CN112307547B - 隧道掌子面支护压力设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种隧道掌子面支护压力设计方法，包括以下步骤：根据工程现状设定维持隧道掌子面短期稳定的目标安全系数以及支护压力的初始值；根据隧道结构的实际参数以及强度折减法计算出实际的安全系数，不断迭代直至计算安全系数与目标安全系数相同；在迭代过程中，将每一步的支护压力与荷载折减系数的比值作为下一迭代步所施加的支护压力，并进行强度折减计算得到安全系数，直至计算出当前的安全系数等于目标安全系数时停止，此时对应的支护压力为目标值。本发明大幅缩短迭代时间，一般十几小时，最短2个小时左右；解决了现有方法效率低、耗时长且不够准确的问题。

Description

隧道掌子面支护压力设计方法
技术领域
本发明属于隧道工程设计技术领域，具体涉及一种隧道掌子面支护压力设计方法。
背景技术
在软弱围岩中施工的隧道，由于应力释放，掌子面前方的围岩可能达到其抗剪强度而发生破坏，从而引发隧道塌方，危及施工人员和机械设备的安全。因此，对此类隧道，有必要采取各种措施提高其稳定性，其中一种方式就是对掌子面施加支护压力。
在设计阶段，最关键的任务是确定合适的支护压力，并通过盾构刀盘或安装掌子面前方玻璃锚杆的方式予以施加，保证施工过程中的隧道稳定。现有的掌子面支护压力确定方法包括极限分析法和数值计算法。
第一种方法的极限分析法通过假定隧道的失效面，根据容许应力场(下限法)或容许速度场(上限法)计算极限支护压力。虽然该方法的优点是在已获得推导公式的情况下，计算速度较快。但是，它存在很大的缺点：首先是其失效机理是基于假定的失效面，因此与实际情况肯定存在一定的出入；第二是其平衡机理是基于小变形的假设，与实际工程中软弱围岩大变形的特征不符；第三是根据极限支护压力来确定满足一定安全系数的支护压力，其前提是隧道存在极限支护压力，而对于隧道掌子面本身是稳定状态，但不满足给定安全系数的情况，该方法无法处理。
第二种方法是采用数值计算软件，根据数值计算是否收敛，确定其极限支护压力。数值计算没有假定失效面，因此计算结果比较准确。但是在使用迭代确定极限支护压力时，对于常用的二分法，需提前确定一个上界和一个下界，用于二分法变换支护压力。通过计算步和不平衡力曲线来判断计算是否收敛，耗时较长，且不够准确，根据以往经验，一般要50多个小时的数值计算才能获得极限支护压力。此外，这种迭代往往需要根据上个迭代步的计算结果，手动调整支护压力并开展下一个迭代步的计算，非常繁琐，且效率较低。
基于以上背景，目前迫切地需要一种快速地掌子面支护压力设计方法，用于设计计算确定维持掌子面稳定所需的极限支护压力和基于一个给定安全系数的支护压力。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种基于荷载折减系数的隧道掌子面支护压力设计方法，以解决现有方法效率较低、耗时较长且不够准确的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种隧道掌子面支护压力设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1，根据工程现状设定维持隧道掌子面短期稳定的目标安全系数以及支护压力的初始值；
步骤S2，根据隧道结构的实际参数以及强度折减法计算出实际的安全系数，不断迭代直至计算安全系数与目标安全系数相同；
步骤S3，获取所述实际的安全系数与所述目标安全系数相同时对应的所述支护压力的当前值作为目标支护压力值。
进一步地，所述步骤S2包括：
步骤S21，根据支护压力的初始值将支护压力均匀施加至隧道掌子面上，并进行强度折减计算，得到当前的安全系数；
步骤S22，根据所述当前的安全系数和所述目标安全系数计算出当前的荷载折减系数；
步骤S23，将当前支护压力与当前荷载折减系数的比值作为下一个迭代步的支护压力，并通过强度折减计算得到安全系数。
进一步地，在所述步骤S21中，所述强度折减的计算公式为
Figure BDA0002755607280000021
其中，Fs表示安全系数，c和
Figure BDA0002755607280000022
表示隧道结构实际参数中预先输入的粘聚力和内摩擦角，ccr和
Figure BDA0002755607280000023
表示掌子面处于极限状态时的临界粘聚力和临界内摩擦角。
进一步地，在所述步骤S22中，所述当前的荷载折减系数的计算公式为
Figure BDA0002755607280000024
其中，αn+1为荷载折减系数，
Figure BDA0002755607280000025
为安全系数，
Figure BDA0002755607280000026
为设定的目标安全系数，指数k的值为介于1和3之间的数值。
进一步地，所述步骤S2在所述步骤S23之前还包括：
步骤S23a，判断所述当前的荷载折减系数与所述目标安全系数是否相同；若相同，则执行所述步骤S23的操作。
进一步地，所述步骤S2还包括：在所述步骤23a中判断出所述当前的荷载折减系数与所述目标安全系数不同时执行的操作：
步骤S24，根据当前的支护压力值和所述当前的荷载折减系数得到新的支护压力值，并将新的支护压力值作为所述步骤S21中的支护压力，以便于重复依次执行所述步骤S21、所述步骤S22、所述步骤S23a的操作。
进一步地，在所述步骤S24中，所述新的支护压力值的计算公式为
Figure BDA0002755607280000031
其中，
Figure BDA0002755607280000032
为所述新的支护压力值，
Figure BDA0002755607280000033
为所述当前的支护压力值，αn+1为所述当前的荷载折减系数。
进一步地，在所述步骤S1中，所述目标安全系数的最小设定值为1.0，所述支护压力的初始值小于初始地应力。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)不需要提前确定迭代所需的上界(安全系数大于目标值)和下界(安全系数小于目标值)，可以减少分析步骤并节约计算时间；
2)不需要人为判断计算结果是否收敛，因此计算结果更为准确；
3)迭代过程可以自动完成，不需要在数值计算和更新支护压力之间来回手动切换；
4)迭代时间大幅缩短，由原来的50多个小时，缩短为一般十几个小时，甚至最短2个小时左右；
5)荷载折减系数定义简单，迭代过程的控制与实现更为方便。
附图说明
图1为本发明的实施例中隧道掌子面支护压力设计方法的流程示意图。
图2为本发明的实施例中验证用隧道结构模型图。
图3至6为本发明的实施例中迭代过程曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步说明。
实施例
如附图1所示，本发明提供了一种隧道掌子面支护压力设计方法，用于设计计算确定维持隧道结构的掌子面稳定所需的极限支护压力和基于一个给定的目标安全系数所对应的目标支护压力值。具体地，该隧道掌子面支护压力设计方法包括以下步骤：
步骤S1，根据工程现状设定维持隧道掌子面短期稳定的目标安全系数以及支护压力的初始值。
在步骤S1中，目标安全系数的最小设定值为1.0，支护压力的初始值小于初始地应力。当安全系数小于1时，隧道为失稳状态，当安全系数大于等于1时，隧道为稳定状态。对于安全系数小于1的情形，需要通过施加支护压力的方式，保持隧道稳定。施加支护压力后，再进行强度折减计算，其安全系数至少应等于1。在实际工程中，可能往往需要其安全系数达到一个大于1的值，如1.3，以保证其具有一定程度的安全度。
步骤S2，根据隧道结构的实际参数以及强度折减法计算出实际的安全系数，不断迭代直至计算安全系数与目标安全系数相同。
具体地，步骤S2包括：
步骤S21，根据支护压力的初始值将支护压力均匀施加至隧道掌子面上，并进行强度折减计算，得到当前的安全系数。
在步骤S21中，强度折减的计算公式为
Figure BDA0002755607280000041
其中，Fs表示当前的安全系数，c和
Figure BDA0002755607280000042
表示隧道结构实际参数中预先输入的粘聚力和内摩擦角，ccr和
Figure BDA0002755607280000043
表示掌子面处于极限状态时的临界粘聚力和临界内摩擦角。
步骤S22，根据当前的安全系数和目标安全系数计算出当前的荷载折减系数。
在步骤S22中，当前的荷载折减系数的计算公式为
Figure BDA0002755607280000044
其中，αn+1为当前的荷载折减系数，
Figure BDA0002755607280000045
为当前的安全系数，
Figure BDA0002755607280000046
为设定的目标安全系数，指数k的值为介于1和3之间的数值。
步骤S23a，判断当前的荷载折减系数与目标安全系数是否相同；若判断为所述当前的荷载折减系数与所述目标安全系数相同，则执行下述步骤S23的操作，若判断为所述当前的荷载折减系数与所述目标安全系数不同，则执行下述步骤S24的操作。
步骤S23，获取所述当前的荷载折减系数与所述目标安全系数相同时对应的所述支护压力的当前值作为目标支护压力值。
步骤S24，根据当前的支护压力值和所述当前的荷载折减系数得到新的支护压力值，并将新的支护压力值作为所述步骤S21中的支护压力，以便于重复依次执行所述步骤S21、所述步骤S22、所述步骤S23a的操作。
在步骤S24中，新的支护压力值的计算公式为
Figure BDA0002755607280000051
其中，
Figure BDA0002755607280000052
为新的支护压力值，
Figure BDA0002755607280000053
为当前的支护压力值，αn+1为当前的荷载折减系数。
步骤S3，获取实际的安全系数与目标安全系数相同时对应的支护压力的当前值作为目标支护压力值。
基于上述流程，本实施例的支护压力设计方法基于数值软件自带的强度折减法，提供一种基于计算安全系数的荷载折减系数，对每个迭代步骤的支护压力进行调整，当计算出当前的安全系数等于目标安全系数时，终止迭代，并将此时对应的支护压力的数值作为目标支护压力值。该方法可用于隧道工程设计中，快速迭代出基于不同目标安全系数的隧道掌子面支护压力，并可用于拓展到其它类似的岩土工程应用领域，如隧道洞周稳定，边坡稳定性问题等。
为了验证本实施例的支护压力设计方法的可靠性，以下设定具体参数进行验证。
下述验证中所采用的分析软件为FLAC3D，也可用其他自带强度折减法的数值软件，基于上述方法流程进行迭代。
举例1：
假设一个直径为D＝10m和埋深C＝10m的圆形隧道，土体参数和衬砌参数如下表1所示，需确定一个目标支护压力值使得目标安全系数为1.3。另外，在上述步骤S22中的荷载折减系数的计算公式中所涉及指数k的值为1进行举例说明。
表1材料参数
Figure BDA0002755607280000054
具体实施步骤如下：
1)建立数值分析模型，如附图2所示，由于隧道结构的对称性，只需要建立一半的数值模型；该模型的长、宽、高分别为70m、40m、55m。模型的四个侧面为法向约束，模型底部为全约束。土体采用摩尔库伦模型模拟，衬砌采用弹性模型模拟。
2)指定目标安全系数为
Figure BDA0002755607280000061
初始支护压力值为
Figure BDA0002755607280000062
3)将
Figure BDA0002755607280000063
施加到隧道掌子面上，进行强度折减计算，得到安全系数为
Figure BDA0002755607280000064
4)计算荷载折减系数，
Figure BDA0002755607280000065
5)计算第二个迭代步的支护压力，
Figure BDA0002755607280000066
6)将支护压力
Figure BDA0002755607280000067
施加到掌子面上，得到安全系数
Figure BDA0002755607280000068
7)计算第三个迭代步的荷载折减系数，α3＝1.46/1.3＝1.123；
8)计算第三个迭代步的支护压力
Figure BDA0002755607280000069
9)重复步骤6至8，当迭代到第六次迭代时，计算出安全系数为1.3，迭代终止。此步的支护压力
Figure BDA00027556072800000610
即为目标支护压力。其迭代过程曲线如附图3(a)所示，由于在该支护压力下，强度折减法计算得到的安全系数为1.3，满足目标值，所以不需要额外再进行验证。
该方法的一个最大优点是可以随意指定初始支护压力(不超过初始地应力)用于迭代。其次，附图3(b)为指定初始支护压力
Figure BDA00027556072800000611
的迭代过程曲线，这种情况下，经过了十个迭代循环，达到平衡状态，此时的支护压力为
Figure BDA00027556072800000612
需要说明的是，软件计算的安全系数精度为两位小数，因此，对安全系数在1.295到1.304这个范围时，都会近似为1.3。所以不同初始值迭代得到的支护压力存在的较小的容差。总体而言，以上两个迭代过程得到的目标支护压力非常接近。
另外，为了得到保持隧道掌子面稳定的极限支护压力，可指定目标安全系数为
Figure BDA00027556072800000613
按照以上步骤，其迭代过程如附图4所示。对初始支护压力分别为
Figure BDA00027556072800000614
和
Figure BDA00027556072800000615
的情况，得到的极限支护压力分别为25.8kPa和25.2kPa，同样非常的接近。
举例2：
本实施例2与实施例1的差别在于，对荷载折减系数的计算公式中的指数k的取值的其它情况进行详细说明，阐明指数k的取值对支护压力设计的加快迭代作用。
1)指数k的数值分别取1、1.5、2、2.5和3五种情况；
2)指定初始迭代压力分别为
Figure BDA0002755607280000071
和
Figure BDA0002755607280000072
进行迭代；
3)对于
Figure BDA0002755607280000073
的情况，采用不同的k值时(1.5，2，2.5，3)，迭代次数从9次减少为5次，如附图5所示；
4)对于
Figure BDA0002755607280000074
的情况，采用不同的k值时，迭代次数从13次分别减少为8,6、5和3次，如附图6所示；
由此可见，对于迭代次数为3次的情况，只需要2个小时左右即可完成，计算效率大幅提高；这里，经验证，指数k的最佳范围值为介于1和2之间的数值，能够大幅度提高支护压力的设计时间。
本发明的保护范围不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (7)

1.一种隧道掌子面支护压力设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1，根据工程现状设定维持隧道掌子面短期稳定的目标安全系数以及支护压力的初始值；
步骤S2，根据隧道结构的实际参数以及强度折减法计算出实际的安全系数，不断迭代直至计算安全系数与目标安全系数相同；
步骤S3，获取所述实际的安全系数与所述目标安全系数相同时对应的所述支护压力的当前值作为目标支护压力值；
所述步骤S2包括：
步骤S21，根据支护压力的初始值将支护压力均匀施加至隧道掌子面上，并进行强度折减计算，得到当前的安全系数；
步骤S22，根据所述当前的安全系数和所述目标安全系数计算出当前的荷载折减系数；
步骤S23，将当前支护压力与当前荷载折减系数的比值作为下一个迭代步的支护压力，并通过强度折减计算得到安全系数。
2.如权利要求1所述的隧道掌子面支护压力设计方法，其特征在于：
在所述步骤S21中，所述强度折减的计算公式为
Figure FDA0003922759910000011
其中，Fs表示安全系数，c和
Figure FDA0003922759910000012
表示隧道结构实际参数中预先输入的粘聚力和内摩擦角，ccr和
Figure FDA0003922759910000013
表示掌子面处于极限状态时的临界粘聚力和临界内摩擦角。
3.如权利要求1所述的隧道掌子面支护压力设计方法，其特征在于：
在所述步骤S22中，所述当前的荷载折减系数的计算公式为
Figure FDA0003922759910000014
其中，αn+1为荷载折减系数，
Figure FDA0003922759910000015
为安全系数，Fs*为设定的目标安全系数，指数k的值为介于1和3之间的数值。
4.如权利要求1所述的隧道掌子面支护压力设计方法，其特征在于：
所述步骤S2在所述步骤S23之前还包括：
步骤S23a，判断所述当前的荷载折减系数与所述目标安全系数是否相同；若相同，则执行所述步骤S23的操作。
5.如权利要求4所述的隧道掌子面支护压力设计方法，其特征在于：
所述步骤S2还包括：在所述步骤S23a中判断出所述当前的荷载折减系数与所述目标安全系数不同时执行的操作：
步骤S24，根据当前的支护压力值和所述当前的荷载折减系数得到新的支护压力值，并将新的支护压力值作为所述步骤S21中的支护压力，以便于重复依次执行所述步骤S21、所述步骤S22、所述步骤S23a的操作。
6.如权利要求5所述的隧道掌子面支护压力设计方法，其特征在于：
在所述步骤S24中，所述新的支护压力值的计算公式为
Figure FDA0003922759910000021
其中，
Figure FDA0003922759910000022
为所述新的支护压力值，
Figure FDA0003922759910000023
为所述当前的支护压力值，αn+1为所述当前的荷载折减系数。
7.如权利要求1所述的隧道掌子面支护压力设计方法，其特征在于：
在所述步骤S1中，所述目标安全系数的最小设定值为1.0，所述支护压力的初始值小于初始地应力。
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