[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

本發明公開了一種巖溶隧道突水預警計算模型，包括：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；均布荷載計算層，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；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。本發明還公開了一種巖溶隧道突水預警計算方法，采用本發明的計算模型。本發明綜合考慮巖溶水壓強與中間巖層抗拉強度來進行突水預警，能夠提高準確性。

技術領域

本發明涉及巖溶隧道技術領域，尤其涉及一種巖溶隧道突水預警模型，還涉及一種突水預警計算方法。

背景技術

隧道涉及交通工程(鐵路、公路隧道)、水利水電工程(地下廠房、輸水隧道)等領域，是國家基礎建設工程建設的控制性工程。進入21世紀后，一大批交通工程、水利水電工程等重大基礎工程陸續提上建設日程，極大地促進了隧道工程的建設。隨著國家科技戰略發展規劃的逐步實施，交通路網遍布崇山峻嶺的西部山區和巖溶地區縱深拓展，將出現一大批“大埋深、長洞線、高應力、強巖溶、高水壓災害頻發”等顯著特點的隧道，成為巖溶隧道安全建設的巨大挑戰，災害一旦發生，將導致重大人員傷亡、經濟損失與工期延誤，甚至被迫停建和改線。但是，目前我國巖溶水研究基礎極其薄弱，研究缺乏系統性、防治缺乏針對性、有效性。目前，對于巖溶突水的預警主要是通過直接檢測巖溶水的壓力來判斷，但是，是否發生巖溶突水不僅與巖溶水的水壓有關，還與掌子面與巖溶水之間的中間巖層的強度有關。因此，單方面憑借巖溶水水壓來進行突水預警，不夠科學，導致判斷結果不夠準確，與實際情況出入較大，為巖溶隧道的施工建設也帶來了安全隱患。

發明內容

針對上述現有技術的不足，本發明提供一種巖溶隧道突水預警計算模型，解決現有技術中進行片面的突水預警導致準確性差的技術問題，能夠提高預警的準確性。

為了解決上述技術問題，本發明采用了如下的技術方案：一種巖溶隧道突水預警計算模型，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；

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。

優選的，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。

優選的，拉應力σ_t按如下公式計算：

其中，q為巖溶水作用到中間巖層上的均布荷載，l為中間巖層簡化為簡支梁的長度，即同一直線上兩端的兩應力傳感器的距離。

優選的，所述均布荷載按如下公式計算：