本发明涉及隧道与地下工程突涌灾害的分析方法，具体涉及一种估算突涌隐患隧道临界顶板厚度的方法。
背景技术：
当尚未开挖到的隧道某区段的顶部存在腔洞时，随着隧道开挖掘进逐渐靠近腔洞，腔洞将逐渐侵入隧道等效断面内，导致隧道顶板变薄，当隧洞顶板减薄到某临界厚度时，再往前开挖就会引爆突涌灾害。矿业系统为了规范矿井水灾的危险程度，引入了突水系数经验计算公式及经验数值，《矿区水文地质工程地质勘探规范》(gb12719-91)附录或国家安全监管总局2009《煤矿防治水规程》附录的突水系数计算公式如下：
ts＝p/(m-cp)，是gb12719-91的公式；
ts＝p/m，是2009《煤矿防治水规程》的公式；
上两式中：ts为突水系数，mpa/m；p为隔水层承受的水压，mpa；m为围岩隔水层厚度，m；cp为采矿对围岩隔水层的扰动破坏厚度，m。
按上式计算，就全国实际资料看，围岩结构破坏块段突水系数一般不大于0.06mpa/m；gb12719-91规范规定正常块段不大于0.15mpa/m，2009《煤矿防治水规程》规定不大于0.1mpa/m。虽然被列入矿业规范，但由于掌子面前方区段灾害隐患在断面上的分布情况没有阐明，矿业界仍有大量文献反映突水系数仅仅可作为经验参考值而不能作为确值来运用，如果作确值来使用，将存在较大风险。
突水系数经验估值，目的是服务于对掌子面前方区段危险性的判断及预警，其实质为对掌子面前方区段未开挖的隧道环境蕴藏的风险给予揭露。矿业系统的突涌灾害与公路、铁路系统、水利水电系统的突涌灾害，有类似之处，在开挖工作平台临近储水地层，地下水突破围岩阻拦，涌出巷道，因此，不同行业的研究者提出了本系统的修正公式，包括矿业系统后续提出的下三带理论、零位破坏、隔水关键层、薄板结构、岩-水作用关系理论等，以及其他系统学者提出能量法、虚功法、数值分析法估算围岩安全盘的厚度等等，或多或少参考了或延续了突水系数的估算方法，为阐述方便，我们统一称它们为突水系数经验，但是这些修正经验或理论往往是因为假设与实际不符、计算过于复杂、结论与实践偏离较大的原因，均未被相应系统的技术规范予以采纳。
综上所诉，传统方法存在以下三个主要缺陷：一是隧道掌子面前方非腔洞对应区域的水文地质情况予以了忽略，没有涉及到掌子面前方非腔洞对应区段的区域属性，这是十分危险的；二是没有考虑腔洞逐渐侵入隧道围岩导致围岩顶板越来越薄的情况；三是未将掌子面作业扰动影响因素考虑进来；所以计算结果不够准确与可靠，从而带来危险。因此有必要提出一种估算突涌隐患隧道临界顶板厚度的方法，以便于准确地估算突涌隐患隧道临界顶板厚度，以确保施工安全。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供一种估算突涌隐患隧道临界顶板厚度的方法。该估算突涌隐患隧道临界顶板厚度的方法能够较准确的估算突涌隐患隧道临界顶板厚度，为后续的突涌灾害治理提供依据，以确保施工安全。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种估算突涌隐患隧道临界顶板厚度的方法，包括工地现场采集数据，通过勘察与试验获得隧道掌子面前方区段断面各分区的水压、围岩强度、围岩颗粒调整系数、腔洞对等效断面各分区的边界影响系数，估算掌子面当前非腔洞对应路段和腔洞对应区段的隧道代表断面的突涌相关技术指标；假设腔洞侵至当前路段代表等效断面的5r边缘时，计算等效断面的突涌烈度g3；假设腔洞侵至当前路段代表等效断面的3r边缘时，计算等效断面的突涌烈度g2；假设腔洞侵至当前路段代表等效断面的1r边缘时，计算等效断面的突涌烈度g1；建立以r为横轴、以g为纵轴的平面坐标系，并标注上(1r，g1)、(3r，g2)、(5r，g3)三个坐标点，拟合曲线将该三个坐标点顺滑地连接起来，找到该曲线上的坐标点(nr，+64％)，该坐标点所对应的nr即为突涌灾害爆发临界半径，用临界半径减去隧道开挖半径，从而可估算得到临界顶板厚度；具体步骤如下：
步骤1：工地现场采集数据
采集掌子面到腔洞边缘之间的当前地段代表等效断面1的水压与围岩强度数据，采集前方腔洞所对应的区段代表等效断面2的水压与围岩强度数据，目的是将腔洞对应的断面2的数据逐步引入断面1之中；
(1)采用常规勘探手段，钻探、坑探、无损探测及超前预报一个以上的组合，获取围岩强度数据，通过抗压试验、触探试验、承载力试验、波速测试方法获得或转换得到围岩强度；
(2)通过钻孔引排水并测量水压、孔隙水压测量仪器测量水压、灌水或灌浆压力致裂法测量水压、测量水位差转换为水压的方法获得水压数据；
(3)通过常规手段对围岩岩性进行分析和探明腔洞情况，推断围岩颗粒调整系数ε和腔洞对等效断面各分区的边界影响系数ξ。
步骤2：计算当前等效断面、掌子面前方区段等效断面的突涌相关指标
对于圆形隧道(其半径为r)，当隧洞某掌子面的围岩被开挖时，其断面出现应力-应变调整，根据断面应力-应变调整关系，将调整半径范围为5r的圆形断面确定为深埋圆形隧道的等效断面(如图3所示)；
对于非圆形隧道，则以隧道断面的中心为圆心，以开挖轮廓线距离圆心的最大距离为半径r，绘制得一个小圆形，以该小圆的圆心为中心，半径为5r绘制一个大圆，则该大圆确定为深埋非圆形隧道的等效断面(如图4和图5所示)；
将等效断面划分为25个分区，每个分区的大小为2r*2r的正方形，几何分区得到了一个10r*10r的大正方形(如图6所示)；
突涌相关技术指标计算公式如下：
(1)等效断面各分区的突涌形态系数计算公式
ji＝ε*p水/r围
式中：ji为分区对应的突涌源形态系数；
ε为修正系数或调整系数，属于无纲量指标；对于非粉细砂性土、岩石，取值为1.0；粉细砂取值为1.05；
p水为隧道围岩地下水水压力，mpa；
r围为隧道围岩轴心抗压强度，mpa；
(2)等效断面各分区的分区的突涌强度计算公式
qi＝ji*νi*ξ
式中：qi表示分区突涌源形态的显著程度，无量纲；
ji为分区对应的突涌源形态系数；
νi为对应的分区赋值；
ξ为等效断面各分区横向与纵向的边界影响系数；
当分区的边界为充水充泥腔洞时，当分区位于拱顶上部时ξ取1.2，当分区位于与隧道同一高程处时ξ取1.10，当分区位于隧道之下时ξ取1.05；
当分区的边界为充水腔洞时，当分区位于拱顶上部时ξ取1.10，当分区位于与隧道同一高程处时ξ取1.05，当分区位于隧道之下时ξ取1.03；
当分区的边界为干腔洞，当分区位于拱顶上部时ξ取1.05，当分区位于与隧道同一高程处时ξ取1.03，当分区位于隧道之下时ξ取1.0；
当分区的边界为非腔洞时，ξ取1.0；
在等效断面边界以外，以及在隧道上部，当地层为自由水-腔洞型地层时，则对等效断面突涌烈度会带来乘数效应；
(3)等效断面的突涌强度计算公式
q总＝∑qi＝∑(ji*νi*ξ)
式中：q总表示隧道等效断面突涌源形态的显著程度，无量纲；
ji为分区对应的突涌源形态系数；
νi为对应的分区赋值；
ξ为等效断面各分区的边界影响系数；
(4)等效断面的突涌烈度计算公式
g＝(q总-q基准)/q基准＝(q总-7.86)/7.86
式中：g为实际等效断面的突涌烈度，是表示相对于隧道基准等效断面，隧道实际等效断面突涌隐患的相对强弱程度，属于无纲量；
q总为隧道实际等效断面的突涌强度；
q基准为隧道基准等效断面的突涌强度，取值为7.86；
步骤3：假设腔洞侵至当前路段代表等效断面1的5r边缘时，计算等效断面1的突涌烈度g3；
步骤4：假设腔洞侵至当前路段代表等效断面1的的3r边缘时，计算等效断面1的突涌烈度g2；
步骤5：假设腔洞侵至当前路段代表等效断面1的的1r边缘时，按公式计算各分区的突涌强度、等效断面的突涌烈度g1；
步骤6：估算等效断面突涌烈度为+64％时等效断面1上半部分的剩余半径；
(1)建立以r为横轴、g为纵轴的平面坐标系，并标注上(1r，g1)、(3r，g2)、(5r，g3)对应的坐标点，拟合曲线将该三个坐标点顺滑地连接起来；
(2)在该曲线上，以+64％为纵坐标，找到坐标点(nr，+64％)，nr就是腔洞侵入等效断面1导致等效断面由过渡区属性转向突涌隐患区属性时的剩余半径，即未遭腔洞侵入的隧道上半部分范围的半径；
步骤7：计算临界顶板厚度
临界顶板厚度＝nr-r。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、传统方法既没有考虑到掌子面当前的水文地质分布情况，也没有腔洞侵入隧道围岩顶板和施工扰动的情况，所以估算的临界顶板厚度是不够安全的。而本发明方法与传统方法相比，考虑了多项综合因素，克服传统方法的缺陷，能够较准确的估算突涌隐患隧道临界顶板厚度，为后续的治突涌灾害理提供依据，以确保施工安全。
2、使用本发明方法分析、治理突涌隐患或灾害，将获得较好的社会效益、经济效益和生态效益。
附图说明
附图1为本发明实施例中的岭脚隧道腔洞附近地段地质情况示意图，图中，两条纵向平行线是指隧道开挖轮廓线的纵立面，腔洞是指含有泥砂、石块、水体混合物的岩洞或土洞，a-a断面与bb断面之间的隧道段是指隧道开挖接近腔洞的危险区段；
附图2为本发明实施例中的岭脚隧道顶板厚度估算曲线图，图中，纵轴g表示隧道等效断面的突涌烈度，横轴r表示顶板上部距离隧道中心点的距离，曲线表示腔洞侵入顶板过程中g与r的变动关系；
附图3为本发明的深埋圆形隧道等效断面图，图中，小圆表示隧道开挖轮廓面，大圆表示隧道等效断面，数字1表示1倍隧道开挖半径，数字2表示2倍隧道开挖半径，数字3表示3倍隧道开挖半径，数字4表示4倍隧道开挖半径，数字5表示5倍隧道开挖半径；
附图4为本发明的深埋矩形形状隧道等效断面图，图中，矩形表示隧道开挖轮廓面的实际形状，小圆表示矩形隧道简化为圆形隧道，大圆表示隧道等效断面，1r表示1倍隧道开挖半径，2r表示2倍隧道开挖半径，3r表示3倍隧道开挖半径，4r表示4倍隧道开挖半径，5r表示5倍隧道开挖半径；
附图5为本发明的深埋直墙式隧道等效断面图，图中，非规则矩形表示直墙式隧道开挖轮廓面的实际形状，小圆表示直墙式隧道简化为圆形隧道，大圆表示隧道等效断面，1r表示1倍隧道开挖半径，2r表示2倍隧道开挖半径，3r表示3倍隧道开挖半径，4r表示4倍隧道开挖半径，5r表示5倍隧道开挖半径；
附图6为本发明的隧道等效断面25个分区示意图，图中，数字1表示1倍隧道开挖半径，数字2表示2倍隧道开挖半径，数字3表示3倍隧道开挖半径，数字4表示4倍隧道开挖半径，数字5表示5倍隧道开挖半径，小圆表示隧道开挖轮廓面，大圆表示隧道圆形等效断面，中圆表示弹塑性区与塑性区的分界，与隧道圆形等效断面相切的大正方形称为隧道正方形等效断面，该两等效断面统称为隧道等效断面，与小圆相切的小正方形是隧道等效断面轴对称分区之一，按对称原则还有24个轴对称分区。
具体实施方式
实施例岭脚隧道突涌区溃口处拱顶顶板厚度估算
一种估算突涌隐患隧道临界顶板厚度的方法，包括包括工地现场采集数据，通过勘察与试验获得隧道掌子面前方区段断面各分区的水压与围岩强度，估算当前非腔洞对应路段和腔洞对应区段的代表断面的突涌相关技术指标；假设当腔洞侵至当前路段代表等效断面的5r边缘时，计算等效断面的突涌烈度g3；假设当腔洞侵至当前路段代表等效断面的3r边缘时，计算等效断面的突涌烈度g2；假设当腔洞侵至当前路段代表等效断面的1r边缘时，计算等效断面的突涌烈度g1；建立以r为横轴、g为纵轴的平面坐标系，并标注上(1r，g1)、(3r，g2)、(5r，g3)三个坐标点，拟合曲线将该三个坐标点顺滑地连接起来，找到该曲线上的坐标点(nr，+64％)，该坐标点所对应的nr即为突涌灾害爆发临界半径，使用临界半径减去隧道开挖半径，从而可估算得到临界顶板厚度；具体步骤如下：
步骤1：工地现场采集数据:
采集掌子面到腔洞边缘之间的当前地段代表等效断面1的水压与围岩强度数据，采集腔洞对应区段的代表等效断面2的水压与围岩强度数据，目的是将腔洞对应的断面2的数据逐步引入断面1之中；
(1)采用常规勘探手段钻探、坑探、无损探测及超前预报一个以上的组合获取围岩强度数据，通过岩芯试样抗压试验、触探试验、承载力试验、波速测试方法获得或转换得到围岩强度；
(2)通过钻孔引排水法、孔隙水压测量仪器、灌水或灌浆压力致裂法、测量水位差转换为水压等方法测量水压并获得水压数据；
(3)通过常规手段对围岩岩性进行分析和探明腔洞情况，推断围岩颗粒调整系数ε和腔洞对等效断面各分区的边界影响系数ξ。
步骤2：计算当前等效断面、掌子面前方区段等效断面的突涌相关指标
(1)突涌相关技术指标计算公式如下：
等效断面各分区的突涌形态系数计算公式为：
ji＝ε*p水/r围
式中：ji为分区对应的突涌源形态系数；
ε为修正系数或调整系数，属于无纲量指标；对于非粉细砂性土、岩石，取值为1.0；粉细砂取值为1.05；
p水为隧道围岩地下水水压力，mpa；
r围为隧道围岩轴心抗压强度，mpa；
等效断面各分区的分区的突涌强度计算公式为：
qi＝ji*νi*ξ
式中：qi表示分区突涌源形态的显著程度，无量纲；
ji为分区对应的突涌源形态系数；
νi为对应的分区赋值；
ξ为等效断面各分区横向与纵向的边界影响系数；
当分区的边界为充水充泥腔洞时，当分区位于拱顶上部时ξ取1.2，当分区位于与隧道同一高程处时ξ取1.10，当分区位于隧道之下时ξ取1.05；
当分区的边界为充水腔洞时，当分区位于拱顶上部时ξ取1.10，当分区位于与隧道同一高程处时ξ取1.05，当分区位于隧道之下时ξ取1.03；
当分区的边界为干腔洞，当分区位于拱顶上部时ξ取1.05，当分区位于与隧道同一高程处时ξ取1.03，当分区位于隧道之下时ξ取1.0；
当分区的边界为非腔洞时，ξ取1.0；
在等效断面边界以外，以及在隧道上部，当地层为自由水-腔洞型地层时，则对等效断面突涌烈度会带来乘数效应；
等效断面的突涌强度计算公式为：
q总＝∑qi＝∑(ji*νi*ξ)
式中：q总表示隧道等效断面突涌源形态的显著程度，无量纲；
ji为分区对应的突涌源形态系数；
νi为对应的分区赋值；
ξ为等效断面各分区的边界影响系数；
等效断面的突涌烈度计算公式为：
g＝(q总-q基准)/q基准＝(q总-7.86)/7.86
式中：g为实际等效断面的突涌烈度，是表示相对于隧道基准等效断面，隧道实际等效断面突涌隐患的相对强弱程度，属于无纲量；
q总为隧道实际等效断面的突涌强度；
q基准为隧道基准等效断面的突涌强度，取值为7.86；
(2)岭脚隧道基本情况
岭脚隧道是广西某公路内的一座隧道，岭脚隧道拱顶上部存在巨型腔洞，隧道掘进距离腔洞越近，拱顶的顶板则越薄，当薄到一定程度时，将会爆发突涌灾害；(如图1所示)，腔洞壁的围岩强度为4.5mpa，腔洞核心区水压为0.5mpa。a-a断面与b-b断面之间隧道段为当前地段，裂隙稀疏，当前地段前端开挖轮廓线内没发现存在地下水，隧道围岩为弱至中风化白云质混合岩，抗压强度约为40mpa，当前地段后端围岩被腔洞侵入，逐步减薄，爆发突涌灾害的风险越来越大；隧道开挖宽度为11.45米，掌子面开挖瞬时松动圈约为3.5米，即“围岩破坏厚度”约为3.5米；
(3)腔洞对应区段的代表等效断面2的情况
使用勘探及试验获得的水压与围岩强度数据计算隧道等效断面2的各分区的突涌源系数j值、突涌强度q值，当分区的边界为充水充泥腔洞时，分区位于拱顶上部时ξ取1.2，位于与隧道同一高程处时ξ取1.05，位于隧道之下时ξ取1.03；如下表1所示；
表1：腔洞对应的等效断面2各分区的突涌数据表
(6)当前路段代表等效断面1的情况
使用勘探及试验获得的水压与围岩强度数据计算隧道等效断面1的各分区的突涌源系数j值、突涌强度q值，ξ为1.0；如下表2所示；
表2：非腔洞路段的等效断面1各分区的突涌数据表
步骤3：当腔洞侵至等效断面1的5r边缘时，按公式计算等效断面的突涌烈度g3，此时g3＝-100％；(如下表3所示)
表3：腔洞仅侵入至等效断面1的边缘时各分区的突涌数据表
步骤4：当腔洞侵至当前路段等效断面1的3r边缘时，按公式计算等效断面的突涌烈度g2，g2＝(58*10-1*1.2-7.86)/7.86＝-11％，如下表4所示；
表4：腔洞侵入至等效断面顶部第一层时各分区的突涌数据表
步骤5：假设腔洞侵至当前路段等效断面1的1r边缘时，按公式计算等效断面的突涌烈度g1，g1＝[(58+192)*10-1*1.2-7.86]/7.86＝+282％，(如下表5所示)
表5:腔洞侵入至等效断面顶部第一层及第二层时各分区的突涌数据表
步骤6：估算等效断面1突涌烈度为+64％时断面上半部分的剩余半径。
(1)建立以r为横轴、g为纵轴的平面坐标系，并标注上(1r，+282％)、(3r，-11％)、(5r，-100％)对应的坐标点，拟合曲线将该三个坐标点顺滑地连接起来；(如图2所示)；
(2)在该曲线上，以+64％为纵坐标，找到坐标点(nr，+64％)，nr就是腔洞侵入等效断面导致等效断面1由过渡区属性转向突涌隐患区属性时的剩余半径，即未遭腔洞侵入的隧道上半部分范围的半径。
(3)当g＝+64％时，nr＝2.40r，岭脚隧道开挖宽度为11.45米，r＝11.45/2＝5.73米，nr＝2.40r＝13.75米；
步骤7：计算临界顶板厚度
临界顶板厚度＝nr-r＝13.75-5.73＝8.02米。
对照实实施案例1岭脚隧道突涌区溃口处拱顶顶板厚度估算
(1)传统方法的估算结果
①《矿区水文地质工程地质勘探规范》(gb12919-91)的估算
ts＝p/(m-cp)
隧道掌子面裂隙稀疏，说明岩板未被破坏，所以，突涌系数取0.15mpa/m。
0.15＝0.5/(m-3.5)
m＝6.83米，即顶板安全厚度为6.83米。
②国家安全监管总局2009年颁布《煤矿防治水规程》的估算
ts＝p/m
隧道掌子面裂隙稀疏，说明岩板未被破坏，所以，突涌系数取0.10mpa/m。
0.10＝0.5/m
m＝5.0米，即顶板安全厚度为5.0米。
(2)实际情况
在后续的探测与治理中，发现溃口处顶板厚度实际约为6米，即顶板厚度为6米时就爆发了突涌特大灾害。
(3)本发明方法与传统方法的比较
从上述估算结果和实际情况看，本发明估算认为顶板厚度为8.02米时为临界板厚，薄于该厚度将爆发突涌灾害，这与实际相符；传统的第一种估算法得到的安全板厚为6.83米，这“安全板厚”与本发明的“临界板厚”的概念是存在较大差异的，所以即使6.83米与8.02米两数值相差不大，但是概念上是有较大差别的，实际情况是板厚为6米时就爆发了突涌灾害，说明该传统估算法的结论是存在风险的，不够安全；传统估算的第二种算法的结论是5米板厚为安全板厚，实际板厚为6米时就爆发了突涌灾害，说明该估算法也是不准确的，不安全。