一种隧道抗膨胀支护设计方法技术领域
本发明涉及一种隧道抗膨胀支护设计方法。
背景技术
在地下岩土工程建设中，特别是对于隧道工程，膨胀岩的膨胀性会对其中
的构筑物产生膨胀压力，严重影响工程的稳定性，膨胀岩膨胀性对隧道的危害
主要体现在：
1)施工期，膨胀作用会造成初期支护的失稳和侵限。
2)运营期，膨胀力会作用到二衬上，造成二衬的破坏，影响隧道的长期稳
定性。
现行的隧道抗膨胀支护设计方法，多基于工程经验，给出的设计参数不够
经济合理，没有一套系统的、科学的、能够准确定量的设计方法。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种能够准确预测膨胀预
留变形量大小和能够准确预测二衬抗膨胀力大小的隧道抗膨胀支护设计方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
一种隧道抗膨胀支护设计方法，该方法包括如下步骤：
1)膨胀试验：对所要模拟的隧道围岩取芯，加工成直径61mm高20mm圆饼
形试件；
1.1)侧限自由膨胀试验：使用固结仪进行试验，在固结仪水盒的试件环内
壁涂上凡士林油，再将试件放入试件环中，在试件上下端放置薄滤纸和透水板，
顶部放置固定金属板，并安装垂直千分表，缓慢向水盒里注水，水面高出试件
5mm，采用电脑采样，记录膨胀变形与时间的关系；
1.2)膨胀力与时间试验：选取多个试件，采用步骤1.1)中的方法，让其
自由膨胀，膨胀到不同时间后，加压，把变形压回，把试件压到零变形时所需
要的压力为膨胀压力，建立膨胀压力与时间的关系；
2)根据如下含时间效应的膨胀本构方程，对膨胀试验结果进行拟合；
2.1)通过侧限自由膨胀试验获得岩石膨胀应变—时间方程的参数；
ϵ
t
=
m
1
+
at
-
b
-
-
-
(
1
)
]]>
式中，t为膨胀时间；εt为t时刻膨胀应变；m、a和b为岩石膨胀应变-
时间方程参数，其中m>0，b>0；模型参数，通过侧限自由膨胀试验的结果获得；
2.2)通过膨胀力与时间试验获得岩石膨胀应力—时间方程的参数，方程如
下：
σt＝c(1-e-dt)(2)
式中，t为膨胀时间，e为自然常数，σt为t时刻膨胀应力，c>0，d>0为
材料特性参数，通过试验拟合得到；
2.3)含时间效应的膨胀本构方程：
ϵ
=
m
[
σ
-
c
(
1
-
e
-
d
t
)
]
2
c
2
(
1
+
at
-
b
)
(
1
-
e
-
d
t
)
2
-
-
-
(
3
)
]]>
把之前拟合出的a、b、c、d和m代入(3)式得含时间效应的膨胀本构模型；
3)根据方程(3)含时间效应的膨胀本构模型，建立隧道膨胀变形和支护
抗膨胀力关系方程如下：
U
=
k
D
m
[
p
-
c
(
1
-
e
-
d
t
)
]
2
c
2
(
1
+
at
-
b
)
(
1
-
e
-
d
t
)
2
-
-
-
(
4
)
]]>
式中，U为膨胀变形；p为支护抗膨胀力；K为与隧道地质条件有关的系数；
D为隧道开挖影响半径；a、b、c和d为系数，通过试验获得；
3.1)隧道施工期抗膨胀设计：根据膨胀变形与支护抗膨胀力关系，把P＝0
和t＝t0代入式(4)可计算出U＝U0；则在隧道预留变形量设计中，额外考虑U0厚
的膨胀变形，达到施工期抗膨胀效果；上述t＝t0为实际工况中初期支护与二衬
间隔时间；
3.2)隧道运营期抗膨胀设计：根据膨胀变形与支护抗膨胀力关系，把t＝t1
和U＝U1代入式(4)可计算出P＝P1；则为抵抗膨胀压力，在隧道二衬设计中，额
外考虑不小于P1的抗静水压力，达到运营期抗膨胀效果；上述t＝t1为隧道服务
年限，U＝U1为施工期的围岩膨胀变形量。
本发明的技术效果是：根据建立的膨胀变形和支护抗膨胀力关系方程，计
算出隧道施工期围岩膨胀变形量和二衬抗承受的膨胀力，基于计算结果，通过
预留变形量设计中考虑膨胀变形，有效解决施工期由膨胀性导致的失稳、侵限
问题；通过在二衬抗中增加抗静水压力设计，且使静水压力的值等于最大膨胀
力的值，进而有效解决运营期稳定性问题。
附图说明
图1为通过侧限自由膨胀试验获得的模型效果图；
图2为通过膨胀力与时间试验获得的模型效果图；
图3为含时间效应的膨胀本构模型效果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
一种隧道抗膨胀支护设计方法，该方法包括如下步骤：
1)膨胀试验：对所要模拟的隧道围岩取芯，加工成直径61mm高20mm圆饼
形试件；
1.1)侧限自由膨胀试验：使用固结仪进行试验，在固结仪水盒的试件环内
壁涂上凡士林油，再将试件放入试件环中，在试件上下端放置薄滤纸和透水板，
顶部放置固定金属板，并安装垂直千分表，缓慢向水盒里注水，水面高出试件
5mm，采用电脑采样，记录膨胀变形与时间的关系；
1.2)膨胀力与时间试验：选取多个试件，采用步骤1.1)中的方法，让其
自由膨胀，膨胀到不同时间后，加压，把变形压回，把试件压到零变形时所需
要的压力为膨胀压力，建立膨胀压力与时间的关系。
2)根据如下含时间效应的膨胀本构方程，对膨胀试验结果进行拟合；
2.1)通过侧限自由膨胀试验获得岩石膨胀应变—时间方程的参数；
ϵ
t
=
m
1
+
at
-
b
-
-
-
(
1
)
]]>
式中，t为膨胀时间；εt为t时刻膨胀应变；m、a和b为岩石膨胀应变-
时间方程参数，其中m>0，b>0；模型参数，通过侧限自由膨胀试验的结果获得，
模型效果如图1所示；
2.2)通过膨胀力与时间试验获得岩石膨胀应力—时间方程的参数，方程如
下：
σt＝c(1-e-dt)(2)
式中，t为膨胀时间，e为自然常数，σt为t时刻膨胀应力，c>0，d>0为
材料特性参数，通过试验拟合得到，模型效果如图2所示；
2.3)含时间效应的膨胀本构方程：
ϵ
=
m
[
σ
-
c
(
1
-
e
-
d
t
)
]
2
c
2
(
1
+
at
-
b
)
(
1
-
e
-
d
t
)
2
-
-
-
(
3
)
]]>
把之前拟合出的a、b、c、d和m代入(3)式得含时间效应的膨胀本构模型，
模型效果如图3所示。
3)根据方程(3)含时间效应的膨胀本构模型，建立隧道膨胀变形和支护
抗膨胀力关系方程如下：
U
=
k
D
m
[
p
-
c
(
1
-
e
-
d
t
)
]
2
c
2
(
1
+
at
-
b
)
(
1
-
e
-
d
t
)
2
-
-
-
(
4
)
]]>
式中，U为膨胀变形；p为支护抗膨胀力；K为与隧道地质条件有关的系数；
D为隧道开挖影响半径；a、b、c和d为系数，通过试验获得；
3.1)隧道施工期抗膨胀设计：根据膨胀变形与支护抗膨胀力关系，把P＝0
和t＝t0代入式(4)可计算出U＝U0；则在隧道预留变形量设计中，额外考虑U0厚
的膨胀变形，达到施工期抗膨胀效果。上述t＝t0为实际工况中初期支护与二衬
间隔时间。
3.2)隧道运营期抗膨胀设计：根据膨胀变形与支护抗膨胀力关系，把t＝t1
和U＝U1代入式(4)可计算出P＝P1；则为抵抗膨胀压力，在隧道二衬设计中，额
外考虑不小于P1的抗静水压力，达到运营期抗膨胀效果。上述t＝t1为隧道服务
年限，U＝U1为施工期的围岩膨胀变形量。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管
参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，
可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的
宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。