本發(fā)明屬于隧道施工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種確定不同富水程度與進(jìn)尺下隧道掌子面穩(wěn)定性的計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

穩(wěn)定性問題是隧道與地下工程的一個(gè)重要和基本的研究?jī)?nèi)容，主要涉及圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面，而圍巖自身，特別是開挖掌子面附近圍巖的穩(wěn)定性尤其重要，如果掌子面不穩(wěn)定，施工是不可能進(jìn)行的。隧道工程，地質(zhì)是起決定性的，而水(地下水及地表降水等)更是加劇了掌子面的破壞，隧道的“十坍九水”，就可說(shuō)明問題。掌子面附近圍巖穩(wěn)定性是目前隧道工程，特別是軟弱破碎段富水隧道及水下隧道施工面臨的關(guān)鍵問題和核心控制因素，越來(lái)越多地引起了學(xué)術(shù)界和工程界的高度關(guān)注，很多基礎(chǔ)和應(yīng)用問題亟待解決。目前對(duì)盾構(gòu)法隧道開挖面穩(wěn)定的研究很多，主要采用降低支護(hù)壓力比、極限分析上限法和極限平衡法等；而對(duì)礦山法隧道掌子面的穩(wěn)定研究還不多，特別是富水地層的研究很少。這不能滿足我國(guó)現(xiàn)在有很多富水地層及水下隧道修建的現(xiàn)實(shí)需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種確定不同富水程度與進(jìn)尺下隧道掌子面穩(wěn)定性的計(jì)算方法。發(fā)明的計(jì)算方法可以判斷開挖進(jìn)尺是否合理，評(píng)估不同富水程度下掌子面的安全性，如圍巖富水程度過(guò)高而導(dǎo)致掌子面失穩(wěn)；并可獲得維護(hù)掌子面穩(wěn)定所需要的支護(hù)力，從而為掌子面的支護(hù)加固提供參考。

本發(fā)明的確定不同富水程度與進(jìn)尺下隧道掌子面穩(wěn)定性的計(jì)算方法，包括如下順序的步驟：

(1)確定兩個(gè)幾何關(guān)系式如下：

當(dāng)h-c≤0時(shí)，即圍巖破壞范圍沒有發(fā)展到地表，此時(shí)是深埋，則la＝0；

當(dāng)h-c>0時(shí)，即圍巖破壞范圍波及到地表，此時(shí)是淺埋，則la＝2(h-c)tanφ；

其中：d為隧道開挖高度；r0為掌子面頂部前方破裂的寬度；φ為圍巖不同富水程度下的內(nèi)摩擦角；l為進(jìn)尺，即隧道每次開挖的長(zhǎng)度；h為隧道拱部以上破壞體的高度；c為隧道埋深，即地表到隧道拱頂?shù)拇怪本嚯x；la為圍巖破壞體波及到地表的范圍；

(2)隧道拱部圍巖重力做的功率如下：

wγ1＝0.5γv0[(l+r0)h-la(h-c)]；

式中：wr1為隧道拱部圍巖重力做的功率；γ為圍巖重度；v0為拱部坍塌體的速度；

(3)掌子面前方圍巖重力做的功率為：

式中：wr2為掌子面前方圍巖重力做的功率；

(4)隧道拱部支護(hù)力所做功率為：

式中：wpv為隧道拱部支護(hù)力所做功率；pv為隧道拱部支護(hù)力；

(5)隧道掌子面支護(hù)力所做功率為：

wph＝-phr0v0e^πtanφ＝-kpvr0v0e^πtanφ；

式中：wph為隧道掌子面支護(hù)力所做功率；ph為隧道掌子面支護(hù)力；k為隧道掌子面支護(hù)力與隧道拱頂支護(hù)力的比值；

(6)隧道拱部破壞面的能量耗散率為：

ed1＝c(2h-lacotφ)v0；

式中：ed1為隧道拱部破壞面的能量耗散率；c為圍巖不同富水程度下的粘聚力；

(7)隧道掌子面前方破壞面的能量耗散率為：

ed2＝cr0cotφ(e^πtanφ-1)v0；

式中，ed2為隧道掌子面前方破壞面的能量耗散率；

(8)由能量守恒原理，即外力功率與內(nèi)能耗散功率相等，可以得到：

(9)將步驟(2)至步驟(7)公式帶入步驟(8)公式，可以得到隧道拱部支護(hù)力：

將富水圍巖力學(xué)參數(shù)及隧道開挖尺寸帶入上式，即可求得不同富水程度及不同進(jìn)尺下隧道拱部支護(hù)力pv，并可求得隧道掌子面支護(hù)力ph；

若pv>0，表示需要支護(hù)力，即開挖進(jìn)尺下，圍巖如若不支護(hù)，則會(huì)坍方；若ph≤0，表示不需要支護(hù)力，即開挖進(jìn)尺下，圍巖穩(wěn)定。

進(jìn)一步，基于強(qiáng)度折減法，令：

式中：f為折減系數(shù)，即隧道掌子面的最小穩(wěn)定安全系數(shù)；c'為粘聚力c按f值折減后的粘聚力，為內(nèi)摩擦角φ按f值折減后的內(nèi)摩擦角；

將以上公式中的c'、帶入步驟(9)pv公式的右邊，并令pv＝0，則：

上式是一個(gè)非線性方程，通過(guò)試算或編程可以求得隧道掌子面的最小穩(wěn)定安全系數(shù)f；改變進(jìn)尺和富水情況，則可以得到不同進(jìn)尺和富水程度下的掌子面穩(wěn)定性系數(shù)。

本發(fā)明為確定不同富水程度與進(jìn)尺下隧道掌子面穩(wěn)定性提供了計(jì)算方法；據(jù)此可以判斷開挖進(jìn)尺是否合理，評(píng)估不同富水程度下掌子面的安全性，如圍巖富水程度過(guò)高而導(dǎo)致掌子面失穩(wěn)；并可獲得維護(hù)掌子面穩(wěn)定所需要的支護(hù)力，從而為掌子面的支護(hù)加固提供參考。本發(fā)明的方法，亦可以應(yīng)用于采礦巷道、水工隧洞、地鐵等地下建筑結(jié)構(gòu)在不同開挖進(jìn)尺與富水程度下的掌子面穩(wěn)定性分析。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明計(jì)算方法的原理示意圖。

圖2是本發(fā)明計(jì)算方法實(shí)施例的折減系數(shù)與隧道拱部支護(hù)力的關(guān)系圖。

圖3是本發(fā)明計(jì)算方法實(shí)施例的不同進(jìn)尺下的安全系數(shù)圖。

圖中：d為隧道開挖高度；r0為掌子面頂部前方破裂的寬度；φ為圍巖不同富水程度下的內(nèi)摩擦角；l為進(jìn)尺，即隧道每次開挖的長(zhǎng)度；h為隧道拱部以上破壞體的高度；c為隧道埋深，即地表到隧道拱頂?shù)拇怪本嚯x；la為圍巖破壞體波及到地表的范圍；v0為拱部坍塌體的速度；vf、vh為掌子面前方破壞體在f點(diǎn)和h點(diǎn)的速度；pv為隧道拱部支護(hù)力；ph為隧道掌子面支護(hù)力。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。

參見圖1，本發(fā)明確定不同富水程度與進(jìn)尺下隧道掌子面穩(wěn)定性的計(jì)算方法，具體步驟如下：

首先，根據(jù)隧道工程概況與圍巖等級(jí)情況，獲得圍巖相關(guān)力學(xué)參數(shù)和隧道開挖的幾何參數(shù)，如上述中的圍巖不同富水程度下的粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ，隧道埋深c、進(jìn)尺l，隧道開挖高度d，圍巖重度γ等。

再進(jìn)行如下計(jì)算：

(1)根據(jù)隧道開挖高度與進(jìn)尺等之間的幾何關(guān)系，確定相關(guān)尺寸關(guān)系式如下：

當(dāng)h-c≤0時(shí)，即圍巖破壞范圍沒有發(fā)展到地表，此時(shí)是深埋，則la＝0；

當(dāng)h-c>0時(shí)，即圍巖破壞范圍波及到地表，此時(shí)是淺埋，則la＝2(h-c)tanφ；

其中：d為隧道開挖高度；r0為掌子面頂部前方破裂的寬度；φ為圍巖不同富水程度下的內(nèi)摩擦角；l為進(jìn)尺，即隧道每次開挖的長(zhǎng)度；h為隧道拱部以上破壞體的高度；c為隧道埋深，即地表到隧道拱頂?shù)拇怪本嚯x；la為圍巖破壞體波及到地表的范圍；

(2)隧道拱部圍巖重力做的功率如下：

wγ1＝0.5γv0[(l+r0)h-la(h-c)]；

式中：wr1為隧道拱部圍巖重力做的功率；γ為圍巖重度；v0為拱部坍塌體的速度；

(3)掌子面前方圍巖重力做的功率為：

式中：wr2為掌子面前方圍巖重力做的功率；

(4)隧道拱部支護(hù)力所做功率為：

式中：wpv為隧道拱部支護(hù)力所做功率；pv為隧道拱部支護(hù)力；

(5)隧道掌子面支護(hù)力所做功率為：

wph＝-phr0v0e^πtanφ＝-kpvr0v0e^πtanφ；

式中：wph為隧道掌子面支護(hù)力所做功率；ph為隧道掌子面支護(hù)力；k為隧道掌子面支護(hù)力與隧道拱頂支護(hù)力的比值；

(6)隧道拱部破壞面的能量耗散率為：

ed1＝c(2h-lacotφ)v0；

式中：ed1為隧道拱部破壞面的能量耗散率；c為圍巖不同富水程度下的粘聚力；

(7)隧道掌子面前方破壞面的能量耗散率為：

ed2＝cr0cotφ(e^πtanφ-1)v0；

式中，ed2為隧道掌子面前方破壞面的能量耗散率；

(8)由能量守恒原理，即外力功率與內(nèi)能耗散功率相等，可以得到：

(9)將步驟(2)至步驟(7)公式帶入步驟(8)公式，可以得到隧道拱部支護(hù)力：

將富水圍巖力學(xué)參數(shù)及隧道開挖尺寸帶入上式，即可求得不同富水程度及不同進(jìn)尺下隧道拱部支護(hù)力pv，并可求得隧道掌子面支護(hù)力ph；

若pv>0，表示需要支護(hù)力，即開挖進(jìn)尺下，圍巖如若不支護(hù)，則會(huì)坍方；若ph≤0，表示不需要支護(hù)力，即開挖進(jìn)尺下，圍巖穩(wěn)定。

進(jìn)一步計(jì)算，基于強(qiáng)度折減法，令：

式中：f為折減系數(shù)，即隧道掌子面的最小穩(wěn)定安全系數(shù)；c'為粘聚力c按f值折減后的粘聚力，為內(nèi)摩擦角φ按f值折減后的內(nèi)摩擦角；

將以上公式中的c'、帶入步驟(9)pv公式的右邊，并令pv＝0，則：

上式是一個(gè)非線性方程，通過(guò)試算或編程可以求得隧道掌子面的最小穩(wěn)定安全系數(shù)f；改變進(jìn)尺和富水情況，則可以得到不同進(jìn)尺和富水程度下的掌子面穩(wěn)定性系數(shù)。

參見圖2、圖3，本發(fā)明的上述計(jì)算方法給出了一個(gè)算例。對(duì)于隧道開挖高度d＝4.56m，內(nèi)摩擦角φ＝15.3°，粘聚力c＝200kpa，隧道埋深c＝10.31m，隧道掌子面支護(hù)力與隧道拱頂支護(hù)力的比值k＝0.75，進(jìn)尺l＝0.5m，由步驟(9)，可以得到隧道拱部支護(hù)力pv＝-118.7707kpa，表示不需要支護(hù)力，即開挖進(jìn)尺下，圍巖穩(wěn)定。

進(jìn)一步，基于強(qiáng)度折減法，可以得到安全系數(shù)為1.88，見圖2。

進(jìn)一步改變進(jìn)尺l的大小，則可以得到不同進(jìn)尺下的安全系數(shù)，見圖3。從圖中可以看出，隨著進(jìn)尺的增大，安全系數(shù)降低。同理，對(duì)于不同含水量下，只要改變相應(yīng)的內(nèi)摩擦角φ，粘聚力c即可。