[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

摘要

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。

主权项

1.一种隧道超前支护体系设计方法，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；若否，则增加掌子面喷射混凝土超前支护措施，判断增加所述掌子面喷射混凝土超前支护措施后的掌子面稳定系数K是否大于所述掌子面设计稳定系数[K]；若是，则掌子面稳定，不再增加超前支护措施；若否，则增加超前管棚支护措施，判断增加所述超前管棚支护措施和所述掌子面喷射混凝土超前支护措施后的掌子面稳定系数K是否大于所述掌子面设计稳定系数[K]；若是，则掌子面稳定，不再增加超前支护措施；若否，则增加掌子面锚杆超前支护措施，判断增加所述超前管棚支护措施、所述掌子面喷射混凝土超前支护措施以及所述掌子面锚杆超前支护措施后的掌子面稳定系数K是否大于所述掌子面设计稳定系数[K]；若是，则掌子面稳定，不再增加超前支护措施；若否，则增加掌子面预注浆超前支护措施，判断增加所述超前管棚支护措施、所述掌子面喷射混凝土超前支护措施、所述掌子面锚杆超前支护措施以及所述掌子面预注浆超前支护措施后的掌子面稳定系数K是否大于所述掌子面设计稳定系数[K]；若是，则掌子面稳定，不再增加超前支护措施；若否，则提高各超前支护措施的支护参数，直到掌子面稳定系数K大于所述掌子面设计稳定系数[K]。