[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

摘要

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。

主权项

1.一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，其特征在于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：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；(5)隧道掌子面支护力所做功率为：式中：W_ph为隧道掌子面支护力所做功率；p_h为隧道掌子面支护力；K为隧道掌子面支护力与隧道拱顶支护力的比值，在隧道开挖进尺前，是侧压力系数，其值确定方法是：根据地应力测试确定或者岩土工程勘察报告中的数值；无实测数据，则根据弹性理论推导的公式其中μ为泊松比；对于土质隧道，按其中为土体内摩擦角；(6)隧道拱部破坏面的能量耗散率为：E_D1＝c(2h‑l_a cotφ)v₀；式中：E_D1为隧道拱部破坏面的能量耗散率；c为围岩不同富水程度下的粘聚力；(7)隧道掌子面前方破坏面的能量耗散率为：式中，E_D2为隧道掌子面前方破坏面的能量耗散率；(8)由能量守恒原理，即外力功率与内能耗散功率相等，可以得到：(9)将步骤(2)至步骤(7)公式带入步骤(8)公式，可以得到隧道拱部支护力：将富水围岩力学参数及隧道开挖尺寸带入上式，即可求得不同富水程度及不同进尺下隧道拱部支护力p_v，并可求得隧道掌子面支护力p_h；若p_v>0，表示需要支护力，即开挖进尺下，围岩如若不支护，则会坍方；若p_h≤0，表示不需要支护力，即开挖进尺下，围岩稳定。