CN110276097B - 掌子面锚杆支护设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种掌子面锚杆支护设计方法，属于隧道工程领域。该掌子面锚杆设计方法中，考虑了机械化全断面工法下掌子面破坏模式，同时考虑了掌子面GFRP锚杆的5种受拉破坏模式以及锚杆直径、加固密度、初始长度、搭接长度、锚杆抗拉强度、锚杆‑灌浆体界面抗剪强度、灌浆体‑围岩界面抗剪强度等加固参数的影响，采用极限平衡法推导了掌子面稳定系数计算公式，实现了隧道掌子面GFRP锚杆定量化设计。

Description

掌子面锚杆支护设计方法
技术领域
本发明涉及隧道工程领域，具体而言，涉及一种掌子面锚杆支护设计方法。
背景技术
采用GFRP锚杆加固掌子面是隧道工程中常用的超前支护措施，但还没有相关的设计规范，且目前多根据工程经验确定支护参数，缺乏理论支撑，可能导致安全储备较大或支护参数不足，威胁施工安全并造成资源浪费。
发明内容
本发明实施例提供了一种掌子面锚杆支护设计方法，旨在实现掌子面锚杆定量化设计，为隧道工程中掌子面锚杆支护参数的确定提供理论支撑。
本发明实施例提供一种掌子面锚杆支护设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
基于经典楔形体模型，计算掌子面锚杆支护措施下的稳定系数K，其中，假设采用全断面法施工，掌子面发生整体破坏，采用微台阶法施工上台阶掌子面发生局部破坏，且破坏面为与水平方向夹角为
Figure BDA0002053695960000011
的直线，根据极限平衡法，所述隧道掌子面稳定系数K的计算公式为：
Figure BDA0002053695960000012
在式1中，F1、F2分别为掌子面楔形体抗滑力、下滑力，K为掌子面稳定系数；
根据掌子面楔形体水平、竖向静力平衡条件，结合式1推导出掌子面稳定系数K计算公式为：
Figure BDA0002053695960000021
Figure BDA0002053695960000022
Figure BDA0002053695960000023
Figure BDA0002053695960000024
Figure BDA0002053695960000025
Figure BDA0002053695960000026
Figure BDA0002053695960000027
Figure BDA0002053695960000028
在式2～9中，[K]为掌子面设计稳定系数；Fc为滑移面粘聚力合力(N)；Fq为掌子面上方围岩压力合力(N)；Fw为掌子面滑移体自重(N)；q为围岩压力(Pa)；B为掌子面跨度(m)；D为掌子面高度(m)，采用微台阶法时，D取上台阶掌子面高度；e为隧道未支护段长度(m)；θ0为掌子面破坏角(°)；γ为围岩重度(N/m3)；c为围岩粘聚力(Pa)；
Figure BDA0002053695960000029
为围岩内摩擦角(°)；Pb为掌子面锚杆支护力(N)；β1、β2、β3为与
Figure BDA00020536959600000210
θ0相关的系数。
其中，掌子面锚杆支护力Pb的计算公式为：
Figure BDA0002053695960000031
式10中，Pbi为掌子面上第i排锚杆支护合力(N)；n为掌子面锚杆竖向排数。
其中，Pbi按式11～16计算：
Pbi＝mi·min(Pb1i Pb2i Pb3i Pb4i Pb5i) 式11
Figure BDA0002053695960000032
Figure BDA0002053695960000033
Figure BDA0002053695960000034
Figure BDA0002053695960000035
Figure BDA0002053695960000036
式11～16中，Pb1i为第一种破坏模式对应的第i排锚杆锚固力(N)；P22i为第二种破坏模式对应的第i排锚杆锚固力(N)；P23i为第三种破坏模式对应的第i排锚杆锚固力(N)；P24i为第四种破坏模式对应的第i排锚杆锚固力(N)；P25i为第五种破坏模式对应的第i排锚杆锚固力(N)；mi为第i排掌子面锚杆横向排数；Shi为第i排掌子面锚杆横向间距(m)；fb为锚杆抗拉强度(Pa)；db为锚杆直径(m)；ft为灌浆体抗拉强度设计值(Pa)；lIi为第i排锚杆在区域I中锚固长度(m)；lIIi为第i排锚杆在区域II中锚杆锚固长度(m)；dh为钻孔直径(m)；λ为围岩侧压力系数。
另外，lIi、lIIi按式18～20计算；
lIi＝min(Lblapi，xi) 式18
lIIi＝max(0，Lblapi-xi) 式19
xi＝yicotθ0 式20
式18～20中，Lblapi为第i排掌子面锚杆搭接长度(m)；yi为第i排掌子面锚杆纵坐标(m)；xi为第i排掌子面锚杆与破坏面交点的横坐标(m)。
本发明实施例提供了一种掌子面锚杆支护设计方法，其中考虑了机械化全断面工法下掌子面破坏模式，同时考虑了掌子面GFRP锚杆的5种受拉破坏模式以及锚杆直径、加固密度、初始长度、搭接长度、锚杆抗拉强度、锚杆-灌浆体界面抗剪强度、灌浆体-围岩界面抗剪强度等加固参数的影响，采用极限平衡法推导了掌子面稳定系数计算公式，实现了隧道掌子面GFRP锚杆定量化设计。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明实施例提供的掌子面GFRP锚杆分区示意图。
图2是本发明实施例提供的GFRP锚杆锚固体系示意图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
实施例1
大型机械化全断面工法已经成为高速铁路隧道工法的发展方向。全断面开挖对围岩扰动次数少、工序简单、施工效率高，但开挖面积大，掌子面易失稳、塌方，因此目前全断面法主要应用于Ⅰ～Ⅲ级围岩，软弱围岩条件下，主要采用传统台阶法。掌子面锚杆支护是目前隧道工程中常用的超前支护措施，但还没有相关的设计规范，目前多根据工程经验确定支护参数，缺乏理论支撑，不能对隧道掌子面GFRP锚杆定量化设计。可能导致安全储备较大或支护参数不足，威胁施工安全并造成资源浪费。
玻璃纤维增强塑料(英文：Glass-Fiber Reinforced Plastic，简称GFRP)是一种以高分子环氧树脂为基体，以玻璃纤维或碳纤维等为增强体，经过复合工艺而制成的复合材料，作为塑料的增强材料。由于其轻，耐腐蚀，抗老化等特性广泛用于隧道工程。
合理的掌子面锚杆支护参数，能有效提高掌子面稳定性，也可以降低资源浪费，有利于指导软弱围岩隧道机械化全断面支护方案的设计。
为此，发明人通过长期的研究和实践，提出一种掌子面GFRP锚杆支护设计方法。下面结合附图予以详细说明。
本发明实施例提供了一种掌子面锚杆支护设计方法，包括如下步骤：
基于经典楔形体模型，计算掌子面GFRP锚杆支护措施下的稳定系数K。
其中，假设采用全断面法施工掌子面发生整体破坏，采用微台阶法施工上台阶掌子面发生局部破坏，且破坏面为与水平方向夹角为
Figure BDA0002053695960000067
的直线。
根据极限平衡法，隧道掌子面稳定系数K的计算公式为：
Figure BDA0002053695960000061
在式1中，F1、F2分别为掌子面楔形体抗滑力、下滑力，K为掌子面稳定系数。
根据掌子面楔形体水平、竖向静力平衡条件，结合式1推导出掌子面稳定系数K计算公式为：
Figure BDA0002053695960000062
Figure BDA0002053695960000063
Figure BDA0002053695960000064
Figure BDA0002053695960000065
Figure BDA0002053695960000066
Figure BDA0002053695960000071
Fq＝qB(Dcotθ0+e) 式8
Figure BDA0002053695960000072
在式2～9中，[K]为掌子面设计稳定系数；Fc为滑移面粘聚力合力(N)；Fq为掌子面上方围岩竖向压力合力(N)；Fw为掌子面滑移体自重(N)；q为掌子面上方围岩竖向压力(Pa)，具体地，可按照《铁路隧道设计规范》(10303-2016)计算；B为掌子面跨度(m)；D为掌子面高度(m)，采用微台阶法时，D取上台阶掌子面高度；e为隧道未支护段长度(m)；θ0为掌子面破坏角(°)；γ为围岩重度(N/m3)，具体地，可按照《铁路隧道设计规范》(TB10303)选取；c为围岩粘聚力(Pa)，具体地，可按照《铁路隧道设计规范》(TB10303)选取；
Figure BDA0002053695960000073
为围岩内摩擦角(°)，具体地，可按照《铁路隧道设计规范》(TB10303)选取；Pb为掌子面锚杆支护力(N)；β1、β2、β3为与
Figure BDA0002053695960000074
θ0相关的系数。
需要说明的是，在本发明中，该掌子面稳定系数的计算方法是考虑了机械化全断面工法下掌子面破坏模式，同时考虑了掌子面GFRP锚杆的5种受拉破坏模式以及锚杆直径、加固密度、初始长度、搭接长度、锚杆抗拉强度、锚杆-灌浆体界面抗剪强度、灌浆体-围岩界面抗剪强度等加固参数的影响，实现了隧道掌子面GFRP锚杆定量化设计。
采用GFRP锚杆对掌子面进行加固，锚杆与围岩的相互作用能有效阻止掌子面处第三主应力减小，提高掌子面围岩抗剪强度、刚度，从而减小掌子面挤出变形及地表变形，增强掌子面围岩稳定。
将掌子面前方分为两个区域，其中，区域I为围岩扰动区，区域II为围岩稳定性区(如图1)，提出了掌子面GFRP锚杆5种破坏模式：
①滑移面锚杆拉伸破坏；
②区域I第一界面(锚杆—灌浆体界面，如图2)剪切破坏；
③区域I第二界面剪切(围岩—灌浆体界面，如图2)剪切破坏；
④区域II第一界面剪切破坏；
⑤区域II第二界面剪切破坏。
根据以上5种破坏模式，结合GFRP锚固体系研究成果，给出了掌子面GFRP锚杆支护力Pb计算公式：
Figure BDA0002053695960000081
式10中，Pbi为掌子面上第i排锚杆支护合力(N)；n为掌子面锚杆竖向排数；
其中，Pbi按式11～16计算：
Pbi＝mi·min(Pb1i Pb2i Pb3i Pb4i Pb5i) 式11
Figure BDA0002053695960000082
Figure BDA0002053695960000083
Figure BDA0002053695960000084
Figure BDA0002053695960000085
Figure BDA0002053695960000086
式11～16中，Pb1i为第一种破坏模式对应的第i排锚杆锚固力(N)；P22i为第二种破坏模式对应的第i排锚杆锚固力(N)；P23i为第三种破坏模式对应的第i排锚杆锚固力(N)；P24i为第四种破坏模式对应的第i排锚杆锚固力(N)；P25i为第五种破坏模式对应的第i排锚杆锚固力(N)；mi为第i排掌子面锚杆横向排数；Shi为第i排掌子面锚杆横向间距(m)；fb为锚杆抗拉强度(Pa)；db为锚杆直径(m)；ft为灌浆体抗拉强度设计值(Pa)；lIi为第i排锚杆在区域I中锚固长度(m)；lIIi为第i排锚杆在区域II中锚杆锚固长度(m)；dh为钻孔直径(m)；λ为围岩侧压力系数；
另外，lIi、lIIi按式18～20计算：
lIi＝min(Lblapi，xi) 式18
lIIi＝max(0，Lblapi-xi) 式19
xi＝yicotθ0 式20
式18～20中，，Lblapi为第i排掌子面锚杆搭接长度(m)；yi为第i排掌子面锚杆纵坐标(m)；xi为第i排掌子面锚杆与破坏面交点(参见图1中的交点B)的横坐标(m)。
本发明实施例提供了一种掌子面锚杆支护设计方法，其中考虑了机械化全断面工法下掌子面破坏模式，同时考虑了掌子面GFRP锚杆的5种受拉破坏模式以及锚杆直径、加固密度、初始长度、搭接长度、锚杆抗拉强度、锚杆-灌浆体界面抗剪强度、灌浆体-围岩界面抗剪强度等加固参数的影响，采用极限平衡法推导了掌子面稳定系数计算公式，实现了隧道掌子面GFRP锚杆定量化设计。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种掌子面锚杆支护设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
基于经典楔形体模型，计算掌子面稳定系数K，其中，假设采用全断面法施工，掌子面发生整体破坏，采用微台阶法施工上台阶掌子面发生局部破坏，且破坏面为与水平方向夹角为
Figure FDA0002574435640000011
的直线，根据极限平衡法，隧道掌子面稳定系数K的计算公式为：
Figure FDA0002574435640000012
在式1中，F1、F2分别为掌子面楔形体抗滑力、下滑力，K为掌子面稳定系数；
根据掌子面楔形体水平、竖向静力平衡条件，结合式1推导出掌子面稳定系数K计算公式为：
Figure FDA0002574435640000013
Figure FDA0002574435640000014
Figure FDA0002574435640000015
Figure FDA0002574435640000016
Figure FDA0002574435640000017
Figure FDA0002574435640000018
Fq＝qB(Dcotθ0+e) 式8
Figure FDA0002574435640000019
在式2～9中，Fc为滑移面粘聚力合力(N)；Fq为掌子面上方围岩压力合力(N)；Fw为掌子面滑移体自重(N)；q为围岩压力(Pa)；B为掌子面跨度(m)；D为掌子面高度(m)，采用微台阶法时，D取上台阶掌子面高度；e为隧道未支护段长度(m)；θ0为掌子面破坏角(°)；γ为围岩重度(N/m3)；c为围岩粘聚力(Pa)；
Figure FDA0002574435640000021
为围岩内摩擦角(°)；Pb为掌子面锚杆支护力(N)；β1、β2、β3为与
Figure FDA0002574435640000022
θ0相关的系数；
其中，掌子面锚杆支护力Pb的计算公式为：
Figure FDA0002574435640000023
式10中，Pbi为掌子面上第i排锚杆支护合力(N)；n为掌子面锚杆竖向排数。
其中，Pbi按式11～16计算：
Pbi＝mi·min(Pb1i Pb2i Pb3i Pb4i Pb5i) 式11
Figure FDA0002574435640000024
Figure FDA0002574435640000025
Figure FDA0002574435640000026
Figure FDA0002574435640000027
Figure FDA0002574435640000028
式11～16中，Pb1i为第一种破坏模式对应的第i排锚杆锚固力(N)；Pb2i为第二种破坏模式对应的第i排锚杆锚固力(N)；Pb3i为第三种破坏模式对应的第i排锚杆锚固力(N)；Pb4i为第四种破坏模式对应的第i排锚杆锚固力(N)；Pb5i为第五种破坏模式对应的第i排锚杆锚固力(N)；mi为第i排掌子面锚杆横向排数；Shi为第i排掌子面锚杆横向间距(m)；fb为锚杆抗拉强度(Pa)；db为锚杆直径(m)；ft为灌浆体抗拉强度设计值(Pa)；lIi为第i排锚杆在区域I中锚固长度(m)；lIIi为第i排锚杆在区域II中锚杆锚固长度(m)；dh为钻孔直径(m)；λ为围岩侧压力系数。
另外，lIi、lIIi按式18～20计算：
lIi＝min(Lblap，xi) 式18
lIIi＝max(0，Lblap-xi) 式19
xi＝yicotθ0 式20
式18～20中，Lblapi为第i排掌子面锚杆搭接长度(m)；yi为第i排掌子面锚杆纵坐标(m)；xi为第i排掌子面锚杆与破坏面交点的横坐标(m)。
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