[發明專利]一種巖溶隧道突水預警計算模型及計算方法

有效

• 申請號: 201811230410.X
• 申請日: 2018-10-22
• 公開（公告）號: CN109538296B
• 公開（公告）日: 2020-10-16
• 發明（設計）人: 王林峰;曾韜睿;林鈺豐
• 申請（專利權）人: 重慶交通大學
• 主分類號: E21F17/18
• 分類號: E21F17/18;G06F17/12;G06F30/13
• 代理公司: 重慶博凱知識產權代理有限公司 50212
• 代理人: 黃河

1.一種巖溶隧道突水預警計算模型，其特征在于，包括以下數據層：

數據輸入層，用于輸入根據壓強采集裝置檢測到的巖溶水作用到中間巖層上的壓強；所述壓強采集裝置包括至少三根位于同一直線上并且貫穿中間巖層而伸入巖溶水中的應力傳感器；

均布荷載計算層，用于將巖溶水作用到中間巖層上的荷載簡化為均布荷載，并根據數據輸入層輸入的各壓強值，計算巖溶水作用到中間巖層上的均布荷載；

應力計算層，用于將中間巖層簡化為簡支梁，并將應力傳感器簡化為固定支點，然后通過結構力學以及均布荷載來計算中間巖層受巖溶水作用而產生的拉應力σ_t；

拉應力σ_t按如下公式計算：M表示均布荷載對簡支梁產生的彎矩，其中，X₁表示繞簡支梁軸線轉動方向的廣義多余應力，X₂表示沿垂直簡支梁長度方向的廣義多余應力，X₃表示沿簡支梁長度方向的廣義多余應力；表示X₁作用下靜定結構的彎矩，表示X₂作用下靜定結構的彎矩，表示X₃作用下靜定結構的彎矩，M_p表示原結構荷載作用在該結構靜定基上的彎矩，A表示簡支梁橫截面積，l表示簡支梁總長度，q表示巖溶水作用到中間巖層上的均布荷載；

比較層，用于將中間巖層產生的拉應力σ_t與事先測定的中間巖層的許用應力[σ]進行比較：若σ_t≤[σ]，則表明中間巖層處于安全狀態；若σ_t＞[σ]，則表明中間巖層處于不穩定狀態，并生成預警信號。

2.根據權利要求1所述的巖溶隧道突水預警計算模型，其特征在于，所述應力計算層在計算拉應力σ_t的同時，還計算中間巖層受應力傳感器作用而產生的剪應力τ；比較層在比較拉應力σ_t與許用應力[σ]時，還一并驗證剪應力τ是否為零：若為零，則表明應力傳感器貫通中間巖層后未對巖體整體性造成影響，即應力傳感器不會將巖體切割下來；若不為零，則表明應力傳感器會影響巖體整體性，存在切割巖體的風險。

3.根據權利要求1所述的巖溶隧道突水預警計算模型，其特征在于，所述均布荷載按如下公式計算：

其中，q表示均布荷載，q_i表示第i個應力傳感器檢測到的壓強，n表示應力傳感器的總數量，i∈{1,2,......n}。

4.根據權利要求2所述的巖溶隧道突水預警計算模型，其特征在于，所述剪應力τ的計算公式為：其中，Q表示剪力，A表示中間巖層簡化為簡支梁后的橫截面積。

5.一種巖溶隧道突水預警計算方法，其特征在于：采用權利要求1至4中任一所述的巖溶隧道突水預警計算模型進行突水預警；包括以下步驟：

步驟1：數據輸入層將應力傳感器檢測到的壓強發送給均布荷載計算層；

步驟2：均布荷載計算層根據數據輸入層輸入的各壓強值，計算巖溶水作用到中間巖層上的均布荷載q；

步驟3：應力計算層根據結構力學以及均布荷載計算中間巖層受巖溶水作用而產生的拉應力σ_t；

步驟4：比較層將中間巖層產生的拉應力σ_t與事先測定的中間巖層的許用應力[σ]進行比較：若σ_t≤[σ]，則表明中間巖層處于安全狀態；若σ_t＞[σ]，則表明中間巖層處于不穩定狀態，并生成預警信號。

6.根據權利要求5所述的巖溶隧道突水預警計算方法，其特征在于：采用三個應力傳感器作為壓強采集裝置，并將三個應力傳感器簡化為三個固定支點A、B、C，兩端的應力傳感器分別對應A點與C點，B點位于AC連線的中點。

7.根據權利要求6所述的巖溶隧道突水預警計算方法，其特征在于：步驟3具體按如下步驟計算：

步驟3.1：建立力法基本方程：

其中，X_i表示沿i方向上的廣義多余力，i∈{1,2,3}；當i＝1時，表示繞簡支梁軸線轉動的方向；當i＝2時，表示沿垂直簡支梁長度方向，當i＝3時，表示沿簡支梁長度方向；

δ_ij表示由于沿j方向的單位廣義多余力X_j的作用，簡支梁在i方向上的位移；j∈{1,2,3}；當j＝1時，表示繞簡支梁軸線轉動的方向；當j＝2時，表示表示沿垂直簡支梁長度方向，當j＝3時，表示沿簡支梁長度方向；

Δ_ip表示簡支梁承受外荷載作用時，沿i方向的位移；

步驟3.2：作以及M_p彎矩圖，從而計算δ_ij與Δ_ip，從而得到：

其中，表示X₁作用下靜定結構的彎矩，表示X₂作用下靜定結構的彎矩圖，表示X₃作用下靜定結構的彎矩，M_p表示原結構荷載作用在該結構靜定基上的彎矩，E表示彈性模量，I表示截面慣性矩，表示X₃作用下的剪力，N_p表示原結構荷載作用在該結構靜定基上的剪力，A表示簡支梁橫截面積，l表示簡支梁總長度；

步驟3.3：將步驟3.2中得到的δ_ij與Δ_ip代入步驟3.1中的方程組，得到：

求解方程組，從而得到X₃＝0；

步驟3.4：作M彎矩圖，根據彎矩圖得到拉應力M表示均布荷載對簡支梁產生的彎矩，A表示簡支梁橫截面積，l表示簡支梁總長度。