[发明专利]一种评估隧道存在软弱夹层下掌子面稳定性的方法

说明书

本发明公开了一种评估隧道存在软弱夹层下掌子面稳定性的方法。本发明主要包括，(1)根据隧道埋深、围岩条件、隧道开挖跨度、地表超载，确定隧道掌子面破坏体顶部的竖向压力；(2)计算掌子面沿着软弱夹层破坏的安全系数；(3)计算掌子面沿着围岩内部破坏的安全系数；(4)确定掌子面稳定安全系数。本发明可以评估不同软弱夹层的位置、不同软弱夹层的倾角以及不同软弱夹层力学参数下的掌子面稳定安全系数；亦可以分析隧道埋深、开挖跨度、地表超载等对掌子面的稳定影响，解决了该地层稳定性评估难的问题，有利于提前采取应对措施。

技术领域

本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一种评估隧道存在软弱夹层下掌子面稳定性的方法。

背景技术

隧道施工周围的围岩一般是岩体，其由岩石与结构面组成。结构面中的软弱夹层，其结合力差，隧道施工中易发生较大变形，初期支护受软弱夹层影响呈不协调的变形分布形态，从而易引起支护结构破坏，甚至洞室整体发生失稳破坏、掌子面塌方等。

目前对软弱夹层的研究主要集中在单个含软弱夹层的隧道案例分析，以及不同夹层情况对隧道洞身变形受力的影响分析，采用方法大部分是数值模拟方法；而关于软弱夹层对掌子面的稳定影响的文献报道很少，特别是软弱夹层下掌子面稳定性的理论分析方面很少。掌子面的稳定是隧道安全施工的前提，如何判断掌子面是否稳定是建设单位、设计单位，特别是施工单位所关注的。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述技术问题，提供一种评估隧道存在软弱夹层下掌子面稳定性的方法。

本发明的上述目的是通过如下的技术方案来实现的：

该评估隧道存在软弱夹层下掌子面稳定性的方法，包括如下步骤：

(1)根据隧道埋深、围岩条件、隧道开挖跨度、地表超载，确定隧道掌子面破坏体顶部的竖向压力，其按下式计算：

其中，p为隧道掌子面破坏体顶部的竖向压力；γ为掌子面围岩重度；b为隧道开挖跨度的一半；H为隧道埋深，即地表到隧道拱顶的垂直距离；σ_s为地表超载；λ为侧压力系数；φ₀为掌子面围岩的似摩擦角，其由下式确定：

其中，为掌子面围岩内摩擦角；

(2)计算掌子面沿着软弱夹层破坏的安全系数，其包括如下步骤：

(Ⅰ)计算沿着软弱夹层的下滑力，其按下式计算：

其中，F_{夹层下滑力}为软弱夹层的下滑力；h为掌子面软弱夹层位置到隧道拱顶的距离；θ为软弱夹层的倾角；

(Ⅱ)计算软弱夹层的抗滑力，其按下式计算：

其中，F_{夹层抗滑力}为软弱夹层的抗滑力；c_夹层为软弱夹层的黏聚力；为软弱夹层的内摩擦角；

(Ⅲ)计算掌子面沿着软弱夹层破坏的安全系数，其按下式计算：

其中，K_夹层为掌子面沿着软弱夹层破坏的安全系数；

(3)计算掌子面沿着围岩内部破坏的安全系数，其包括如下步骤：

(Ⅰ)计算围岩内部的下滑力，其按下式计算：

其中，F_{围岩内下滑力}为围岩内破坏的下滑力；α为围岩内的破裂角，其按下式计算：