掌子面注浆参数设计方法与流程

本发明涉及隧道工程领域，具体而言，涉及一种掌子面注浆参数设计方法。

背景技术：

掌子面注浆支护是目前隧道工程中常用的超前支护措施，但还没有相关的设计规范，目前多根据工程经验确定注浆参数，缺乏理论支撑，可能导致安全储备较大或注浆参数不足，威胁施工安全并造成资源浪费。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种掌子面注浆参数设计方法，旨在实现掌子面注浆参数定量化设计，为隧道工程中掌子面注浆参数的确定提供理论支撑。

本发明实施例提供了一种掌子面注浆参数设计方法，包括如下步骤：

基于经典楔形体模型，计算掌子面注浆支护措施下的稳定系数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，掌子面稳定系数k的计算公式为：

在式1中，f1、f2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：

fq＝qb(dcotθ0+e)式8

在式2～9中，[k]为掌子面设计稳定系数；fc为滑移面粘聚力合力(n)；fq为掌子面上方围岩压力合力(n)；fw为掌子面滑移体自重(n)；q为围岩压力(pa)；b为掌子面跨度(m)；d为掌子面高度(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(m)；θ0为掌子面破坏角(°)；γ为围岩重度(n/m³)；c为围岩粘聚力(pa)；为围岩内摩擦角(°)；α1为掌子面注浆加固后粘聚力增大系数；β1、β2、β3为与θ0相关的系数；

其中，所述掌子面注浆加固后围岩粘聚力增大系数α1的计算公式为：

式10中，cg为灌浆体粘聚力(pa)；ξ为注浆填充率；lg为注浆范围(m)；

本发明实施例提供了一种掌子面注浆参数设计方法，其中考虑了机械化全断面工法下掌子面破坏模式，采用体积等效法推导了注浆后掌子面前方围岩粘聚力增大系数α1计算公式，采用极限平衡法推导了掌子面稳定系数计算公式，实现了隧道掌子面注浆参数定量化设计。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例提供的掌子面注浆加固示意图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

实施例

大型机械化全断面工法已经成为高速铁路隧道工法的发展方向。全断面开挖对围岩扰动次数少、工序简单、施工效率高，但开挖面积大，掌子面易失稳、塌方，因此目前全断面法主要应用于ⅰ～ⅲ级围岩，软弱围岩条件下，主要采用传统台阶法。掌子面预注浆是目前隧道工程中常用的超前支护措施，但还没有相关的设计规范，目前多根据工程经验确定注浆参数，缺乏理论支撑，可能导致安全储备较大或注浆参数不足，威胁施工安全并造成资源浪费。

合理的掌子面注浆参数，能有效提高掌子面稳定性，也可以降低资源浪费，有利于指导软弱围岩隧道机械化全断面支护方案的设计。

为此，发明人通过长期的研究和实践，提出一种掌子面注浆参数设计方法，旨在实现掌子面注浆参数定量化设计，为隧道工程中掌子面注浆参数的确定提供理论支撑。下面结合附图予以详细说明。

本发明实施例提供了一种掌子面注浆参数设计方法，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，隧道掌子面稳定系数k的计算公式为：

在式1中，f1、f2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：

fq＝qb(dcotθ0+e)式8

在式2～9中，[k]为掌子面设计稳定系数；fc为滑移面粘聚力合力(n)；fq为掌子面上方围岩压力合力(n)；fw为掌子面滑移体自重(n)；q为围岩压力(pa)，具体地，可按照《铁路隧道设计规范》(10503-2016)计算；b为掌子面跨度(m)；d为掌子面高度(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(m)；θ0为掌子面破坏角(°)；γ为围岩重度(n/m3)，具体地，可按照《铁路隧道设计规范》(tb10503)选取；c为围岩粘聚力(pa)，具体地，可按照《铁路隧道设计规范》(tb10503)选取；为围岩内摩擦角(°)，具体地，可按照《铁路隧道设计规范》(tb10503)选取；α1为掌子面注浆加固后围岩粘聚力增大系数；β1、β2、β3为与θ0相关的系数。

需要说明的是，在本发明中，该掌子面稳定系数的计算方法考虑了机械化全断面工法下掌子面破坏模式，采用体积等效法推导了注浆后掌子面前方围岩粘聚力增大系数α1计算公式，采用极限平衡法推导了掌子面稳定系数计算公式，实现了隧道掌子面注浆参数定量化设计。

掌子面注浆后，浆体充填掌子面前方围岩裂隙，通过增强围岩力学参数有效提高掌子面稳定性。发明人实践发现，注浆主要提高围岩的粘聚力，而对围岩内摩擦角影响较小，因此本申请仅考虑掌子面全断面注浆对围岩粘聚力的影响，如图1所示。

采用体积等效法，推导注浆加固后围岩粘聚力增大系数α1计算公式，得出掌子面注浆加固后围岩力学参数增大系数α1的计算公式为：

式10中，cg为灌浆体粘聚力(pa)；ξ——注浆填充率，可参考《铁路工程设计技术手册(隧道)》按表1选取；lg为注浆范围(m)。

表1土质和岩质地层注浆填充率

在具体设计时，可以通过调整灌浆体粘聚力cg以及注浆范围lg的参数，逐步试算是否满足掌子面设计稳定系数[k]要求。

本发明实施例提供了一种掌子面注浆参数设计方法，其中考虑了机械化全断面工法下掌子面破坏模式，采用体积等效法推导了注浆后掌子面前方围岩粘聚力增大系数α1计算公式，采用极限平衡法推导了掌子面稳定系数计算公式，实现了隧道掌子面注浆参数定量化设计。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。