[发明专利]掌子面锚杆支护设计方法

摘要

本发明提供了一种掌子面锚杆支护设计方法，属于隧道工程领域。该掌子面锚杆设计方法中，考虑了机械化全断面工法下掌子面破坏模式，同时考虑了掌子面GFRP锚杆的5种受拉破坏模式以及锚杆直径、加固密度、初始长度、搭接长度、锚杆抗拉强度、锚杆‑灌浆体界面抗剪强度、灌浆体‑围岩界面抗剪强度等加固参数的影响，采用极限平衡法推导了掌子面稳定系数计算公式，实现了隧道掌子面GFRP锚杆定量化设计。

主权项

1.一种掌子面锚杆支护设计方法，其特征在于，包括如下步骤：基于经典楔形体模型，计算掌子面的稳定系数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(°)；P_b为掌子面锚杆支护力(N)；β₁、β₂、β₃为与θ₀相关的系数。其中，掌子面锚杆支护力P_b的计算公式为：式10中，P_bi为掌子面上第i排锚杆支护合力(N)；n为掌子面锚杆竖向排数。其中，P_bi按式11～16计算：P_bi＝m_i·min(P_b1i P_b2i P_b3i P_b4i P_b5i)                     式11式11～16中，P_b1i为第一种破坏模式对应的第i排锚杆锚固力(N)；P_22i为第二种破坏模式对应的第i排锚杆锚固力(N)；P_23i为第三种破坏模式对应的第i排锚杆锚固力(N)；P_24i为第四种破坏模式对应的第i排锚杆锚固力(N)；P_25i为第五种破坏模式对应的第i排锚杆锚固力(N)；m_i为第i排掌子面锚杆横向排数；S_hi为第i排掌子面锚杆横向间距(m)；f_b为锚杆抗拉强度(Pa)；d_b为锚杆直径(m)；f_t为灌浆体抗拉强度设计值(Pa)；l_Ii为第i排锚杆在区域I中锚固长度(m)；l_IIi为第i排锚杆在区域II中锚杆锚固长度(m)；d_h为钻孔直径(m)；λ为围岩侧压力系数。另外，l_Ii、l_IIi按式18～20计算：l_Ii＝min(L_blap，x_i)                       式18l_IIi＝max(0，L_blap‑x_i)                     式19x_i＝y_icotθ₀                         式20式18～20中，L_blapi为第i排掌子面锚杆搭接长度(m)；y_i为第i排掌子面锚杆纵坐标(m)；x_i为第i排掌子面锚杆与破坏面交点的横坐标(m)。