CN110472314B - 一种评估隧道存在软弱夹层下掌子面稳定性的方法 - Google Patents

一种评估隧道存在软弱夹层下掌子面稳定性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种评估隧道存在软弱夹层下掌子面稳定性的方法。本发明主要包括，(1)根据隧道埋深、围岩条件、隧道开挖跨度、地表超载，确定隧道掌子面破坏体顶部的竖向压力；(2)计算掌子面沿着软弱夹层破坏的安全系数；(3)计算掌子面沿着围岩内部破坏的安全系数；(4)确定掌子面稳定安全系数。本发明可以评估不同软弱夹层的位置、不同软弱夹层的倾角以及不同软弱夹层力学参数下的掌子面稳定安全系数；亦可以分析隧道埋深、开挖跨度、地表超载等对掌子面的稳定影响，解决了该地层稳定性评估难的问题，有利于提前采取应对措施。

Description

一种评估隧道存在软弱夹层下掌子面稳定性的方法
技术领域
本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一种评估隧道存在软弱夹层下掌子面稳定性的方法。
背景技术
隧道施工周围的围岩一般是岩体，其由岩石与结构面组成。结构面中的软弱夹层，其结合力差，隧道施工中易发生较大变形，初期支护受软弱夹层影响呈不协调的变形分布形态，从而易引起支护结构破坏，甚至洞室整体发生失稳破坏、掌子面塌方等。
目前对软弱夹层的研究主要集中在单个含软弱夹层的隧道案例分析，以及不同夹层情况对隧道洞身变形受力的影响分析，采用方法大部分是数值模拟方法；而关于软弱夹层对掌子面的稳定影响的文献报道很少，特别是软弱夹层下掌子面稳定性的理论分析方面很少。掌子面的稳定是隧道安全施工的前提，如何判断掌子面是否稳定是建设单位、设计单位，特别是施工单位所关注的。
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，提供一种评估隧道存在软弱夹层下掌子面稳定性的方法。
本发明的上述目的是通过如下的技术方案来实现的：
该评估隧道存在软弱夹层下掌子面稳定性的方法，包括如下步骤：
(1)根据隧道埋深、围岩条件、隧道开挖跨度、地表超载，确定隧道掌子面破坏体顶部的竖向压力，其按下式计算：
Figure BDA0002148455650000021
其中，p为隧道掌子面破坏体顶部的竖向压力；γ为掌子面围岩重度；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为掌子面围岩的似摩擦角，其由下式确定：
Figure BDA0002148455650000022
其中，
Figure BDA0002148455650000023
为掌子面围岩内摩擦角；
(2)计算掌子面沿着软弱夹层破坏的安全系数，其包括如下步骤：
(Ⅰ)计算沿着软弱夹层的下滑力，其按下式计算：
Figure BDA0002148455650000024
其中，F夹层下滑力为软弱夹层的下滑力；h为掌子面软弱夹层位置到隧道拱顶的距离；θ为软弱夹层的倾角；
(Ⅱ)计算软弱夹层的抗滑力，其按下式计算：
Figure BDA0002148455650000025
其中，F夹层抗滑力为软弱夹层的抗滑力；c夹层为软弱夹层的黏聚力；
Figure BDA0002148455650000026
为软弱夹层的内摩擦角；
(Ⅲ)计算掌子面沿着软弱夹层破坏的安全系数，其按下式计算：
Figure BDA0002148455650000027
其中，K夹层为掌子面沿着软弱夹层破坏的安全系数；
(3)计算掌子面沿着围岩内部破坏的安全系数，其包括如下步骤：
(Ⅰ)计算围岩内部的下滑力，其按下式计算：
Figure BDA0002148455650000031
其中，F围岩内下滑力为围岩内破坏的下滑力；α为围岩内的破裂角，其按下式计算：
Figure BDA0002148455650000032
(Ⅱ)计算围岩内部的抗滑力，其按下式计算：
Figure BDA0002148455650000033
其中，F围岩内抗滑力为围岩内破坏的抗滑力；c为掌子面围岩黏聚力。
(Ⅲ)计算掌子面沿着围岩内部破坏的安全系数，其按下式计算：
Figure BDA0002148455650000034
其中，K围岩内为掌子面沿着围岩内部破坏的安全系数；
(4)确定掌子面稳定安全系数，其按以下方式确定：
K＝min(K夹层,K围岩内)；
其中，K掌子面稳定安全系数，min为最取K夹层、K围岩内两者中的最小者；
由此可以评估不同软弱夹层的位置、不同软弱夹层的倾角以及不同软弱夹层位置的下掌子面稳定安全系数；亦可以分析隧道埋深、开挖跨度、地表超载对掌子面的稳定影响。
本发明与现有研究方法相比的优点在于：传统的掌子面分析考虑软弱夹层地层情况，特别是软弱夹层倾角对掌子面稳定影响的理论分析很少，已有文献多针对单个含软弱夹层的隧道案例分析，以及不同夹层情况对隧道洞身变形受力的影响分析，采用的方法也大多是采用数值模拟软件进行分析，从理论上进行分析研究的较少。
本发明为掌子面存在软弱夹层情况下的掌子面稳定分析提供了量化评估方法，通过本发明方法可以评估不同软弱夹层的位置、不同软弱夹层的倾角以及不同软弱夹层力学参数下的掌子面稳定安全系数；亦可以分析隧道埋深、开挖跨度、地表超载等对掌子面的稳定影响，解决了该地层稳定性评估难的问题，有利于提前采取应对措施，如对软弱夹层进行锚杆加固或者施作核心土等，从而保障隧道施工安全。本发明的方法可以应用于存在软弱夹层的采矿巷道、水工隧洞、地铁等隧道与地下工程施工时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评估方法的计算示意图。
图1中：1为隧道；2为掌子面；3为软弱夹层；4为围岩；H为隧道埋深；D为隧道开挖高度；θ为软弱夹层的倾角；a为围岩内的破裂角；三角形AB’E’为沿着软弱夹层破坏的塌方体；EE’F’F为软弱夹层；W为掌子面塌方体重力；h为掌子面软弱夹层位置到隧道拱顶的距离；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为在掌子面软弱夹层位置不变的情况下，不同软弱夹层倾角θ下的掌子面安全系数曲线图。
图3为软弱夹层倾角不变的情况下，不同掌子面软弱夹层位置到拱顶的距离h下的掌子面安全系数曲线图。
图4为不同软弱夹层的倾角θ与不同掌子面软弱夹层位置到拱顶的距离h下的掌子面安全系数图。
图5为不同内软弱夹层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23kN/m3，围岩黏聚力c为300kPa，围岩内摩擦角
Figure BDA0002148455650000051
为33°，软弱夹层的黏聚力c夹层为50kPa，软弱夹层的内摩擦角
Figure BDA0002148455650000052
为15°，软弱夹层的倾角θ为40°，隧道埋深H为30m，隧道开挖高度D为5m，掌子面软弱夹层位置到隧道拱顶的距离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，本发明评估隧道存在软弱夹层下掌子面稳定性的方法如下：
步骤一、根据隧道埋深、围岩条件、隧道开挖跨度、地表超载等，确定隧道掌子面破坏体顶部的竖向压力，其按下式计算：
Figure BDA0002148455650000053
其中，p为隧道掌子面破坏体顶部的竖向压力；γ为掌子面围岩重度；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为掌子面围岩的似摩擦角，由下式确定：
Figure BDA0002148455650000054
其中，
Figure BDA0002148455650000055
为掌子面围岩内摩擦角。
步骤二、计算掌子面沿着软弱夹层破坏的安全系数，其包括如下步骤：
(Ⅰ)计算沿着软弱夹层的下滑力，其按下式计算：
Figure BDA0002148455650000056
其中，F夹层下滑力为软弱夹层的下滑力；h为掌子面软弱夹层位置到隧道拱顶的距离；θ为软弱夹层的倾角；
(Ⅱ)计算软弱夹层的抗滑力，其按下式计算：
Figure BDA0002148455650000061
其中，F夹层抗滑力为软弱夹层的抗滑力；c夹层为软弱夹层的黏聚力；
Figure BDA0002148455650000062
软弱夹层的内摩擦角；
(Ⅲ)计算掌子面沿着软弱夹层破坏的安全系数，其按下式计算：
Figure BDA0002148455650000063
其中，K夹层为掌子面沿着软弱夹层破坏的安全系数。
步骤三、计算掌子面沿着围岩内部破坏的安全系数，其包括如下步骤：
(Ⅰ)计算围岩内部的下滑力，其按下式计算：
Figure BDA0002148455650000064
其中，F围岩内下滑力为围岩内破坏的下滑力；α为围岩内的破裂角，其按下式计算：
Figure BDA0002148455650000065
(Ⅱ)计算围岩内部的抗滑力，其按下式计算：
Figure BDA0002148455650000066
其中，F围岩内抗滑力为围岩内破坏的抗滑力；c为掌子面围岩黏聚力；
(Ⅲ)计算掌子面沿着围岩内部破坏的安全系数，其按下式计算：
Figure BDA0002148455650000071
其中，K围岩内为掌子面沿着围岩内破坏的安全系数。
步骤四、确定掌子面稳定安全系数，其按以下方式确定：
K＝min(K夹层,K围岩内)；
其中，K掌子面稳定安全系数，min为最取K夹层、K围岩内两者中的最小者。
根据上述方法步骤，可以得到掌子面沿着围岩内部破坏的安全系数K夹层＝4.03，掌子面沿着软弱夹层破坏的安全系数K围岩内＝0.84，所以，两者取小值，掌子面安全系数为0.84，不安全，所以必须进行一定的应对措施才能保证施工安全。
进一步，在其他参数不变的情况，改变软弱夹层的倾角θ，则可得到相应的掌子面安全系数曲线图如图2所示，随着软弱夹层的倾角θ的增大，掌子面安全系数降低，超过32°以后，安全系数小于1；并且存在一个极值点，也既是最不利的倾角位置，本案例中大概是55°。
进一步，在其他参数不变的情况，改变掌子面软弱夹层位置到隧道拱顶的距离h，则可得到相应的掌子面安全系数曲线图如图3所示，随着软弱夹层位置到隧道拱顶的距离h的增大，掌子面安全系数降低，且安全系数均小于1，需采取相应的加固措施。
进一步，图4给出了不同软弱夹层的倾角θ与不同掌子面软弱夹层位置到隧道拱顶的距离h下的掌子面安全系数，结合软弱夹层的倾角以及其在掌子面的位置，则可以根据图4得到掌子面相应的安全系数，从而判断掌子面是否稳定。
参见图5，是不同软弱夹层内摩擦角与软弱夹层黏聚力联合作用下，掌子面的安全系数图；把相应的加固后的软弱夹层参数即内摩擦角与黏聚力，与图5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)

1.一种评估隧道存在软弱夹层下掌子面稳定性的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)根据隧道埋深、围岩条件、隧道开挖跨度、地表超载，确定隧道掌子面破坏体顶部的竖向压力，其按下式计算：
其中，p为隧道掌子面破坏体顶部的竖向压力；γ为掌子面围岩重度；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为掌子面围岩的似摩擦角，其由下式确定：
其中，为掌子面围岩内摩擦角；
(2)计算掌子面沿着软弱夹层破坏的安全系数，其包括如下步骤：
(Ⅰ)计算沿着软弱夹层的下滑力，其按下式计算：
其中，F夹层下滑力为软弱夹层的下滑力；h为掌子面软弱夹层位置到隧道拱顶的距离；θ为软弱夹层的倾角；
(Ⅱ)计算软弱夹层的抗滑力，其按下式计算：
其中，F夹层抗滑力为软弱夹层的抗滑力；c夹层为软弱夹层的黏聚力；为软弱夹层的内摩擦角；
(Ⅲ)计算掌子面沿着软弱夹层破坏的安全系数，其按下式计算：
其中，K夹层为掌子面沿着软弱夹层破坏的安全系数；
(3)计算掌子面沿着围岩内部破坏的安全系数，其包括如下步骤：
(Ⅰ)计算围岩内部的下滑力，其按下式计算：
其中，F围岩内下滑力为围岩内破坏的下滑力；α为围岩内的破裂角，其按下式计算：
(Ⅱ)计算围岩内部的抗滑力，其按下式计算：
其中，F围岩内抗滑力为围岩内破坏的抗滑力；c为掌子面围岩黏聚力；
(Ⅲ)计算掌子面沿着围岩内部破坏的安全系数，其按下式计算：
其中，K围岩内为掌子面沿着围岩内部破坏的安全系数；
(4)确定掌子面稳定安全系数，其按以下方式确定：
K＝min(K夹层,K围岩内)；
其中，K掌子面稳定安全系数，min为取K夹层、K围岩内两者中的最小者；
由此可以评估不同软弱夹层的位置、不同软弱夹层的倾角以及不同软弱夹层位置的下掌子面稳定安全系数；亦可以分析隧道埋深、开挖跨度、地表超载对掌子面的稳定影响。
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