[發明專利]掌子面裂隙水突出破壞的隔水層最小安全厚度的判識方法

有效

• 申請號: 202010066545.8
• 申請日: 2020-01-20
• 公開（公告）號: CN111274639B
• 公開（公告）日: 2022-08-26
• 發明（設計）人: 張志強;許芃;琚國權;趙萬強;梅志遠
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: G06F30/13
• 分類號: G06F30/13;G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 成都高遠知識產權代理事務所(普通合伙) 51222
• 代理人: 曾克

本發明公開一種掌子面裂隙水突出破壞的隔水層最小安全厚度的判識方法，將掌子面輪廓簡化為圓形，將隔水層視為巖梁結構，建立力學模型；通過基于尖點型突變模型的標準表達式，求出該力學模型體系的總勢能，建立模型勢函數表達式，通過模型勢函數表達式判識所述最小安全厚度。本發明為巖溶隧道掌子面裂隙水突出破壞提供了一種判識方法，據此可以評價施工是否安全，隔水層厚度是否滿足要求。

技術領域

本發明屬于隧道工程技術領域，具體涉及一種掌子面裂隙水突出破壞的隔水層最小安全厚度的判識方法。

背景技術

我國巖溶不良地質發育分布廣泛，特別是西南地區巖溶極為發育，隨著西部大開發的進一步實施和國民經濟的快速發展，巖溶地區地下工程日益增多，施工中經常遭遇巖溶裂隙水災害的侵擾，導致地下巖溶突水涌泥、圍巖失穩坍塌、支護結構變形開裂等等，不但危及人員安全、影響施工進度，還對生態環境造成不良影響，更甚者造成隧道廢棄或改線移址。巖溶裂隙水突出的問題是巖溶隧道施工中常見的主要地質災害，深埋引水壓力隧洞、水電站地下洞室圍巖也可能發生裂隙巖體水力劈裂而引發工程事故。

隧道防突的關鍵是如何確定掌子面隔水層最小安全厚度，從而指導隧道設計與施工。目前，對于隔水層最小安全厚度的隧道工程設計往往是半經驗的，基于以往工程經驗并給予較大的安全儲備；而理論分析上，大多基于塑性區貫通進行安全厚度數值模擬計算，過程麻煩且結果合理性有待商榷。

發明內容

因此，為了保證巖溶區隧道的安全性，降低工程造價，提高巖溶區隧道設計水平與施工技術，有必要提出一種巖溶隧道掌子面裂隙水突出破壞的隔水層安全厚度判識方法。

本發明旨在提供一種掌子面裂隙水突出破壞的隔水層最小安全厚度的判識方法，用于判斷巖溶隧道掌子面是否突水提供了計算方法，據此可以評價隧道施工是否安全，隔水層厚度是否滿足要求。

為達到上述目的，本發明是采用以下技術方案實現的：

本發明公開的掌子面裂隙水突出破壞的隔水層最小安全厚度判識方法，是將掌子面輪廓簡化為圓形，將隔水層視為巖梁結構，建立力學模型；通過基于尖點型突變模型的標準表達式，求出該力學模型體系的總勢能，建立模型勢函數表達式，通過模型勢函數表達式判識所述最小安全厚度。

優選的，所述總勢能由巖梁體在溶腔內填充物及巖溶水作用下的彎曲變形位能、系統勢能和變形過程中巖梁體兩側壓力做的功組成；由式(1)確定：

V＝U+ΔE-W (1)

式(1)中，V為系統總勢能；U為巖梁的彎曲變形位能，ΔE為系統增加的勢能，W為巖梁體兩側壓力做的功。

優選的，巖梁體的撓曲方程為：

式(2)中：ω_m為隔水層中軸線處的撓度，r為隔水層任意一點到中軸線的距離，R為掌子面半徑；

掌子面前方隔水層因變形而產生的彎曲變形位能U由式(3)確定：

式(3)中：EI為巖梁體的抗彎剛度，D為隔水層厚度，ν為泊松比。

優選的，所述系統勢能包括掌子面前方裂隙未擴展時的勢能與當裂隙巖體達到斷裂破壞突水狀態時的系統增加的勢能ΔE：

式(4)中：q為隔水層兩側壓力差；

根據Bernoulli能量方程得到：