一种软弱破碎地层隧洞超前注浆管棚的参数设计方法

本发明涉及隧洞超前支护加固，具体地指一种软弱破碎地层隧洞超前注浆管棚的参数设计方法。

背景技术：

1、在软弱破碎地层中掘进隧洞时，极易发生掌子面塌方，给隧洞施工安全性、经济性和工期等带来不利影响，因此需要采取超前注浆管棚对掌子面进行预先支护加固。

2、通常认为管棚具有“注浆加固”、“拱”、“梁”等支护加固效应。管棚注浆加固效应方面，浆液除了充填管内，还在围岩内扩散凝结，改善围岩局部的力学性质，现有技术常采用数值模拟加以考虑，尚难以快速简便地进行定量分析。拱效应方面，已有的普氏拱模型仅存在单个方向的压力，这与隧洞截面内为两向应力状态的情况不符。另外，有的掌子面塌方至地表下沉，有的可成拱而仅局部坍塌，有待予以区分。梁效应方面，根据弹性地基梁模型，管棚嵌入围岩的部分其挠度沿管长变化，因而其反力或称为接触压力也发生变化。然而，弹性地基梁模型应用于管棚时计算过程复杂，并且属于弹性范畴，而软弱破碎地层易受压屈服。总之，针对软弱破碎地层的隧洞，现有技术在考虑管棚的几种支护加固效应时存在上述不足，导致缺乏适用的超前注浆管棚参数设计方法。

技术实现思路

1、本发明的目的就是，提出一种软弱破碎地层隧洞超前注浆管棚的参数设计方法，针对位于软弱破碎地层的隧洞，考虑了“注浆加固”、“拱”、“梁”等支护加固效应，提出了超前注浆管棚参数设计方法，计算结果准确合理。

2、为了解决上述问题，本发明提供一种软弱破碎地层隧洞超前注浆管棚的参数设计方法，包括：

3、s1、计算管棚的主要下沉段的长度；

4、s2、基于主要下沉段的管棚截面承载力要求以及管棚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；

5、s3、采用线性变化假定和平衡条件分析掌子面稳定区的管棚接触压力，基于掌子面稳定区的管棚接触压力最大值不超过围岩单轴抗压强度，计算掌子面稳定区的管棚最小嵌入长度；

6、s4、计算管棚的最小搭接长度和排距，确定管棚的总长度。

7、进一步地，步骤s1中，管棚的主要下沉段的长度＝li+lii，其中，li为单次开挖进尺，lii为掌子面松弛区深度；

8、单次开挖进尺li的计算公式为：

9、

10、其中，li与拱架间距相等，(li-w)为拱架之间冒落拱宽度，w为拱架宽度，b为冒落拱高度，b不大于0.5m，(1+λ)/2为洞轴线方向应力与竖向应力之比的预计值，λ为侧压力系数；

11、掌子面松弛区深度lii的计算公式为：

12、

13、其中，σv为自重应力，σv＝γh，pv为竖向松散围岩压力，pv>iσv时，掌子面松弛区范围较大，掌子面的破裂面为一个顺倾的破裂面，pv≤iσv时，掌子面松弛区范围较小，掌子面的破裂面为一个顺倾和一个反倾的破裂面，为掌子面与破裂面之间夹角。

14、进一步地，步骤s2包括：

15、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；

16、s22、基于满足管棚间围岩的承载力要求，计算管棚环向间距的取值范围；

17、s23、根据步骤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。

18、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：

19、

20、其中，mu、vu为管棚的受弯、受剪承载力设计值，取决于管棚所用钢材和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，li为单次开挖进尺，lii为掌子面松弛区深度，(li+lii)为主要下沉段长度，pv为竖向松散围岩压力；

21、进一步地，步骤s22中，满足管棚间围岩的承载力要求的计算公式为：

22、

23、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。

24、进一步地，步骤s3包括：

25、s31、将管棚进入掌子面稳定区的部分受到的压力视为线性变化，计算掌子面稳定区管棚接触压力σx，x为管棚进入掌子面稳定区部分的某点与掌子面稳定区起点的距离；

26、s32、结合管棚主要下沉段的端部剪力和弯矩，对管棚进入掌子面稳定区部分采用受力平衡进行分析；

27、s33、基于掌子面稳定区的管棚接触压力最大值不超过围岩单轴抗压强度，计算掌子面稳定区的管棚最小嵌入长度，计算两排管棚的最小搭接长度。

28、进一步地，步骤s31中，掌子面稳定区管棚接触压力的计算公式为：

29、

30、其中，σx为掌子面稳定区管棚接触压力，σa为管棚进入掌子面稳定区起点的管棚接触压力，σb为管棚进入掌子面稳定区终点的管棚接触压力，liii为掌子面稳定区管棚最小嵌入长度。

31、进一步地，步骤s32中，对管棚进入掌子面稳定区部分采用受力平衡进行分析可得：

32、

33、其中，d为管棚直径，v、m分别为管棚主要下沉段的端部剪力和弯矩。

34、进一步地，步骤s33包括：

35、掌子面稳定区的管棚接触压力最大值σmax应满足：

36、

37、其中，σmax为接触压力最大值，根据公式(5)和公式(6)其等于掌子面稳定区起点的管棚接触压力σa，σc为围岩单轴抗压强度，k3为大于1的安全系数，lθ＞2r时忽略管棚注浆对围岩加固效果时，lθ≤2r时考虑管棚注浆对围岩加固效果时，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；

38、根据公式(7)确定掌子面稳定区管棚最小嵌入长度liii。

39、进一步地，步骤s4包括：

40、计算管棚的最小搭接长度lcover＝lii+liii；

41、管棚的排距根据以下公式计算：

42、lrow＝nli≥lcover                   (8)

43、其中，lrow为管棚排距，li为单次开挖进尺，n为单排管棚支护下掌子面开挖进尺数量；

44、管棚的总长度ltotal＝lrow+lcover。

45、本发明的优点在于：

46、(1)针对拱架之间或管棚之间的围岩冒落成拱，本发明采用的椭圆形冒落拱模型具有侧压力系数这一参数，与隧洞截面内为两向应力状态的情况相符，而现有技术常用的普氏拱仅有一个方向的压力，因此本发明获得的单次开挖进尺和管棚环向间距相对更准确；另外，本发明从拱的高宽关系入手，限制拱的冒落程度和规模，计算简便且物理意义明确。

47、(2)针对掌子面破裂面，现有技术普遍考虑一个顺倾破裂面的情况，本发明补充了兼有顺倾破裂面与反倾破裂面的情况，两种情况下获得的掌子面松弛区深度不同，并且给出了两种情况的适用条件。

48、(3)本发明提出了忽略和考虑管棚注浆对围岩加固效果的两种情况及适用条件，可以快速定量分析管棚注浆对围岩加固效果。

49、(4)本发明采用线性变化假定和平衡条件可以方便获得非均匀的管棚接触压力，并且与围岩强度相比，考虑了软弱破碎地层易受压屈服的特点。