隧道超前支护体系设计方法及隧道超前支护设计方法

1.一种隧道超前支护体系设计方法，其特征在于，包括如下步骤：基于经典楔形体模型，计算掌子面稳定系数K，其中，假设采用全断面法施工，掌子面发生整体破坏，采用微台阶法施工上台阶掌子面发生局部破坏，且破坏面为与水平方向夹角为 的直线，根据极限平衡法，所述掌子面稳定系数K的计算公式为：在式1中，F 1 、F 2 分别为掌子面楔形体抗滑力、下滑力，K为掌子面稳定系数；根据掌子面楔形体水平、竖向静力平衡条件，结合式1推导出掌子面稳定系数K计算公式为：F q ＝qB(Dcotθ 0 +e) 式8在式2～9中，K为掌子面稳定系数；F c 为滑移面粘聚力合力，单位为N；F q 为掌子面上方围岩压力合力，单位为N；F w 为掌子面滑移体自重，单位为N；q为围岩压力，单位为Pa；B为掌子面跨度，单位为m；D为掌子面高度，单位为m，采用微台阶法时，D取上台阶掌子面高度；e为隧道未支护段长度，单位为m；θ 0 为掌子面破坏角，单位为°；γ为围岩重度，单位为N/m 3 ；c为围岩粘聚力，单位为Pa； 为围岩内摩擦角，单位为°；P 1 为掌子面喷射混凝土支护力，单位为N；P 2 为掌子面锚杆支护力，单位为N；α 1 为管棚作用下掌子面前方扰动段围岩压力折减系数；α 2 为掌子面预注浆加固后粘聚力增大系数；β 1 、β 2 、β 3 为与 θ 0 相关的系数；判断未采取超前支护措施时，所述掌子面稳定系数K是否大于掌子面设计稳定系数[K]；若是，则掌子面稳定，可不采取超前支护措施；若否，则增加掌子面喷射混凝土超前支护措施，判断增加所述掌子面喷射混凝土超前支护措施后的掌子面稳定系数K是否大于所述掌子面设计稳定系数[K]；若是，则掌子面稳定，不再增加超前支护措施；若否，则增加超前管棚支护措施，判断增加所述超前管棚支护措施和所述掌子面喷射混凝土超前支护措施后的掌子面稳定系数K是否大于所述掌子面设计稳定系数[K]；若是，则掌子面稳定，不再增加超前支护措施；若否，则增加掌子面锚杆超前支护措施，判断增加所述超前管棚支护措施、所述掌子面喷射混凝土超前支护措施以及所述掌子面锚杆超前支护措施后的掌子面稳定系数K是否大于所述掌子面设计稳定系数[K]；若是，则掌子面稳定，不再增加超前支护措施；若否，则增加掌子面预注浆超前支护措施，判断增加所述超前管棚支护措施、所述掌子面喷射混凝土超前支护措施、所述掌子面锚杆超前支护措施以及所述掌子面预注浆超前支护措施后的掌子面稳定系数K是否大于所述掌子面设计稳定系数[K]；若是，则掌子面稳定，不再增加超前支护措施；若否，则提高各超前支护措施的支护参数，直到掌子面稳定系数K大于所述掌子面设计稳定系数[K]。 2.根据权利要求1所述的隧道超前支护体系设计方法，其特征在于，所述掌子面喷射混凝土支护力P 1 的计算公式为：式10中，t为喷混凝土厚度，单位为m；R 1 为喷混凝土极限抗拉强度，单位为Pa。 3.根据权利要求2所述的隧道超前支护体系设计方法，其特征在于，所述掌子面前方扰动段围岩压力折减系数α 1 的计算公式为：式11中，R q 为掌子面前方扰动段管棚总地基反力，单位为N；S p 为管棚间距，单位为m；L plap 为管棚搭接长度，单位为m；其中，R q 按式12计算：式12中，R qij 为第j开挖步，第i节点管棚地基反力，单位为N；l p 为管棚搭接时，掌子面处管棚节点编号，根据计算模型确定；当L plap ≤Dcotθ 0 ，n p 为管棚搭接时掌子面前方最后一个管棚节点编号，当L plap >Dcotθ 0 时，n p 为管棚搭接时掌子面滑移体破坏面与管棚交点处的管棚节点编号；m p 增量法计算步数，根据计算模型确定；R qij 按式13计算：R qij ＝k ij ω ij d p ΔL p 式13式13中，k ij 为第j开挖步，第i节点管棚基床系数，单位为Pa/m，根据式14、15根据计算模型确定；ω ij 为第j开挖步，第i节点管棚挠度，单位为m；d p 为管棚直径，单位为m；ΔL p 为管棚微段长度，单位为m；初期支护变基床系数按式14计算：式14中，x为管棚节点对应的初期支护龄期，单位为天；k 0 为初期支护稳定基床系数，单位为Pa/m，k 0 ＝q/s 0 ，s 0 为拱顶竖向位移，单位为m；掌子面前方围岩变基床系数按式15计算：式15中，x'为管棚节点距掌子面距离，单位为m；μ为围岩泊松比；k 1 为围岩稳定基床系数，单位为Pa/m；ω ij 按式16～19计算：[A] (j) [ω] (j) ＝[q] (j) 式16[A] (j) ＝[B] (j) +[C] (j) 式18[B] (j) [C] (j) 按式20～25计算：C ij (ω (i+2)j -4ω (i+1)j +6ω ij -4ω (i-1)j +ω (i-2)j )+B ij ω ij ＝q ij 式20EI＝E s I s +E c I c 式23当i＝0时ω -1j ＝2ω 0j -ω 1j 式24ω -2j ＝4ω 0j -4ω 1j +ω 2j当i＝n时ω (n+1)j ＝2ω nj -ω (n-1)j 式25ω (n+2)j ＝4ω nj -4ω (n-1)j +ω (n-2)j式20～25中，EI为管棚抗弯刚度，单位为N·m 2 ；E s 为管棚钢管弹性模量，单位为Pa；E c 为管棚注浆体弹性模量，单位为Pa；I s 为管棚钢管惯性矩，单位为m 4 ；I c 为注浆体惯性矩，单位为m 4 。 4.根据权利要求3所述的隧道超前支护体系设计方法，其特征在于，所述掌子面锚杆支护力P 2 的计算公式为：式26中，P 2i 为掌子面上第i排锚杆支护合力，单位为N；n b 为掌子面锚杆竖向排数；其中，P 2i 按式27～32计算：P 2i ＝m bi ·min(P 21i P 22i P 23i P 24i P 25i ) 式27式27～32中，P 21i 为第一种破坏模式对应的第i排锚杆锚固力，单位为N，其余符号同理；m bi 为第i排掌子面锚杆横向排数；f b 为锚杆抗拉强度，单位为Pa；d b 为锚杆直径，单位为m；f t 为灌浆体抗拉强度设计值，单位为Pa；l Ii 为第i排锚杆在区域I中锚固长度，单位为m；l IIi 为第i排锚杆在区域II中锚杆锚固长度，单位为m；d h 为钻孔直径，单位为m；λ为围岩侧压力系数；另外，l Ii 、l IIi 按式33～35计算；l Ii ＝min(L blapi ，x i ) 式33l IIi ＝max(0，L blapi -x i ) 式34x i ＝y i cotθ 0 式35式33～35中，L blapi 为第i排掌子面锚杆搭接长度，单位为m；y i 为第i排掌子面锚杆纵坐标，单位为m；x i 为第i排掌子面锚杆与破坏面交点的横坐标，单位为m。 5.根据权利要求4所述的隧道超前支护体系设计方法，其特征在于，所述掌子面注浆加固后围岩力学参数增大系数α 2 的计算公式为：式36中，c g 为灌浆体粘聚力，单位为Pa；ξ为注浆填充率，单位为％；L g 为注浆范围，单位为m。 6.一种隧道超前支护设计方法，其特征在于，包括如下步骤：基于经典楔形体模型，计算掌子面稳定系数K，其中，假设采用全断面法施工，掌子面发生整体破坏，采用微台阶法施工上台阶掌子面发生局部破坏，且破坏面为与水平方向夹角为 的直线，根据极限平衡法，所述掌子面稳定系数K的计算公式为：在式37中，F 1 、F 2 分别为掌子面楔形体抗滑力、下滑力，K为掌子面稳定系数；根据掌子面楔形体水平、竖向静力平衡条件，结合式37推导出掌子面稳定系数K计算公式为：F q ＝qB(Dcotθ 0 +e) 式44在式38～45中，K为掌子面稳定系数；F c 为滑移面粘聚力合力，单位为N；F q 为掌子面上方围岩压力合力，单位为N；F w 为掌子面滑移体自重，单位为N；q为围岩压力，单位为Pa；B为掌子面跨度，单位为m；D为掌子面高度，单位为m，采用微台阶法时，D取上台阶掌子面高度；e为隧道未支护段长度，单位为m；θ 0 为掌子面破坏角，单位为°；γ为围岩重度，单位为N/m 3 ；c为围岩粘聚力，单位为Pa； 为围岩内摩擦角，单位为°；P 1 为掌子面喷射混凝土支护力，单位为N；P 2 为掌子面锚杆支护力N；α 1 为管棚作用下掌子面前方扰动段围岩压力折减系数；α 2 为掌子面预注浆加固后粘聚力增大系数；β 1 、β 2 、β 3 为与 θ 0 相关的系数；判断未采取超前支护措施时，所述掌子面稳定系数K是否大于掌子面设计稳定系数[K]；若是，则掌子面稳定，可不采取超前支护措施；若否，则采用掌子面喷射混凝土超前支护措施，判断采用所述掌子面喷射混凝土超前支护措施后的掌子面稳定系数K是否大于所述掌子面设计稳定系数[K]；若是，则掌子面稳定，支护措施及参数合理；若否，则采用超前管棚支护措施，判断采用所述超前管棚支护措施后的掌子面稳定系数K是否大于所述掌子面设计稳定系数[K]；若是，则掌子面稳定，支护措施及参数合理；若否，则采用掌子面锚杆超前支护措施，判断采用所述掌子面锚杆超前支护措施后的掌子面稳定系数K是否大于所述掌子面设计稳定系数[K]；若是，则掌子面稳定，支护措施及参数合理；若否，则采用掌子面预注浆超前支护措施，判断采用所述掌子面预注浆超前支护措施后的掌子面稳定系数K是否大于所述掌子面设计稳定系数[K]；若是，则掌子面稳定，支护措施及参数合理；若否，则提高掌子面预注浆参数以使得所述掌子面稳定系数K大于掌子面设计稳定系数[K]。 7.根据权利要求6所述的隧道超前支护设计方法，其特征在于，所述掌子面喷射混凝土支护力P 1 的计算公式为：式46中，t为喷混凝土厚度，单位为m；R 1 为喷混凝土极限抗拉强度，单位为Pa。 8.根据权利要求7所述的隧道超前支护设计方法，其特征在于，所述掌子面前方扰动段围岩压力折减系数α 1 的计算公式为：式47中，R q 为掌子面前方扰动段管棚总地基反力，单位为N；S p 为管棚间距，单位为m；L plap 为管棚搭接长度，单位为m；其中，R q 按式48计算：式48中，R qij 为第j开挖步，第i节点管棚地基反力，单位为N；l p 为管棚搭接时，掌子面处管棚节点编号，根据计算模型确定；当L plap ≤Dcotθ 0 ，n p 为管棚搭接时掌子面前方最后一个管棚节点编号，当L plap >Dcotθ 0 时，n p 为管棚搭接时掌子面滑移体破坏面与管棚交点处的管棚节点编号；m p 增量法计算步数，根据计算模型确定；R qij 按式49计算：R qij ＝k ij ω ij d p ΔL p 式49式49中，k ij 为第j开挖步，第i节点管棚基床系数，单位为Pa/m，根据式14、15根据计算模型确定；ω ij 为第j开挖步，第i节点管棚挠度，单位为m；d p 为管棚直径，单位为m；ΔL p 为管棚微段长度，单位为m；初期支护变基床系数按式50计算：式50中，x为管棚节点对应的初期支护龄期，单位为天；k 0 为初期支护稳定基床系数，单位为N/m 3 ，k 0 ＝q/s 0 ，s 0 为拱顶竖向位移，单位为m；掌子面前方围岩变基床系数按式51计算：式51中，x'为管棚节点距掌子面距离，单位为m；μ为围岩泊松比；k 1 为围岩稳定基床系数，单位为Pa/m；ω ij 按式52～55计算：[A] (j) [ω] (j) ＝[q] (j) 式52[A] (j) ＝[B] (j) +[C] (j) 式54[B] (j) [C] (j) 按式56～61计算：C ij (ω (i+2)j -4ω (i+1)j +6ω ij -4ω (i-1)j +ω (i-2)j )+B ij ω ij ＝q ij 式56EI＝E s I s +E c I c 式59当i＝0时ω -1j ＝2ω 0j -ω 1j 式60ω -2j ＝4ω 0j -4ω 1j +ω 2j当i＝n时                            式61ω (n+1)j ＝2ω nj -ω (n-1)jω (n+2)j ＝4ω nj -4ω (n-1)j +ω (n-2)j式56～61中，EI为管棚抗弯刚度，单位为N·m 2 ；E s 为管棚钢管弹性模量，单位为Pa；E c 为管棚注浆体弹性模量，单位为Pa；I s 为管棚钢管惯性矩，单位为m 4 ；I c 为注浆体惯性矩，单位为m 4 。 9.根据权利要求8所述的隧道超前支护设计方法，其特征在于，所述掌子面锚杆支护力P 2 的计算公式为：式62中，P 2i 为掌子面上第i排锚杆支护合力，单位为N；n b 为掌子面锚杆竖向排数；其中，P 2i 按式63～68计算：P 2i ＝m bi ·min(P 21i P 22i P 23i P 24i P 25i )         式63式63～68中，P 21i 为第一种破坏模式对应的第i排锚杆锚固力，单位为N，其余符号同理；m bi 为第i排掌子面锚杆横向排数；f b 为锚杆抗拉强度，单位为Pa；d b 为锚杆直径，单位为m；f t 为灌浆体抗拉强度设计值，单位为Pa；l Ii 为第i排锚杆在区域I中锚固长度，单位为m；l IIi 为第i排锚杆在区域II中锚杆锚固长度，单位为m；dh为钻孔直径，单位为m；λ为围岩侧压力系数；另外，l Ii 、l IIi 按式69～71计算；l Ii ＝min(L blapi ，x i ) 式69l IIi ＝max(0，L blapi -x i ) 式70x i ＝y i cotθ 0 式71式69～71中，L blapi 为第i排掌子面锚杆搭接长度，单位为m；y i 为第i排掌子面锚杆纵坐标，单位为m；xi为第i排掌子面锚杆与破坏面交点的横坐标，单位为m。 10.根据权利要求8所述的隧道超前支护设计方法，其特征在于，所述掌子面注浆加固后围岩力学参数增大系数α 2 的计算公式为：式72中，c g 为灌浆体粘聚力，单位为Pa；ξ为注浆填充率，单位为％；L g 为注浆范围，单位为m。