CN105160079B - 一种岩溶隧道岩溶安全厚度计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩溶隧道岩溶安全厚度计算方法，包括：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；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；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；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。本发明的一种岩溶隧道岩溶安全厚度计算方法，提出了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，保证了岩溶区隧道的安全性，有效防止突水突泥等岩溶地质灾害的发生。

Description

一种岩溶隧道岩溶安全厚度计算方法

技术领域

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

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。

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。

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

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。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种岩溶隧道岩溶安全厚度计算方法，包括：

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；

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；

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；

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。

进一步地，所述步骤A包括：

A1：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；

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；

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。

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：

修正后的所述基于抗弯强度的安全厚度计算公式为：

修正后的所述基于抗剪强度的安全厚度计算公式为：

其中，q为溶腔内充填物沿竖直方向压力，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。

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：

修正后的所述基于抗弯强度的安全厚度计算公式为：

修正后的所述基于抗剪强度的安全厚度计算公式为：

其中，q为溶腔内充填物沿竖直方向压力，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。

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：

修正后的所述基于抗弯强度的安全厚度计算公式为：

修正后的所述基于抗剪强度的安全厚度计算公式为：

其中，q为溶腔内充填物沿竖直方向压力，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。

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：

修正后的所述基于抗弯强度的安全厚度计算公式为：

修正后的所述基于抗剪强度的安全厚度计算公式为：

其中，q为溶腔内充填物沿竖直方向压力，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。

进一步地，溶腔位于隧道侧部时，所述完整岩岩盘受到的最大剪力和最大弯矩分别是：

修正后的所述基于抗弯强度的安全厚度计算公式为：

修正后的所述基于抗剪强度的安全厚度计算公式为：

其中，p为溶腔内与隧道拱顶等高处水压力，q为溶腔内充填物沿竖直方向压力，h为隧道顶底部高度，ρ为溶腔内充填物密度，[σ]为岩体许用抗弯强度，[τ]为岩体许用抗剪强度。

进一步地，溶腔位于隧道侧部时，所述完整岩岩盘受到的最大剪力和最大弯矩分别是：

修正后的所述基于抗弯强度的安全厚度计算公式为：

修正后的所述基于抗剪强度，的安全厚度计算公式为：

其中，p为溶腔内与隧道拱顶等高处水压力，q为溶腔内充填物沿竖直方向压力，h₁为隧道顶底部高度，ρ为溶腔内充填物密度，[σ]为岩体许用抗弯强度，[τ]为岩体许用抗剪强度。

与现有技术相比，本发明的有益效果

本发明的一种岩溶隧道岩溶安全厚度计算方法，将隧道与溶腔隐伏洞分别简化成结构力学理论模型，提出了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，保证了岩溶区隧道的安全性，有效防止突水突泥等岩溶地质灾害的发生。

附图说明

图1是本发明的一个具体实施例示出的一种岩溶隧道岩溶安全厚度计算方法流程图。

图2是溶腔分布于隧道顶部时的结构示意图。

图3是溶腔分布于隧道顶部时压性断层突水力学模型。

图4是溶腔分布于隧道顶部时张性断层突水力学模型。

图5是溶腔分布于隧道底部时的结构示意图。

图6是溶腔分布于隧道底部时压性断层突水力学模型。

图7是溶腔分布于隧道底部时张性断层突水力学模型。

图8是溶腔分布于隧道侧部时的结构示意图。

图9是溶腔分布于隧道侧部时压性断层突水力学模型。

图10是溶腔分布于隧道底部时张性断层突水力学模型。

图11是宜万线爪观隧道与顶部隐伏溶洞位置关系示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

图1所示为本发明的一个具体实施例示出的一种岩溶隧道岩溶安全厚度计算方法流程图，包括：

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；

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；

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；

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。

当岩盘厚度中存在压性断层时，由于岩盘厚度所受水平主应力较大，断层带几乎呈完全封闭状态，因此可以不考虑压性断层对岩体的破坏，依据岩盘厚度受力状态，可将岩盘简化为两端固定梁受均布荷载情况，此时也认为这种岩盘为完整岩岩盘。

当隧道穿越张性断层带，最直接的突水方式是施工过程中水体沿着断层破碎带直接突水隧道，但是当断层破碎带物质渗透性较差时往往具有一定的阻水作用，溶腔或含水体中的水突入隧道的方式一般是造成岩盘强度破坏而突水，针对这一类型的突水，可将岩盘简化为一端固定，一端自由的梁受均布荷载情况，此时也认为这种岩盘为非完整岩岩盘。

本发明的一种岩溶隧道岩溶安全厚度计算方法，通过对岩溶隧道发生机理的分析，通过建立的结构力学理论的数学模型，推倒出了一种具有理论基础的岩溶隧道岩溶安全厚度计算方法，克服了现有技术中相关领域的理论空缺，能够通过理论计算很好的指导实践工程施工。

进一步地，所述步骤A包括：

A1：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；

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；

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。

值得一提的是，这三种情况涵盖了溶腔与隧道的所有位置关系，通过对每一种情形进行分析，全面的把握每种情形下的安全厚度计算方法，使计算结果更加真实的有效，提高了理论指导实践的准确度。

图2所示为溶腔分布于隧道顶部时的结构示意图，下面分析压性断层存在于完整岩岩盘中的理论计算。

当溶腔分布于隧道顶部时，隧道顶部作用两种荷载，分别是沿岩盘分布的岩层自重应力以及溶腔水压力(包含充填物压力)。当岩盘厚度中存在压性断层时，由于岩盘厚度所受水平主应力较大，断层带几乎呈完全封闭状态，因此可以不考虑压性断层对岩体的破坏，依据岩盘厚度受力状态，可将岩盘简化为两端固定梁受均布荷载情况。

具体的参见图3，图3所示为溶腔分布于隧道顶部时压性断层突水力学模型。

根据结构力学相关公式，可以得出此时梁受到的最大剪力以及最大弯矩分别为：

最大剪力：

最大弯矩：

按抗弯强度公式进行验算可得：

岩体属于脆性材料，因此实际岩盘安全厚度必须通过修正，取修正系数n对以上公式进行修正可得修正后安全厚度：

修正系数n取0～1。

按抗剪强度进行验算并修正可可得：

其中，q为溶腔内充填物沿竖直方向压力，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。

这里要强调的是，已有研究表明，按抗弯及抗剪计算公式得出的安全厚度值都是随着水压力的增加而不断增加，当溶腔水压力在O～1.8MPa之间时，按抗弯强度得出的安全厚度值比按抗剪强度得出的安全厚度值更大，因此为安全起见，水压力在0～1.8MPa时应该以岩体许用抗弯强度得出的结果为准；当水压力大于1.8MPa后，应该按岩体许用抗剪强度推导出来的公式进行岩盘安全厚度的计算。

下面分析张性断层存在于非完整岩岩盘中的理论计算。

当隧道穿越张性断层带，最直接的突水方式是施工过程中水体沿着断层破碎带直接突水隧道，但是当断层破碎带物质渗透性较差时往往具有一定的阻水作用(如充填断层泥)，溶腔或含水体中的水突入隧道的方式一般是造成岩盘强度破坏而突水，针对这一类型的突水，将断层突水结构力学模型简化为一端固定，一端自由的梁进行验算。

具体的参见图4，图4所示为溶腔分布于隧道顶部时张性断层突水力学模型。

根据结构力学相关公式，可以得出梁受到的最大剪力以及最大弯矩分别为：

最大剪力：

Q＝(q+γS)L₁ (3-6)

最大弯矩：

按抗弯强度公式进行验算并修正可得：

按抗剪强度进行验算并修正可可得：

其中，q为溶腔内充填物沿竖直方向压力，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。

值得一提的是，已有研究表明，按抗弯计算时岩盘厚度随着水压力的增长呈两个阶段，第一个阶段是当水压力在0～0.5MPa之间时，岩盘厚度会急剧增加，当水压力在0.5MPa以后，岩盘厚度随着水压基本继续增加时，且基本呈直线状增长，增长斜率分别为0.70、1.04、1.39。

按抗剪强度计算公式得出的岩盘厚度与水压力之间的关系，随着岩盘长度的增加，岩盘厚度和水压力按一定斜率增长，且增长的斜率1.89、2.92、4.01分别对应的岩盘长度为3.75m、5.62m、7.49m。

此外，当张性断层中岩盘厚度厚长度为隧道直径的一半时，按抗弯强度以及抗剪强度计算得出的安全厚度值与压性断层中计算出的结果一致。

图5所示为溶腔分布于隧道底部时的结构示意图，下面分析压性断层存在于完整岩岩盘中的理论计算。

当溶腔分布于隧道下方时，隧道下方的岩盘厚度受到两种荷载作用，分别是沿岩盘分布的岩层自重应力以及方向向上的溶腔水压力(包含充填物压力)如图3-4所示。当岩盘厚度中存在压性断层时，由于岩盘厚度所受水平主应力较大，断层带几乎呈完全封闭状态，此时将岩盘简化为两端固定梁受均布荷载情况。

具体的参见图6，图6所示为溶腔分布于隧道底部时压性断层突水力学模型。

压性断层存在于岩盘厚度中时，对应的结构力学受力模型的最大剪力和弯矩分别为：

最大剪力：

最大弯矩：

按抗弯强度公式进行验算并修正可得：

按抗剪强度进行验算并修正可可得：

其中，q为溶腔内充填物沿竖直方向压力，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。

值得一提的是，已有研究表明，当溶腔分布于隧道下方时按抗弯及抗剪计算公式得出的安全厚度值也是随着水压力的增加而不断增加，当溶腔水压力在0～2.2MPa之间时，按抗弯强度得出的安全厚度值比按抗剪强度得出的安全厚度值更大，因此为了安全起见，水压力在0～2.2MPa时，岩盘厚度应该以岩体许用抗弯强度推导得出的结果为准，参考式(3-12)；当水压力大于2.2MPa后，应该按岩体许用抗剪强度推导出来的公式(3-13)进行岩盘安全厚度的计算。另外抗抗剪强度计算的安全厚度值与水压力大小呈正比关系，增长斜率值为3.47。

下面分析张性断层存在于非完整岩岩盘厚度中的理论计算，针对这一类型的突水，将断层突水结构力学模型简化为一端固定，一端自由的梁进行验算，根据结构力学原理。

具体的参见图7，图7所示为溶腔分布于隧道底部时张性断层突水力学模型。

该梁受到的最大剪力及弯矩分别为：

最大剪力：

Q＝(q-γS)L₁ (3-14)

最大弯矩：

按抗弯强度公式进行验算并修正可得：

按抗剪强度进行验算并修正可可得：

其中，q为溶腔内充填物沿竖直方向压力，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。

值得一提的是，已有研究表明，当溶腔分布于隧道下方时，根据张性断层存在于岩盘厚度中的相关结构力学公式(3-16)、(3-17)可以得出随着岩盘长度的变化，岩盘厚度随之呈正比例关系，按抗弯及抗剪计算的结果得出的增长率分别为1.20、1.07，对比可知按抗弯强度得出的安全厚度值更加可靠。

图8所示为溶腔分布于隧道侧部时的结构示意图，下面分析压性断层存在于完整岩岩盘中的理论计算。

当溶腔分布于隧道侧部时，隧道与溶腔之间的岩盘厚度主要受到溶腔内水压力以及溶腔充填物压力作用。

具体的，参见图9，图9所示为溶腔分布于隧道侧部时压性断层突水力学模型。

当岩盘厚度中存在压性断层时，可以假设岩盘厚度跟完整岩层一致，将岩盘厚度简化为两端固定梁受均布荷载情况，当溶腔分布于隧道的侧面时，溶腔主要受到溶腔内水压力以及溶腔充填物压力作用，压性断层结构力学模型可算出模型的剪力和弯矩，分别为：

最大剪力：

最大弯矩：

按抗弯强度公式进行验算并修正可得：

按抗剪强度进行验算并修正可可得：

其中，p为溶腔内与隧道拱顶等高处水压力，q为溶腔内充填物沿竖直方向压力，h₁为隧道顶底部高度，ρ为溶腔内充填物密度，[σ]为岩体许用抗弯强度，[τ]为岩体许用抗剪强度。

值得一提的是，已有研究表明，当溶腔分布于侧面时，完整的岩盘厚度(或是压性断层存在于岩盘厚度中时)受到侧向的水压力以及溶腔充填物的作用时，按抗弯强度计算得出的安全厚度值随水压力的增加并没有明显的变大；而按抗剪强度计算得出的安全厚度值随着水压力有明显的增长，且是随着水压力的变化呈正比例的增长，增长斜率为5.35；另外当溶腔水压力为零时，由于溶腔充填物作用或是由于岩层的自重原因，岩盘厚度并不能为零，必须具有一定厚度。

下面分析张性断层存在于非完整岩岩盘厚度中的理论计算。

具体的，参见图10，图10，所示为溶腔分布于隧道底部时张性断层突水力学模型。

张性断层的力学结构模型将岩盘厚度简化为上下受力不同的结构。

对于图10中右部的上部结构，对其进行力学分析，将梯形荷载简化为三角形荷载和矩形荷载。

最大剪力：

最大弯矩：

按抗弯强度公式进行验算并修正可得：

按抗剪强度进行验算并修正可可得：

对于图10中右部的下部结构，对其进行力学分析，将梯形荷载简化为三角形荷载和矩形荷载。

最大剪力：

最大弯矩：

按抗弯强度公式进行验算并修正可得：

按抗剪强度进行验算并修正可可得：

其中，p为溶腔内与隧道拱顶等高处水压力，q为溶腔内充填物沿竖直方向压力，h为隧道顶底部高度，ρ为溶腔内充填物密度，[σ]为岩体许用抗弯强度，[τ]为岩体许用抗剪强度。

值得一提的是，已有研究表明，按上下部分结构按抗弯及抗剪强度计算得出的岩盘厚度值，下部分岩盘厚度所需的安全厚度值比上部分岩体的厚度稍大，说明下部分岩体更容易发生破坏，施工过程中应多加注意。

实施例1：

图11所示为宜万线爪观隧道与顶部隐伏溶洞位置关系示意图。

具体的，宜万线五爪观隧道里程DK48+871～DK49+960位于一宽缓向斜的核部，地表岩溶洼地、漏斗及消水洞发育，地下集中发育一溶洞，隧道穿越处溶腔宽30m左右，洞底标高552.1m，隧道路肩标高540.53m，相差11.57m。该段围岩等级为II级，根据现有资料，该隧道处围岩侧压力系数为1.1～1.6，该段隧道平均埋深为120m，溶洞跨度为30m，隧道断面宽7.5m，溶洞为干溶腔，内部无充填碎石、泥沙和水^[1]。令水压力p＝0，岩体抗拉强度、抗压强度及重度分别为0.6MPa、12MPa、26kN/m³。

根据分析所知，当溶腔分布于隧道顶部时，水压力在小于1.8MPa时应该按抗弯强度公式验算。

当岩盘厚度为完整岩体时：

当岩盘厚度为非完整岩体时：取L₁＝L，此时的安全厚度值是最有利的。

实际中采用的距离为11.57m，可见设计资料中提供的安全厚度是可靠的，溶洞不会对隧道开挖施工产生灾害性的影响，为确保施工和运营安全，应做好该岩溶段隧道拱顶的变形量测，发现异常及时采取措施予以加固。

实施例2：

宜万线大支坪隧道位于恩施州巴东县大支坪镇，I线全长8775m、II线全长8789m，最大埋深495m，纵坡为人字坡：进口段II线右侧30m设置长3991m的排水洞。不良地质主要是岩溶、瓦斯、断层破碎带等，在唐坪向斜核部、栖霞组底部、长兴组、大冶组底部以及断层附近均为岩溶集中发育和岩溶水富集地段，可能发生突水、突泥岩溶灾害。990大型富水溶腔共包括：I线DK132+947～+957、DK133+006～+027段、II线IIDK132+913～+921、DKl32+973～+997段发育大型富水充填溶洞，合并简称“990溶腔″。基本上沿层面及岩层走向发育，I、II线溶洞连通，尖灭于排水洞左边墙。其中I线左侧(以至万县方向为基准方向、)DK132+960～+980段有大型富水充填溶腔发育，溶腔充填物主要为砂夹卵砾石。

隧道最大埋深495m，II级围岩，溶腔与地表岩溶洼地通过岩溶管道、裂隙相通，地下水受大气降水控制，补给条件良好，降雨后雨水补给地下水较迅速，一般雨后8～12小时地下水开始明显增大，停雨后1～3天内地下水很快恢复正常，降雨量、溶洞水压与时间关系。溶洞段水压虽受降雨的影响，但是由于该溶洞被砂夹卵砾石充填，观测到的水压力为溶腔充填物的渗透水压力，最大水压0.24MPa。

溶腔分布于隧道左侧，充填物容重为24.5kN/m³，溶腔跨度15m，高8m，岩石单轴抗压强度为10.5MPa，抗拉强度为1MPa。岩体许用抗剪强度取为0.09倍的岩体抗压强度，为0.945MPa。分析可知：

当岩盘厚度为完整岩体时取公式(3-21)进行验算：

当岩盘厚度为非完整岩体时：取h₁＝0，得出极限安全厚度值，取公式(3-29)进行验算：

实际在DK132+960～+980段富水充填溶腔距离大支坪隧道I线左侧(以万县方向为基准方向)边墙距离为3～5m，由上述计算的岩盘安全厚度知，在该段隧道施工时，极有可能发生突水、突泥等岩溶灾害。施工中根据岩溶发育情况、水文地质条件，综合考虑施工及运营安全等多种因素，遵循“排水降压、注浆加固、超前支护、综合治理″的原则进行综合处理，顺利通过了该侧部富水充填溶腔影响段。

上面结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细说明，但本发明并不限制于上述实施方式，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可以作出各种修改或改型。

Claims (7)

1.一种岩溶隧道岩溶安全厚度计算方法，其特征在于，包括：

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的最大剪力和最大弯矩；

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；

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；

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；

所述步骤A包括：

A1：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；

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；

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；

其中，溶腔分布于隧道顶部时，将完整岩岩盘简化为两端固定梁受均布荷载情况，对于非完整岩岩盘，将断层突水结构力学模型简化为一端固定，一端自由的梁进行验算；溶腔分布于隧道底部时，将完整岩岩盘简化为两端固定梁受均布荷载情况，对于非完整岩岩盘，将断层突水结构力学模型简化为一端固定，一端自由的梁进行验算；溶腔分布于隧道侧部时，将完整岩岩盘简化为两端固定梁受均布荷载情况，对于非完整岩岩盘，将梯形荷载简化为三角荷载和矩形荷载。

2.根据权利要求1所述的一种岩溶隧道岩溶安全厚度计算方法，其特征在于，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：

修正后的所述基于抗弯强度的安全厚度计算公式为：

修正后的所述基于抗剪强度的安全厚度计算公式为：

其中，q为溶腔内充填物沿竖直方向压力，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。

3.根据权利要求1所述的一种岩溶隧道岩溶安全厚度计算方法，其特征在于，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：

修正后的所述基于抗弯强度的安全厚度计算公式为：

修正后的所述基于抗剪强度的安全厚度计算公式为：

其中，q为溶腔内充填物沿竖直方向压力，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。

4.根据权利要求1所述的一种岩溶隧道岩溶安全厚度计算方法，其特征在于，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：

修正后的所述基于抗弯强度的安全厚度计算公式为：

修正后的所述基于抗剪强度的安全厚度计算公式为：

其中，q为溶腔内充填物沿竖直方向压力，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。

5.根据权利要求1所述的一种岩溶隧道岩溶安全厚度计算方法，其特征在于，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：

修正后的所述基于抗弯强度的安全厚度计算公式为：

修正后的所述基于抗剪强度的安全厚度计算公式为：

其中，q为溶腔内充填物沿竖直方向压力，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。

6.根据权利要求1所述的一种岩溶隧道岩溶安全厚度计算方法，其特征在于，溶腔位于隧道侧部时，所述完整岩岩盘受到的最大剪力和最大弯矩分别是：

修正后的所述基于抗弯强度的安全厚度计算公式为：

修正后的所述基于抗剪强度的安全厚度计算公式为：

其中，p为溶腔内与隧道拱顶等高处水压力，q为溶腔内充填物沿竖直方向压力，h为隧道顶底部高度，ρ为溶腔内充填物密度，[σ]为岩体许用抗弯强度，[τ]为岩体许用抗剪强度。

7.根据权利要求1所述的一种岩溶隧道岩溶安全厚度计算方法，其特征在于，溶腔位于隧道侧部时，所述非完整岩岩盘受到的最大剪力和最大弯矩分别是：

修正后的所述基于抗弯强度的安全厚度计算公式为：

修正后的所述基于抗剪强度，的安全厚度计算公式为：

其中，p为溶腔内与隧道拱顶等高处水压力，q为溶腔内充填物沿竖直方向压力，h₁为隧道顶底部高度，ρ为溶腔内充填物密度，[σ]为岩体许用抗弯强度，[τ]为岩体许用抗剪强度。