確定不同富水程度與進尺下隧道掌子面穩定性的計算方法與流程
本發明屬于隧道施工技術領域，具體涉及一種確定不同富水程度與進尺下隧道掌子面穩定性的計算方法。
背景技術：
穩定性問題是隧道與地下工程的一個重要和基本的研究內容，主要涉及圍巖和支護結構兩個方面，而圍巖自身，特別是開挖掌子面附近圍巖的穩定性尤其重要，如果掌子面不穩定，施工是不可能進行的。隧道工程，地質是起決定性的，而水(地下水及地表降水等)更是加劇了掌子面的破壞，隧道的“十坍九水”，就可說明問題。掌子面附近圍巖穩定性是目前隧道工程，特別是軟弱破碎段富水隧道及水下隧道施工面臨的關鍵問題和核心控制因素，越來越多地引起了學術界和工程界的高度關注，很多基礎和應用問題亟待解決。目前對盾構法隧道開挖面穩定的研究很多，主要采用降低支護壓力比、極限分析上限法和極限平衡法等；而對礦山法隧道掌子面的穩定研究還不多，特別是富水地層的研究很少。這不能滿足我國現在有很多富水地層及水下隧道修建的現實需求。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種確定不同富水程度與進尺下隧道掌子面穩定性的計算方法。發明的計算方法可以判斷開挖進尺是否合理，評估不同富水程度下掌子面的安全性，如圍巖富水程度過高而導致掌子面失穩；并可獲得維護掌子面穩定所需要的支護力，從而為掌子面的支護加固提供參考。
本發明的確定不同富水程度與進尺下隧道掌子面穩定性的計算方法，包括如下順序的步驟：
(1)確定兩個幾何關系式如下：
當h-c≤0時，即圍巖破壞范圍沒有發展到地表，此時是深埋，則la＝0；
當h-c>0時，即圍巖破壞范圍波及到地表，此時是淺埋，則la＝2(h-c)tanφ；
其中：d為隧道開挖高度；r0為掌子面頂部前方破裂的寬度；φ為圍巖不同富水程度下的內摩擦角；l為進尺，即隧道每次開挖的長度；h為隧道拱部以上破壞體的高度；c為隧道埋深，即地表到隧道拱頂的垂直距離；la為圍巖破壞體波及到地表的范圍；
(2)隧道拱部圍巖重力做的功率如下：
wγ1＝0.5γv0[(l+r0)h-la(h-c)]；
式中：wr1為隧道拱部圍巖重力做的功率；γ為圍巖重度；v0為拱部坍塌體的速度；
(3)掌子面前方圍巖重力做的功率為：
式中：wr2為掌子面前方圍巖重力做的功率；
(4)隧道拱部支護力所做功率為：
式中：wpv為隧道拱部支護力所做功率；pv為隧道拱部支護力；
(5)隧道掌子面支護力所做功率為：
wph＝-phr0v0eπtanφ＝-kpvr0v0eπtanφ；
式中：wph為隧道掌子面支護力所做功率；ph為隧道掌子面支護力；k為隧道掌子面支護力與隧道拱頂支護力的比值；
(6)隧道拱部破壞面的能量耗散率為：
ed1＝c(2h-lacotφ)v0；
式中：ed1為隧道拱部破壞面的能量耗散率；c為圍巖不同富水程度下的粘聚力；
(7)隧道掌子面前方破壞面的能量耗散率為：
ed2＝cr0cotφ(eπtanφ-1)v0；
式中，ed2為隧道掌子面前方破壞面的能量耗散率；
(8)由能量守恒原理，即外力功率與內能耗散功率相等，可以得到：
(9)將步驟(2)至步驟(7)公式帶入步驟(8)公式，可以得到隧道拱部支護力：
將富水圍巖力學參數及隧道開挖尺寸帶入上式，即可求得不同富水程度及不同進尺下隧道拱部支護力pv，并可求得隧道掌子面支護力ph；
若pv>0，表示需要支護力，即開挖進尺下，圍巖如若不支護，則會坍方；若ph≤0，表示不需要支護力，即開挖進尺下，圍巖穩定。
進一步，基于強度折減法，令：
式中：f為折減系數，即隧道掌子面的最小穩定安全系數；c'為粘聚力c按f值折減后的粘聚力，
將以上公式中的c'、
上式是一個非線性方程，通過試算或編程可以求得隧道掌子面的最小穩定安全系數f；改變進尺和富水情況，則可以得到不同進尺和富水程度下的掌子面穩定性系數。
本發明為確定不同富水程度與進尺下隧道掌子面穩定性提供了計算方法；據此可以判斷開挖進尺是否合理，評估不同富水程度下掌子面的安全性，如圍巖富水程度過高而導致掌子面失穩；并可獲得維護掌子面穩定所需要的支護力，從而為掌子面的支護加固提供參考。本發明的方法，亦可以應用于采礦巷道、水工隧洞、地鐵等地下建筑結構在不同開挖進尺與富水程度下的掌子面穩定性分析。
附圖說明
圖1是本發明計算方法的原理示意圖。
圖2是本發明計算方法實施例的折減系數與隧道拱部支護力的關系圖。
圖3是本發明計算方法實施例的不同進尺下的安全系數圖。
圖中：d為隧道開挖高度；r0為掌子面頂部前方破裂的寬度；φ為圍巖不同富水程度下的內摩擦角；l為進尺，即隧道每次開挖的長度；h為隧道拱部以上破壞體的高度；c為隧道埋深，即地表到隧道拱頂的垂直距離；la為圍巖破壞體波及到地表的范圍；v0為拱部坍塌體的速度；vf、vh為掌子面前方破壞體在f點和h點的速度；pv為隧道拱部支護力；ph為隧道掌子面支護力。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細的描述。
參見圖1，本發明確定不同富水程度與進尺下隧道掌子面穩定性的計算方法，具體步驟如下：
首先，根據隧道工程概況與圍巖等級情況，獲得圍巖相關力學參數和隧道開挖的幾何參數，如上述中的圍巖不同富水程度下的粘聚力c、內摩擦角φ，隧道埋深c、進尺l，隧道開挖高度d，圍巖重度γ等。
再進行如下計算：
(1)根據隧道開挖高度與進尺等之間的幾何關系，確定相關尺寸關系式如下：
當h-c≤0時，即圍巖破壞范圍沒有發展到地表，此時是深埋，則la＝0；
當h-c>0時，即圍巖破壞范圍波及到地表，此時是淺埋，則la＝2(h-c)tanφ；
其中：d為隧道開挖高度；r0為掌子面頂部前方破裂的寬度；φ為圍巖不同富水程度下的內摩擦角；l為進尺，即隧道每次開挖的長度；h為隧道拱部以上破壞體的高度；c為隧道埋深，即地表到隧道拱頂的垂直距離；la為圍巖破壞體波及到地表的范圍；
(2)隧道拱部圍巖重力做的功率如下：
wγ1＝0.5γv0[(l+r0)h-la(h-c)]；
式中：wr1為隧道拱部圍巖重力做的功率；γ為圍巖重度；v0為拱部坍塌體的速度；
(3)掌子面前方圍巖重力做的功率為：
式中：wr2為掌子面前方圍巖重力做的功率；
(4)隧道拱部支護力所做功率為：
式中：wpv為隧道拱部支護力所做功率；pv為隧道拱部支護力；
(5)隧道掌子面支護力所做功率為：
wph＝-phr0v0eπtanφ＝-kpvr0v0eπtanφ；
式中：wph為隧道掌子面支護力所做功率；ph為隧道掌子面支護力；k為隧道掌子面支護力與隧道拱頂支護力的比值；
(6)隧道拱部破壞面的能量耗散率為：
ed1＝c(2h-lacotφ)v0；
式中：ed1為隧道拱部破壞面的能量耗散率；c為圍巖不同富水程度下的粘聚力；
(7)隧道掌子面前方破壞面的能量耗散率為：
ed2＝cr0cotφ(eπtanφ-1)v0；
式中，ed2為隧道掌子面前方破壞面的能量耗散率；
(8)由能量守恒原理，即外力功率與內能耗散功率相等，可以得到：
(9)將步驟(2)至步驟(7)公式帶入步驟(8)公式，可以得到隧道拱部支護力：
將富水圍巖力學參數及隧道開挖尺寸帶入上式，即可求得不同富水程度及不同進尺下隧道拱部支護力pv，并可求得隧道掌子面支護力ph；
若pv>0，表示需要支護力，即開挖進尺下，圍巖如若不支護，則會坍方；若ph≤0，表示不需要支護力，即開挖進尺下，圍巖穩定。
進一步計算，基于強度折減法，令：
式中：f為折減系數，即隧道掌子面的最小穩定安全系數；c'為粘聚力c按f值折減后的粘聚力，
將以上公式中的c'、
上式是一個非線性方程，通過試算或編程可以求得隧道掌子面的最小穩定安全系數f；改變進尺和富水情況，則可以得到不同進尺和富水程度下的掌子面穩定性系數。
參見圖2、圖3，本發明的上述計算方法給出了一個算例。對于隧道開挖高度d＝4.56m，內摩擦角φ＝15.3°，粘聚力c＝200kpa，隧道埋深c＝10.31m，隧道掌子面支護力與隧道拱頂支護力的比值k＝0.75，進尺l＝0.5m，由步驟(9)，可以得到隧道拱部支護力pv＝-118.7707kpa，表示不需要支護力，即開挖進尺下，圍巖穩定。
進一步，基于強度折減法，可以得到安全系數為1.88，見圖2。
進一步改變進尺l的大小，則可以得到不同進尺下的安全系數，見圖3。從圖中可以看出，隨著進尺的增大，安全系數降低。同理，對于不同含水量下，只要改變相應的內摩擦角φ，粘聚力c即可。
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