[发明专利]确定不同富水程度与进尺下隧道掌子面稳定性的计算方法

说明书

本发明公开了一种确定不同富水程度与进尺下隧道掌子面稳定性的计算。其根据围岩富水程度、隧道开挖断面尺寸、进尺等情况，分别计算围岩重力所做功率、支护力所做功率、破裂面的能量耗散功率，依据能量守恒原理，求得含有进尺的支护力表达式，然后结合强度折减法对围岩参数进行折减，使得支护力为零，则此时的折减系数即为掌子面的稳定性系数；改变进尺和富水情况，则可以得到不同进尺和富水程度下的掌子面稳定性系数。本发明为确定不同富水程度与进尺下隧道掌子面稳定性提供了计算方法；据此可以判断开挖进尺是否合理，评估不同富水程度下掌子面的安全性；并可获得维护掌子面稳定所需要的支护力，从而为掌子面的支护加固提供参考。

技术领域

本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一种确定不同富水程度与进尺下隧道掌子面稳定性的计算方法。

背景技术

稳定性问题是隧道与地下工程的一个重要和基本的研究内容，主要涉及围岩和支护结构两个方面，而围岩自身，特别是开挖掌子面附近围岩的稳定性尤其重要，如果掌子面不稳定，施工是不可能进行的。隧道工程，地质是起决定性的，而水(地下水及地表降水等)更是加剧了掌子面的破坏，隧道的“十坍九水”，就可说明问题。掌子面附近围岩稳定性是目前隧道工程，特别是软弱破碎段富水隧道及水下隧道施工面临的关键问题和核心控制因素，越来越多地引起了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，特别是富水地层的研究很少。这不能满足我国现在有很多富水地层及水下隧道修建的现实需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种确定不同富水程度与进尺下隧道掌子面稳定性的计算方法。发明的计算方法可以判断开挖进尺是否合理，评估不同富水程度下掌子面的安全性，如围岩富水程度过高而导致掌子面失稳；并可获得维护掌子面稳定所需要的支护力，从而为掌子面的支护加固提供参考。

本发明的确定不同富水程度与进尺下隧道掌子面稳定性的计算方法，包括如下顺序的步骤：

(1)确定两个几何关系式如下：

当h-C≤0时，即围岩破坏范围没有发展到地表，此时是深埋，则l_a＝0；

当h-C>0时，即围岩破坏范围波及到地表，此时是浅埋，则l_a＝2(h-C)tanφ；

其中：D为隧道开挖高度；r₀为掌子面顶部前方破裂的宽度；φ为围岩不同富水程度下的内摩擦角；L为进尺，即隧道每次开挖的长度；h为隧道拱部以上破坏体的高度；C为隧道埋深，即地表到隧道拱顶的垂直距离；l_a为围岩破坏体波及到地表的范围；

(2)隧道拱部围岩重力做的功率如下：

W_γ1＝0.5γv₀[(L+r₀)h-l_a(h-C)]；

式中：W_r1为隧道拱部围岩重力做的功率；γ为围岩重度；v₀为拱部坍塌体的速度；

(3)掌子面前方围岩重力做的功率为：

式中：W_r2为掌子面前方围岩重力做的功率；

(4)隧道拱部支护力所做功率为：

W_pv＝-p_vLv₀；

式中：W_pv为隧道拱部支护力所做功率；p_v为隧道拱部支护力；