本发明涉及一种柱状节理围岩的防松弛支护方法，适用于地下洞室柱状节理岩体的开挖支护设计。
背景技术：
柱状节理是一种常见于玄武岩中的原生张性破裂构造，广泛分布于我国西南地区。随着我国基础建设的发展，有越来越多的工程涉及到柱状节理岩体。
柱状节理玄武岩是一种典型的节理岩体，其岩石坚固且节理咬合紧密，开挖前质量较好，在开挖扰动和地应力释放后岩体内裂隙微张开，围岩容易产生松弛、崩落等现象。通过工程现场的检测结果发现，柱状节理玄武岩洞室围岩表现出明显的松弛变形特征，例如在高24m、宽20m的拱形洞室，边墙实测松弛深度可达9米，越靠近开挖面的松弛程度越大，岩体质量也越差。围岩的松弛程度具有时效特性，在开挖初期增长加大而后逐渐减小，松弛程度与时间呈负指数关系。按照目前的支护技术对柱状节理岩体的支护效果较一般，局部松弛岩体变形持续增长将对地下洞室的稳定性造成影响，增加工程后期投入。
本发明基于柱状节理岩体卸荷松弛特性，提出一种柱状节理围岩的防松弛支护方法。
技术实现要素：
本发明是针对上述柱状节理岩体卸荷易松弛，对地下洞室的稳定性造成影响，增加工程后期投入的问题，提供一种地下洞室开挖的柱状节理围岩支护方法，可以有效控制柱状节理岩体因开挖卸荷而产生的松弛变形和破坏现象，对工程安全性和经济性有重要意义。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种地下洞室的柱状节理围岩防松弛支护方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1，对开挖区域柱状节理岩体进行地质调研，分别对岩块和节理面进行取样，开展室内力学试验，获取并标定岩体力学参数；
步骤2，根据所述岩体力学参数，建立洞室开挖计算模型，开展围岩开挖卸荷数值模拟，确定松弛深度与松弛范围，分析松弛变形的时效特性和各向异性特征；
步骤3，分层进行洞室开挖，在各层开挖完成后对开挖面采用喷混凝土进行封闭，根据所述围岩松弛范围布置预应力锚杆，预应力锚杆安装后进行初次拉张；
步骤4，根据柱状节理岩体开挖卸荷时效特征，对松弛深度较大的区域，采用预应力锚索加固，对预应力锚索进行初次张拉；
步骤5，钻灌浆孔，对围岩进行固结灌浆，在洞室开挖松弛区形成灌浆强化层，灌浆完成后对预应力锚杆、锚索进行第二次张拉，封孔注浆、立锚墩。
作为优选，所述对开挖区域柱状节理岩体进行地质调研的步骤，进一步包括：
步骤101，统计柱体长度、倾角、直径及节理面产状，对开挖区主要结构面进行地质编录；
步骤102，测试开挖区域地应力水平，获取水平向、竖直向地应力值；
步骤103，对岩块和节理面进行现场取样，开展室内试样加-卸载力学试验，分别获取岩块及节理面在加载和卸载应力路径下的变形与强度力学参数。
作为优选，所述岩体力学参数包括加载与卸载条件下岩体的弹模、泊松比和抗压、抗剪强度参数，岩块力学参数包括岩块的弹模、泊松比与单轴抗压强度，节理的力学参数包括节理的法向刚度、切向刚度、摩擦角、粘聚力。
作为优选，所述步骤3中，预应力锚杆的布置方向垂直于开挖面，张拉荷载为50％～75％的设计值。
作为优选，所述步骤4中，预应力锚索的布置方向垂直于柱状节理围岩的柱体方向，锚索一端伸入未松弛岩体，另一端锚固于洞室开挖面，锚索伸入围岩内的长度不小于1.5倍最大松弛深度，锚索布置数量根据深部岩体松弛范围确定，张拉荷载为50％～75％的设计值。
作为优选，所述步骤5中，灌浆孔在松弛岩体均匀分布，钻孔方向垂直于洞室开挖面，灌浆方法采用孔口封闭法或卡塞法，灌浆压力0.5～3mpa，随孔深递增。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明采用锚杆、固结灌浆和锚索形成主动支护系统，可有效控制柱状节理岩体在开挖卸荷后产生的松弛和破坏。其中锚杆、锚索初张拉能有效控制围岩的初期变形，并为灌浆提供有利条件。通过灌浆提高围岩整体性，在洞室易松弛的浅层围岩中形成强化层，并提高锚索和锚杆的锚固效果。预应力锚杆、锚索在固结灌浆前后的二次张拉进一步发挥其锚固效果，限制柱状节理围岩松弛变形，锚索定向支护可控制提高洞室围岩的长期稳定性。
附图说明
图1是本发明一种地下洞室的柱状节理围岩防松弛支护方法主要流程图。
图2是本发明深埋于柱状节理岩体中洞室开挖离散元计算模型示意图。
图3a～图3f是洞室开挖的柱状节理岩体卸荷松弛和变形数值计算结果，其中：
图3a是上层开挖小主应力云图；
图3b是上层开挖位移增量云图；
图3c是中层开挖小主应力云图；
图3d是中层开挖位移增量云图；
图3e是下层开挖小主应力云图；
图3f是下层开挖位移增量云图。
图4～图8是柱状节理岩体洞室分层开挖防松弛支护措施设计图，其中：
图4是上层开挖锚杆支护；
图5是中层开挖锚杆支护；
图6是下层开挖锚杆支护；
图7是深部松弛柱状节理岩体锚索支护；
图8是边墙与顶拱围岩固结灌浆形成灌浆强化层示意图。
图中：1、柱状节理岩体；2、预应力锚杆；3、上层开挖引起的围岩松弛范围预测；4、中层开挖引起的围岩松弛范围预测；5、下层开挖引起的围岩松弛范围预测；6、预应力锚索；7、固结灌浆孔；8、灌浆强化层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。
如图1所示，本发明的一种地下洞室的柱状节理围岩防松弛支护方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1，对开挖区域柱状节理岩体1进行地质调研，分别对岩块和节理面进行取样，开展室内力学试验，获取并标定岩体力学参数。
所述岩体力学参数包括加载与卸载条件下岩体的弹模、泊松比和抗压、抗剪强度参数，岩块力学参数包括岩块的弹模、泊松比与单轴抗压强度，节理的力学参数包括节理的法向刚度、切向刚度、摩擦角、粘聚力。
优选的，所述对开挖区域柱状节理岩体进行地质调研的步骤，进一步包括：
步骤101，统计柱体长度、倾角、直径及节理面产状，对开挖区主要结构面进行地质编录；
步骤102，测试开挖区域地应力水平，获取水平向、竖直向地应力值；
步骤103，对岩块和节理面进行现场取样，开展室内试样加-卸载力学试验，分别获取岩块及节理面在加载和卸载应力路径下的变形与强度力学参数。
步骤2，根据所述岩体力学参数，建立洞室开挖计算模型，开展围岩开挖卸荷数值模拟，确定松弛深度与松弛范围，分析松弛变形的时效特性和各向异性特征。
具体的，所述的硐室开挖计算模型是基于地质调研建立3dec离散元数值模型。如图2所示，以一个具体的示例作为说明，柱状节理岩体平均柱体直径为0.2m，柱体于洞室轴线夹角为75°，岩体中发育有层间错动带，平均间距为4m，垂直于柱体方向。马蹄形隧洞高24m、宽20m，将开挖过程简化为上中下三层进行，其中上层层高9m，中层层高9m，下层层高6m。由离散元计算结果可知每层开挖卸荷引起的围岩松弛范围和位移增量，如图3a～图3f。
步骤3，分层进行洞室开挖，在各层开挖完成后对开挖面采用喷混凝土进行封闭，根据所述围岩松弛范围布置预应力锚杆2，预应力锚杆安装后进行初次拉张。如图4～图6所示的上层开挖引起的围岩松弛范围预测3、中层开挖引起的围岩松弛范围预测4、下层开挖引起的围岩松弛范围预测5。所述步骤3中，各开挖层的预应力锚杆的布置方向垂直于开挖面，张拉荷载为50％～75％的设计值。
步骤4，根据柱状节理岩体开挖卸荷时效特征，对松弛深度较大的区域，采用预应力锚索6加固，对预应力锚索进行初次张拉。所述步骤4中，预应力锚索的布置方向垂直于柱状节理围岩的柱体方向，锚索一端伸入未松弛岩体，另一端锚固于洞室开挖面，锚索伸入围岩内的长度不小于1.5倍最大松弛深度，锚索布置数量根据深部岩体松弛范围确定，张拉荷载为50％～75％的设计值。
步骤5，钻灌浆孔，对围岩进行固结灌浆，在洞室开挖松弛区形成灌浆强化层，灌浆完成后对预应力锚杆、锚索进行第二次张拉，封孔注浆、立锚墩。
所述步骤5中，固结灌浆孔7在松弛岩体均匀分布，钻孔方向垂直于洞室开挖面，灌浆方法采用孔口封闭法或卡塞法，灌浆压力0.5～3mpa，随孔深递增。灌浆材料采用普通硅酸盐水泥，水灰比采用2,1,0.8,0.5四个比级，每段灌浆以稀水灰比开灌，逐渐减小。灌浆完成后在隧洞围岩形成灌浆强化层8。在围岩内形成灌浆强化层后对锚杆、锚索钢绞线的二次张拉，可以进一步发挥锚杆、锚索的锚固效果，控制卸荷松弛的发展，提高围岩长期稳定性。
本发明的技术方案与现有技术相比，本发明采用锚杆、固结灌浆和锚索形成主动支护系统，可有效控制柱状节理岩体在开挖卸荷后产生的松弛和破坏。其中锚杆、锚索初张拉能有效控制围岩的初期变形，并为灌浆提供有利条件。通过灌浆提高围岩整体性，在洞室易松弛的浅层围岩中形成强化层，并提高锚索和锚杆的锚固效果。预应力锚杆、锚索在固结灌浆前后的二次张拉进一步发挥其锚固效果，限制柱状节理围岩松弛变形，锚索定向支护可控制提高洞室围岩的长期稳定性。
1.一种地下洞室的柱状节理围岩防松弛支护方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：
步骤1，对开挖区域柱状节理岩体进行地质调研，分别对岩块和节理面进行取样，开展室内力学试验，获取并标定岩体力学参数；
步骤2，根据所述岩体力学参数，建立洞室开挖计算模型，开展围岩开挖卸荷数值模拟，确定松弛深度与松弛范围，分析松弛变形的时效特性和各向异性特征；
步骤3，分层进行洞室开挖，在各层开挖完成后对开挖面采用喷混凝土进行封闭，根据所述围岩松弛范围布置预应力锚杆，预应力锚杆安装后进行初次拉张；
步骤4，根据柱状节理岩体开挖卸荷时效特征，对松弛深度较大的区域，采用预应力锚索加固，对预应力锚索进行初次张拉；
步骤5，钻灌浆孔，对围岩进行固结灌浆，在洞室开挖松弛区形成灌浆强化层，灌浆完成后对预应力锚杆、锚索进行第二次张拉，封孔注浆、立锚墩。
2.根据权利要求1所述的一种地下洞室的柱状节理围岩防松弛支护方法，其特征是，所述对开挖区域柱状节理岩体进行地质调研的步骤，进一步包括：
步骤101，统计柱体长度、倾角、直径及节理面产状，对开挖区主要结构面进行地质编录；
步骤102，测试开挖区域地应力水平，获取水平向、竖直向地应力值；
步骤103，对岩块和节理面进行现场取样，开展室内试样加-卸载力学试验，分别获取岩块及节理面在加载和卸载应力路径下的变形与强度力学参数。
3.根据权利要求1所述的一种地下洞室的柱状节理围岩防松弛支护方法，其特征是，所述岩体力学参数包括加载与卸载条件下岩体的弹模、泊松比和抗压、抗剪强度参数，岩块力学参数包括岩块的弹模、泊松比与单轴抗压强度，节理的力学参数包括节理的法向刚度、切向刚度、摩擦角、粘聚力。
4.根据权利要求1所述的一种地下洞室的柱状节理围岩防松弛支护方法，其特征是，所述步骤3中，预应力锚杆的布置方向垂直于开挖面，张拉荷载为50％～75％的设计值。
5.根据权利要求1所述的一种地下洞室的柱状节理围岩防松弛支护方法，其特征是，所述步骤4中，预应力锚索的布置方向垂直于柱状节理围岩的柱体方向，锚索一端伸入未松弛岩体，另一端锚固于洞室开挖面，锚索伸入围岩内的长度不小于1.5倍最大松弛深度，锚索布置数量根据深部岩体松弛范围确定，张拉荷载为50％～75％的设计值。
6.根据权利要求1所述的一种地下洞室的柱状节理围岩防松弛支护方法，其特征是，所述步骤5中，灌浆孔在松弛岩体均匀分布，钻孔方向垂直于洞室开挖面，灌浆方法采用孔口封闭法或卡塞法，灌浆压力0.5～3mpa，随孔深递增。
技术总结