[发明专利]一种考虑渗透力的隧道掌子面稳定性计算方法

说明书

本发明公开了一种考虑渗透力的隧道掌子面稳定性计算方法。本发明方法主要包括如下步骤：(1)根据隧道埋深、开挖尺寸等参数，确定隧道埋深、开挖尺寸与破坏范围之间的几何关系；(2)根据渗流平衡方程并结合数值仿真软件，可以获得破坏范围内平均渗透力；(3)依据能量守恒原理，求得掌子面虚拟支护力表达式；(4)然后结合强度折减法对围岩参数进行折减，使得虚拟支护力为零，则此时的折减系数即为掌子面稳定性系数。本发明的方法可以应用于水位以下考虑渗透力作用时采矿巷道、水工隧洞、地铁等地下建筑结构的掌子面稳定性分析，并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，具体涉及一种考虑渗透力的隧道掌子面稳定性计算方法。

背景技术

因掌子面不稳定而发生坍方的案例很多，特别是富水地段，由于水的弱化与渗流等作用，更是加剧了掌子面的失稳坍方。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。因此，开展富水隧道掌子面的稳定研究具有重要的理论意义和工程应用价值。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。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种考虑渗透力的隧道掌子面稳定性计算方法。

本发明的上述目的是通过如下的技术方案来实现的：

该考虑渗透力的隧道掌子面稳定性计算方法，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，由数值分析方法即数值模拟软件，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；