CN110442948B - 上软层厚度与倾角对隧道掌子面稳定性的确定方法 - Google Patents

上软层厚度与倾角对隧道掌子面稳定性的确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种上软层厚度与倾角对隧道掌子面稳定性的确定方法。本发明主要包括，(1)根据隧道掌子面的软硬地层分界面倾角，判断掌子面失稳是发生在上部软地层内，还是发生于软硬分层界面的复合破坏；(2)根据隧道埋深、围岩条件、掌子面上部软地层厚度、隧道开挖高度，确定隧道掌子面破坏体顶部的竖向压力；(3)计算掌子面塌方体重力；(4)计算滑裂面上的下滑力；(5)计算滑裂面上的抗滑力；(6)安全系数的确定。本发明解决了上软下硬等软硬不均地层稳定性评估难的问题，有利于提前采取应对措施；通过改变上部软地层的力学参数，可以得到围岩加固效果应满足的相关要求，从而保障隧道施工安全。

Description

上软层厚度与倾角对隧道掌子面稳定性的确定方法
技术领域
本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一种上软下硬地层中上软层厚度与倾角对隧道掌子面稳定性的确定方法。
背景技术
在地质等外界营力作用下，地层往往呈现不同程度的风化，通常上部为全-强风化，下部为弱风化。若在此地层中修建隧道，则掌子面会遇到上软下硬的情况；对于有产状的岩体，则还会存在软硬地层分界面倾斜的情况，即有倾角。此种地层修建隧道，会造成围岩变形受力不均匀，施工不慎或支护不当会引起掌子面塌方，如土家湾隧道。
随着公路、铁路、轨道交通、水利、能源等领域的工程建设规模的不断扩大，上软下硬等不良地层中修建的隧道将不断涌现。掌子面附近围岩稳定性是目前隧道工程施工面临的关键问题和核心控制因素，越来越引起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，特别是上软下硬地层厚度以及分界面倾角对掌子面稳定影响的理论研究很少，已有文献报道多针对具体施工案例采取措施进行论述，个别采用数值模拟方法进行。
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，提供一种上软下硬地层中上软层厚度与倾角对隧道掌子面稳定性的确定方法。
本发明的上述目的是通过如下的技术方案来实现的：
该上软层厚度与倾角对隧道掌子面稳定性的确定方法，包括如下顺序的步骤：
(1)根据隧道掌子面的软硬地层分界面倾角，判断掌子面失稳是发生在上部软地层内，还是发生于软硬分层界面的复合破坏的判断方法如下：
(Ⅰ)如果软硬地层分界面倾角
Figure BDA0002148455980000021
则掌子面失稳是发生在上部软地层内，掌子面失稳体的滑裂角
Figure BDA0002148455980000022
(Ⅱ)如果软硬地层分界面倾角
Figure BDA0002148455980000023
则掌子面失稳是发生于软硬分层界面的复合破坏，掌子面失稳体的滑裂角a＝θ；
其中，θ为软硬地层分界面倾角；
Figure BDA0002148455980000024
为上部软地层的内摩擦角；a为掌子面失稳体的滑裂角；
(2)根据隧道埋深、围岩条件、掌子面上部软地层厚度、隧道开挖高度，确定隧道掌子面破坏体顶部的竖向压力，其计算公式如下：
Figure BDA0002148455980000025
其中，p为隧道掌子面破坏体顶部的竖向压力；γ为掌子面上部软地层重度；b为隧道开挖跨度的一半；H为隧道埋深，即地表到隧道拱顶的垂直距离；σs为地表超载；λ为侧压力系数；φ0为掌子面上部软地层的似摩擦角，其由下式确定：
Figure BDA0002148455980000026
(3)计算掌子面塌方体重力，其按下式确定：
Figure BDA0002148455980000027
其中，W为掌子面塌方体重力；h为掌子面上部软地层厚度；
(4)计算滑裂面上的下滑力，其按下式确定：
Figure BDA0002148455980000031
其中，F下滑力为滑裂面上的下滑力；
(5)计算滑裂面上的抗滑力，其按下式确定：
Figure BDA0002148455980000032
其中，F抗滑力为滑裂面上的抗滑力；c为上部软地层黏聚力；
(6)安全系数按下式确定：
Figure BDA0002148455980000033
其中，K为安全系数；
上式中含有掌子面上部软地层厚度h，掌子面失稳体的滑裂角a，且a与软硬地层分界面倾角θ有关；则可通过改变掌子面上部软地层的位置以及软硬地层分界面的倾角，获得不同上部软地层厚度以及软硬地层分界面倾角下掌子面的稳定性。
本发明为评估上软下硬地层中上部软地层厚度与软硬地层分界面倾角对隧道掌子面稳定性的影响，提供一种理论计算方法；并通过改变掌子面上软地层位置以及软硬地层分界面倾角，获得不同上部软地层厚度以及软硬地层分界面倾角下掌子面的稳定性，从而为上软下硬地层掌子面稳定分析提供了量化评估方法，解决了上软下硬等软硬不均地层稳定性评估难的问题，有利于提前采取应对措施；通过改变上部软地层的力学参数，可以得到围岩加固效果应满足的相关要求，从而保障隧道施工安全。本发明的方法可以应用于存在上软下硬地层的采矿巷道、水工隧洞、地铁等地下建筑结构的掌子面稳定性分析，并为掌子面的支护加固提供参考。
附图说明
图1为本发明考虑渗透力的隧道掌子面稳定性计算方法的计算示意图。
图1中：1为隧道；2为掌子面；3为上部软地层；4为下部硬地层；H为隧道埋深；D为隧道开挖高度；θ为软硬地层分界面倾角；a为掌子面失稳体的滑裂角；三角形ABE为塌方体；EF线为软硬地层分界线面；W为掌子面塌方体重力；h为掌子面上部软地层厚度；p为隧道掌子面破坏体顶部的竖向压力；σs为地表超载。
图2为在软硬地层分界面倾角θ＝10°不变的情况下，变化不同上部软地层厚度h，得到相应掌子面安全系数的曲线图。
图3为在上部软地层厚度h＝2m不变的情况下，变化软硬地层分界面倾角θ，则可得到相应掌子面安全系数的曲线图。
图4为在保持内摩擦角不变的情况下，不同黏聚力对应的掌子面安全系数的曲线图。
图5为在保持黏聚力不变的情况，不同内摩擦角对应的掌子面安全系数的曲线图。
图6为不同内摩擦角与黏聚力联合作用下，掌子面的安全系数图。
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。
将本发明方法应用于一个工程实例。本工程实例的具体数据如下：某隧道上部软地层为填土层，下部硬地层为弱风化泥质粉砂岩，上部软地层重度γ为20kN/m3，上部软地层的内摩擦角
Figure BDA0002148455980000051
为15.3°，上部软地层黏聚力c为38.3kPa，软硬地层分界面倾角θ为10°，隧道埋深H＝12m，隧道开挖高度D为5m，掌子面上部软地层厚度h为2m，隧道开挖跨度14m，则隧道开挖跨度一半b为7m，侧压力系数λ为1，地表超载σs为0。
参见图1，上软下硬地层上软层厚度与倾角对隧道掌子面稳定性的确定方法如下：
步骤一、根据隧道掌子面的软硬地层分界面倾角，判断掌子面失稳是发生在上部软地层内，还是发生于软硬分层界面的复合破坏的判断方法如下：
(Ⅰ)如果软硬地层分界面倾角
Figure BDA0002148455980000052
则掌子面失稳是发生在上部软地层内，掌子面失稳体的滑裂角
Figure BDA0002148455980000053
(Ⅱ)如果软硬地层分界面倾角
Figure BDA0002148455980000054
则掌子面失稳发生于软硬分层界面的复合破坏，掌子面失稳体的滑裂角a＝θ；
其中，θ为软硬地层分界面倾角；
Figure BDA0002148455980000055
为上部软地层的内摩擦角；a为掌子面失稳体的滑裂角。
步骤二、根据隧道埋深、围岩条件、掌子面上部软地层厚度、隧道开挖高度，确定隧道掌子面破坏体顶部的竖向压力，其按下式计算：
Figure BDA0002148455980000056
其中，p为隧道掌子面破坏体顶部的竖向压力；γ为掌子面上部软地层重度；b为隧道开挖跨度的一半；H为隧道埋深，即地表到隧道拱顶的垂直距离；σs为地表超载；λ为侧压力系数；φ0为掌子面上部软地层的似摩擦角，其由下式确定：
Figure BDA0002148455980000061
步骤三、计算掌子面塌方体重力，其按下式确定：
Figure BDA0002148455980000062
其中，W为掌子面塌方体重力；h为掌子面上部软地层厚度。
步骤四、计算滑裂面上的下滑力，其按下式确定：
Figure BDA0002148455980000063
其中，F下滑力为滑裂面上的下滑力。
步骤五、计算滑裂面上的抗滑力，其按下式确定：
Figure BDA0002148455980000064
其中，F抗滑力为滑裂面上的抗滑力；c为上部软地层黏聚力。
步骤六、安全系数按下式确定：
Figure BDA0002148455980000065
其中，K为安全系数。
根据上述方法步骤，可以得到掌子面安全系数为0.69，不安全，所以必须进行加固才能保证施工安全。
进一步，在软硬地层分界面倾角θ＝10°不变的情况下，变化不同上部软地层厚度h，则可得到相应的掌子面安全系数曲线图见图2，为了无量纲处理，采用了h/D，即上部软地层厚度h/隧道开挖高度D，即掌子面所含的上部软地层厚度越大，其安全系数越小。
进一步，在上部软地层厚度h＝2m不变的情况下，变化软硬地层分界面倾角θ，则可得到相应的掌子面安全系数曲线图见图3，软硬地层分界面倾角比较平缓的情况下，即软硬地层分界面倾角
Figure BDA0002148455980000071
掌子面安全系数不变，此时失稳由上部软弱地层控制；而当软硬地层分界面倾角
Figure BDA0002148455980000072
掌子面的稳定是上部软弱层厚度与软硬地层分界面倾角共同作用的结果，存在一个极值点，也即是最不利的倾角位置，本实例中大概是56°。
为了进行给出加固效果应满足的情况，图4给出了在保持内摩擦角不变的情况下，不同黏聚力对应的掌子面安全系数曲线图；图5给出了在保持黏聚力不变的情况，不同内摩擦角对应的掌子面安全系数曲线图。从图中可以看到，若使得掌子面安全系数大于1，则上部软地层加固后的黏聚力最少应大于80kPa；若掌子面安全系数大于1.2，则上部软地层加固后的黏聚力最少应大于95kPa。若掌子面安全系数大于1.2，则上部软地层加固后的内摩擦角最少应大于52°。图6给出了不同内摩擦角与黏聚力联合作用下，掌子面的稳定系数图；把相应的加固后的参数，与图对照，即可得到相应的安全系数，从而判断加固效果是否满足要求。

Claims (1)

1.一种上软层厚度与倾角对隧道掌子面稳定性的确定方法，其特征在于包括如下顺序的步骤：
(1)根据隧道掌子面的软硬地层分界面倾角，判断掌子面失稳是发生在上部软地层内，还是发生于软硬分层界面的复合破坏的判断方法如下：
(Ⅰ)如果软硬地层分界面倾角
Figure FDA0002148455970000011
则掌子面失稳是发生在上部软地层内，掌子面失稳体的滑裂角
Figure FDA0002148455970000012
(Ⅱ)如果软硬地层分界面倾角
Figure FDA0002148455970000013
则掌子面失稳是发生于软硬分层界面的复合破坏，掌子面失稳体的滑裂角a＝θ；
其中，θ为软硬地层分界面倾角；
Figure FDA0002148455970000014
为上部软地层的内摩擦角；a为掌子面失稳体的滑裂角；
(2)根据隧道埋深、围岩条件、掌子面上部软地层厚度、隧道开挖高度，确定隧道掌子面破坏体顶部的竖向压力，其计算公式如下：
Figure FDA0002148455970000015
其中，p为隧道掌子面破坏体顶部的竖向压力；γ为掌子面上部软地层重度；b为隧道开挖跨度的一半；H为隧道埋深，即地表到隧道拱顶的垂直距离；σs为地表超载；λ为侧压力系数；φ0为掌子面上部软地层的似摩擦角，其由下式确定：
Figure FDA0002148455970000016
(3)计算掌子面塌方体重力，其按下式确定：
Figure FDA0002148455970000017
其中，W为掌子面塌方体重力；h为掌子面上部软地层厚度；
(4)计算滑裂面上的下滑力，其按下式确定：
Figure FDA0002148455970000021
其中，F下滑力为滑裂面上的下滑力；
(5)计算滑裂面上的抗滑力，其按下式确定：
Figure FDA0002148455970000022
其中，F抗滑力为滑裂面上的抗滑力；c为上部软地层黏聚力；
(6)安全系数按下式确定：
Figure FDA0002148455970000023
其中，K为安全系数；
上式中含有掌子面上部软地层厚度h，掌子面失稳体的滑裂角a，且a与软硬地层分界面倾角θ有关；则可通过改变掌子面上部软地层的位置以及软硬地层分界面的倾角，获得不同上部软地层厚度以及软硬地层分界面倾角下掌子面的稳定性。
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