[发明专利]基于全断面施工软弱破碎围岩工作面加固方法

权利要求书

1.一种基于全断面施工软弱破碎围岩工作面加固方法，其特征在于，包括以下步骤：

S100根据软弱破碎围岩的地质资料和地质调查情况，针对不同的围岩等级制订相应的加固方案，加固方案包括开挖前的超前预加固和开挖后的二次加固；

S200对施工工作面的围岩进行预测，评估围岩等级，根据围岩等级选择对应的加固方案，并先实施超前预加固；所述超前预加固包括设置管棚，安装小导管，进行注浆；

S300进行隧道全断面施工，出渣后实施二次加固；所述二次加固包括设置锚杆，进行二次注浆，喷混凝土；

在S100步骤中，建立隧道的掌子面水平条分模型，进行加固方案模拟，采用极限平衡理论对掌子面稳定性进行分析，根据分析对加固方案进行优化调整；

在S100步骤中，建立掌子失稳破坏模型，进行超前预加固模拟，采用极限分析上限定理，进行未支护及超前预加固的稳定性对比和分析，根据分析对超前预加固进行优化调整；

在S100步骤中，对同一等级围岩制订多个加固方案，建立隧道的掌子面水平条分模型和掌子失稳破坏模型，分别对各加固方案进行模拟，根据模拟进行综合分析，选择最优加固方案；

所述综合分析包括施工安全性分析、施工进度分析以及工程造价分析；

最优加固方案的选择过程如下：

对每个加固方案，分别就施工安全性分析、施工进度分析以及工程造价分析的结果进行评分；

确定施工安全、施工进度以及工程造价的评价权重，根据以下公式计算各加固方案的分值：

W_i＝S_i*K₁+T_i*K₂+C_i*K₃

上式中，W_i表示第i个加固方案的分值；S_i表示第i个加固方案的施工安全性分析结果的评分；K₁表示施工安全的评价权重；T_i表示第i个加固方案的施工进度分析结果的评分；K₂表示施工进度的评价权重；C_i表示第i个加固方案的工程造价分析结果的评分；K₃表示工程造价的评价权重；

选择计算分值最高的加固方案作为最优加固方案；

隧道开挖从两端相向施工，对两端掌子面距离缩小到设定距离接近贯通时的加固方案进行模拟，引入贯通点安全系数对塑性区做应力分析，并以分析结果对贯通前的加固方案进行优化调整；所述贯通点安全系数采用以下公式计算：

上式中，ξ表示贯通点安全系数；c表示粘聚力；σ₁表示塑性区围岩的最大应力；σ₂表示塑性区围岩的最小应力；sin和cos为三角函数；表示围岩摩擦角。

2.根据权利要求1所述的基于全断面施工软弱破碎围岩工作面加固方法，其特征在于，所述施工安全性分析，包括对隧道全断面施工的软弱破碎围岩应力分析、变形分析和塑性分析；在分析过程中，

若加固方案的不符合安全性要求，则对加固方案进行调整后再次进行安全性分析；

若经三次调整仍然不符合安全性要求，则剔除该加固方案。

3.根据权利要求1所述的基于全断面施工软弱破碎围岩工作面加固方法，其特征在于，所述超前预加固采用管棚，并以下面公式计算管棚支护能够承受的极限压力：

上式中，P表示管棚支护能够承受的极限压力；γ表示围岩容重；V_a表示模拟的未支护围岩滑塌速率；l表示模拟的未支护围岩滑塌的厚度；r₀表示管棚加固的弧面半径；l_B表示模拟的未支护围岩滑塌长度；c表示粘聚力；tan和cos为三角函数；表示围岩摩擦角；e表示自然常数；P₁表示未支护段支护力；L表示未支护段长度；μ表示单位高度隧道围岩内管棚支护材料的抗拉强度；

根据计算得到的管棚支护能够承受的极限压力，对管棚超前预加固方式的管材型号选择和设置密度进行优化调整。

4.根据权利要求1所述的基于全断面施工软弱破碎围岩工作面加固方法，其特征在于，所述二次加固采用锚杆、喷混凝土和注浆结合，并以下面公开计算锚杆的直径：

上式中，D表示锚杆的直径；F表示设计拉拔力；k表示锚杆与混凝土的剪切刚度；d表示锚杆与混凝土界面的相对轴向位移，单位为mm；L_固表示锚杆的锚固长度，单位为mm；

选择锚杆直径不小于上述计算结果。