一种破碎软岩隧洞超前支护体系参数设计方法

本发明涉及隧洞超前支护加固，具体地指一种破碎软岩隧洞超前支护体系参数设计方法。

背景技术：

1、隧洞穿越断层破碎带等不良地质构造时，易遭遇掌子面塌方、挤出变形等工程问题，为预防相关问题需要采取一些超前支护措施，如超前注浆管棚或小导管、掌子面锚杆等。然而，围绕隧洞超前支护体系设计，现有技术方法存在不足。比如，新奥法是以掌子面后方的已开挖洞段作为研究对象，将已开挖洞段简化为厚壁圆筒力学计算模型，可用于初期支护设计，不涉及超前支护。新意法强调超前核心土的作用，对超前支护设计有一定参考，但欠缺力学计算模型，不便于定量化分析。另外，软弱破碎洞段的周边围岩和掌子面超前核心土，其围岩自承能力极其有限，超出了新奥法和新意法的适用条件，需要采用强支护并考虑支护结构的承载力。利用上述现有技术进行破碎软岩隧洞的超前支护体系参数设计的结果准确性较低，容易发生过度超前支护或超前支护不足的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的就是，提出一种破碎软岩隧洞超前支护体系参数设计方法，对于在破碎软岩中掘进的隧洞，考虑其超前支护结构各自的承载机理以及相互协同作用，建立适用性强且定量化的超前支护体系参数设计方法。

2、为了解决上述问题，本发明提供一种破碎软岩隧洞超前支护体系参数设计方法，包括：

3、s1、获取掌子面岩体力学参数，判断掌子面前方是否需要采取超前支护；

4、s2、基于满足管棚截面和管棚之间围岩的承载力要求，计算并确定管棚环向间距和管棚截面尺寸参数；基于控制管壁与围岩最大接触压力，计算管棚最小搭接长度；基于经济性限制管棚最大搭接层数，确定管棚排距；

5、s3、根据管棚排距判断是否需要在管棚之间添加小导管；

6、s4、基于等分管棚排距初步确定小导管排距和小导管上部压力，计算并确定小导管的环向间距、直径、最小搭接长度；基于经济性限制小导管最大搭接层数，复核小导管排距；

7、s5、基于控制掌子面正前方岩体的稳定，计算掌子面锚杆设计参数。

8、进一步地，步骤s1中，判断掌子面前方是否需要采取超前支护的方法包括：当掌子面的岩石饱和单轴抗压强度不超过15mpa且岩体完整性指数不超过0.35时，判断隧洞前方为破碎软岩且有必要采取超前支护。

9、进一步地，步骤s2包括：

10、s21、初步选取管棚截面尺寸参数，基于满足选取的管棚截面的承载力要求，计算管棚环向间距的取值范围；

11、s22、基于满足管棚之间围岩的承载力要求，计算管棚环向间距的取值范围；

12、s23、综合步骤s21和s22计算的管棚环向间距的取值范围，取管棚环向间距的取值范围中的最大值作为管棚环向间距；

13、s24、根据管棚环向间距，基于控制管壁与围岩最大接触压力，计算管棚最小搭接长度；

14、s25、基于经济性限制管棚最大搭接层数，确定管棚排距。

15、进一步地，步骤s21中，满足选取的管棚截面的承载力要求的计算公式为：

16、

17、其中，mu、vu为管棚的受弯、受剪承载力设计值，取决于管棚所用钢管及管内注浆材料的尺寸和强度，k1为大于1的安全系数，m、v为主要下沉段端部弯矩和剪力，根据两端固支梁模型，lθ为管棚环向间距，lcav为单次开挖进尺，lloose为掌子面松弛区深度，(lcav+lloose)为主要下沉段长度，pv为竖向松散围岩压力；

18、步骤s22中，满足管棚之间围岩的承载力要求的计算公式为：

19、

20、其中，lθ为管棚环向间距，r为浆液扩散半径，lθ＞2r时忽略注浆对围岩加固效果，此时管棚之间冒落拱为椭圆形，(lθ-d)为管棚之间冒落拱宽度，b为允许冒落拱高度，b不大于0.5m，d为管棚直径，λ为侧压力系数，lθ≤2r时考虑注浆对围岩加固效果，此时应防止管棚之间注浆后围岩冲切破坏，c1和是注浆后围岩的黏聚力和内摩擦角，s为注浆加固围岩的有效厚度，根据几何关系，k2为大于1的安全系数。

21、进一步地，步骤s24中，控制管壁与围岩最大接触压力按照下列公式计算：

22、

23、其中，σmax为管棚管壁与围岩最大接触压力，lcover为管棚最小搭接长度，lloose为掌子面松弛区深度，d为管棚直径，m、v为主要下沉段端部弯矩和剪力，σc为围岩单轴抗压强度，k3为大于1的安全系数，lθ＞2r时忽略注浆对围岩加固效果，lθ≤2r时考虑注浆对围岩加固效果，c、是天然状态围岩的黏聚力和内摩擦角，c1和是注浆后围岩的黏聚力和内摩擦角。

24、进一步地，步骤s25包括：计算管棚排距lrow＝nlcav，若其中n为单排管棚支护下进尺数量，m为最大搭接层数，则以lrow作为最终管棚排距。

25、进一步地，步骤s3包括：判断lrow tanβ≥2r是否成立，若是，则需要在管棚之间添加小导管，其中β为管棚外插角。

26、进一步地，步骤s4包括：

27、s41、等分管棚排距初步确定小导管排距，计算小导管上部压力；

28、s42、初步选取小导管截面尺寸参数，基于满足小导管截面的承载力要求，计算小导管环向间距的取值范围；

29、s43、基于满足小导管之间围岩的承载力要求，计算小导管环向间距的取值范围；

30、s44、根据步骤s42和s43计算的小导管环向间距的取值范围，取小导管环向间距的取值范围中的最大值作为小导管环向间距；

31、s45、根据小导管环向间距，基于控制管壁与围岩最大接触压力，计算小导管最小搭接长度；

32、s46、基于经济性限制小导管最大搭接层数，复核小导管排距。

33、进一步地，步骤s5包括：

34、s51、根据掌子面松弛区岩体稳定的平衡条件计算掌子面锚杆合力；

35、s52、基于满足锚杆承载力要求，计算锚杆的截面积、周长、间距和最小搭接长度；

36、s53、基于经济性限制锚杆最大搭接层数，确定锚杆排距。

37、进一步地，步骤s51中，计算掌子面锚杆合力的公式为：

38、

39、其中，n为掌子面锚杆合力，g为掌子面正前方松动区岩体重力，g＝γahlii；

40、步骤s52中，满足锚杆承载力要求的计算公式为：

41、

42、其中，tu为锚杆拉力设计值，综合锚杆截面和锚固段界面强度，从tu＝fa和之中取较小值，f为杆体抗拉强度，a为锚杆截面积，c为锚杆周长，q为锚固段界面抗剪强度，lboltcover为锚杆最小搭接长度，lloose为掌子面松弛区深度，k4为不大于1的安全系数，a为掌子面一半宽度，h为掌子面高度，sa、sh为掌子面锚杆水平和竖向的间距。

43、本发明的优点在于：

44、(1)本发明适用于破碎软岩隧洞采取多种超前支护结构的情况，比如超前注浆管棚、小导管、掌子面锚杆，并且对是否考虑注浆对围岩加固效应、是否添加小导管提出了判别条件，确保超前支护体系的全面性和灵活性；此外通过对搭接排数的限定，在保证隧洞稳定的前提下尽可能减少施工成本；

45、(2)本发明既利用掌子面锚杆控制掌子面正前方岩体的稳定，又通过超前注浆管棚和小导管控制掌子面顶板的稳定，相比新意法侧重于超前核心土而有所拓展；

46、(3)本发明针对掌子面锚杆受拉、管棚与小导管受弯剪、及其注浆对围岩加固效应，根据其各自承载特性，均建立了定量化分析方法，有利于提高超前支护体系设计的精确性。