CN108756943A - 一种隧道掌子面支护加固参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道掌子面支护加固参数设计方法。本发明方法主要包括如下步骤：(1)根据隧道埋深、开挖尺寸等参数，确定隧道埋深、开挖尺寸、破坏范围之间的几何关系；(2)依据能量守恒原理，求得掌子面围岩压力；(3)根据剪切滑移法，求得掌子面支护的抗力，如喷层抗力，锚杆抗力等。(4)对比掌子面围岩压力以及掌子面支护抗力，可以判断支护加固是否安全；并进一步优化掌子面支护加固设计参数。本发明为判断隧道掌子面支护加固参数的安全性提供了计算方法，改变了目前隧道掌子面支护加固的设计长期依赖于经验的现状，实现了隧道掌子面支护加固参数的定量化设计。

Description

一种隧道掌子面支护加固参数设计方法

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种隧道掌子面支护加固参数设计方法。

背景技术

因隧道掌子面不稳定而发生的隧道坍方事故常见报道，如云桂铁路富宁1号隧道发生垮塌等事故，因此，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也亟待解决。目前，对于隧道支护结构参数的设计主要还是在经验的基础上按工程类比法进行，如公路和铁路隧道的规范设计中，首先将围岩级别分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级、Ⅵ级，然后再根据隧道跨度以及相应围岩级别给定了初期支护设计参数；对于掌子面的支护加固的参数，规范尚没有给定相应的支护参数表；实际设计以及施工中，大多根据工程师的经验确定，因此难以保证隧道掌子面的施工安全。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的上述问题，提供一种判断掌子面支护加固是否安全，并进一步优化掌子面支护加固设计参数的隧道掌子面支护加固参数设计方法。本发明为判断隧道掌子面支护加固参数的安全性提供了计算方法，改变了目前隧道掌子面支护加固的设计长期依赖于经验的现状，实现了隧道掌子面支护加固参数的定量化设计。

本发明的上述目的是通过如下的技术方案来实现的：

本发明的隧道掌子面支护加固参数设计方法，包括如下步骤：

(1)确定围岩破坏体波及到地表的范围与隧道开挖高度和隧道埋深各参数之间的几何关系如下：

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

(2)确定掌子面处围岩压力的公式如下：

p＝γDN_γ+σ_sN_s-cN_c；

其中，p为掌子面处围岩压力；γ为围岩重度；D隧道开挖高度；σ_s为地表超载；c为围岩黏聚力；N_γ、N_s、N_c分别为围岩重度、地表超载和围岩黏聚力的承载系数；

N_γ、N_s、N_c分别由下式确定：

若p>0，表示掌子面不能自稳，需要支护加固，掌子面围岩如若不支护，则会坍方；若p≤0，表示不需要支护力，即掌子面围岩可以自稳；

(3)步骤(2)中，当p>0时，掌子面需要支护加固，其支护加固参数的确定步骤如下：

(a)对于采取单独喷射混凝土，则喷射混凝土的强度等级及厚度必须满足以下关系式：

式中：p_s为喷射混凝土剪切面的抗剪阻力；α_s为喷射混凝土的剪切角，α_s＝30°；τ_s为喷射混凝土的抗剪强度，取τ_s＝0.43σ_c，σ_c为喷射混凝土的抗压强度，可以根据喷射混凝土的强度等级获取；d_s为喷射混凝土的厚度；

若喷射混凝土的抗压强度已知，则可以求得满足掌子面安全性的喷射混凝土的最小厚度：

若掌子面的支护加固参数已知，如喷射混凝土的抗压强度、喷射混凝土的厚度都给定了，则可以判断设计是否安全；

已知掌子面支护加固提供的抗力即喷射混凝土剪切面的抗剪阻力为：

对比分析掌子面支护加固提供的抗力p_s以及掌子面所受的围岩压力p，如果p_s>p，表明支护加固的设计参数安全；如果p_s<p，表明支护加固的设计参数不安全；如果p_s＝p，表明支护加固的设计参数处于临界安全状态；

(b)对于正面锚杆加固掌子面，锚杆提供的支护阻力由以下两种情况的较小值确定：

(Ⅰ)锚杆本身破坏，锚杆的平均支护阻力为：

其中，d_A为锚杆杆体直径；σ_A为锚杆杆体抗拉强度；s_v、s_h分别为锚杆竖向间距和水平间距；

(Ⅱ)如若为砂浆锚杆，则可能沿孔壁粘结破坏，故用下式计算：

T_A＝πD_Al_Aτ_A；

其中，T_A为锚杆的抗拔力；D_A为锚杆钻孔直径；l_A为锚杆锚固段长度；τ_A为锚杆钻孔的孔壁与注浆体之间极限粘结强度；

锚杆提供的支护阻力为：

q_A＝min(q_Aq1,q_A2)；

式中，q_A为锚杆提供的支护阻力；min为取两者的较小值；

比较q_A和掌子面所受的围岩压力，即可判断设计的锚杆是否满足掌子面的稳定性；如果q_A>p，表明锚杆加固的设计参数安全；如果q_A<p，表明锚杆加固的设计参数不安全；如果q_A＝p，表明锚杆加固的设计参数处于临界安全状态。

本发明与现有技术相比，其优点在于：传统的基于经验的隧道掌子面支护加固参数的设计方法，其设计参数选择的合理性完全依赖于设计人员本身的设计经验和现场经验，而本发明提出的隧道掌子面支护加固参数定量化设计方法，其设计参数的确定完全通过理论计算得到，和设计人员的设计经验关系不大，使得到的设计参数更能满足现场工程施工要求，从而一方面可保证隧道的施工安全，另一方面也可降低工程造价。

附图说明

图1为本发明实施例一的原理结构示意图。

图2为本发明实施例二的原理结构示意图。

图3为图2中掌子面平面结构示意图。

图1中，D为隧道开挖高度；r₀为掌子面顶部前方破裂的宽度；为围岩不同富水程度下的内摩擦角；h为隧道拱部以上破坏体的高度；H为隧道埋深，即地表到隧道拱顶的垂直距离；l_B为围岩破坏体波及到地表的范围；p_s为喷射混凝土剪切面的抗剪阻力；σ_s为地表超载；1为掌子面支护加固体；①为掌子面上方拱部坍落体，由OBFG组成；②为掌子面前上方对数剪切坍落体，由OBE组成；③为掌子面前方坍落体，由OEA组成；v₀为拱部坍塌体的速度；v_OB为掌子面前上方B点的速度；v_OE为掌子面前上方E点的速度。

图2、图3中，D为隧道开挖高度；H为隧道埋深，即地表到隧道拱顶的垂直距离；l_A为锚杆锚固段长度；2为掌子面加固支护锚杆；s_v、s_h分别为锚杆竖向间距和水平间距。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

本实施例工程的具体数据如下：某隧道围岩粉砂岩，围岩重度γ为22.2kN/m³，隧道埋深H＝64m，隧道开挖高度D为3.6m，围岩黏聚力c为10.37kPa，围岩内摩擦角为4.19°，地表超载σ_s为0。

参见图1、图2、图3，该隧道掌子面支护加固参数设计方法如下：

步骤一、首先，确定围岩破坏体波及到地表的范围与隧道开挖高度和隧道埋深各参数之间的几何关系如下：

式中，D为隧道开挖高度；r₀为掌子面顶部前方破裂的宽度；为围岩不同富水程度下的内摩擦角；h为隧道拱部以上破坏体的高度；H为隧道埋深，即地表到隧道拱顶的垂直距离；l_B为围岩破坏体波及到地表的范围(单位是为m)。

步骤二、确定掌子面处围岩压力的公式如下：

p＝γDN_γ+σ_sN_s-cN_c；

上式中，p为掌子面处围岩压力；γ为围岩重度；D隧道开挖高度；σ_s为地表超载；c为围岩黏聚力；N_γ、N_s、N_c分别为围岩重度、地表超载和围岩黏聚力的承载系数；

N_γ、N_s、N_c分别由下式确定：

若p>0，表示掌子面不能自稳，需要支护加固，掌子面围岩如若不支护，则会坍方；若p≤0，表示不需要支护力，即掌子面围岩可以自稳。

根据步骤一以及步骤二可以得到该掌子面处围岩压力为：309kPa。该数值大于0，表明掌子面需要支护加固，否则会失稳。

步骤三、因p>0，掌子面需要支护加固，其支护加固参数的确定步骤如下：

(a)对于采取单独喷射混凝土，则喷射混凝土的强度等级及厚度必须满足以下关系式：

上式中：p_s为喷射混凝土剪切面的抗剪阻力；α_s为喷射混凝土的剪切角，α_s＝30°；τ_s为喷射混凝土的抗剪强度，取τ_s＝0.43σ_c，σ_c为喷射混凝土的抗压强度，可以根据喷射混凝土的强度等级获取；d_s为喷射混凝土的厚度；

若喷射混凝土的抗压强度已知，则可以求得满足掌子面安全性的喷射混凝土的最小厚度：

若掌子面的支护加固参数已知，如喷射混凝土的抗压强度、喷射混凝土的厚度都给定了，则可以判断设计是否安全；

已知掌子面支护加固提供的抗力即喷射混凝土剪切面的抗剪阻力为：好

对比分析掌子面支护加固提供的抗力p_s以及掌子面所受的围岩压力p，若果p_s>p，表明支护加固的设计参数安全；如果p_s<p，表明支护加固的设计参数不安全；如果p_s＝p，表明支护加固的设计参数处于临界安全状态。

(b)对于正面锚杆加固掌子面，锚杆提供的支护阻力由以下两种情况的较小值确定：

(Ⅰ)锚杆本身破坏，锚杆的平均支护阻力为：

其中，d_A为锚杆杆体直径；σ_A为锚杆杆体抗拉强度；s_v、s_h分别为锚杆竖向间距和水平间距；

(Ⅱ)如若为砂浆锚杆，则可能沿孔壁粘结破坏，故用下式计算：

T_A＝πD_Al_Aτ_A；

其中，T_A为锚杆的抗拔力；D_A为锚杆钻孔直径；l_A为锚杆锚固段长度；τ_A为锚杆钻孔的孔壁与注浆体之间极限粘结强度；

锚杆提供的支护阻力为：

q_A＝min(q_Aq1,q_A2)；

式中，q_A为锚杆提供的支护阻力；min为取两者的较小值；

比较q_A和掌子面所受的围岩压力，即可判断设计的锚杆是否满足掌子面的稳定性；如果q_A>p，表明锚杆加固的设计参数安全；如果q_A<p，表明锚杆加固的设计参数不安全；如果q_A＝p，表明锚杆加固的设计参数处于临界安全状态。

实施例一：

参见图1，掌子面加固采用喷射混凝土，喷射混凝土拟采用C20，喷射混凝土的抗压强度σ_c为10MPa，其喷射混凝土的抗剪强度τ_s＝0.43σ_c＝4.3MPa＝4300kPa；喷射混凝土的剪切角α_s＝30°，则根据步骤三中的(a)步骤，可以得到喷射混凝土最小厚度应满足如下公式：

实施例二：

参见图2，掌子面加固采取正面锚杆加固，锚杆杆体直径d_A＝0.022m，锚杆杆体抗拉强度σ_A＝400MPa，锚杆锚固段长度为l_A＝4m，锚杆水平间距s_h＝1m，锚杆竖向间距s_v＝0.8m，锚杆钻孔直径D_A＝0.1m，锚杆钻孔的孔壁与注浆体之间极限粘结强度τ_A＝0.65MPa，则根据步骤三中的(b)步骤，得到锚杆本身破坏时：

锚杆粘结破坏，即砂浆锚杆与孔壁之间的粘结力不足而破坏，锚杆抗拔力为：

T_A＝πD_Al_Aτ_A；

其中：

T_A——锚杆抗拔力，即锚杆的锚固力；

D_A——锚杆钻孔直径，在此设计中取D_A＝100mm＝0.1m；

l_A——锚杆锚固段长度，为4.0m；

τ_A——锚杆钻孔的孔壁与注浆体之间极限粘结强度，取τ_A＝0.65MPa；

T_A＝π×0.1×4.0×0.65＝0.817MN；

两者取较小值，则锚杆提供的平均支护力为：

q_A＝190kPa。

掌子面的围岩压力p为309kPa>q_A＝190kPa，所以此锚杆加固支护参数不能满足掌子面稳定性的要求，从锚杆提供支护阻力公式中可以看出，从提高锚杆直径、增加锚杆打设密度(减小锚杆的水平及竖向间距)、采用高强度锚杆等方面入手，如锚杆的水平间距和竖向间距都调整为0.7m，则按照上述方法可以得到，锚杆提供的平均支护力为310kPa，大于掌子面的围岩压力309kPa，则满足安全性要求。

Claims (1)

1.一种隧道掌子面支护加固参数设计方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)确定围岩破坏体波及到地表的范围与隧道开挖高度和隧道埋深各参数之间的几何关系如下：

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

(2)确定掌子面处围岩压力的公式如下：

p＝γDN_γ+σ_sN_s-cN_c；

其中，p为掌子面处围岩压力；γ为围岩重度；D隧道开挖高度；σ_s为地表超载；c为围岩黏聚力；N_γ、N_s、N_c分别为围岩重度、地表超载和围岩黏聚力的承载系数；

N_γ、N_s、N_c分别由下式确定：

若p>0，表示掌子面不能自稳，需要支护加固，掌子面围岩如若不支护，则会坍方；若p≤0，表示不需要支护力，即掌子面围岩可以自稳；

(3)步骤(2)中，当p>0时，掌子面需要支护加固，其支护加固参数的确定步骤如下：

(a)对于采取单独喷射混凝土，则喷射混凝土的强度等级及厚度必须满足以下关系式：

式中：p_s为喷射混凝土剪切面的抗剪阻力；α_s为喷射混凝土的剪切角，α_s＝30°；τ_s为喷射混凝土的抗剪强度，取τ_s＝0.43σ_c，σ_c为喷射混凝土的抗压强度，可以根据喷射混凝土的强度等级获取；d_s为喷射混凝土的厚度；

若喷射混凝土的抗压强度已知，则可以求得满足掌子面安全性的喷射混凝土的最小厚度：

若掌子面的支护加固参数已知，如喷射混凝土的抗压强度、喷射混凝土的厚度都给定了，则可以判断设计是否安全；

已知掌子面支护加固提供的抗力即喷射混凝土剪切面的抗剪阻力为：

对比分析掌子面支护加固提供的抗力p_s以及掌子面所受的围岩压力p，如果p_s>p，表明支护加固的设计参数安全；如果p_s<p，表明支护加固的设计参数不安全；如果p_s＝p，表明支护加固的设计参数处于临界安全状态；

(b)对于正面锚杆加固掌子面，锚杆提供的支护阻力由以下两种情况的较小值确定：

(Ⅰ)锚杆本身破坏，锚杆的平均支护阻力为：

其中，d_A为锚杆杆体直径；σ_A为锚杆杆体抗拉强度；s_v、s_h分别为锚杆竖向间距和水平间距；

(Ⅱ)如若为砂浆锚杆，则可能沿孔壁粘结破坏，故用下式计算：

T_A＝πD_Al_Aτ_A；

其中，T_A为锚杆的抗拔力；D_A为锚杆钻孔直径；l_A为锚杆锚固段长度；τ_A为锚杆钻孔的孔壁与注浆体之间极限粘结强度；

锚杆提供的支护阻力为：

q_A＝min(q_Aq1,q_A2)；

式中，q_A为锚杆提供的支护阻力；min为取两者的较小值；

比较q_A和掌子面所受的围岩压力，即可判断设计的锚杆是否满足掌子面的稳定性；如果q_A>p，表明锚杆加固的设计参数安全；如果q_A<p，表明锚杆加固的设计参数不安全；如果q_A＝p，表明锚杆加固的设计参数处于临界安全状态。