路隧道采用喷射混凝土+钢拱架+系统锚杆的复合型初期支护结构。喷射混凝土强度c25，厚27cm；拱部的系统锚杆采用长3.5m、的φ25组合中空锚杆；边墙采用长3.5m的φ22砂浆锚杆；仰拱采用长5m的φ25砂浆锚杆，系统锚杆间距1.2m
×
1.0m。为简化计算，断面等代简化后系统锚杆取长5m、直径25mm，间距1.2m
×
1.0m；采用i25b型钢拱架，拱架间距0.6m。初期支护层的预留变形量u1＝50cm。初期支护的支护参数如表1-表3所示。
[0056]
表1喷射混凝土层支护参数
[0057]
t
shot
/me
con
/mpav
con
σc/mpa0.27280000.217
[0058]
表2 i25b型钢拱架支护参数
[0059]ast
/cm2i
st
/cm4d/me
st
/mpae’st
/mpav
st
σ
st
/mpaσ
st
‘
/mpa53.54152800.621000011266.580.32006.61
[0060]
表3系统锚杆支护参数
[0061]dbol
/ml
bol
/msm/msn/me
bol
/mpaσ
bol
/mpa0.02551.21.0210000200
[0062]
采用e.hoek的计算方法，计算喷射混凝土支护、钢拱架支护和径向锚杆支护的支护刚度k和最大承载力p
max
。
[0063]
对于喷射混凝土支护，厚度为t
shot
的喷射混凝土支护施设在半径为r0的隧道内侧，能够形成与开挖面密贴的壳结构，喷射混凝土层的支护刚度k
shot
和最大承载力p
max,shot
如
[0064]
式4和式5。
[0065][0066][0067]
其中e
con
—喷射混凝土弹性模量；v
con
—喷射混凝土泊松比；r0—隧道半径；t
shot
—喷射混凝土厚度；σc—喷射混凝土的单轴抗压强度。
[0068]
对于钢拱架支护，采用等效刚度法将钢拱架的支护刚度折算至混凝土层，计算钢拱架的支护刚度k
st
和最大承载力p
max,st
如式6和式7。
[0069][0070][0071]
其中，e
st
'是钢拱架折算至喷射混凝土层的等效弹性模量，将型钢钢架按抗弯刚度等效折算为厚度与喷射混凝土层相同的等效层。σ
st
'是钢拱架的等效抗压强度。e
st
'和σ
st
'的计算公式分别如下：
[0072][0073][0074]
式中：i
st
—钢拱架截面惯性矩；i
st
'—等效层截面惯性矩；d—钢拱架拱间距；e
st
—钢拱材料的弹性模量。a
st
为钢拱架截面积；σ
st
为钢拱材料的屈服应力。
[0075]
对于系统锚杆支护，系统锚杆的支护刚度k
bol
和最大承载力p
max,bol
的计算公式如式(10)、(11)。
[0076][0077][0078]
式中，d
bol
—锚杆直径；e
bol
—锚杆材料弹性模量；l
bol
—锚杆的长度；q—为锚杆、锚头、垫板等受力变形特征有关的常数；sm—锚杆纵向间距，sn—锚杆横向间距；σ
bol
—锚杆材料的屈服应力。
[0079]
对于锚杆支护、钢拱架支护和喷射混凝土支护组成的复合支护形式，可以看成一个由各个子构件并联组成的结构体系。假设组合式支护中的几种支护形式同时设置并发挥作用，复合支护结构的支护刚度及最大承载力为各子构件的叠加。复合支护结构的支护刚度和最大承载力计算公式如式12和式13。
[0080]ktot
＝k
shot
+k
st
+k
bol
ꢀꢀ
(12)
[0081]
p
max,tot
＝p
shot
+p
st
+p
bol
ꢀꢀ
(13)
[0082]
根据表1-表3的支护参数和公式4-公式13，计算支护结构的支护刚度k和最大承载力p
max
如表4所示，得到初期支护的支护特征曲线参数。
[0083]
表4支护特征曲线参数计算结果
[0084]
支护型式ki/(mpa
·m－1
)p
max，i
/mpau
el，i-u0/mm喷射混凝土208.250.7193.450型钢拱架89.110.2793.315系统锚杆17.180.0824.762复合支护314.531.0804.762
[0085]
对于支护设置前洞壁的径向位移u0，是支护特征曲线的起点，决定于支护结构开始承载时离开挖面的距离。根据hoek拟合的ldp曲线解析式，即洞壁径向位移u0与至开挖面距离l之间的经验关系式(14)，根据现场实测数据(开挖面后方洞壁径向位移达到的最大值)反算得到支护设计前洞壁的初始位移u0。
[0086]
[0087]
式中，——开挖面后方洞壁径向位移达到的最大值；
[0088]
l——隧道计算断面至开挖面的距离；
[0089]
根据现场实测u
max
反算支护设置前洞壁的初始位移，得到该隧道实例的支护特征曲线的起点u0＝50mm。根据上述计算，最终得到了初期支护的支护特征曲线
④
。
[0090]
步骤六：将总围岩特征曲线
③
和初期支护特征曲线
④
同时绘制在一个坐标平面，以特征曲线交点的横坐标和纵坐标作为第一层初期支护稳定性分析的依据。特征曲线交点的横坐标代表平衡时洞壁的径向变形u
eq
，平衡时洞壁的变形需小于步骤五拟定的预留变形量u1，如式(15)。
[0091]ueq
≤u1ꢀꢀ
(15)
[0092]
特征曲线交点的纵坐标代表平衡时的支护抗力p
eq
。支护结构既要能有效控制变形，同时要具备一定的安全储备。定义支护结构安全系数fs为最大承载力p
max
和平衡时支护抗力p
eq
的比值，平衡时支护结构的安全系数需大于1，如式(16)。
[0093][0094]
根据式(15)和(16)，检算初期支护的支护变形和安全系数是否满足设计要求。根据计算结果，该隧道实例的初期支护所能提供的最大支护反力为1.080mpa，初期支护在塑性发展阶段与围岩达到平衡时的径向变形达到0.80m，远远超过断面预留变形量。说明支护结构无法提供足够的支护抗力来约束围岩变形。
[0095]
步骤七：由于单层初期支护的变形控制能力有限，初期支护的变形和安全系数不满足设计要求，因此采用在第一层初期支护内表面增设第二层钢拱架的变形控制方法。为实现“让抗结合”的高地应力深埋软岩隧道变形控制理念，第二层钢拱架在第一层初期支护变形达到一定程度后设置。第二层钢拱架的支护时机即钢拱架设置时初期支护的变形量，也即围岩的让压程度。第二层钢拱架的抗压能力取决于支护刚度，包括拱架间距和拱架刚度。定义不同支护时机、不同支护刚度的支护设计方案如表5所示，根据步骤五的计算方法，得到不同支护时机和不同支护刚度的支护特征曲线参数如表5所示，然后绘制不同支护方案的支护特征曲线(曲线
⑤
、曲线
⑥
、曲线
⑦
)。
[0096]
表5第二层钢拱架支护支护方案及特征曲线参数
[0097][0098]
步骤八：根据步骤六的方法，检算不同支护方案下第二层钢拱架的平衡变形和安全系数，对比不同支护方案的计算结果。根据计算结果，本实施例间距为0.8，1.0m的i20b、i22a和i22b型钢拱架均无法在弹性变形阶段抵御断面变形。3类钢拱架在拱架间距为0.6m时均能在弹性变形阶段与围岩变形达到平衡，相应的安全系数分别为1.05，1.10和1.21。综
合考虑支护效果及安全需要，最终确定采用间距为0.6m的i22b型钢拱架作为第二层钢拱架的最优支护参数。

技术特征：
1.一种高地应力深埋软岩隧道的支护结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、确定隧道的工程参数和围岩的强度参数；s2、利用隧道的工程参数和围岩的强度参数计算高地应力深埋软岩隧道围岩形变压力，得到围岩形变压力特征曲线，计算高地应力深埋软岩隧道围岩松动压力，得到围岩松动压力特征曲线；s3、将围岩形变压力特征曲线和松动压力特征曲线叠加，得到高地应力深埋软岩隧道总围岩特征曲线；s4、拟定初期支护的设计参数和预留变形量，利用初期支护的设计参数计算支护结构的支护刚度和最大承载力，确定支护设置前洞壁的径向位移u0，得到初期支护的支护特征曲线；s5、将总围岩特征曲线和初期支护特征曲线绘制在同一坐标平面，以两个特征曲线交点的横纵坐标作为依据，检算初期支护的变形和强度是否满足设计要求；若初期支护的变形和强度不满足设计要求，在初期支护内表面增设第二层钢拱架，计算不同支护时机和不同支护参数下第二层钢拱架的支护特征曲线；s6、判断不同支护方案下第二层钢拱架的变形和强度是否满足设计要求，比较不同支护方案下第二层钢拱架的变形和强度，获得最优的支护结构设计方案，进而确定第二层钢拱架的最优支护参数。2.根据权利要求1所述的隧道支护结构设计方法，其特征在于，步骤s1中隧道的工程参数包括原岩应力p0、地层重度γ0、隧道埋深h、断面形状、断面跨度b和断面高度h；原岩应力p0等于隧道埋深h与地层重度γ0的乘积；断面形状采用马蹄形断面；根据e.hoek算法取隧道高度h和跨度b之和的1/4作为马蹄形隧道的等价圆半径r0；隧道的强度参数包括弹性模量e、泊松比v、内摩擦角φ、初始粘聚力c0、残余粘聚力c
*
、粘聚力软化模量m
c
和剪胀扩容系数α。3.根据权利要求2所述的隧道支护结构设计方法，其特征在于，步骤s2中，围岩形变压力特征曲线的获取过程包括：获取围岩形变压力p
i
与断面径向变形u
r0
之间的函数关系，从而得到高地应力深埋软岩隧道围岩形变压力特征曲线；所述围岩形变压力p
i
与断面径向变形之间的函数关系为：其中：其中：为岩体的内摩擦角，b0是围岩弹塑性交界处围岩的切向弹性应变量，4.根据权利要求2所述的隧道支护结构设计方法，其特征在于，步骤s2中，围岩松动压力特征曲线的获取过程包括：获取围岩松动压力p
a
与断面径向变形之间的函数关系，从而得到高地应力深埋软岩隧道围岩松动压力特征曲线；获取围岩松动压力p
a
与断面径向变形之间的函数关系为：
其中：其中：为岩体的内摩擦角。5.根据权利要求2所述的隧道支护结构设计方法，其特征在于，步骤s4中，支护结构的支护刚度的计算公式为：k
tot
＝k
shot
+k
st
+k
bol
；喷射混凝土层的支护刚度k
shot
：钢拱架的支护刚度k
st
：系统锚杆的支护刚度k
bol
：其中，e
con
为喷射混凝土弹性模量；v
con
为喷射混凝土泊松比；r0为隧道半径；t
shot
为喷射混凝土厚度；σ
c
为喷射混凝土的单轴抗压强度；d
bol
为锚杆直径；e
st
'是钢拱架折算至喷射混凝土层的等效弹性模量，将型钢钢架按抗弯刚度等效折算为厚度与喷射混凝土层相同的等效层；v
st
是钢拱架钢材的泊松比；σ
st
'是钢拱架的等效抗压强度；e
bol
为锚杆材料弹性模量；l
bol
为锚杆的长度；q为与锚杆、锚头、垫板受力变形特征有关的常数；s
m
为锚杆纵向间距，s
n
为锚杆横向间距；σ
bol
为锚杆材料的屈服应力。6.根据权利要求5所述的隧道支护结构设计方法，其特征在于，步骤s4中，最大承载力的计算公式为：p
max,tot
＝p
shot
+p
st
+p
bol
；喷射混凝土层的最大承载力钢拱架的最大承载力系统锚杆的最大承载力7.根据权利要求5或6所述的隧道支护结构设计方法，其特征在于，i
st
为钢拱架截面惯性矩；i
st
'为等效层截面惯性矩；d为钢拱架拱间距；e
st
为钢拱材料的弹性模量，a
st
为钢拱架截面积；σ
st
为钢拱材料的屈服应力。8.根据权利要求1所述的隧道支护结构设计方法，其特征在于，步骤s5中，当满足下述公式时，初期支护的变形和强度满足设计要求：
u
eq
≤u1；其中，u
eq
为特征曲线交点的横坐标，u1为预留变形量；f
s
为支护结构安全系数；p
max,tot
为最大承载力；p
eq
为平衡时支护抗力。9.一种计算机装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序；其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序，以实现权利要求1～8之一所述方法的步骤。10.一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令；其特征在于，该计算机程序/指令被处理器执行时实现权利要求1～8之一所述方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种高地应力软岩隧道支护结构设计方法、计算机装置及产品，确定隧道工程参数和围岩强度参数；计算高地应力深埋软岩隧道围岩形变压力和松动压力；确定高地应力深埋软岩隧道围岩特征曲线；拟定初期支护的设计参数，计算得到初期支护的支护特征曲线；检算初期支护的内力和变形；在初期支护内侧增设第二层钢拱架，计算得到不同支护时机和不同支护参数下第二层钢拱架的支护特征曲线；检算不同支护方案下第二层钢拱架的内力和变形，比选得到最优的支护结构设计方案。本发明提出的支护结构设计方法考虑了围岩的形变压力和松动压力，与现有规范相比更适合应用于高地应力深埋软岩隧道的支护结构设计。软岩隧道的支护结构设计。软岩隧道的支护结构设计。


技术研发人员：施成华 郑可跃 彭铸 王祖贤 雷明锋 黄娟 贾朝军 龚琛杰
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2021.11.10
技术公布日：2022/3/8