本發(fā)明屬于隧道突水破壞防治技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種隧道仰拱三維突水破壞臨界水壓與臨界厚度的確定方法。

背景技術(shù)：

隨著我國(guó)客運(yùn)專線以及高等級(jí)公路的建設(shè)，越來(lái)越多的長(zhǎng)大隧道得以修建。這些長(zhǎng)大隧道穿越各種復(fù)雜特殊的地質(zhì)地貌和構(gòu)造單元，處于不同應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)和溫度場(chǎng)環(huán)境，會(huì)產(chǎn)生各種地質(zhì)災(zāi)害。其中，隧道突水甚至突泥是隧道工程中最具危害性的災(zāi)害之一，如宜萬(wàn)鐵路馬鹿箐隧道、野山關(guān)隧道涌突水災(zāi)害等，對(duì)工程造成重大損失。因此開展隧道突水研究具有十分重要的工程意義與科學(xué)價(jià)值。在隧道施工階段出現(xiàn)仰拱涌突水情況時(shí)，不僅會(huì)嚴(yán)重影響到仰拱的開挖及后續(xù)支護(hù)工作的進(jìn)行，而且還會(huì)引起初期支護(hù)的下沉變形甚至塌方。若運(yùn)營(yíng)階段出現(xiàn)該情況，則會(huì)嚴(yán)重危險(xiǎn)到交通安全。

目前，對(duì)于如何確定隧道突水的臨界厚度大多采用數(shù)值模擬或者經(jīng)驗(yàn)公式，且破裂面的公式是假定的，對(duì)于突水的臨界水壓研究較少，從能量守恒角度考慮來(lái)研究的也很少。同時(shí)對(duì)于隧道突水大多研究的是溶洞隧道掌子面突水，對(duì)于隧道仰拱突水的研究的報(bào)道較少。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種隧道仰拱三維突水破壞臨界水壓與臨界厚度的確定方法。本發(fā)明可以判斷隧道仰拱是否突水、隔水層厚度是否滿足要求，并為泄水降壓提供依據(jù)，如水壓高，把水壓降低到臨界水壓以下，則可以有效避免突水的發(fā)生；同時(shí)本發(fā)明的方法可以確定隧道仰拱突水破壞時(shí)三維破壞面形狀。

本發(fā)明的隧道仰拱三維突水破壞臨界水壓與臨界厚度的確定方法，包括如下順序的步驟：

(1)確定仰拱三維突水破壞面尺寸之間的幾何關(guān)系如下：

l1＝l2-htanφ；

式中：l1為隔水層底破裂范圍的一半；l2為隔水層頂面破裂范圍的一半，即仰拱跨度的一半；h為隔水層厚度；φ為圍巖內(nèi)摩擦角；lab、lcd為破壞圓臺(tái)的母線長(zhǎng)度；sabcd為破壞圓臺(tái)的側(cè)面面積，即三維破裂面面積；

(2)水壓力外力功率為：

wp＝pπl(wèi)1²v；

式中：wp為水壓力外力功率；p為含水層水壓力；v為破裂面上的間斷速度；

(3)隔水層自重荷載所做的外力功率為：

式中：wr為隔水層自重荷載所做的外力功率；γ為圍巖重度；h為隔水層厚度；

(4)內(nèi)能耗散功率為：

式中：ed為內(nèi)能耗散功率；c為圍巖粘聚力；

(5)由能量守恒原理，即外力功率等于內(nèi)能耗散功率：

ed＝wp+wγ；

在隔水層厚度h已知的情況下，可以求得仰拱突水破壞時(shí)的臨界含水層水壓力p；或在含水層水壓力p已知的情況下，可以反求得仰拱突水破壞時(shí)的臨界隔水層厚度h。并且根據(jù)l1、l2和h可以確定隧道仰拱突水破壞時(shí)三維破壞面形狀。

本發(fā)明為確定隧道仰拱突水破壞時(shí)的臨界水壓與臨界厚度提供了計(jì)算方法；據(jù)此可以判斷隧道仰拱是否突水、隔水層厚度是否滿足要求，并為泄水降壓提供依據(jù)，如水壓高，把水壓降低到臨界水壓以下，則可以有效避免突水的發(fā)生；同時(shí)本發(fā)明的方法可以確定隧道仰拱突水破壞時(shí)三維破壞面形狀。本發(fā)明的方法，亦可以應(yīng)用于采礦巷道、水工隧洞等地下建筑結(jié)構(gòu)的仰拱或底板是否突水的判斷、臨界水壓與臨界隔水層厚度的確定等。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明方法的原理示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的臨界含水層水壓力與臨界隔水層厚度的關(guān)系曲線圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例隔水層厚度為3m時(shí)的三維突水破壞面形狀圖。

圖中，l1為隔水層底面破裂范圍的一半；l2為隔水層頂面破裂范圍的一半，即仰拱跨度的一半；p含水層水壓力，在巖溶地段，可以為溶洞/溶腔的水壓力；h為隔水層厚度。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。

參見圖1，是本發(fā)明隧道仰拱三維突水破壞臨界水壓與臨界厚度的確定方法的原理示意圖。

首先，根據(jù)隧道工程概況與圍巖等級(jí)情況，獲得圍巖相關(guān)力學(xué)參數(shù)，如上述中的圍巖粘聚力c、圍巖內(nèi)摩擦角φ，隧道仰拱跨度的一半l2，圍巖重度γ，以及含水層水壓力p或者隔水層厚度h等參數(shù)。

具體計(jì)算步驟如下：

(1)確定仰拱三維突水破壞面尺寸之間的幾何關(guān)系如下：

l1＝l2-htanφ；

式中：l1為隔水層底破裂范圍的一半；l2為隔水層頂面破裂范圍的一半，即仰拱跨度的一半；h為隔水層厚度；φ為圍巖內(nèi)摩擦角；lab、lcd為破壞圓臺(tái)的母線長(zhǎng)度；sabcd為破壞圓臺(tái)的側(cè)面面積，即三維破裂面面積；

(2)水壓力外力功率為：

wp＝pπl(wèi)1²v；

式中：wp為水壓力外力功率；p為含水層水壓力；v為破裂面上的間斷速度；

(3)隔水層自重荷載所做的外力功率為：

式中：wr為隔水層自重荷載所做的外力功率；γ為圍巖重度；h為隔水層厚度；

(4)內(nèi)能耗散功率為：

式中：ed為內(nèi)能耗散功率；c為圍巖粘聚力；

(5)由能量守恒原理，即外力功率等于內(nèi)能耗散功率：

ed＝wp+wγ；

在隔水層厚度h已知的情況下，可以求得仰拱突水破壞時(shí)的臨界含水層水壓力p；或在含水層水壓力p已知的情況下，可以反求得仰拱突水破壞時(shí)的臨界隔水層厚度h。并且根據(jù)l1、l2和h可以確定隧道仰拱突水破壞時(shí)三維破壞面形狀。

上式是一個(gè)顯式方程，對(duì)于圍巖重度γ為25kn/m³，圍巖粘聚力c為200kpa，圍巖內(nèi)摩擦角φ為30°，隧道仰拱跨度的一半l2為5m。

根據(jù)步驟(1)中的幾何關(guān)系可以求的l1，l1＝l2-htanφ＝5-htan30°。

進(jìn)一步根據(jù)步驟(5)，求的不同隔水層厚度h下的臨界含水層水壓力p，

根據(jù)上述，即可繪制不同隔水層厚度h下的臨界含水層水壓力p曲線，如圖2所示。突水為隔水層厚度為3m時(shí)的三維突水破壞面形狀圖如圖3所示。