[发明专利]隧道超前支护体系设计方法及隧道超前支护设计方法

说明书

该隧道超前支护设计方法基于经典楔形体模型，通过对比掌子面的稳定性系数K与掌子面设计稳定系数[K]之间的大小关系，指导超前支护措施的设计，若掌子面的稳定性系数K小于或者等于掌子面设计稳定系数[K]，则依次增加掌子面喷射混凝土超前支护措施、超前管棚支护措施、掌子面锚杆超前支护措施以及掌子面注浆超前支护措施，直至稳定性系数K大于掌子面设计稳定系数[K]，建立了软弱围岩隧道机械化全断面施工的超前支护体系设计方法，实现了隧道超前支护定量化设计。

技术领域

本发明涉及隧道工程领域，具体而言，涉及一种隧道超前支护体系设计方法及隧道超前支护设计方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展，铁路隧道的建设规模和建设难度越来越大，截止2017年底，中国规划的高速铁路隧道共2687座，累计长度约5482km，大型机械化全断面法是中国高速铁路隧道施工方法的发展方向。全断面开挖对围岩扰动次数少、工序简单、施工效率高，但开挖面积大，掌子面易失稳、塌方，因此目前主要应用于Ⅰ～Ⅲ级围岩，软弱围岩条件下，主要采用传统台阶法，而合理的超前支护措施，能有效提高掌子面稳定性，是实现软弱围岩隧道机械化全断面开挖的技术保证。但目前隧道超前支护设计方法仅针对单一的支护措施，且多依赖于工程经验，随着隧道机械化全断面法的大量推广、应用，亟需建立定量化、系统化的超前支护体系设计方法。

发明内容

本申请提供了一种隧道超前支护体系设计方法及隧道超前支护设计方法，旨在提高掌子面稳定性，实现软弱围岩条件下隧道机械化全断面施工。

第一方面，本申请提供一种隧道超前支护体系设计方法，包括如下步骤：

基于经典楔形体模型，计算掌子面稳定系数K，其中，假设采用全断面法施工，掌子面发生整体破坏，采用微台阶法施工上台阶掌子面发生局部破坏，且破坏面为与水平方向夹角为的直线，根据极限平衡法，所述隧道掌子面稳定系数K的计算公式为：

在式1中，F₁、F₂分别为掌子面楔形体抗滑力、下滑力，K为掌子面稳定系数；

根据掌子面楔形体水平、竖向静力平衡条件，结合式1推导出掌子面稳定系数K计算公式为：

F_q＝qB(Dcotθ₀+e)   式8

在式2～9中，[K]为掌子面设计稳定系数；F_c为滑移面粘聚力合力(N)；F_q为掌子面上方围岩压力合力(N)；F_w为掌子面滑移体自重(N)；q为围岩压力(Pa)；B为掌子面跨度(m)；D为掌子面高度(m)，采用微台阶法时，D取上台阶掌子面高度；e为隧道未支护段长度(m)；θ₀为掌子面破坏角(°)；γ为围岩重度(N/m³)；c为围岩粘聚力(Pa)；为围岩内摩擦角(°)；P₁为掌子面喷射混凝土支护力(N)；P₂为掌子面锚杆支护力(N)；α₁为管棚作用下掌子面前方扰动段围岩压力折减系数；α₂为掌子面预注浆加固后粘聚力增大系数；β₁、β₂、β₃为与θ₀相关的系数。

判断未采取超前支护措施时，所述掌子面稳定系数K是否大于掌子面设计稳定系数[K]；

若是，则掌子面稳定，可不采取超前支护措施；