[发明专利]一种隧道掌子面支护加固参数设计方法

摘要

本发明公开了一种隧道掌子面支护加固参数设计方法。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、破坏范围之间的几何关系；(2)依据能量守恒原理，求得掌子面围岩压力；(3)根据剪切滑移法，求得掌子面支护的抗力，如喷层抗力，锚杆抗力等。(4)对比掌子面围岩压力以及掌子面支护抗力，可以判断支护加固是否安全；并进一步优化掌子面支护加固设计参数。本发明为判断隧道掌子面支护加固参数的安全性提供了计算方法，改变了目前隧道掌子面支护加固的设计长期依赖于经验的现状，实现了隧道掌子面支护加固参数的定量化设计。

主权项

1.一种隧道掌子面支护加固参数设计方法，其特征在于包括如下步骤：(1)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；为围岩不同富水程度下的内摩擦角；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；(2)确定掌子面处围岩压力的公式如下：p＝γDN_γ+σ_sN_s‑cN_c；其中，p为掌子面处围岩压力；γ为围岩重度；D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分别为围岩重度、地表超载和围岩黏聚力的承载系数；N_γ、N_s、N_c分别由下式确定：若p>0，表示掌子面不能自稳，需要支护加固，掌子面围岩如若不支护，则会坍方；若p≤0，表示不需要支护力，即掌子面围岩可以自稳；(3)步骤(2)中，当p>0时，掌子面需要支护加固，其支护加固参数的确定步骤如下：(a)对于采取单独喷射混凝土，则喷射混凝土的强度等级及厚度必须满足以下关系式：式中：p_s为喷射混凝土剪切面的抗剪阻力；α_s为喷射混凝土的剪切角，α_s＝30°；τ_s为喷射混凝土的抗剪强度，取τ_s＝0.43σ_c，σ_c为喷射混凝土的抗压强度，可以根据喷射混凝土的强度等级获取；d_s为喷射混凝土的厚度；若喷射混凝土的抗压强度已知，则可以求得满足掌子面安全性的喷射混凝土的最小厚度：若掌子面的支护加固参数已知，如喷射混凝土的抗压强度、喷射混凝土的厚度都给定了，则可以判断设计是否安全；已知掌子面支护加固提供的抗力即喷射混凝土剪切面的抗剪阻力为：对比分析掌子面支护加固提供的抗力p_s以及掌子面所受的围岩压力p，如果p_s>p，表明支护加固的设计参数安全；如果p_s<p，表明支护加固的设计参数不安全；如果p_s＝p，表明支护加固的设计参数处于临界安全状态；(b)对于正面锚杆加固掌子面，锚杆提供的支护阻力由以下两种情况的较小值确定：(Ⅰ)锚杆本身破坏，锚杆的平均支护阻力为：其中，q_A1为锚杆本身破坏，锚杆的平均支护阻力；d_A为锚杆杆体直径；σ_A为锚杆杆体抗拉强度；s_v、s_h分别为锚杆竖向间距和水平间距；(Ⅱ)如若为砂浆锚杆，则可能沿孔壁粘结破坏，故用下式计算：T_A＝πD_Al_Aτ_A；其中，q_A2为锚杆沿孔壁粘结破坏，锚杆的平均支护阻力；T_A为锚杆的抗拔力；D_A为锚杆钻孔直径；l_A为锚杆锚固段长度；τ_A为锚杆钻孔的孔壁与注浆体之间极限粘结强度；锚杆提供的支护阻力为：q_A＝min(q_A1,q_A2)；式中，q_A为锚杆提供的支护阻力；min为取两者的较小值；比较q_A和掌子面所受的围岩压力，即可判断设计的锚杆是否满足掌子面的稳定性；如果q_A>p，表明锚杆加固的设计参数安全；如果q_A<p，表明锚杆加固的设计参数不安全；如果q_A＝p，表明锚杆加固的设计参数处于临界安全状态。