[发明专利]上软层厚度与倾角对隧道掌子面稳定性的确定方法

说明书

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。

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

(Ⅱ)如果软硬地层分界面倾角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；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：

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；σ_s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：

(3)计算掌子面塌方体重力，其按下式确定：

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：

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：