CN107091113B - 确定不同富水程度与进尺下隧道掌子面稳定性的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定不同富水程度与进尺下隧道掌子面稳定性的计算。其根据围岩富水程度、隧道开挖断面尺寸、进尺等情况，分别计算围岩重力所做功率、支护力所做功率、破裂面的能量耗散功率，依据能量守恒原理，求得含有进尺的支护力表达式，然后结合强度折减法对围岩参数进行折减，使得支护力为零，则此时的折减系数即为掌子面的稳定性系数；改变进尺和富水情况，则可以得到不同进尺和富水程度下的掌子面稳定性系数。本发明为确定不同富水程度与进尺下隧道掌子面稳定性提供了计算方法；据此可以判断开挖进尺是否合理，评估不同富水程度下掌子面的安全性；并可获得维护掌子面稳定所需要的支护力，从而为掌子面的支护加固提供参考。

Description

确定不同富水程度与进尺下隧道掌子面稳定性的计算方法

技术领域

本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一种确定不同富水程度与进尺下隧道掌子面稳定性的计算方法。

背景技术

稳定性问题是隧道与地下工程的一个重要和基本的研究内容，主要涉及围岩和支护结构两个方面，而围岩自身，特别是开挖掌子面附近围岩的稳定性尤其重要，如果掌子面不稳定，施工是不可能进行的。隧道工程，地质是起决定性的，而水(地下水及地表降水等)更是加剧了掌子面的破坏，隧道的“十坍九水”，就可说明问题。掌子面附近围岩稳定性是目前隧道工程，特别是软弱破碎段富水隧道及水下隧道施工面临的关键问题和核心控制因素，越来越多地引起了学术界和工程界的高度关注，很多基础和应用问题亟待解决。目前对盾构法隧道开挖面稳定的研究很多，主要采用降低支护压力比、极限分析上限法和极限平衡法等；而对矿山法隧道掌子面的稳定研究还不多，特别是富水地层的研究很少。这不能满足我国现在有很多富水地层及水下隧道修建的现实需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种确定不同富水程度与进尺下隧道掌子面稳定性的计算方法。发明的计算方法可以判断开挖进尺是否合理，评估不同富水程度下掌子面的安全性，如围岩富水程度过高而导致掌子面失稳；并可获得维护掌子面稳定所需要的支护力，从而为掌子面的支护加固提供参考。

本发明的确定不同富水程度与进尺下隧道掌子面稳定性的计算方法，包括如下顺序的步骤：

(1)确定两个几何关系式如下：

当h-C≤0时，即围岩破坏范围没有发展到地表，此时是深埋，则l_a＝0；

当h-C>0时，即围岩破坏范围波及到地表，此时是浅埋，则l_a＝2(h-C)tanφ；

其中：D为隧道开挖高度；r₀为掌子面顶部前方破裂的宽度；φ为围岩不同富水程度下的内摩擦角；L为进尺，即隧道每次开挖的长度；h为隧道拱部以上破坏体的高度；C为隧道埋深，即地表到隧道拱顶的垂直距离；l_a为围岩破坏体波及到地表的范围；

(2)隧道拱部围岩重力做的功率如下：

W_γ1＝0.5γv₀[(L+r₀)h-l_a(h-C)]；

式中：W_r1为隧道拱部围岩重力做的功率；γ为围岩重度；v₀为拱部坍塌体的速度；

(3)掌子面前方围岩重力做的功率为：

式中：W_r2为掌子面前方围岩重力做的功率；

(4)隧道拱部支护力所做功率为：

W_pv＝-p_vLv₀；

式中：W_pv为隧道拱部支护力所做功率；p_v为隧道拱部支护力；

(5)隧道掌子面支护力所做功率为：

W_ph＝-p_hr₀v₀e^πtanφ＝-Kp_vr₀v₀e^πtanφ；

式中：W_ph为隧道掌子面支护力所做功率；p_h为隧道掌子面支护力；K为隧道掌子面支护力与隧道拱顶支护力的比值；

(6)隧道拱部破坏面的能量耗散率为：

E_D1＝c(2h-l_acotφ)v₀；

式中：E_D1为隧道拱部破坏面的能量耗散率；c为围岩不同富水程度下的粘聚力；

(7)隧道掌子面前方破坏面的能量耗散率为：

E_D2＝cr₀cotφ(e^πtanφ-1)v₀；

式中，E_D2为隧道掌子面前方破坏面的能量耗散率；

(8)由能量守恒原理，即外力功率与内能耗散功率相等，可以得到：

(9)将步骤(2)至步骤(7)公式带入步骤(8)公式，可以得到隧道拱部支护力：

将富水围岩力学参数及隧道开挖尺寸带入上式，即可求得不同富水程度及不同进尺下隧道拱部支护力p_v，并可求得隧道掌子面支护力p_h；

若p_v>0，表示需要支护力，即开挖进尺下，围岩如若不支护，则会坍方；若p_h≤0，表示不需要支护力，即开挖进尺下，围岩稳定。

进一步，基于强度折减法，令：

式中：F为折减系数，即隧道掌子面的最小稳定安全系数；c'为粘聚力c按F值折减后的粘聚力，为内摩擦角φ按F值折减后的内摩擦角；

将以上公式中的c'、带入步骤(9)p_v公式的右边，并令p_v＝0，则：

上式是一个非线性方程，通过试算或编程可以求得隧道掌子面的最小稳定安全系数F；改变进尺和富水情况，则可以得到不同进尺和富水程度下的掌子面稳定性系数。

本发明为确定不同富水程度与进尺下隧道掌子面稳定性提供了计算方法；据此可以判断开挖进尺是否合理，评估不同富水程度下掌子面的安全性，如围岩富水程度过高而导致掌子面失稳；并可获得维护掌子面稳定所需要的支护力，从而为掌子面的支护加固提供参考。本发明的方法，亦可以应用于采矿巷道、水工隧洞、地铁等地下建筑结构在不同开挖进尺与富水程度下的掌子面稳定性分析。

附图说明

图1是本发明计算方法的原理示意图。

图2是本发明计算方法实施例的折减系数与隧道拱部支护力的关系图。

图3是本发明计算方法实施例的不同进尺下的安全系数图。

图中：D为隧道开挖高度；r₀为掌子面顶部前方破裂的宽度；φ为围岩不同富水程度下的内摩擦角；L为进尺，即隧道每次开挖的长度；h为隧道拱部以上破坏体的高度；C为隧道埋深，即地表到隧道拱顶的垂直距离；l_a为围岩破坏体波及到地表的范围；v₀为拱部坍塌体的速度；v_F、v_H为掌子面前方破坏体在F点和H点的速度；p_v为隧道拱部支护力；p_h为隧道掌子面支护力。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。

参见图1，本发明确定不同富水程度与进尺下隧道掌子面稳定性的计算方法，具体步骤如下：

首先，根据隧道工程概况与围岩等级情况，获得围岩相关力学参数和隧道开挖的几何参数，如上述中的围岩不同富水程度下的粘聚力c、内摩擦角φ，隧道埋深C、进尺L，隧道开挖高度D，围岩重度γ等。

再进行如下计算：

(1)根据隧道开挖高度与进尺等之间的几何关系，确定相关尺寸关系式如下：

当h-C≤0时，即围岩破坏范围没有发展到地表，此时是深埋，则l_a＝0；

当h-C>0时，即围岩破坏范围波及到地表，此时是浅埋，则l_a＝2(h-C)tanφ；

其中：D为隧道开挖高度；r₀为掌子面顶部前方破裂的宽度；φ为围岩不同富水程度下的内摩擦角；L为进尺，即隧道每次开挖的长度；h为隧道拱部以上破坏体的高度；C为隧道埋深，即地表到隧道拱顶的垂直距离；l_a为围岩破坏体波及到地表的范围；

(2)隧道拱部围岩重力做的功率如下：

W_γ1＝0.5γv₀[(L+r₀)h-l_a(h-C)]；

式中：W_r1为隧道拱部围岩重力做的功率；γ为围岩重度；v₀为拱部坍塌体的速度；

(3)掌子面前方围岩重力做的功率为：

式中：W_r2为掌子面前方围岩重力做的功率；

(4)隧道拱部支护力所做功率为：

W_pv＝-p_vLv₀；

式中：W_pv为隧道拱部支护力所做功率；p_v为隧道拱部支护力；

(5)隧道掌子面支护力所做功率为：

W_ph＝-p_hr₀v₀e^πtanφ＝-Kp_vr₀v₀e^πtanφ；

式中：W_ph为隧道掌子面支护力所做功率；p_h为隧道掌子面支护力；K为隧道掌子面支护力与隧道拱顶支护力的比值；

(6)隧道拱部破坏面的能量耗散率为：

E_D1＝c(2h-l_acotφ)v₀；

式中：E_D1为隧道拱部破坏面的能量耗散率；c为围岩不同富水程度下的粘聚力；

(7)隧道掌子面前方破坏面的能量耗散率为：

E_D2＝cr₀cotφ(e^πtanφ-1)v₀；

式中，E_D2为隧道掌子面前方破坏面的能量耗散率；

(8)由能量守恒原理，即外力功率与内能耗散功率相等，可以得到：

(9)将步骤(2)至步骤(7)公式带入步骤(8)公式，可以得到隧道拱部支护力：

将富水围岩力学参数及隧道开挖尺寸带入上式，即可求得不同富水程度及不同进尺下隧道拱部支护力p_v，并可求得隧道掌子面支护力p_h；

若p_v>0，表示需要支护力，即开挖进尺下，围岩如若不支护，则会坍方；若p_h≤0，表示不需要支护力，即开挖进尺下，围岩稳定。

进一步计算，基于强度折减法，令：

式中：F为折减系数，即隧道掌子面的最小稳定安全系数；c'为粘聚力c按F值折减后的粘聚力，为内摩擦角φ按F值折减后的内摩擦角；

将以上公式中的c'、带入步骤(9)p_v公式的右边，并令p_v＝0，则：

上式是一个非线性方程，通过试算或编程可以求得隧道掌子面的最小稳定安全系数F；改变进尺和富水情况，则可以得到不同进尺和富水程度下的掌子面稳定性系数。

参见图2、图3，本发明的上述计算方法给出了一个算例。对于隧道开挖高度D＝4.56m，内摩擦角φ＝15.3°，粘聚力c＝38.3kPa，隧道埋深C＝10.31m，隧道掌子面支护力与隧道拱顶支护力的比值K＝0.75，进尺L＝0.5m，由步骤(9)，可以得到隧道拱部支护力p_v＝-118.7707kPa，表示不需要支护力，即开挖进尺下，围岩稳定。

进一步，基于强度折减法，可以得到安全系数为1.88，见图2。

进一步改变进尺L的大小，则可以得到不同进尺下的安全系数，见图3。从图中可以看出，随着进尺的增大，安全系数降低。同理，对于不同含水量下，只要改变相应的内摩擦角φ，粘聚力c即可。

Claims (2)

1.一种确定不同富水程度与进尺下隧道掌子面稳定性的计算方法，其特征在于包括如下顺序的步骤：

(1)确定两个几何关系式如下：

当h-C≤0时，即围岩破坏范围没有发展到地表，此时是深埋，则l_a＝0；

当h-C>0时，即围岩破坏范围波及到地表，此时是浅埋，则l_a＝2(h-C)tanφ；

其中：D为隧道开挖高度；r₀为掌子面顶部前方破裂的宽度；φ为围岩不同富水程度下的内摩擦角；L为进尺，即隧道每次开挖的长度；h为隧道拱部以上破坏体的高度；C为隧道埋深，即地表到隧道拱顶的垂直距离；l_a为围岩破坏体波及到地表的范围；

(2)隧道拱部围岩重力做的功率如下：

W_γ1＝0.5γv₀[(L+r₀)h-l_a(h-C)]；

式中：W_r1为隧道拱部围岩重力做的功率；γ为围岩重度；v₀为拱部坍塌体的速度；

(3)掌子面前方围岩重力做的功率为：

式中：W_r2为掌子面前方围岩重力做的功率；

(4)隧道拱部支护力所做功率为：

式中：W_pv为隧道拱部支护力所做功率；p_v为隧道拱部支护力；

(5)隧道掌子面支护力所做功率为：

式中：W_ph为隧道掌子面支护力所做功率；p_h为隧道掌子面支护力；K为隧道掌子面支护力与隧道拱顶支护力的比值，在隧道开挖进尺前，是侧压力系数，其值确定方法是：根据地应力测试确定或者岩土工程勘察报告中的数值；无实测数据，则根据弹性理论推导的公式其中μ为泊松比；对于土质隧道，按其中为土体内摩擦角；

(6)隧道拱部破坏面的能量耗散率为：

E_D1＝c(2h-l_a cotφ)v₀；

式中：E_D1为隧道拱部破坏面的能量耗散率；c为围岩不同富水程度下的粘聚力；

(7)隧道掌子面前方破坏面的能量耗散率为：

式中，E_D2为隧道掌子面前方破坏面的能量耗散率；

(8)由能量守恒原理，即外力功率与内能耗散功率相等，可以得到：

(9)将步骤(2)至步骤(7)公式带入步骤(8)公式，可以得到隧道拱部支护力：

将富水围岩力学参数及隧道开挖尺寸带入上式，即可求得不同富水程度及不同进尺下隧道拱部支护力p_v，并可求得隧道掌子面支护力p_h；

若p_v>0，表示需要支护力，即开挖进尺下，围岩如若不支护，则会坍方；若p_h≤0，表示不需要支护力，即开挖进尺下，围岩稳定。

2.根据权利要求1所述确定不同富水程度与进尺下隧道掌子面稳定性的计算方法，其特征在于：

基于强度折减法，令：

式中：F为折减系数，即隧道掌子面的最小稳定安全系数；c'为粘聚力c按F值折减后的粘聚力，为内摩擦角φ按F值折减后的内摩擦角；

将以上公式中的c'、带入步骤(9)p_v公式的右边，并令p_v＝0，则：

上式是一个非线性方程，通过试算或编程可以求得隧道掌子面的最小稳定安全系数F；改变进尺和富水情况，则可以得到不同进尺和富水程度下的掌子面稳定性系数。