一种强降雨下岩溶隧道衬砌结构安全性评价方法与流程

本发明涉及隧道结构分析，具体涉及一种强降雨下岩溶隧道衬砌结构安全性评价方法。

背景技术：

1、目前，交通隧道围岩富水段落的衬砌结构安全性评价普遍采用水下隧道的水压计算方法，即认为隧道处于稳定的自由水位以下，隧道衬砌结构全环承受均匀分布的静水压力，静水压力值根据地质条件进行折减。

2、而对于岩溶隧道，隧址区岩溶裂隙发育且地表联通性较好，尤其隐伏溶腔、溶槽或地下暗河与地表存在明显的水力联系时，暴雨后地下水会在隧道衬砌背后集聚，衬砌外水压力明显升高，并且水压作用分布不均，在拱顶、拱肩、拱腰、边墙、拱脚、仰拱等各个部位均有可能分布；这种不均匀的分布的水压力较均匀分布的水压力会使衬砌弯矩增大，轴力减小，造成偏心距增加，对结构受力更不利，现有的水下隧道衬砌结构水压计算方法（均匀分布的水压力）不适用于岩溶隧道衬砌结构安全性评价。

3、因此，开发一种强降雨下岩溶隧道衬砌结构安全性评价方法，不但具有迫切的研究价值，也具有良好的经济效益和工业应用潜力，这正是本发明得以完成的动力所在和基础。

技术实现思路

1、为了克服上述所指出的现有技术的缺陷，本发明人对此进行了深入研究，在付出了大量创造性劳动后，从而完成了本发明。

2、具体而言，本发明所要解决的技术问题是：提供一种强降雨下岩溶隧道衬砌结构安全性评价方法，评价强降雨条件下岩溶隧道衬砌结构安全性时所需的水压值、水压环向与纵向作用范围，以准确判断岩溶隧道衬砌结构在强降雨环境下是否能够保证安全。

3、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

4、一种强降雨下岩溶隧道衬砌结构安全性评价方法，包括：

5、根据隧道结构型式及设计参数建立隧道水压环向作用范围矩阵 r=( r ij) n× m；

6、建立隧道衬砌结构与围岩的荷载-结构模型，确定隧道水压环向作用范围矩阵中安全系数最小的环向范围 r ab；

7、根据隧道实测涌水量 w i及衬砌水压 pi，计算隧址区降雨量历史极值 y极时的衬砌结构水压值 p极；

8、根据水压纵向作用范围 l纵，计算水压纵向作用范围修正系数 k纵；

9、由环向范围 r ab、衬砌结构水压值 p极和修正系数 k纵计算强降雨水压作用下岩溶隧道衬砌结构抗力效应 f；

10、利用抗力效应 f与相应的截面强度进行对比计算衬砌结构安全系数 k，判断岩溶隧道衬砌是否满足强降雨条件下结构安全。

11、在本发明中，作为一种改进，所述水压环向作用范围矩阵 r=( r ij) n× m的建立包括：

12、1）沿隧道衬砌周长 z顺时针划分为2 n个单元，其中， n=z/2，并由拱顶顺时针编号1~2 n；

13、2）确立矩阵元素 r ij，其中，矩阵元素 r ij代表由单元 i起始，沿顺时针方向水压作用长度 j的范围，其中i代表水压作用起始位置的单元编号， i=1- n； j代表水压作用长度，j=2-m，m=2n。

14、在本发明中，作为一种改进，确定隧道水压环向作用范围矩阵中安全系数最小的环向范围 r ab包括如下步骤：

15、1）建立隧道衬砌结构与围岩的荷载-结构模型，计算水压环向作用范围矩阵 r=( r ij) n× m时衬砌结构安全系数 k=( k ij) n× m；

16、2）由 k ab=min( k ij)确定 r ab。

17、在本发明中，作为一种改进，计算隧址区降雨量历史极值 y极时的衬砌结构水压值 p极有如下2种方法：

18、（1）建立地层-结构模型；

19、以隧道施工中涌水段落为计算单元，采集降雨期内隧道施工过程涌水量 w i与降雨量 y i，建立隧道初期支护模型反算地层渗透系数；

20、激活二次衬砌结构单元，计算设计排水量条件下降雨量历史极值 y极时衬砌结构背后水压 p极；

21、（2）在现场施工试验段中布置断面实测降雨时衬砌结构水压 pi，根据多次降雨量 y i与水压 p i的数据拟合关系函数 pi= f（ y i）,代入降雨量历史极值 y极计算衬砌结构水压 p极。

22、在本发明中，作为一种改进，所述强降雨水压作用下岩溶隧道衬砌结构抗力效应 f的计算方法为：根据计算得到的环向范围 r ab, 、衬砌结构水压 p极、修正系数 k纵指标参数建立二维荷载-结构有限元模型，并采用如下计算公式：

23、 f= f( r ab, p极)· k纵；

24、其中， r ab为隧道衬砌结构安全系数最小时的环向水压作用范围， p极为隧址区降雨量历史极值 y极时的衬砌结构水压值， k纵为水压纵向作用范围修正系数。

25、在本发明中，作为一种改进，抗力效应 f与相应的截面强度对比计算如下：

26、 kne≤r w bx( h0‒ x/2)+ rg ag'( h0- a')；

27、其中， n为轴向力（mn）， r w为混凝土弯曲抗压极限强度， r g为钢筋抗拉或抗压强度标准值， b为衬砌截面宽度（m）， h0为衬砌截面有效高度（m）， a’为自钢筋 a g'的重心至截面最近边缘的距离（m）， e为钢筋 ag的重心至轴向力作用点的距离（m）， a g'受压区钢筋的截面面积（m2）； k为衬砌结构安全系数。

28、在本发明中，作为一种改进，隧道结构型式包括单心圆、三心圆或五心圆型式，隧道设计参数包括净宽和净高。

29、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

30、（1）本技术所述衬砌结构安全性评价方法以实际工程为背景，比对不同水压模式下受力状态，计算最不利状态下的安全系数，从而判断强降雨条件下岩溶隧道衬砌结构安全性，相对于以往的静水折减计算方式，更符合工程实际。

31、（2）本技术所述衬砌结构安全性评价方法适用于溶管、溶槽等岩溶发育的隧道，在现有技术未涉及的强降雨条件岩溶隧道衬砌结构水压作用情况的条件下，采用本发明可以获得水压最不利情况发生时隧道衬砌结构的安全状态，以此为依据进行衬砌结构安全性分析或衬砌结构病害处治设计，可以保证强降雨条件下岩溶隧道衬砌结构安全。