[发明专利]一种考虑渗透力的隧道掌子面稳定性计算方法

权利要求书

1.一种考虑渗透力的隧道掌子面稳定性计算方法，其特征在于包括如下步骤：

(一)确定围岩破坏体波及到地表的范围与隧道开挖高度和隧道埋深各参数之间的几何关系如下：

其中，D为隧道开挖高度；r₀为掌子面顶部前方破裂的宽度；为围岩的内摩擦角；h为隧道拱部以上破坏体的高度；H为隧道埋深，即地表到隧道拱顶的垂直距离；l_B为围岩破坏体波及到地表的范围；

(二)渗透力由以下步骤确定：

其中，k_x、k_y、k_z为x、y、z三个方向的渗透系数；Ψ为水头高度函数；

式(4)是一个偏微分方程，由数值分析方法中的数值模拟软件，结合渗流边界条件，可以求得隧道周边各点的水头高度，进而求得各点的水力梯度以及单位渗透力的大小：

其中，i_x、i_y、i_z为x、y、z三个方向的水力梯度；γ_w为水的重度；j_x、j_y、j_z为x、y、z三个方向的单位渗透力；

对于二维平面渗流的情况，且各个方向渗透系数相同，则式(4)、式(5)、式(6)可以简化如下：

对于破坏区域①，整个x方向平均渗透力大小为：j_ax＝∑j_axiA_ai/A_a；

对于破坏区域①，整个y方向平均渗透力大小为：j_ay＝∑j_ayiA_ai/A_a；

对于破坏区域②，整个x方向平均渗透力大小为：j_bx＝∑j_bxiA_bi/A_b；

对于破坏区域②，整个y方向平均渗透力大小为：j_by＝∑j_byiA_bi/A_b；

对于破坏区域③，整个x方向平均渗透力大小为：j_cx＝∑j_cxiA_ci/A_c；

对于破坏区域③，整个y方向平均渗透力大小为：j_cy＝∑j_cyiA_ci/A_c；

其中，A_a、A_b、A_c为破坏区域a、b、c的面积；A_ai为破坏区域①内第i个单元的面积；A_bi为破坏区域②内第i个单元的面积；A_ci为破坏区域③内第i个单元的面积；j_axi为破坏区域①内第i个单元x方向的渗透力；j_ayi为破坏区域①内第i个单元y方向的渗透力；j_bxi为破坏区域②内第i个单元x方向的渗透力；j_byi为破坏区域②内第i个单元y方向的渗透力；j_cxi为破坏区域③内第i个单元x方向的渗透力；j_cyi为破坏区域③内第i个单元y方向的渗透力；

掌子面受渗透力的总大小为：

其中，J_x＝j_axA_a+j_bxA_b+j_cxA_c，即x方向渗透力；J_y＝j_ayA_a+j_byA_b+j_cyA_c，即y方向渗透力；

(三)掌子面虚拟支护力由下式确定：

其中，σ_T为掌子面虚拟支护力；γ'为围岩有效重度；D为隧道开挖高度；σ_s为地表超载；c为围岩黏聚力；N_γ'、N_s、N_c分别为围岩有效重度、地表超载和围岩黏聚力的承载系数；W_j为整个破坏范围内渗透力做功功率，v₀为拱部坍塌体的速度；

N_γ'、N_s、N_c、W_j分别由下式确定：

W_j＝W_jax+W_jay+W_jbx+W_jby+W_jcx+W_jcy (15)；

其中：

W_jax＝0 (16)；

W_jay＝j_ay·v₀·0.5[r₀h-l_B(h-H)] (17)；

综合式11至式21，若σ_T>0，表示需要支护力，掌子面围岩如若不支护，则会坍方；若σ_T≤0，表示不需要支护力，即掌子面围岩是稳定的；

(四)基于强度折减法，令：

其中，F为折减系数，即隧道掌子面的最小稳定安全系数；c'为按F值折减后的围岩黏聚力，为按F值折减后的围岩内摩擦角；

(五)将步骤(四)中的c'、带入步骤(三)中式(11)，并令σ_T＝0，则：

其中，N_γ’’为用代替后的围岩有效重度承载系数N_γ'，N_s'为用代替后的地表超载承载系数N_s，N_c'为用代替后的围岩黏聚力承载系数N_c；

式(23)是一个非线性方程，通过试算或编程可以求得隧道掌子面的最小稳定安全系数F；改变水位线位置，则可以得到不同水位下考虑渗透力的掌子面稳定性系数。