[发明专利]确定不同富水程度与进尺下隧道掌子面稳定性的计算方法

权利要求书

1.一种确定不同富水程度与进尺下隧道掌子面稳定性的计算方法，其特征在于包括如下顺序的步骤：

(1)确定两个几何关系式如下：

当h-C≤0时，即围岩破坏范围没有发展到地表，此时是深埋，则l_a＝0；

当h-C>0时，即围岩破坏范围波及到地表，此时是浅埋，则l_a＝2(h-C)tanφ；

其中：D为隧道开挖高度；r₀为掌子面顶部前方破裂的宽度；φ为围岩不同富水程度下的内摩擦角；L为进尺，即隧道每次开挖的长度；h为隧道拱部以上破坏体的高度；C为隧道埋深，即地表到隧道拱顶的垂直距离；l_a为围岩破坏体波及到地表的范围；

(2)隧道拱部围岩重力做的功率如下：

W_γ1＝0.5γv₀[(L+r₀)h-l_a(h-C)]；

式中：W_r1为隧道拱部围岩重力做的功率；γ为围岩重度；v₀为拱部坍塌体的速度；

(3)掌子面前方围岩重力做的功率为：

式中：W_r2为掌子面前方围岩重力做的功率；

(4)隧道拱部支护力所做功率为：

式中：W_pv为隧道拱部支护力所做功率；p_v为隧道拱部支护力；

(5)隧道掌子面支护力所做功率为：

式中：W_ph为隧道掌子面支护力所做功率；p_h为隧道掌子面支护力；K为隧道掌子面支护力与隧道拱顶支护力的比值，在隧道开挖进尺前，是侧压力系数，其值确定方法是：根据地应力测试确定或者岩土工程勘察报告中的数值；无实测数据，则根据弹性理论推导的公式其中μ为泊松比；对于土质隧道，按其中为土体内摩擦角；

(6)隧道拱部破坏面的能量耗散率为：

E_D1＝c(2h-l_a cotφ)v₀；

式中：E_D1为隧道拱部破坏面的能量耗散率；c为围岩不同富水程度下的粘聚力；

(7)隧道掌子面前方破坏面的能量耗散率为：

式中，E_D2为隧道掌子面前方破坏面的能量耗散率；

(8)由能量守恒原理，即外力功率与内能耗散功率相等，可以得到：

(9)将步骤(2)至步骤(7)公式带入步骤(8)公式，可以得到隧道拱部支护力：

将富水围岩力学参数及隧道开挖尺寸带入上式，即可求得不同富水程度及不同进尺下隧道拱部支护力p_v，并可求得隧道掌子面支护力p_h；

若p_v>0，表示需要支护力，即开挖进尺下，围岩如若不支护，则会坍方；若p_h≤0，表示不需要支护力，即开挖进尺下，围岩稳定。

2.根据权利要求1所述确定不同富水程度与进尺下隧道掌子面稳定性的计算方法，其特征在于：

基于强度折减法，令：

式中：F为折减系数，即隧道掌子面的最小稳定安全系数；c'为粘聚力c按F值折减后的粘聚力，为内摩擦角φ按F值折减后的内摩擦角；

将以上公式中的c'、带入步骤(9)p_v公式的右边，并令p_v＝0，则：

上式是一个非线性方程，通过试算或编程可以求得隧道掌子面的最小稳定安全系数F；改变进尺和富水情况，则可以得到不同进尺和富水程度下的掌子面稳定性系数。