1.一种隧道台阶法的判别方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:
(1)确定隧道的整体开挖高度;
(2)计算隧道一次性开挖高度的最大值;
(3)依据隧道整体开挖高度与最大一次性开挖高度两者间关系,确定隧道开挖是否采用台阶法。
2.根据权利要求1所述的一种隧道台阶法的判别方法,其特征在于,所述步骤(2)中隧道一次性开挖高度最大值的计算包括如下步骤:
1)以隧道的不同塌落类型建立不同的失稳模式;
2)以围岩稳定为控制条件建立失稳判别公式;
3)依据隧道开挖轮廓的几何特征,建立隧道开挖跨度、开挖高度及松散塌落高度间的关系;
4)利用隧道开挖跨度、开挖高度、松散塌落高度三者间的关系及失稳判别公式,计算得出失稳临界状态对应的隧道一次性开挖高度最大值。
3.根据权利要求2所述的一种隧道台阶法的判别方法,其特征在于,所述步骤(1)中塌落类型包括以下三种:
1)隧道拱顶围岩塌落失稳,表现为围岩受拉破坏,将其表述为失稳模式1;
2)隧道拱肩部位滑塌,表现为围岩在拱肩部位发生剪切破坏,将其表述为失稳模式2;
3)隧道边墙部位滑塌,表现为围岩边墙部位发生剪切滑移破坏,将其表述为失稳模式3。
4.根据权利要求3所述的一种隧道台阶法的判别方法,其特征在于:所述失稳模式1中隧道拱顶松散塌落,假定隧道顶部松散塌落范围为一简支梁,以隧道围岩梁弯拉为控制条件计算临界公式,梁内的最大弯矩发生在梁的中部,最大弯矩为:
式中:l为隧道开挖跨度;h为简支梁的厚度,即隧道围岩松散塌落高度;ρg为围岩重度;
根据材料力学中的相关理论,梁截面上的最大拉应力为:
稳定时最大拉应力应当小于围岩抗拉强度值,即最大拉应力应当满足:
σmax≤σt;
式中:σt为隧道围岩抗拉强度设计值;
即:
得出失稳模式1的失稳判别公式为:
5.根据权利要求3所述的一种隧道台阶法的判别方法,其特征在于:所述失稳模式2中围岩梁自身较稳定,而在梁的两端存在软弱坍塌面,以围岩梁端潜在滑移面为控制条件计算临界公式,其中滑移面与水平面夹角为岩石滑移角α:
滑移面内塌落围岩梁的重力g:
g=ρghl+ρgh2cotα;
斜面长为:
根据力学平衡关系得到作用在滑移面的力f分别为:
滑移面上的正应力为:
滑移面按照摩尔库伦准则为判据,所述摩尔库伦准则为:
式中:c为围岩粘聚力;
当τn≤τ,滑移面是稳定的,即:
6.根据权利要求3所述的一种隧道台阶法的判别方法,其特征在于:所述失稳模式3中隧道开挖产生的松散荷载作用于隧道两侧,造成隧道两侧围岩滑移,隧道两侧围岩滑移体上部承受的荷载为:
式中:h为隧道的开挖高度;
边墙三角体自身重量:
滑移面上的正应力为:
滑移面同样按照摩尔库伦准则为判据,可知:
当τn≤τ,滑移面是稳定的,即:
7.根据权利要求4、5或6中任一权利要求所述的一种隧道台阶法的判别方法,其特征在于:隧道开挖轮廓采用弧形轮廓面,隧道开挖跨度l与开挖高度h用抛物线函数关系表述为:
l=f(h);
其中,f为对应的函数关系表达式;
隧道围岩松散塌落高度h取决于隧道开挖跨度l和高度h,可表述为:
h=g(l,h);
其中,g为对应的函数关系表达式;
由上述公式可得:
h=g(f(h),h)=gf(h)。
8.根据权利要求7所述的一种隧道台阶法的判别方法,其特征在于:在隧道安全前提下,隧道围岩松散塌落高度h需满足三种失稳模式的临界公式,即:
由以上公式,计算得到隧道允许一次性开挖高度h的最大值hmax,若隧道整体开挖高度ha大于一次性开挖高度最大值hmax,采用台阶法进行施工。