一种岩溶隧道岩溶安全厚度计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及隧道安全领域，具体涉及一种岩溶隧道岩溶安全厚度计算方法。
【背景技术】
[0002] 从国内外岩溶隧道突水灾害事件看出，溶隧道突水灾害已成为岩溶区地下工程建 设中最常见、最易发生以及破坏性最强的灾害之一。然而，由于岩溶的发育与含水、导水构 造赋存规律的复杂性和隐蔽性，加上隧道突水、涌水机理涉及多门学科知识（包括岩溶学、 构造地质学、水化学、地下水动力学、断裂力学、矿物岩石学、沉积学、流体力学、岩体水力学 等），因此，对岩溶隧道突水灾害力学发生机理的研究是一项浩大的工程，目前人们对它的 认识还不够完善。虽然目前探测工作面前方水体的方法众多，但是仍不能完全判断出隐藏 于地下深处的裂隙、管道、溶腔等含水部位，地下水的连通情况也同样十分复杂，于是突水 灾害仍是目前隧道建设中最主要灾害之一，突水灾害将对工程建设造成巨大的危害。
[0003] 工程地质条件是影响隧道与隐伏溶洞间安全距离的最主要因素。主要包括以下 几个因素：1)地层岩性：不同时代、不同成因的岩石产状或力学性质有很大区别，如施工经 过断层破碎带时，软弱夹层将极大加大隧道与隐伏溶洞间的安全距离。2)地质构造：包括 褶皱、断层、节理的分布是影响隧道突水突泥的重要因素，一般来说背斜的翼部是溶隙管道 发育的主要场所，向斜的核部、断层、节理都是地下水的存储的重要场所。3)水文地质条 件：地下水的成因、埋藏、分布、动态和化学成分可以影响溶腔水压力、影响水对岩石的溶蚀 程度，因此对安全距离也有间接影响。4)地形地貌：地表的形态可以改变地表水的分布， 进而影响地下水的流动状态，因此间接作用于隧道安全距离。5)地下水：地下水的流动状 态、水量大小、含泥沙量、水压大小等等对安全厚度的影响非常大。6)地应力：不同地区的 地应力大小不同，进而影响隧道开挖所引起的围岩的应力重分布，安全厚度受破坏的实质 正是重分布应力达到并超过了围岩极限抗压或抗剪强度所致，因此，地应力也能够影响隧 道围岩的安全厚度。除此之外，当地的气候条件、溶腔的跨度、隧道的埋深、侧压力系数以 及人为的扰动对隧道的安全厚度也有影响，比如，周毅等（周毅，邓辉，徐静.叙（永）大 (村）铁路某高压充水溶洞隧道安全厚度数值模拟[J].中国地质灾害与防治学报.2012， 23(3) :82-85)以叙（永）大（村）铁路某高压充水溶洞隧道为工程背景，利用Flac3D软 件研究了多级水压，不同围岩级别条件下隧道围岩稳定性，以及不同水压条件下隧道施工 围岩的安全厚度值，最终得出围岩级别和溶洞水压都影响着隧道安全厚度的取值，且围岩 级别越低，安全厚度越大；而溶洞水压通过影响岩体应力来影响安全厚度，水压越大，安全 厚度越大；并且得出围岩级别对安全厚度的影响比溶洞水压力对安全厚度的影响更大。刘 超群等（刘超群，彭红君.隧道工作面与溶洞安全距离分析[J].现代隧道技术.2012， 49(3) :109-113)通过数值模拟手段，得出了影响隧道与工作面前方溶腔安全距离的影响因 子主要包括：①岩体物理力学参数、②层面峰值强度参数、③岩层倾角、④岩体侧压力系数、 ⑤溶腔洞径、⑥溶腔水压、⑦隧道埋深，并通过正交试验，将这7个指标对安全厚度影响进 行排序①〉⑦〉④〉⑤〉⑥〉③〉②；另外作者分别从经验类比法、理论计算法和数值分析 方法求出宜万铁路某隧道的安全距离，所得结果可为施工决策提供参考。孙谋，刘维宁（孙 谋，刘维宁.高风险岩溶隧道工作面突水机制研究[J].岩土力学.2011，32 (4) : 1175-1180) 在前人的研究基础上，采用数值手段探讨施工条件对突水突变现象的影响，得出当开挖面 接近至最小安全距离时，开挖面失稳突水的模式不但与围岩参数、防突结构厚度以及水体 属性有关，并且明显受制于掘进速度的影响；并将隧道简化为圆形，建立了工作面失稳的折 叠突变模型，通过对系统势能函数的分析，推导出隧道工作面发生破断的突水条件和最小 安全厚度计算公式，最后通过工程实例验证了其可行性。资谊、马士伟（资谊，马士伟.岩 溶隧道涌突水灾害发生机理与工程防治[J].铁道工程学报.2011，第2期：84-89)利用薄 板理论与剪切破坏理论对隧道涌突水灾害发生机理和过程特征进行了研究，首先将隔水岩 板简化为薄板，约束条件为4边简支，通过弹性力学薄板理论计算得出临界水压力与有效 安全厚度的解析解；其次假设隔水岩柱受剪切破坏，通过计算得出剪切破坏时临界水压力 与安全厚度的关系式。
[0004] 然而，在岩溶隧道突水灾害调查研究方面，国内外学者的研究中对岩溶隧道岩盘 安全厚度计算方法研究甚少，对岩溶隧道突水的相关影响因素没有一个较为合理的理论解 释，因此也就没有一套较完整的理论计算方法来计算岩溶隧道岩盘安全厚度，从而无法很 好的保证岩溶区隧道的安全性，防止突水突泥等岩溶地质灾害的发生。
【发明内容】
[0005] 为了解决这些潜在问题，本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足， 提供一种较完整的岩溶隧道岩溶安全厚度计算方法，旨在很好的保证岩溶区隧道的安全 性，防止突水突泥等岩溶地质灾害的发生。
[0006] 为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：
[0007] -种岩溶隧道岩溶安全厚度计算方法，包括：
[0008] A :将岩溶隧道与溶腔简化为结构力学模型，分别计算完整岩岩盘和非完整岩岩盘 受到最大剪力和最大弯矩；
[0009] B :将所述最大剪力、所述最大弯矩代入抗弯强度公式中，得到基于抗弯强度的安 全厚度计算公式；
[0010] C :将所述最大剪力、所述最大弯矩代入抗剪强度公式中，得到基于抗剪强度的安 全厚度计算公式；
[0011] D :引入修正系数n，对所述基于抗弯强度的安全厚度计算公式和所述基于抗剪强 度的安全厚度计算公式进行修正。
[0012] 进一步地，所述步骤A包括：
[0013] Al :计算溶腔位于隧道顶部时，所述完整岩岩盘和非完整岩岩盘受到最大剪力和 最大弯矩；
[0014] A2 :计算溶腔位于隧道底部时，所述完整岩岩盘和非完整岩岩盘受到最大剪力和 最大弯矩；
[0015] A3 :计算溶腔位于隧道侧部时，所述完整岩岩盘和非完整岩岩盘受到最大剪力和 最大弯矩。
[0016] 进一步地，溶腔位于隧道顶部时，所述完整岩岩盘受到的最大剪力和最大弯矩分 别是：
[0017]
[0018] 修正后的所述基于抗弯强度的安全厚度计算公式为：
[0019]
[0020] 修正后的所述基于抗剪强度的安全厚度计算公式为：
[0021]
[0022] 其中，q为溶腔水压力，γ为岩盘岩层重度，S为梁的厚度，即岩盘厚度，L为隧道 水平跨度，[σ ]为岩体许用抗弯强度，[τ ]为岩体许用抗剪强度。
[0023] 进一步地，溶腔位于隧道顶部时，所述非完整岩岩盘受到的最大剪力和最大弯矩 分别是：
，.[0025] 修正后的所述基于抗弯强度的安全厚度计算公式为：
[0024]
[0026] ，.
[0027] 修正后的所述基于抗剪强度的安全厚度计算公式为：
[0028]
[0029] 其中，q为溶腔水压力，γ为岩盘岩层重度，S为梁的厚度，即岩盘厚度，L1为隧道 水平跨度，[σ ]为岩体许用抗弯强度，[τ ]为岩体许用抗剪强度。
[0030] 进一步地，溶腔位于隧道底部时，所述完整岩岩盘受到的最大剪力和最大弯矩分 别是：
[0031]
[0032] 修正后的所述基于抗弯强度的安全厚度计算公式为：
?[0034] 修正后的所述基于抗剪强度的安全厚度计算公式为：
[0033]
[0035]
[0036] 其中，q为溶腔水压力，γ为岩盘岩层重度，S为梁的厚度，即岩盘厚度，L为隧道 水平跨度，[σ ]为岩体许用抗弯强度，[τ ]为岩体许用抗剪强度。
[0037] 进一步地，溶腔位于隧道底部时，所述非完整岩岩盘受到的最大剪力和最大弯矩 分别是：
*[0039] 修正后的所述基于抗弯强度的安全厚度计算公式为：
[0038]
[0040]
[0041] 修正后的所述基于抗剪强度的安全厚度计算公式为：
[0042] 5
[0043] 其中，q为溶腔水压力，γ为岩盘岩层重度，S为梁的厚度，即岩盘厚度，L1为隧道 水平跨度，[σ ]为岩体许用抗弯强度，[τ ]为岩体许用抗剪强