隧道仰拱三维突水破坏临界水压与临界厚度的确定方法与流程

本发明属于隧道突水破坏防治技术领域，具体涉及一种隧道仰拱三维突水破坏临界水压与临界厚度的确定方法。

背景技术：

随着我国客运专线以及高等级公路的建设，越来越多的长大隧道得以修建。这些长大隧道穿越各种复杂特殊的地质地貌和构造单元，处于不同应力场、渗流场和温度场环境，会产生各种地质灾害。其中，隧道突水甚至突泥是隧道工程中最具危害性的灾害之一，如宜万铁路马鹿箐隧道、野山关隧道涌突水灾害等，对工程造成重大损失。因此开展隧道突水研究具有十分重要的工程意义与科学价值。在隧道施工阶段出现仰拱涌突水情况时，不仅会严重影响到仰拱的开挖及后续支护工作的进行，而且还会引起初期支护的下沉变形甚至塌方。若运营阶段出现该情况，则会严重危险到交通安全。

目前，对于如何确定隧道突水的临界厚度大多采用数值模拟或者经验公式，且破裂面的公式是假定的，对于突水的临界水压研究较少，从能量守恒角度考虑来研究的也很少。同时对于隧道突水大多研究的是溶洞隧道掌子面突水，对于隧道仰拱突水的研究的报道较少。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种隧道仰拱三维突水破坏临界水压与临界厚度的确定方法。本发明可以判断隧道仰拱是否突水、隔水层厚度是否满足要求，并为泄水降压提供依据，如水压高，把水压降低到临界水压以下，则可以有效避免突水的发生；同时本发明的方法可以确定隧道仰拱突水破坏时三维破坏面形状。

本发明的隧道仰拱三维突水破坏临界水压与临界厚度的确定方法，包括如下顺序的步骤：

(1)确定仰拱三维突水破坏面尺寸之间的几何关系如下：

l1＝l2-htanφ；

式中：l1为隔水层底破裂范围的一半；l2为隔水层顶面破裂范围的一半，即仰拱跨度的一半；h为隔水层厚度；φ为围岩内摩擦角；lab、lcd为破坏圆台的母线长度；sabcd为破坏圆台的侧面面积，即三维破裂面面积；

(2)水压力外力功率为：

wp＝pπl1²v；

式中：wp为水压力外力功率；p为含水层水压力；v为破裂面上的间断速度；

(3)隔水层自重荷载所做的外力功率为：

式中：wr为隔水层自重荷载所做的外力功率；γ为围岩重度；h为隔水层厚度；

(4)内能耗散功率为：

式中：ed为内能耗散功率；c为围岩粘聚力；

(5)由能量守恒原理，即外力功率等于内能耗散功率：

ed＝wp+wγ；

在隔水层厚度h已知的情况下，可以求得仰拱突水破坏时的临界含水层水压力p；或在含水层水压力p已知的情况下，可以反求得仰拱突水破坏时的临界隔水层厚度h。并且根据l1、l2和h可以确定隧道仰拱突水破坏时三维破坏面形状。

本发明为确定隧道仰拱突水破坏时的临界水压与临界厚度提供了计算方法；据此可以判断隧道仰拱是否突水、隔水层厚度是否满足要求，并为泄水降压提供依据，如水压高，把水压降低到临界水压以下，则可以有效避免突水的发生；同时本发明的方法可以确定隧道仰拱突水破坏时三维破坏面形状。本发明的方法，亦可以应用于采矿巷道、水工隧洞等地下建筑结构的仰拱或底板是否突水的判断、临界水压与临界隔水层厚度的确定等。

附图说明

图1是本发明方法的原理示意图。

图2是本发明实施例的临界含水层水压力与临界隔水层厚度的关系曲线图。

图3是本发明实施例隔水层厚度为3m时的三维突水破坏面形状图。

图中，l1为隔水层底面破裂范围的一半；l2为隔水层顶面破裂范围的一半，即仰拱跨度的一半；p含水层水压力，在岩溶地段，可以为溶洞/溶腔的水压力；h为隔水层厚度。

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。

参见图1，是本发明隧道仰拱三维突水破坏临界水压与临界厚度的确定方法的原理示意图。

首先，根据隧道工程概况与围岩等级情况，获得围岩相关力学参数，如上述中的围岩粘聚力c、围岩内摩擦角φ，隧道仰拱跨度的一半l2，围岩重度γ，以及含水层水压力p或者隔水层厚度h等参数。

具体计算步骤如下：

(1)确定仰拱三维突水破坏面尺寸之间的几何关系如下：

l1＝l2-htanφ；

式中：l1为隔水层底破裂范围的一半；l2为隔水层顶面破裂范围的一半，即仰拱跨度的一半；h为隔水层厚度；φ为围岩内摩擦角；lab、lcd为破坏圆台的母线长度；sabcd为破坏圆台的侧面面积，即三维破裂面面积；

(2)水压力外力功率为：

wp＝pπl1²v；

式中：wp为水压力外力功率；p为含水层水压力；v为破裂面上的间断速度；

(3)隔水层自重荷载所做的外力功率为：

式中：wr为隔水层自重荷载所做的外力功率；γ为围岩重度；h为隔水层厚度；

(4)内能耗散功率为：

式中：ed为内能耗散功率；c为围岩粘聚力；

(5)由能量守恒原理，即外力功率等于内能耗散功率：

ed＝wp+wγ；

在隔水层厚度h已知的情况下，可以求得仰拱突水破坏时的临界含水层水压力p；或在含水层水压力p已知的情况下，可以反求得仰拱突水破坏时的临界隔水层厚度h。并且根据l1、l2和h可以确定隧道仰拱突水破坏时三维破坏面形状。

上式是一个显式方程，对于围岩重度γ为25kn/m³，围岩粘聚力c为200kpa，围岩内摩擦角φ为30°，隧道仰拱跨度的一半l2为5m。

根据步骤(1)中的几何关系可以求的l1，l1＝l2-htanφ＝5-htan30°。

进一步根据步骤(5)，求的不同隔水层厚度h下的临界含水层水压力p，

根据上述，即可绘制不同隔水层厚度h下的临界含水层水压力p曲线，如图2所示。突水为隔水层厚度为3m时的三维突水破坏面形状图如图3所示。