[发明专利]一种无中导连拱隧道后行洞的横向超前支护设计方法

权利要求书

1.一种无中导连拱隧道后行洞的横向超前支护，其特征在于：该无中导连拱隧道后行洞的横向超前支护包括横向超前管棚；所述横向超前管棚包括若注浆管，若干注浆管在先行洞二次衬砌施作前从先行洞靠近后行洞一侧的拱肩处，以横向等间距同轴倾斜排列方式打入围岩；通过注浆管注浆，使浆液与围岩共同组成一个刚度较大的刚性体，同时在刚性体与刚性体之间形成土拱。

2.根据权利要求1所述的无中导连拱隧道后行洞的横向超前支护，其特征在于：所述土拱整体呈扇形，其在两侧拱脚处会形成三角形的受压区。

3.根据权利要求1所述的无中导连拱隧道后行洞的横向超前支护，其特征在于：所述注浆管距离后行洞顶部最近处留有一倍注浆半径的间距。

4.根据权利要求3所述的无中导连拱隧道后行洞的横向超前支护，其特征在于：以先行洞的一侧拱脚为基础通过围岩的内摩擦角建立破裂面，所述注浆管穿过破裂面的长度至少为1m。

5.一种无中导连拱隧道后行洞的横向超前支护的设计方法，该设计方法基于权利要求1-4任一所述的无中导连拱隧道后行洞的横向超前支护，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，根据先行洞的实际开挖尺寸绘制先行洞截面尺寸图，在先行洞截面尺寸图的基础上，依据后行洞的设计尺寸绘制无中导连拱隧道截面尺寸图；

步骤2，在无中导连拱隧道截面尺寸图上，以先行洞的一侧拱脚为基础，通过围岩的内摩擦角，建立破裂面；

步骤3，基于破裂面位置，在无中导连拱隧道截面尺寸图和无中导连拱隧道水平面投影图上，确定横向超前管棚的角度和长度；

步骤4，根据隧道所处的围岩情况、埋深，获得围岩粘聚力c，并计算管棚的注浆半径r及隧道两幅搭接点处的围岩压力；

步骤5，基于注浆半径r进行力学分析，确定注浆管之间形成承载土拱的矢宽L，即注浆半径之间的间距，从而确定以横向等间距同轴倾斜排列的注浆管的间距大小。

6.根据权利要求5所述的无中导连拱隧道后行洞的横向超前支护的设计方法，其特征在于：步骤3中横向超前管棚的角度确定包括竖直面和水平面上的角度确定，具体包括以下步骤：

步骤3.1，在无中导连拱隧道截面尺寸图上，找到先行洞靠近后行洞一侧的拱肩处适宜机械工作的位置点A，以点A为基准，基于横向超前管棚距离后行洞顶部最近处留有一倍注浆半径的间距为原则，确定其在竖直平面的角度β1，以及横向超前管棚的管棚止点与水平面的垂直距离H；

步骤3.2，基于横向超前管棚在竖直平面的角度β1，在无中导连拱隧道截面尺寸图的基础上绘制无中导连拱隧道水平面投影图，在无中导连拱隧道水平面投影图上，以点A为基准，基于注浆管穿过破裂面的长度至少1m为原则，确定其在水平面的角度β2，β2取值范围为30°≥β2≥45°，同时在无中导连拱隧道水平面投影图上，获得横向超前管棚在平面图上的平面投影长度LB；

步骤3.3，基于横向超前管棚的管棚止点与水平面的垂直距离H，以及横向超前管棚在平面图上的平面投影长度LB，通过勾股定理计算横向超前管棚实际长度LC。

7.根据权利要求5所述的无中导连拱隧道后行洞的横向超前支护的设计方法，其特征在于：步骤5中管棚横向超前管棚的每根注浆管注浆后在岩土体中形成直径为B的刚性体，B＝2r；进行力学分析，得到刚性体的最小净距L_min和最大净距L_max，注浆管之间形成承载土拱的矢宽L在刚性体的最小净距L_min和最大净距L_max之间，即符合设计要求。

8.根据权利要求7所述的无中导连拱隧道后行洞的横向超前支护的设计方法，其特征在于：力学分析过程如下：

步骤5.1，刚性体以外松散的岩土体在挤压变形力的作用于两刚性体间，形成矢高为F、矢宽为L的承载土拱，土拱为抛物线形式，公式如下：

y＝4Fx²/L²,0≤x≤L/2

因岩土体的压缩，在土拱的拱脚处会形成三角形的受压区；

步骤5.2，将刚性体简化为矩形，通过公式(1)计算土拱厚度：

式中，b为土拱厚度，B为刚性体直径，θ为三角形的受压区与矩形刚性体之间的夹角，δ为三角形受压区高线与一侧边线夹角；

步骤5.3，三角形受压区高线截面PQ上的轴向压应力为σ，轴向压应力为σ通过公式(2)进行计算；

式中，N为作用在拱脚处拱圈横截面PQ上的轴心压力，q为土拱受到的荷载，即均布压力q1及两洞顶三角区松散荷载qz的合计值；由莫尔-库仑强度理论，拱脚破坏时：

式中，为围岩的内摩擦角，α为先行洞的拱脚与水平方向的夹角；

对式(2)进行三角运算，运算过程如公式(4)：

为求刚性体最大净距，对式(4)求偏导，得土拱矢跨比：

步骤5.4，刚性体最大净距L_max求取过程如下：

将式(5)代入式(4)，得到取刚性体最大净距的轴向压应力为：

根据单向受压状态的莫尔-库仑准则：

式中，c为岩土体粘聚力；

将式(7)代入式(6)，得到刚性体最大净距L_max；

步骤5.5刚性体最小净距L_min求取过程如下：

当土拱矢高FL时，式(4)趋近极大值则刚性体净距处于最下限情况，同理能够计算出刚性体最小净距L_min；

步骤5.6，当刚性体净距小于L_min，管棚将有所浪费，因此刚性体净距L满足L_minLL_max即可，管棚间距B+L满足B+L_minB+LB+L_max即可。