本发明公开了一种全断面开挖软土隧洞掌子面玻璃纤维锚杆设计方法，通过安装针对掌子面的变形监测仪器，反演并校核岩土体的强度参数；并通过分台阶开挖的计算分析在保持掌子面前方核心岩体体安全系数的条件下，减少掌子面玻璃纤维锚杆的数量，减少作业工序从而确保较高的掘进速度。本方法通过计算出掌子面安全系数达到1.5时所需要的玻璃纤维锚杆数量，进行两个试验段的现场试验和数值分析，根据反演出的土体强度强度，采用强度折减方法计算分台阶开挖(上台阶开挖高度取0.25倍隧洞高度)，并且掌子面安全系数达到1.3时，所需的玻璃纤维锚杆根数。
1.一种全断面开挖软土隧洞掌子面玻璃纤维锚杆设计方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：步骤1，根据施工要求，计算隧洞全断面开挖条件的掌子面安全系数达到1.5时,所需要的玻璃纤维锚杆的数量N、长度L1以及要求的搭接长度L2；
步骤2，确定连续开挖的试验段I和试验段II，所述试验段I和试验段II的总长度为L＝
3L1–2L2，开挖过程中试验段I和试验段II中分别布置玻璃纤维锚杆，所述试验段I中布置玻璃纤维锚杆数量为N，所述试验段II中布置玻璃纤维锚杆数量为0.5N，并在试验段I和试验段II中预埋反测头多点位移计，在每个开挖循环过程中，持续采集监测数据；
步骤3，根据试验段I和试验段II的反测头多点位移计的监测数据，采用有限元或者有限差分数值方法反演土体的强度参数；
步骤4，根据反演的土体的强度参数，采用基于强度折减数值方法，模拟掌子面开挖分台阶开挖形式，计算掌子面安全系数为1.3时所需的玻璃纤维锚杆数量，并以该数量作为全断面开挖的超前核心土支护的玻璃纤维锚杆的最终确定数量。
2.根据权利要求1所述的全断面开挖软土隧洞掌子面玻璃纤维锚杆设计方法，其特征是，所述步骤2包括以下步骤：步骤201，确定连续的试验段I和试验段II，所述试验段I和试验段II的总长度L＝3L1–
2L2，所述试验段I和试验段II采用全断面开挖的方式，试验段I和试验段II的总长度L＝3L1–
步骤202，安装试验段I的第一批数量为N的玻璃纤维锚杆，安装后在隧洞中心点安装反测头多点位移计；
步骤203，开挖隧洞，单个进尺不宜超过1m，并每个开挖循环过程中，获取反测头多点位移计各测点的监测数据；
步骤204，试验段I开挖至搭接长度区域L3＝L1-L2时，安装第二批数量为N的玻璃纤维锚杆，继续开挖至试验段II；
步骤205，继续开挖至试验段II，安装试验段II的反测头多点位移计，试验段II布置数量为0.5N的玻璃纤维锚杆，密度减半稀疏布置，维持试验段I的开挖进尺不变，获取反测头多点位移计各测点的监测数据。
3.根据权利要求1所述的全断面开挖软土隧洞掌子面玻璃纤维锚杆设计方法，其特征是，所述步骤3中反演土体的强度参数中，若土体为粘性土仅反演粘聚力c，若土体为非粘性土仅反演摩擦角f。
4.根据权利要求1或2所述的全断面开挖软土隧洞掌子面玻璃纤维锚杆设计方法，其特征是，反测头多点位移计沿着试验段I和试验段II的开挖面侧壁中部均匀间隔布置且布置范围包括整个试验段I和试验段II，反测头多点位移计的每个测点之间的间距为1m。
5.根据权利要求1或2所述的全断面开挖软土隧洞掌子面玻璃纤维锚杆设计方法，其特征是，开挖试验段I和试验段II的开挖进尺相同，单个进尺小于或等于1m。
6.根据权利要求1所述的全断面开挖软土隧洞掌子面玻璃纤维锚杆设计方法，其特征是，所述步骤1进一步包括：根据掌子面支护压力计算公式获取掌子面所需支护压力s，根据掌子面玻璃纤维锚杆数量计算公式，计算掌子面在全断面开挖条件下安全系数达到1.5时满足所述掌子面所需支护压力s时的玻璃纤维锚杆数量N，搭接长度L2取0.7倍的隧洞直径L2＝0.7D，计算过程中根据预估的日平均进尺，选择土体的排水强度公式或者不排水强度公式。
7.根据权利要求6所述的全断面开挖软土隧洞掌子面玻璃纤维锚杆设计方法，其特征是，所述掌子面支护压力计算公式为：
式中，s为掌子面所需支护压力；D为隧洞直径；γ’为浮容重；h0为地下水位线至掌子面中心高度；c为土体有效粘聚力；γw为水的重度；F0-F3为系数，与土体摩擦角相关；
式中，P为玻璃纤维锚杆能够提供的支护压力；N为玻璃纤维锚杆数量；A为单根玻璃纤维锚杆截面面积；σb为玻璃纤维锚杆抗拉强度；St为掌子面面积；Sa为单根玻璃纤维锚杆与土体接触面积；τa为玻璃纤维锚杆与土体间粘结强度。
8.根据权利要求1所述的全断面开挖软土隧洞掌子面玻璃纤维锚杆设计方法，其特征是，模拟掌子面开挖分台阶开挖形式，计算掌子面安全系数达到1.3时所需的玻璃纤维锚杆数量，并以该数量作为全断面开挖的超前核心土支护的玻璃纤维锚杆的最终确定数量的步骤，进一步包括：根据掌子面支护压力计算公式获取掌子面所需支护压力s，根据掌子面玻璃纤维锚杆数量计算公式，计算掌子面安全系数达到1.3时满足所述掌子面所需支护压力s时的玻璃纤维锚杆数量N，搭接长度L2取0.7倍的隧洞直径L2＝0.7D，计算过程中根据预估的日平均进尺，选择土体的排水强度公式或者不排水强度公式。
9.根据权利要求8所述的全断面开挖软土隧洞掌子面玻璃纤维锚杆设计方法，其特征是，所述掌子面支护压力计算公式为：
式中，s为掌子面所需支护压力；D为隧洞直径；γ’为浮容重；h0为地下水位线至掌子面中心高度；c为根据反测头多点位移计各测点的监测数据反演的土体有效粘聚力，若土体为非粘性土仅反演摩擦角f；γw为水的重度；F0-F3为系数，与根据反测头多点位移计各测点的监测数据反演的土体摩擦角f相关；
式中，P为玻璃纤维锚杆能够提供的支护压力；N为玻璃纤维锚杆数量；A为单根玻璃纤维锚杆截面面积；σb为玻璃纤维锚杆抗拉强度；St为掌子面面积；Sa为单根玻璃纤维锚杆与土体接触面积；τa为玻璃纤维锚杆与土体间粘结强度。
10.根据权利要求9所述的全断面开挖软土隧洞掌子面玻璃纤维锚杆设计方法，其特征是，所述计算掌子面安全系数达到1.3时满足所述掌子面所需支护压力s时的玻璃纤维锚杆数量N的步骤是计算掌子面在下台阶高度为0.25D的分台阶开挖形式中，安全系数达到1.3时满足所述掌子面所需支护压力s时的玻璃纤维锚杆数量N，所述D为隧洞直径。
全断面开挖软土隧洞掌子面玻璃纤维锚杆设计方法
技术领域
[0001] 本发明适用于交通、水利、水电等行业的软土隧洞，尤其是开挖过程中掌子面不能自稳的软土隧洞，通过本技术方案不但可以保持掌子面稳定性，还可以优化掌子面玻璃纤维锚杆的数量，从而提高掘进速度。
背景技术
[0002] 我国的软土隧洞开挖普遍遵循“新奥”法，即以维护和利用围岩的自承能力为理念，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，强调及时进行支护，控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道施工和地下工程设计施工。新意法(ADECO-RS)主要适用于不能形成自然拱效应的软弱岩体或土体隧洞，该方法认为隧洞掌子面前方超前核心岩土体的变形与隧洞变形之间有直接的因果关系，因此强调监控超前核心岩土的重要性，即通过对掌子面及其前方的超前核心土的直接加固、排水达到发挥掌子面前方核心岩土体对后方岩土体的约束效应。新意法总体上以超前核心岩土体的稳定性和变形作为指导施工方案的依据，便于全断面开挖和机械化开挖，并且在掌子面不能自稳的软土隧洞中，亦能达到1.5m～2m的掘进速度。
发明内容
[0003] 本发明提供了一种基于新意法的超前玻璃纤维锚杆设计的方案，通过安装针对掌子面的变形监测仪器，反演并校核岩土体的强度参数；并通过分台阶开挖的计算分析在保持掌子面前方核心岩体体安全系数的条件下，减少掌子面玻璃纤维锚杆的数量，减少作业工序从而确保较高的掘进速度的全断面开挖软土隧洞掌子面玻璃纤维锚杆设计方法。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0005] 本发明的一种全断面开挖软土隧洞掌子面玻璃纤维锚杆设计方法，所述方法包括以下步骤：
[0006] 步骤1，根据施工要求，计算隧洞全断面开挖条件的掌子面安全系数达到1.5时,所需要的玻璃纤维锚杆的数量N、长度L1以及要求的搭接长度L2；
[0007] 步骤2，确定连续开挖的试验段I和试验段II，所述试验段I和试验段II的总长度为L＝3L1–2L2，开挖过程中试验段I和试验段II中分别布置玻璃纤维锚杆，所述试验段I中布置玻璃纤维锚杆数量为N，所述试验段II中布置玻璃纤维锚杆数量为0.5N，并在试验段I和试验段II中预埋反测头多点位移计，在每个开挖循环过程中，持续采集监测数据；
[0008] 步骤3，根据试验段I和试验段II的反测头多点位移计的监测数据，采用有限元或者有限差分数值方法反演土体的强度参数；
[0009] 步骤4，根据反演的土体的强度参数，采用基于强度折减数值方法，模拟掌子面开挖分台阶开挖形式，计算掌子面安全系数为1.3时所需的玻璃纤维锚杆数量，并以该数量作为全断面开挖的超前核心土支护的玻璃纤维锚杆的最终确定数量。
[0010] 作为优选，所述步骤2包括以下步骤：
[0011] 步骤201，确定连续的试验段I和试验段II，所述试验段I和试验段II的总长度L＝3L1–2L2，所述试验段I和试验段II采用全断面开挖的方式，试验段I和试验段II的总长度L＝
3L1–2L2；
[0012] 步骤202，安装试验段I的第一批数量为N的玻璃纤维锚杆，安装后在隧洞中心点安装反测头多点位移计；
[0013] 步骤203，开挖隧洞，单个进尺不宜超过1m，并每个开挖循环过程中，获取反测头多点位移计各测点的监测数据；
[0014] 步骤204，试验段I开挖至搭接长度区域L3＝L1-L2时，安装第二批数量为N的玻璃纤维锚杆，继续开挖至试验段II；
[0015] 步骤205，继续开挖至试验段II，安装试验段II的反测头多点位移计，试验段II布置数量为0.5N的玻璃纤维锚杆，密度减半稀疏布置，维持试验段I的开挖进尺不变，获取反测头多点位移计各测点的监测数据。
[0016] 作为优选，所述步骤3中反演土体的强度参数中，若土体为粘性土仅反演粘聚力c，若土体为非粘性土仅反演摩擦角f。
[0017] 作为优选，反测头多点位移计沿着试验段I和试验段II的开挖面侧壁中部均匀间隔布置且布置范围包括整个试验段I和试验段II，反测头多点位移计的每个测点之间的间距为1m。
[0018] 作为优选，开挖试验段I和试验段II的开挖进尺相同，单个进尺小于或等于1m。
[0019] 作为优选，所述步骤1进一步包括：
[0020] 根据掌子面支护压力计算公式获取掌子面所需支护压力s，根据掌子面玻璃纤维锚杆数量计算公式，计算掌子面在全断面开挖条件下安全系数达到1.5时满足所述掌子面所需支护压力s时的玻璃纤维锚杆数量N，搭接长度L2取0.7倍的隧洞直径L2＝0.7D，计算过程中根据预估的日平均进尺，选择土体的排水强度公式或者不排水强度公式。
[0021] 作为优选，所述掌子面支护压力计算公式为：
[0022]
[0023] 式中，s为掌子面所需支护压力；D为隧洞直径；γ’为浮容重；h0为地下水位线至掌子面中心高度；c为土体有效粘聚力；γw为水的重度；F0-F3为系数，与土体摩擦角相关；
[0024] 掌子面玻璃纤维锚杆数量计算公式为：
[0025]
[0026] 式中，P为玻璃纤维锚杆能够提供的支护压力；N为玻璃纤维锚杆数量；A为单根玻璃纤维锚杆截面面积；σb为玻璃纤维锚杆抗拉强度；St为掌子面面积；Sa为单根玻璃纤维锚杆与土体接触面积；τa为玻璃纤维锚杆与土体间粘结强度。
[0027] 作为优选，模拟掌子面开挖分台阶开挖形式，计算掌子面安全系数达到1.3时所需的玻璃纤维锚杆数量，并以该数量作为全断面开挖的超前核心土支护的玻璃纤维锚杆的最终确定数量的步骤，进一步包括：
[0028] 根据掌子面支护压力计算公式获取掌子面所需支护压力s，根据掌子面玻璃纤维锚杆数量计算公式，计算掌子面安全系数达到1.3时满足所述掌子面所需支护压力s时的玻璃纤维锚杆数量N，搭接长度L2取0.7倍的隧洞直径L2＝0.7D，计算过程中根据预估的日平均进尺，选择土体的排水强度公式或者不排水强度公式。
[0029] 作为优选，所述掌子面支护压力计算公式为：
[0030]
[0031] 式中，s为掌子面所需支护压力；D为隧洞直径；γ’为浮容重；h0为地下水位线至掌子面中心高度；c为根据反测头多点位移计各测点的监测数据反演的土体有效粘聚力，若土体为非粘性土仅反演摩擦角f。；γw为水的重度；F0-F3为系数，与根据反测头多点位移计各测点的监测数据反演的土体摩擦角f相关；
[0032] 掌子面玻璃纤维锚杆数量计算公式为：
[0033]
[0034] 式中，P为玻璃纤维锚杆能够提供的支护压力；N为玻璃纤维锚杆数量；A为单根玻璃纤维锚杆截面面积；σb为玻璃纤维锚杆抗拉强度；St为掌子面面积；Sa为单根玻璃纤维锚杆与土体接触面积；τa为玻璃纤维锚杆与土体间粘结强度。
[0035] 作为优选，所述计算掌子面安全系数达到1.3时满足所述掌子面所需支护压力s时的玻璃纤维锚杆数量N的步骤是计算掌子面在下台阶高度为0.25D的分台阶开挖形式中，安全系数达到1.3时满足所述掌子面所需支护压力s时的玻璃纤维锚杆数量N，所述D为隧洞直径。
[0036] 本发明通过安装针对掌子面的变形监测仪器反测头多点位移计，反演并校核岩土体的强度参数；并通过分台阶开挖的计算分析在保持掌子面前方核心岩体体安全系数的条件下，减少掌子面玻璃纤维锚杆的数量，减少作业工序从而确保较高的掘进速度的全断面开挖软土隧洞掌子面玻璃纤维锚杆设计方法。
附图说明
[0037] 图1为掌子面前方超前核心土试验段的结构示意图。
[0038] 图2为掌子面前方超前核心土试验段的反测头多点位移计布置位置示意图。
[0039] 图3为全断面开挖形式中掌子面前方玻璃纤维锚杆布置结构横截面示意图。
[0040] 图4为分台阶开挖形式中掌子面前方玻璃纤维锚杆布置结构横截面示意图。
[0041] 图中：1、试验段I；2、试验段II；3、玻璃纤维锚杆；4、反测头多点位移计；5掌子面；6、台阶。
具体实施方式
[0042] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。
[0043] 本发明的一种全断面开挖软土隧洞掌子面玻璃纤维锚杆设计方法，所述方法包括以下步骤：
[0044] 步骤1，根据施工要求，计算隧洞全断面开挖条件的掌子面安全系数达到1.5时,所需要的玻璃纤维锚杆的数量N、长度L1以及要求的搭接长度L2；
[0045] 步骤2，确定连续开挖的试验段I和试验段II，所述试验段I和试验段II的总长度为L＝3L1–2L2，开挖过程中试验段I和试验段II中分别布置玻璃纤维锚杆，所述试验段I中布置玻璃纤维锚杆数量为N，所述试验段II中布置玻璃纤维锚杆数量为0.5N，并在试验段I和试验段II中预埋反测头多点位移计，在每个开挖循环过程中，持续采集监测数据；
[0046] 步骤3，根据试验段I和试验段II的反测头多点位移计的监测数据，采用有限元或者有限差分数值方法反演土体的强度参数。所述步骤3中反演土体的强度参数中，若土体为粘性土仅反演粘聚力c，若土体为非粘性土仅反演摩擦角f。
[0047] 步骤4，根据反演的土体的强度参数，采用基于强度折减数值方法，模拟掌子面开挖形式，计算掌子面安全系数为1.3时所需的玻璃纤维锚杆数量，并以该数量作为全断面开挖的超前核心土支护的玻璃纤维锚杆的最终确定数量。所述计算掌子面安全系数达到1.3时满足所述掌子面所需支护压力s时的玻璃纤维锚杆数量N的步骤是计算掌子面在下台阶高度为0.25D的分台阶开挖形式中，安全系数达到1.3时满足所述掌子面所需支护压力s时的玻璃纤维锚杆数量N，所述D为隧洞直径。
[0048] 如图1、图2、图3所示，具体的所述步骤2包括以下步骤：
[0049] 步骤201，如图1、图3所示，确定连续的试验段I和试验段II，所述试验段I和试验段II的总长度L＝3L1–2L2，所述试验段I和试验段II采用全断面开挖的方式，试验段I和试验段II的总长度L＝3L1–2L2；
[0050] 步骤202，安装试验段I的第一批数量为N的玻璃纤维锚杆，安装后在隧洞中心点安装反测头多点位移计，如图2所示；
[0051] 步骤203，开挖隧洞，单个进尺不宜超过1m，并每个开挖循环过程中，获取反测头多点位移计各测点的监测数据；
[0052] 步骤204，试验段I开挖至搭接长度区域L3＝L1-L2时，安装第二批数量为N的玻璃纤维锚杆，继续开挖至试验段II；
[0053] 步骤205，继续开挖至试验段II，安装试验段II的反测头多点位移计如图2所示，试验段II布置数量为0.5N的玻璃纤维锚杆，密度减半稀疏布置，维持试验段I的开挖进尺不变(不超过1m)，获取反测头多点位移计各测点的监测数据。
[0054] 反测头多点位移计沿着试验段I和试验段II的开挖面侧壁中部均匀间隔布置且布置范围包括整个试验段I和试验段II，反测头多点位移计的每个测点之间的间距为1m。
[0055] 开挖试验段I和试验段II的开挖进尺相同，单个进尺小于或等于1m。
[0056] 所述步骤1进一步包括：对于地下水位线以下的软土隧洞，采用G.Anagnostou的经验解析公式，根据掌子面支护压力计算公式获取掌子面所需支护压力s，根据掌子面玻璃纤维锚杆数量计算公式，计算掌子面在全断面开挖条件下安全系数达到1.5时满足所述掌子面所需支护压力s时的玻璃纤维锚杆数量N，搭接长度L2取0.7倍的隧洞直径L2＝0.7D，计算过程中根据预估的日平均进尺，选择土体的排水强度公式或者不排水强度公式。G.Anagnostou的经验解析公式是在隧道挖掘工程领域的公知常识被多项论文引用，由于具体的计算和解析公式十分复杂，且为本领域技术人员必须掌握的公知技术，在此不再赘述。
[0057] 具体的，所述掌子面支护压力计算公式为：
[0058]
[0059] 式中，s为掌子面所需支护压力；D为隧洞直径；γ’为浮容重；h0为地下水位线至掌子面中心高度；c为土体有效粘聚力；γw为水的重度；F0-F3为系数，与土体摩擦角相关；
[0060] 掌子面玻璃纤维锚杆数量计算公式为：
[0061]
[0062] 式中，P为玻璃纤维锚杆能够提供的支护压力；N为玻璃纤维锚杆数量；A为单根玻璃纤维锚杆截面面积；σb为玻璃纤维锚杆抗拉强度；St为掌子面面积；Sa为单根玻璃纤维锚杆与土体接触面积；τa为玻璃纤维锚杆与土体间粘结强度。
[0063] 计算掌子面安全系数达到1.3时所需的玻璃纤维锚杆数量，并以该数量作为全断面开挖的超前核心土支护的玻璃纤维锚杆的最终确定数量的步骤，进一步包括：根据掌子面支护压力计算公式获取掌子面所需支护压力s，根据掌子面玻璃纤维锚杆数量计算公式，计算掌子面安全系数达到1.3时满足所述掌子面所需支护压力s时的玻璃纤维锚杆数量N，搭接长度L2取0.7倍的隧洞直径L2＝0.7D，计算过程中根据预估的日平均进尺，选择土体的排水强度公式或者不排水强度公式。
[0064] 具体的，所述掌子面支护压力计算公式为：
[0065]
[0066] 式中，s为掌子面所需支护压力；D为隧洞直径；γ’为浮容重；h0为地下水位线至掌子面中心高度；c为根据反测头多点位移计各测点的监测数据反演的土体有效粘聚力，若土体为非粘性土仅反演摩擦角f。γw为水的重度；F0-F3为系数，与根据反测头多点位移计各测点的监测数据反演的土体摩擦角f相关；
[0067] 掌子面玻璃纤维锚杆数量计算公式为：
[0068]
[0069] 式中，P为玻璃纤维锚杆能够提供的支护压力；N为玻璃纤维锚杆数量；A为单根玻璃纤维锚杆截面面积；σb为玻璃纤维锚杆抗拉强度；St为掌子面面积；Sa为单根玻璃纤维锚杆与土体接触面积；τa为玻璃纤维锚杆与土体间粘结强度。
