[发明专利]掌子面锚杆支护设计方法

说明书

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。

技术领域

本发明涉及隧道工程领域，具体而言，涉及一种掌子面锚杆支护设计方法。

背景技术

采用GFRP锚杆加固掌子面是隧道工程中常用的超前支护措施，但还没有相关的设计规范，且目前多根据工程经验确定支护参数，缺乏理论支撑，可能导致安全储备较大或支护参数不足，威胁施工安全并造成资源浪费。

发明内容

本发明实施例提供了一种掌子面锚杆支护设计方法，旨在实现掌子面锚杆定量化设计，为隧道工程中掌子面锚杆支护参数的确定提供理论支撑。

本发明实施例提供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，计算掌子面锚杆支护措施下的稳定系数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：

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