CN110399687B - 隧道掌子面预支护与预加固的等效参数确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道掌子面预支护与预加固的等效参数确定方法。本发明主要是，根据隧道掌子面超前预支护与预加固的实际情况，结合围岩条件，分为三种情况，其一、只预支护的情况及其等效参数确定；其二、只预加固的情况及其等效参数确定；其三、同时预支护与预加固的情况及其等效参数确定。本发明为隧道掌子面预支护与预加固的等效参数，提供了一种计算方法，解决了以往确定其等效参数的人为随意性问题。还可进一步判断所设计施工的预支护与预加固参数是否合适，并为优化设计施工提供参考。

Description

隧道掌子面预支护与预加固的等效参数确定方法

技术领域

本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及隧道掌子面预支护与预加固的等效参数确定方法。

背景技术

隧道工程施工时会遇到许多不良地质条件。在砂土质地层、强流变性地层、强膨胀性地层、裂隙发育的岩体、断层破碎带和浅埋有显著偏压等情况时，常常会使得掌子面及其周围围岩的稳定性降低，从而导致隧道塌方、突水(泥、石)和冒顶等现象。这些现象不仅仅增加施工难度，而且还会影响工程质量、延误工期、经济损失，甚至有可能造成人员伤亡。为了增强掌子面及其周围围岩的稳定性，减少上述现象发生的几率，我们需要采用辅助施工方法，预支护与预加固，如管棚超前支护前方围岩、注浆加固围岩和堵水等。在施工过程中,方法的选用应视围岩地质条件、地下水情况等而定。

目前在对预支护与预加固进行等效模拟分析时，其等效参数如何确定，常带有人为主观性，而参数的大小将直接影响数值分析的结果，并影响预支护与预加固的参数设计。如何合理设计预支护与加固参数，从而达到安全经济的效果，是目前设计单位以及施工单位所关注的，也是建设单位关心的。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述技术问题，提供一种隧道掌子面预支护与预加固的等效参数确定方法。

本发明的上述目的是通过如下的技术方案来实现的：

该隧道掌子面预支护与预加固的等效参数确定方法，是根据隧道掌子面超前预支护与预加固的实际情况，结合围岩条件，分为三种情况，其一、只预支护的情况及其等效参数确定；其二、只预加固的情况及其等效参数确定；其三、同时预支护与预加固的情况及其等效参数确定；

其一、只预支护的情况下，预支护等效参数的确定方法如下：

(1)确立如下公式：

式中，

为掌子面围岩的内摩擦角；

为预支护后的等效内摩擦角；c为掌子面围岩的黏聚力；A_b为预支护的单个横截面积；S_x为预支护的环向间距；h₁为预支护的厚度；τ_b为预支护的抗剪强度；c'为围岩预支护后的等效黏聚力；E为掌子面围岩的变形模量；E'为预支护后的等效变形模量；Eb为预支护的变形模量。

(2)各参数的计算方法如下：

掌子面预支护的厚度h₁由下式计算：

h₁＝l·sina；

式中，l为预支护的长度；a为预支护的外插角；

预支护的抗剪强度τ_b由下式计算：

τ_b＝(0.5～0.6)f_y；

式中，f_y为预支护的抗压强度；

预支护的单个横截面积A_b由下式计算：

(a)对于预支护为超前锚杆的，

式中，d为超前锚杆直径；

(b)对于预支护为超前小导管或超前管棚的，

式中，d₁为超前小导管或者超前管棚外径；t为超前小导管或超前管棚的壁厚；

其二、只预加固的情况下，预加固等效参数的确定方法如下：

确立如下公式：

c'＝48.265+0.225R_c；

式中，c'为预加固后的等效黏聚力；

为预加固后的等效内摩擦角；E'为预加固后的等效变形模量；R_c为预加固后的单轴抗压强度，如果没有做单轴抗压强度的条件，则可根据预加固时的水灰比W/C进行估算单轴抗压强度R_c，其按下式计算：

R_c＝7500(W/C)^-2；

式中，W/C为预加固时的水灰比；

其三、同时预支护与预加固的情况下，其等效参数的确定方法如下：

确立如下公式：

式中，c'为预支护与预加固后的等效黏聚力；

为为预支护与预加固后的等效内摩擦角；E'为预支护与预加固后的等效变形模量；R_c为预加固后的单轴抗压强度；A_b为预支护的单个横截面积；τ_b为预支护的抗剪强度；S_x为预支护的环向间距；E_b为预支护的变形模量；h为同时预支护与预加固的厚度，其按下式取值：

h＝min(h₁,h₂)；

式中，min为取两者中的最小值；h₁为掌子面预支护的厚度；h₂为预加固的横向厚度，其按下式计算：

h₂＝2·[R²-(S_x/2)²]^1/2；

式中，R为预加固浆液的扩散半径，其按下式确定：

R＝(0.6～0.7)S_x。

本发明为隧道掌子面预支护与预加固的等效参数，提供了一种计算方法，解决了以往确定其等效参数的人为随意性问题。还可进一步判断所设计施工的预支护与预加固参数是否合适，并为优化设计施工提供参考。本发明的方法可以应用于采矿巷道、水工隧洞、地铁、地下综合管廊等隧道与地下工程施工时的掌子面预支护与预加固的等效参数确定，并为相应的设计施工提供借鉴。

附图说明

图1为本发明预支护的结构示意图。

图2为本发明预支护的纵向布置图。

图3为本发明预支护的剖面布置图。

图4为本发明预支护中的单根支护示意图。

图5为本发明预加固的结构示意图。

图6为本发明同时预支护与预加固的结构示意图。

图7为本发明同时预支护与预加固的横剖面示意。

图中：1为隧道；2为掌子面；3为掌子面预支护；h₁为预支护的厚度；4为预加固体；a为预支护的外插角；S_x为预支护的环向间距；h₂为预加固的横向厚度。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

参见图1至图7，隧道掌子面预支护与预加固的等效参数确定方法如下：

根据隧道掌子面超前预支护与预加固的实际情况，结合围岩条件，分为三种情况，其一、只预支护的情况及其等效参数确定；其二、只预加固的情况及其等效参数确定；其三、同时预支护与预加固的情况及其等效参数确定；

其一、只预支护的情况下，预支护等效参数的确定方法如下：

(1)确立如下公式：

式中，

为掌子面围岩的内摩擦角；

为预支护后的等效内摩擦角；c为掌子面围岩的黏聚力；A_b为预支护的单个横截面积；S_x为预支护的环向间距；h₁为预支护的厚度；τ_b为预支护的抗剪强度；c'为围岩预支护后的等效黏聚力；E为掌子面围岩的变形模量；E'为预支护后的等效变形模量；E_b为预支护的变形模量。

(2)各参数的计算方法如下：

掌子面预支护的厚度h₁由下式计算：

h₁＝l·sina；

式中，l为预支护的长度；a为预支护的外插角；

预支护的抗剪强度τ_b由下式计算：

τ_b＝(0.5～0.6)f_y；

式中，f_y为预支护的抗压强度；

预支护的单个横截面积A_b由下式计算：

(a)对于预支护为超前锚杆的，

式中，d为超前锚杆直径；

(b)对于预支护为超前小导管或超前管棚的，

式中，d₁为超前小导管或者超前管棚外径；t为超前小导管或超前管棚的壁厚；

其二、只预加固的情况下，预加固等效参数的确定方法如下：

确立如下公式：

c'＝48.265+0.225R_c；

式中，c'为预加固后的等效黏聚力；

为预加固后的等效内摩擦角；E'为预加固后的等效变形模量；R_c为预加固后的单轴抗压强度，如果没有做单轴抗压强度的条件，则可根据预加固时的水灰比W/C进行估算单轴抗压强度R_c，其按下式计算：

R_c＝7500(W/C)^-2；

式中，W/C为预加固时的水灰比；

其三、同时预支护与预加固的情况下，其等效参数的确定方法如下：

确立如下公式：

式中，c'为预支护与预加固后的等效黏聚力；

为为预支护与预加固后的等效内摩擦角；E'为预支护与预加固后的等效变形模量；R_c为预加固后的单轴抗压强度；A_b为预支护的单个横截面积；τ_b为预支护的抗剪强度；S_x为预支护的环向间距；Eb为预支护的变形模量；h为同时预支护与预加固的厚度，其按下式取值：

h＝min(h₁,h₂)；

式中，min为取两者中的最小值；h₁为掌子面预支护的厚度；h₂为预加固的横向厚度，其按下式计算：

h₂＝2·[R²-(S_x/2)²]^1/2；

式中，R为预加固浆液的扩散半径，其按下式确定：

R＝(0.6～0.7)S_x。

将本发明方法应用于工程实例中。本工程实例的具体数据如下：某隧道掌子面围岩重度γ为20kN/m³，围岩的黏聚力c为20kPa，围岩的变形模量E为50MPa，掌子面围岩的内摩擦角

为26°。

实施例一：只预支护的情况及其等效参数确定。

预支护的形式为超前锚杆支护，超前锚杆材料为HRB400，超前锚杆的抗压强度f_y为400MPa，超前锚杆的变形模量E_b为210GPa，超前锚杆直径d为22mm，超前锚杆长度l为3.5m，超前锚杆外插角a为10°，超前锚杆支护的环向间距S_x为0.4m，抗剪强度τ_b取τ_b＝0.5f_y＝200MPa，应用本发明上述方法，则可以得到：

掌子面预支护的厚度h₁＝0.61m，预支护的单个横截面积A_b＝380mm²；

则围岩预支护后的等效黏聚力c'＝333kPa；

则围岩预支护后的等效变形模量E'＝378MPa。

实施例二：只预加固的情况及其等效参数确定。

预加固采用超前预注浆的形式，注浆完成后，进行取芯做单轴抗压强度试验，测到抗压强度R_c为1400kPa，应用本发明上述方法，可以得到：

围岩预加固后的等效黏聚力c'＝363kPa；

围岩预加固后的等效黏聚力

围岩预加固后的等效变形模量E'＝1120MPa。

实施例三：同时进行预支护与预加固的情况及其等效参数确定。

预支护与预加固的形式采用管棚并注浆的方式，管棚直径d₁＝108mm，壁厚t＝6mm，则超前管棚的面积A_b为1923mm²；管棚抗剪强度τ_b为145MPa，管棚长度l为18m，外插角a为1°～3°，注浆材料为水泥，水灰比W/C为1：1，则预加固后的单轴抗压强度R_c为7500kPa。

①情况一：从隧道横断面上考虑加固范围，如相邻两管棚的间距设计为0.4m，则加固范围为0.27m～0.39m。

②情况二：从隧道纵断面上考虑加固范围，该情况下，加固范围即支护长度在竖直方向上的投影长度。管棚的外插角为1°～3°，管棚长度为18m，则加固范围为0.31m～0.94m。

综合情况一和情况二可知，情况一偏于安全，因此本实施例按照情况一进行分析，并且加固范围即同时预支护与预加固的厚度h取0.30m。

则围岩预加固后的等效黏聚力c'＝4031kPa；

则围岩预加固后的等效黏聚力

则围岩预加固后的等效变形模量E'＝2554MPa。

Claims (1)

1.一种隧道掌子面预支护与预加固的等效参数确定方法，其特征在于：根据隧道掌子面超前预支护与预加固的实际情况，结合围岩条件，分为三种情况，其一、只预支护的情况及其等效参数确定；其二、只预加固的情况及其等效参数确定；其三、同时预支护与预加固的情况及其等效参数确定；

其一、只预支护的情况下，预支护等效参数的确定方法如下：

(1)确立如下公式：

式中，为掌子面围岩的内摩擦角；为预支护后的等效内摩擦角；c为掌子面围岩的黏聚力；A_b为预支护的单个横截面积；S_x为预支护的环向间距；h₁为预支护的厚度；τ_b为预支护的抗剪强度；c'为围岩预支护后的等效黏聚力；E为掌子面围岩的变形模量；E'为预支护后的等效变形模量；E_b为预支护的变形模量；

(2)各参数的计算方法如下：

掌子面预支护的厚度h₁由下式计算：

h₁＝l·sina；

式中，l为预支护的长度；a为预支护的外插角；

预支护的抗剪强度τ_b由下式计算：

τ_b＝(0.5～0.6)f_y；

式中，f_y为预支护的抗压强度；

预支护的单个横截面积A_b由下式计算：

(a)对于预支护为超前锚杆的，

式中，d为超前锚杆直径；

(b)对于预支护为超前小导管或超前管棚的，

式中，d₁为超前小导管或者超前管棚外径；t为超前小导管或超前管棚的壁厚；

其二、只预加固的情况下，预加固等效参数的确定方法如下：

确立如下公式：

c'＝48.265+0.225R_c；

式中，c'为预加固后的等效黏聚力；为预加固后的等效内摩擦角；E'为预加固后的等效变形模量；R_c为预加固后的单轴抗压强度，如果没有做单轴抗压强度的条件，则可根据预加固时的水灰比W/C进行估算单轴抗压强度R_c，其按下式计算：

R_c＝7500(W/C)^-2；

式中，W/C为预加固时的水灰比；

其三、同时预支护与预加固的情况下，其等效参数的确定方法如下：

确立如下公式：

式中，c'为预支护与预加固后的等效黏聚力；为为预支护与预加固后的等效内摩擦角；E'为预支护与预加固后的等效变形模量；R_c为预加固后的单轴抗压强度；A_b为预支护的单个横截面积；τ_b为预支护的抗剪强度；S_x为预支护的环向间距；E_b为预支护的变形模量；h为同时预支护与预加固的厚度，其按下式取值：

h＝min(h₁,h₂)；

式中，min为取两者中的最小值；h₁为掌子面预支护的厚度；h₂为预加固的横向厚度，其按下式计算：

h₂＝2·[R²-(S_x/2)²]^1/2；

式中，R为预加固浆液的扩散半径，其按下式确定：

R＝(0.6～0.7)S_x。

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