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申请/专利权人：成都理工大学

摘要：本发明涉及隧道工程技术领域，提供一种隧道软弱围岩水平高压旋喷桩的桩长确定方法，包括：步骤1：确定隧道围岩的基本力学性质与地下水条件；步骤2：初步评估成桩质量与桩长范围；步骤3：采用数值模拟方法分别建立不同桩长的隧道软弱围岩水平高压旋喷桩加固数值模型；步骤4：判定水平高压旋喷桩加固后围岩变形是否满足规范要求；步骤5：判定水平高压旋喷桩是否发挥了梁拱效应；步骤6：判断桩体最大拉应力是否超过极限抗拉强度；步骤7：重复步骤，缩减桩长范围，于范围内确定最大桩长。本发明能优化水平高压旋喷桩桩长的选取，在保证旋喷桩加固效果的同时，可极大地减少了材料浪费，缩短施工周期，提高工程经济效益。

主权项：1.隧道软弱围岩水平高压旋喷桩的桩长确定方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：确定隧道围岩的基本力学性质与地下水条件；步骤2：初步评估成桩质量与桩长范围；步骤2中，具体为：步骤2.1：根据步骤1中求得的围岩基本力学参数、地下水压力与渗透系数初步评估成桩质量，围岩力学性质越好，桩体的搅拌混合与浆液挤压渗透部分力学性能越好，成桩质量越好；地下水压越高或渗透系数越小，则高压浆液难以将地下水排出，浆液被稀释，桩体搅拌混合与浆液挤压渗透部分力学性能越差，成桩质量就越差；步骤2.2：影响水平高压旋喷桩成桩质量的施工参数包括：浆液类型、浆液配比、喷浆压力、提升速度；1浆液类型根据步骤1中围岩基本力学参数、地下水压力与渗透系数合理选取；2浆液配比根据围岩基本力学参数、地下水压力与围岩渗透系数对应增加或减少水泥-添加剂-水的配合比；3喷浆压力根据地下水压与渗透系数选取，若地下水压高，围岩渗透系数小则应对应增加喷浆压力，以使水平高压旋喷桩充分发挥混合搅拌与挤压渗透作用；4提升速度，应结合施工效率合理选择；若围岩力学性质差、地下水压高，则应选取具备早强、抗渗的水泥浆液，水泥-添加剂-水的配合比可适量增大，对应增加喷浆压力，提升速度则对应减小，以保障成桩质量；步骤2.3：若施工参数确定，则根据步骤2.1、步骤2.2综合评价成桩质量，从而对桩长的取值范围进行初步划定；若成桩质量差，应对应减小桩长取值范围，反之则对应增加桩长范围；步骤3：采用数值模拟方法分别建立不同桩长的隧道软弱围岩水平高压旋喷桩加固数值模型；步骤3中，具体为：步骤3.1：采用MidasGTS数值模拟软件建立隧道软弱围岩水平高压旋喷桩超前预支护数值模型：取Y轴正方向为隧道开挖的前进方向，地表的外法线方向为Z轴正方向，水平面右方向为X轴正方向；隧道跨度与高度参照实际工程，隧道外轮廓围岩的左右尺寸不少于3～5倍隧洞半径，隧道底部的地层尺寸不少于隧道高度的2～3倍；隧道模型初支设置有喷射混凝土与钢拱架，将初期支护简化成赋予属性的曲面壳体结构并支护在隧道洞内四周，钢拱架依据抗压刚度简化原则，将钢拱架的弹性模量折算到喷射混凝土上，折算公式见公式1： 式中：E为折算后喷射混凝土的弹性模量；E0为原喷射混凝土的弹性模量；Sg为钢拱架截面面积；Eg为钢拱架的弹性模量；Sc为喷射混凝土截面面积；围岩服从摩尔—库伦准则，采用实体单元模拟；初支采用板单元模拟，本构模型采用弹性本构模型；旋喷桩体采用梁单元模拟；围岩的相关基本力学参数基于步骤1获取，初支与旋喷桩体的相关力学参数通过现场测试或参照工程实例进行取值；步骤3.2：为模型施加边界条件，首先对模型两侧面单元施加X方向约束，对模型前后面单元施加Y方向的约束，底部面单元施加X、Y、Z三个方向约束，模型顶部面不施加约束，并为整个模型施加自重，使整个地层达到平衡；之后于模型上端面施加静力荷载，以模拟隧道所受的围岩荷载，围岩荷载通过比尔鲍曼修正公式进行计算，见公式2： 式中：γ为土层重度；H为深浅埋分界深度； a为隧道跨度一半；h为隧道高度；c为围岩黏聚力；为内摩擦角；基于步骤1求出的地下水压力，于隧道上端面施加水压力，以模拟不同水压力条件下的计算结果；步骤3.3：选取GTS软件中的ThermalAnalysis模块，在其中的施工阶段助手按照工序分别激活或取消激活边界条件、初支、水平旋喷桩及掌子面围岩网格模型，从而模拟隧道开挖支护的过程；待施工阶段助手设置完毕后即开始求解；步骤4：判定水平高压旋喷桩加固后围岩变形是否满足规范要求；步骤4中，具体为：求解完成后，选取不同的施工阶段，得到不同施工阶段时围岩的竖向沉降与竖向应力结果，观察围岩产生的最大沉降与最大应力，从而对比水平高压旋喷桩加固与未加固工况下围岩的最大沉降，并判断围岩沉降是否满足公路隧道施工要求，从而判断桩长取值是否满足围岩加固效果判据，若水平高压旋喷桩加固后围岩最大沉降超过规范要求，则应对应减小桩长按步骤3重新建模计算，若最大沉降满足规范要求，则继续后续步骤5；步骤5：判定水平高压旋喷桩是否发挥了梁拱效应；步骤5中，具体为：步骤5.1：选中拱顶单根桩体，选取不同的施工阶段，获得拱顶桩体的剪力与弯矩分布结果，观察桩体剪力与弯矩沿着纵向的分布情况，若桩体剪力与弯矩沿纵向呈现出负值，然后增长至正值最后又减小并趋于0的趋势，则判断桩体将荷载从前端传递至后端，发挥其梁效应，反之则认为桩体没有发挥梁效应；步骤5.2：选中拱顶、拱肩、边墙的单根桩体，选取不同的施工阶段，获得三处桩体的轴力分布结果，若横向上桩体的轴力为拱顶与拱肩受拉，且拱肩轴力大于边墙，边墙受压的情况，则判断旋喷拱棚发挥拱棚效应，在横向上将荷载传递至两端边墙处，反之则判断为没有发挥拱棚效应；步骤5.3：基于5.1与5.2步骤判断模型中桩体是否发挥梁拱效应，若桩体的弯矩、剪力、轴向应力满足5.1、5.2规律，则表明数值模型桩体有效发挥梁拱效应，桩体的受力特征更切合实际工程，继续进行后续步骤6；反之则表明数值模型桩体没有发挥梁拱效应，数值模型不具备可靠性，应对应减小桩长或选择合理的桩径、咬合厚度、搭接长度，再次进行步骤3、4，建立新数值模型重复计算；步骤6：判断桩体最大拉应力是否超过极限抗拉强度；步骤6中，具体为：选中所有桩体，选取不同的施工阶段，获得桩体所受的最大拉应力结果，观察结果中最大拉应力值是否超过桩体的极限抗拉强度，从而判断桩体是否被破坏，即可判断桩长取值是否满足桩体受力判据，若最大拉应力值均超过桩体极限抗拉强度则应对应减小桩长，若最大拉应力值未超过桩体极限抗拉强度则继续进行步骤7；步骤7：重复步骤3-6，缩减桩长范围，于范围内确定最大桩长。

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