一种判断不同富水程度和饱水时间下掌子面稳定性的方法

摘要

本发明公开了一种判断不同富水程度和饱水时间下掌子面稳定性的方法。本发明方法主要包括如下步骤：对隧道掌子面处的围岩做室内试验，获取各富水程度以及饱水时间下的强度参数，并对围岩强度与富水程度以及饱水时间关系进行拟合；根据隧道埋深、开挖尺寸等参数，确定隧道埋深、开挖尺寸与破坏范围之间的几何关系；依据能量守恒原理，求得支护力表达式；然后结合强度折减法对围岩参数进行折减，使得支护力为零，则此时的折减系数即为掌子面稳定性系数；进一步可以得到不同富水程度以及饱水时间下掌子面稳定性系数。本发明为判断富水隧道掌子面稳定性提供了计算方法，据此可以评估不同富水程度下以及不同饱水时间下掌子面的安全性。

说明书

技术领域

本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一种判断不同富水程度和饱水时间下掌子面稳定性的方法。

背景技术

掌子面附近围岩稳定性是目前隧道工程，特别是软弱破碎段富水隧道及水下隧道施工面临的关键问题和核心控制因素。因掌子面不稳定而发生的坍方事故常见报道，如长沙营盘路隧道掌子面坍方、杀虎口隧道坍方、南山隧道坍方等事故；因此，越来越多地引起了学术界和工程界的高度关注，很多基础和应用问题亟待解决。目前对盾构法隧道开挖面稳定的研究很多，主要是采用降低支护压力比、极限分析上限法和极限平衡法等；而对矿山法隧道掌子面的稳定研究还不多，特别是富水地层的研究很少。这种状况不能满足我国现在有很多富水地层及水下隧道修建的现实需求。同时，由于春节或者其他方面的原因，一些隧道会停工，掌子面刚开始稳定；等到复工时，却发生了坍方。这个就涉及到饱水围岩随时间软化导致掌子面失稳的问题，因此开展饱水时间对掌子面稳定性的影响分析，有重要的工程现实意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述技术问题，提供一种判断不同富水程度和饱水时间下掌子面稳定性的方法。该可以判断不同富水程度以及不同饱水时间下掌子面的安全性，如围岩富水程度过高或饱水时间过长而导致掌子面失稳；该方法亦可以应用于采矿巷道、水工隧洞、地铁等地下建筑结构在不同富水程度及饱水时间下的掌子面稳定性分析。

本发明的上述目的是通过如下的技术方案来实现的：

该判断不同富水程度和饱水时间下掌子面稳定性的方法，包括如下步骤：

(一)确定围岩黏聚力和围岩内摩擦角与围岩含水量或与围岩饱水时间的关系式，它包括如下两种方法：

(a)采用室内实验方法；对于非饱和围岩，采用围岩强度参数是围岩含水量的函数，对于饱和围岩，则采用围岩强度参数是围岩饱水时间的函数，函数形式采用常系数+负指数的形式；

对于非饱和围岩：

对于饱和围岩：

式中，w为围岩含水量；c为围岩黏聚力；为围岩内摩擦角；t为饱和围岩饱水时间；a₁～a₄、b₁～b₄、c₁～c₄为拟合系数；

(b)如果实验条件有限，则可根据围岩软化系数以及Hoek-Brown准则，确定围岩不同饱和度下的围岩强度参数，具体步骤如下：

(Ⅰ)岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性，用软化系数η_c表示，即岩石试件的饱和抗压强度σ_csat与干抗压强度σ_c0的比值，即：

岩石不同饱和度与岩石单轴抗压强度的拟合公式为：

σ_c(S_r)＝f₁+f₃·exp(-f₂·S_r)>

式中，σ_c(S_r)为不同饱和度下的岩石单轴抗压强度；S_r为岩石的饱和度；f₁、f₂和f₃为拟合参数，由下式确定：

f₁＝σ_c0-f₃>

综合式(6)、式(7)、式(8)、式(9)，可以由软化系数试验，得到不同岩石饱和度下岩石的单轴抗压强度；

(Ⅱ)Hoek-Brown岩石破坏准则的表达式为：

式中，σ₁和σ₃分别为破坏时的最大、最小主应力；m_b，s和a是量纲为一的材料常数，由下式确定：

式中，GSI为地质强度指标；m_i为岩石的材料常数；DIS为节理岩体扰动系数；

(Ⅲ)依据等面积思想，将曲线形的Hoek-Brown围岩破坏准则转化为线性的Mohr-Coulomb准则，围岩的黏聚力c和内摩擦角可由下式确定：

式中，σ_3max为侧限应力的上限值，由下式确定：

式中，k和b为经验参数，根据Hoek的建议，对于深埋隧道，k和b分别取值为0.47和-0.94；γ为岩体的重度；H为隧道埋深；σ_cm为岩体强度，σ_cm由下式确定：

将式(6)、(11)、(12)、(13)代入式(17)中，再将式(16)、(17)代入式(14)和式(15)中，即可得到围岩的黏聚力c和内摩擦角

(二)确定围岩破坏体波及到地表的范围与隧道开挖高度和隧道埋深各参数之间的几何关系如下：

式中，D为隧道开挖高度；r₀为掌子面顶部前方破裂的宽度；为围岩不同富水程度下的内摩擦角；h为隧道拱部以上破坏体的高度；H为隧道埋深，即地表到隧道拱顶的垂直距离；l_B为围岩破坏体波及到地表的范围；

(三)确定掌子面虚拟支护力如下：

σ_T＝γDN_γ+σ_sN_s-cN_c>

式中，σ_T为掌子面虚拟支护力；γ为围岩重度；D隧道开挖高度；σ_s为地表超载；c为围岩黏聚力；N_γ、N_s、N_c分别为围岩重度、地表超载和围岩黏聚力的承载系数；

N_γ、N_s、N_c分别由下式确定：

若σ_T>0，表示需要支护力，掌子面围岩如若不支护，则会坍方；若σ_T≤0，表示不需要支护力，即掌子面围岩是稳定的；

(四)基于强度折减法，令：

式中，F为折减系数，即隧道掌子面的最小稳定安全系数；c'为按F值折减后的围岩黏聚力，为按F值折减后的围岩内摩擦角；

(五)将步骤(四)中的c'、代入步骤(三)中的式(21)，并令σ_T＝0，则：

γDN_γ'+σ_sN_s'-c'N_c'＝0>

式中，N_γ'为用代替后的围岩重度承载系数N_γ，N_s'为用代替后的地表超载承载系数N_s，N_c'为用代替后的围岩黏聚力承载系数N_c；

式(26)是一个非线性方程，通过试算或编程可以求得隧道掌子面的最小稳定安全系数F；改变富水情况和饱水时间，则可以得到不同富水程度和饱水时间下的掌子面稳定性系数。

本发明与现有研究方法相比，其优点在于：为判断不同富水程度与饱水时间下隧道掌子面稳定性提供了计算方法；据此可以评估不同富水程度下掌子面的安全性，如围岩富水程度过高或饱水时间过长而导致掌子面失稳；并可获得维护掌子面稳定所需要的支护力，从而为掌子面的支护加固提供参考。本发明的方法，亦可以应用于采矿巷道、水工隧洞、地铁等地下建筑结构在不同富水程度以及不同饱水时间下的掌子面稳定性分析。

附图说明

图1为本发明方法的计算原理示意图。

图1中，D为隧道开挖高度；r₀为掌子面顶部前方破裂的宽度；φ为围岩不同富水程度下的内摩擦角；h为隧道拱部以上破坏体的高度；H为隧道埋深，即地表到隧道拱顶的垂直距离；l_B为围岩破坏体波及到地表的范围；v₀为拱部坍塌体的速度；σ_T为掌子面虚拟支护力；σ_s为地表超载；①为掌子面上方拱部坍落体，由OBFG组成；②为掌子面前上方对数剪切坍落体，由OBE组成；③为掌子面前方坍落体，由OEA组成；v₀为拱部坍塌体的速度；v_OB为掌子面前上方B点的速度；v_OE为掌子面前上方E点的速度。

图2为本发明实施例一中，围岩饱和度分别与围岩强度参数和掌子面稳定安全系数的关系曲线图。图2中，曲线1为安全系数曲线，曲线2为支护力曲线。

图3为本发明实施案例二中，围岩强度参数与饱水时间的关系曲线图。图3中，曲线3为内摩擦角曲线，曲线4为黏聚力曲线。

图4为本发明实施案例二中，围岩饱水时间与掌子面稳定安全系数的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

本发明的判断不同富水程度和饱水时间下掌子面稳定性的方法，包括如下步骤：

(一)确定围岩黏聚力和围岩内摩擦角与围岩含水量或与围岩饱水时间的关系式，它包括如下两种方法：

(a)采用室内实验方法；对于非饱和围岩，采用围岩强度参数是围岩含水量(或者饱和度、吸水率)的函数；而对于饱和围岩，则采用围岩强度参数是围岩饱水时间的函数，函数形式采用常系数+负指数的形式；

对于非饱和围岩：

对于饱和围岩：

式中，w为围岩含水量；c为围岩黏聚力；为围岩内摩擦角；t为饱和围岩饱水时间；a₁～a₄、b₁～b₄、c₁～c₄为拟合系数；

(b)如果实验条件有限，则可根据围岩软化系数以及Hoek-Brown准则，确定围岩不同饱和度下的围岩强度参数，具体步骤如下：

(Ⅰ)岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性，用软化系数η_c表示，即岩石试件的饱和抗压强度σ_csat与干抗压强度σ_c0的比值，即：

Vas arhelyi等提出岩石不同饱和度与岩石单轴抗压强度的拟合公式为：

σ_c(S_r)＝f₁+f₃·exp(-f₂·S_r)>

式中，σ_c(S_r)为不同饱和度下的岩石单轴抗压强度；S_r为岩石的饱和度；f₁、f₂和f₃为拟合参数，由下式确定：

f₁＝σ_c0-f₃>

综合式(6)、式(7)、式(8)、式(9)，可以由软化系数试验，得到不同岩石饱和度下岩石的单轴抗压强度；

(Ⅱ)Hoek-Brown经验强度准则由E.Hoek和E.T.Brown于1980年首先提出，起初，Hoek-Brown破坏准则仅适用于完整的、没有节理的坚硬岩石，2002年，为了拓宽破坏准则的应用范围，引入能够反映岩石软硬、节理数量、开挖扰动程度等参数并予以改进，可适用于低应力且质量较差的岩体；改进的Hoek-Brown岩石破坏准则的表达式为：

式中，σ₁和σ₃分别为破坏时的最大、最小主应力；m_b，s和a是量纲为一的材料常数，由下式确定：

式中，GSI为地质强度指标；m_i为岩石的材料常数；DIS为节理岩体扰动系数；

(Ⅲ)依据等面积思想，将曲线形的Hoek-Brown围岩破坏准则转化为线性的Mohr-Coulomb准则，围岩的黏聚力c和内摩擦角可由下式确定：

式中，σ_3max为侧限应力的上限值，由下式确定：

式中，k和b为经验参数，根据Hoek的建议，对于深埋隧道，k和b分别取值为0.47和-0.94；γ为岩体的重度；H为隧道埋深；σ_cm为岩体强度，可由等效的Mohr-Coulomb强度参数确定σ_cm，即由下式确定：

将式(6)、(11)、(12)、(13)代入式(17)中，再将式(16)、(17)代入式(14)和式(15)中，即可得到围岩的黏聚力c和内摩擦角

(二)参见图1，确定围岩破坏体波及到地表的范围与隧道开挖高度和隧道埋深各参数之间的几何关系如下：

式中，D为隧道开挖高度；r₀为掌子面顶部前方破裂的宽度；为围岩不同富水程度下的内摩擦角；h为隧道拱部以上破坏体的高度；H为隧道埋深，即地表到隧道拱顶的垂直距离；l_B为围岩破坏体波及到地表的范围；

(三)确定掌子面虚拟支护力如下：

σ_T＝γDN_γ+σ_sN_s-cN_c>

式中，σ_T为掌子面虚拟支护力；γ为围岩重度；D隧道开挖高度；σ_s为地表超载；c为围岩黏聚力；N_γ、N_s、N_c分别为围岩重度、地表超载和围岩黏聚力的承载系数；

N_γ、N_s、N_c分别由下式确定：

若σ_T>0，表示需要支护力，掌子面围岩如若不支护，则会坍方；若σ_T≤0，表示不需要支护力，即掌子面围岩是稳定的；

(四)基于强度折减法，令：

式中，F为折减系数，即隧道掌子面的最小稳定安全系数；c'为按F值折减后的围岩黏聚力，为按F值折减后的围岩内摩擦角；

(五)将步骤(四)中的c'、代入步骤(三)中的式(21)，并令σ_T＝0，则：

γDN_γ'+σ_sN_s'-c'N_c'＝0>

式中，N_γ'为用代替后的围岩重度承载系数N_γ，N_s'为用代替后的地表超载承载系数N_s，N_c'为用代替后的围岩黏聚力承载系数N_c；

式(26)是一个非线性方程，通过试算或编程可以求得隧道掌子面的最小稳定安全系数F；改变富水情况和饱水时间，则可以得到不同富水程度和饱水时间下的掌子面稳定性系数。

下面是运用本发明方法的工程实例：

实施例一：

某隧道围岩粉砂岩，试验测得了其单轴干抗压强度，单轴饱和抗压强度，依据上述方法中的步骤(一)b，可以确定不同饱和度(或不同富水程度下)围岩的内摩擦角和粘聚力，见表1。利用上述方法中的步骤(二)至(五)，可以得到不同饱和度下掌子面稳定安全系数，如图2所示。从图2中可以看到，随着饱和度的增加，虚拟支护力增大，掌子面安全系数降低，当饱和度达到0.3时，掌子面稳定安全系数小于1，表示掌子面会失稳；从曲线的斜率来看，低含水量时，随着含水量的增加，掌子面稳定安全系数降低的梯度要大；而高含水量时，随着含水量的增加，掌子面稳定安全系数降低的梯度要小。所以，隧道施工宜尽量保持干燥环境中施工，做好地下水的防排。

表1

实施例二：

某强风化带板岩，通过试验，其不同饱水时间下围岩的黏聚力和内摩擦角如图3所示。以及依据上述方法中的步骤(一)a中的公式(3)与公式(4)，可以由图3中的实验结果，拟和得到围岩的黏聚力和内摩擦角的函数关系：

c＝c(t)＝110.875+435.690e^-t/19.838

假定某个隧道的围岩是该岩性，隧道开挖高度采取7m，围岩埋深200m，围岩重度为22kN/m³，进一步通过上述方法中的步骤(二)至(五)，可以计算得到不同饱水时间下掌子面稳定安全系数如图4所示。从图4中可以看到，随着饱水时间的增长，掌子面稳定安全系数降低；所以对于停工时，为了保持掌子面的稳定，宜对掌子面进行加固，并做好掌子面的防排水处理，防治围岩长时间饱水下，降低掌子面的稳定性。