CN109505656B - 一种岩溶隧道突水预警系统及预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩溶隧道突水预警系统，包括岩溶水压强采集装置、数据分析主机以及报警装置；岩溶水压强采集装置包括至少三个贯穿岩溶体并伸入岩溶水中的应力计，并且应力计位于同一直线上；数据分析主机包括控制器，控制器内配置有突水预警分析程序，用于根据输入的至少包括岩溶体极限应力σ_u在内的岩性参数与实时输入的岩溶水压强来实时分析判断在当前水压下岩溶体是否处于安全状态，若岩溶体处于不安全状态，则向报警装置发送告警命令；报警装置能够在接收告警命令后发出告警信号。还提一种岩溶隧道突水预警方法，采用本发明的岩溶隧道突水预警系统。解决现有技术中突水预警实时性差、准确性低的技术问题，能够提高突水预警的实时性和准确性。

Description

一种岩溶隧道突水预警系统及预警方法

技术领域

本发明涉及岩溶隧道技术领域，尤其涉及一种岩溶隧道突水预警系统，还涉及一种突水预警方法。

背景技术

隧道涉及交通工程(铁路、公路隧道)、水利水电工程(地下厂房、输水隧道)等领域，是国家基础建设工程建设的控制性工程。进入21世纪后，一大批交通工程、水利水电工程等重大基础工程陆续提上建设日程，极大地促进了隧道工程的建设。随着国家科技战略发展规划的逐步实施，交通路网遍布崇山峻岭的西部山区和岩溶地区纵深拓展，将出现一大批“大埋深、长洞线、高应力、强岩溶、高水压灾害频发”等显著特点的隧道，成为岩溶隧道安全建设的巨大挑战，灾害一旦发生，将导致重大人员伤亡、经济损失与工期延误，甚至被迫停建和改线。但是，目前我国岩溶水研究基础极其薄弱，研究缺乏系统性、防治缺乏针对性、有效性。对岩溶突水的预警基本上是靠人工现场勘查，然后将勘测数据带会室内进行研究处理，最后给出评价结果并反馈给有关部门。然而，由于岩溶水失稳到崩塌发生的过程往往发展相当迅速，人工监测反应迟缓、数据的采集不具备实时性，绝大多数情况下起不到有效防范岩溶水灾害的作用，岩溶突水致灾的悲剧时有发生，给生命财产造成严重损失。

另外，目前对于岩溶突水的预警主要是通过直接检测岩溶水的压力来判断，但是，是否发生岩溶突水不仅与岩溶水的水压有关，还与掌子面与岩溶水之间的中间岩层的强度有关。因此，单方面凭借岩溶水水压来进行突水预警，不够科学，导致判断结果不够准确，与实际情况出入较大，为岩溶隧道的施工建设也带来了安全隐患。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种岩溶隧道突水预警系统，解决现有技术中进行突水预警实时性差、准确性低的技术问题，能够提高突水预警的实时性和准确性。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种岩溶隧道突水预警系统，包括岩溶水压强采集装置、数据分析主机以及报警装置；所述岩溶水压强采集装置包括至少三个贯穿岩溶体并伸入岩溶水中的应力计，并且应力计位于同一直线上；所述数据分析主机包括控制器，控制器的信号输入端分别与岩溶水压强采集装置、岩性参数输入模块的信号输出端连接，控制器的信号输出端与报警装置连接；所述控制器内配置有突水预警分析程序，用于根据输入的至少包括岩溶体极限应力σ_u在内的岩性参数与实时输入的岩溶水压强来实时分析判断在当前水压下岩溶体是否处于安全状态，若岩溶体处于不安全状态，则向报警装置发送告警命令；报警装置能够在接收告警命令后发出告警信号。

优选的，所述岩性参数输入模块为机械式按键面板或触摸屏，并包括数字输入键；通过数字输入键能够直接输入岩溶体极限应力σ_u。

优选的，所述岩性参数输入模块为机械式按键面板或触摸屏，并包括岩性模式选择按键；岩性模式包括纯石灰岩、白云质石灰岩、灰质石灰岩以及白云岩，各种所述岩性模式所对应的岩溶体极限应力σ_u预存在控制器内；通过岩性模式选择按键能够通过选择岩性模式来间接输入岩溶体极限应力σ_u。

优选的，还包括用于现场检测岩体样本的单轴抗压强度的单轴抗压强度测试仪。

本发明还提供一种岩溶隧道突水预警方法，采用本发明的岩溶隧道突水预警系统；包括以下步骤：首先，通过岩性参数输入模块输入岩溶体极限应力σ_u给控制器；然后，将至少三个应力计贯穿岩溶体并伸入岩溶水中，将应力计与数据分析主机的信号输入端连接，从而完成岩溶水压强采集装置的安装；最后，启动岩溶水压强采集装置、数据分析主机以及报警装置，使得数据分析主机根据岩溶水压强采集装置的实时监测数据执行突水预警分析程序。

优选的，采用如下方式获取岩溶体极限应力σ_u：从岩溶体区域现场取样，然后测试岩溶体样本的单轴抗压强度，将单轴抗压强度作为岩溶体极限应力σ_u。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发的预警系统能够安装在隧道施工现场，通过实时采集岩溶水压强，并结合岩溶体自身性能(抗压强度)来实时判断是否存在突水危险，从而提高实时性和准确性。

2、由于水压的变化会导致岩溶体拉应力的变化，本发明通过将拉应力与许用应力进行比较，则能够根据岩溶水水压的变化来跟随性的进行突水预警。

3、本发明的岩溶隧道突水预警系统将岩溶水对岩溶体的作用关系，转化成了简支梁受均布荷载的结构力学关系，从而大大降低了计算难度。

4、虽然通常情况下应力计贯穿岩溶体的程度不足以影响岩体整体性，但是本发明还是在进行突水预警的同时，还对应力计贯穿岩溶体是否会破坏岩体整体性进行了验证，即计算剪应力，从而提高安全性。

5、采用三个应力计既能保证拉应力的准确计算，又能对岩体的破坏程度降低到最小。

附图说明

图1是本具体实施方式中压强采集装置的检测原理图；

图2是本具体实施方式中岩溶体简化为简支梁的结构简图；

图3是简支梁的力法基本体系图；

图4是

图；

图5是

图；

图6是

图；

图7是

图；

图8是M图；

图9是Q图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，一种岩溶隧道突水预警系统，设置在岩溶隧道1中，包括岩溶水压强采集装置、数据分析主机3以及报警装置；所述岩溶水压强采集装置包括至少三个贯穿岩溶体2并伸入岩溶水5中的应力计4，并且应力计4位于同一直线上；所述数据分析主机包括控制器，控制器的信号输入端分别与岩溶水压强采集装置、岩性参数输入模块的信号输出端连接，控制器的信号输出端与报警装置连接，报警装置可以采用蜂鸣器、声光报警装置等，可以与数据分析主机集成在一起，也可以独立设置；所述控制器内配置有突水预警分析程序，用于根据输入的至少包括岩溶体极限应力σ_u在内的岩性参数与实时输入的岩溶水压强来实时分析判断在当前水压下岩溶体是否处于安全状态，若岩溶体处于不安全状态，则向报警装置发送告警命令；报警装置能够在接收告警命令后发出告警信号。

本具体实施方式中，岩溶隧道突水预警系统还包括用于现场检测岩体样本的单轴抗压强度的单轴抗压强度测试仪。这样，就能够通过现场采集岩溶体样本来检测岩溶体的单轴抗压强度，并将该单轴抗压强度作为岩溶体极限应力σ_u。进一步的，本具体实施方式中，所述岩性参数输入模块为机械式按键面板或触摸屏，并包括数字输入键；通过数字输入键能够直接输入岩溶体极限应力σ_u，即通过数字输入键直接输入现场检测到的岩溶体样本的单轴抗压强度，从而进一步提高预警的准确性。

在没有配置单轴抗压强度测试仪的情况下，可以间接输入岩溶体极限应力σ_u，具体地：所述岩性参数输入模块为机械式按键面板或触摸屏，并包括岩性模式选择按键；岩性模式包括纯石灰岩、白云质石灰岩、灰质石灰岩以及白云岩，各种所述岩性模式所对应的岩溶体极限应力σ_u预存在控制器内；通过岩性模式选择按键能够通过选择岩性模式来间接输入岩溶体极限应力σ_u。间接输入法能够降低成本，提高效率。

本具体实施方式中，所述控制器的信号输出端还连接有显示屏。通过显示屏能够显示当前岩性模式、当前岩溶体极限应力σ_u、当前许用应力[σ]、当前均布荷载、当前安全系数、当前拉应力σ_t等参数。

本具体实施方式中，所述突水预警分析程序按如下步骤执行：

步骤1：根据输入的岩溶体极限应力σ_u计算岩溶体的许用应力[σ]，按如下公式：

n为安全系数；安全系数也可通过岩性参数输入模块进行输入，这样就能适应不同的安全等级要求。

步骤2：根据岩溶水压强采集装置采集到的压强值计算岩溶水作用到岩溶体上的均布荷载q，按如下公式：

其中，q_i表示第k个应力传感器，n表示应力传感器的总数量，i∈{1,2,......n}。

步骤3：将岩溶体简化为简支梁，并将应力计简化为固定支点，然后通过结构力学以及均布荷载来计算岩溶体受岩溶水作用而产生的拉应力σ_t。

步骤4：比较拉应力σ_t与许用应力[σ]；若σ_t≤[σ]，则表明中间岩层处于安全状态；若σ_t＞[σ]，则表明中间岩层处于不安全状态，并生成告警命令。

本具体实施方式中，采用三个应力计作为压强采集装置，如图2所示，岩溶体简化为简支梁，并将三个应力计简化为三个固定支点A、B、C，两端的应力计分别对应A点与C点，B点位于AC连线的中点；拉应力σ_t按如下公式计算：

其中，q为岩溶水作用到中间岩层上的均布荷载，l为中间岩层简化为简支梁的长度，即同一直线上两端的两应力传感器的距离。

本具体实施方式中，在步骤3中计算拉应力的同时，一并计算岩溶体受应力计作用而产生的剪应力τ；在步骤4中比较拉应力σ_t与许用应力[σ]时，还一并验证剪应力τ是否为零：若为零，则表明应力计贯通岩溶体后未对岩体整体性造成影响，即应力计不会将岩体切割下来；若不为零，则表明应力计会影响岩体整体性，存在切割岩体的风险。

本具体实施方式中，步骤3具体按如下步骤计算：

步骤3.1：建立力法基本方程：

其中，X_i表示沿i方向上的广义多余力，i∈{1,2,3}；如图3所示，当i＝1时，X₁表示绕简支梁轴线转动的方向的广义多余应力；当i＝2时，X₂表示沿垂直简支梁长度方向的广义多余应力；当i＝3时，X₂表示沿简支梁长度方向的广义多余应力；

δ_ij表示由于沿j方向的单位广义多余力X_j的作用，简支梁在i方向上的位移，并且在到单位广义多余力X_j的作用下，每个固定支点均为产生三个方向上(j＝1,3,3)的位移；j∈{1,2,3}；当j＝1时，表示绕简支梁轴线转动的方向；当j＝2时，表示表示沿垂直简支梁长度方向，当j＝3时，表示沿简支梁长度方向；

Δ_ip表示简支梁承受外荷载作用时，沿i方向的位移；

步骤3.2：作

以及M_p弯矩图，分别如图4至图7所述，从而计算δ_ij与Δ_ip，从而得到：

其中，

表示X₁作用下静定结构的弯矩，

表示X₂作用下静定结构的弯矩，

表示X₃作用下静定结构的弯矩，M_p表示Mp图是指原结构荷载作用在该结构静定基上的弯矩，E表示弹性模量I表示截面惯性矩，

表示X₃作用下的剪力，A表示简支梁横截面积，l表示简支梁总长度；

步骤3.3：将步骤3.2中得到的δ_ij与Δ_ip代入步骤3.1中的方程组，得到：

求解方程组，从而得到

X₃＝0；

步骤3.4：作M弯矩图，如图8所示，根据弯矩图得到拉应力：

M表示均布荷载对简支梁产生的弯矩，其中，

A表示简支梁横截面积，l表示简支梁总长度。

通过作Q图，如图9所示，可得到Q＝0，因此，

从而验证剪应力为零，则表明应力传感器贯通中间岩层后未对岩体整体性造成影响，即应力传器不会将岩体切割下来。

一种岩溶隧道突水预警方法，采用本具体实施方式中的岩溶隧道突水预警系统；包括以下步骤：首先，通过岩性参数输入模块输入岩溶体极限应力σ_u给控制器；然后，将至少三个应力计贯穿岩溶体并伸入岩溶水中(为保证应力计能够伸入岩溶水质中，利用超前地质预报来提取探测岩溶位置并预估其厚度，钻孔深度大于预估厚度，应力计从钻孔内贯穿岩溶体，从而保证应力计能够伸入岩溶水中)，将应力计与数据分析主机的信号输入端连接，可以通过数据线进行有限连接，也可以通过无线连接(控制器上配置无线接收模块，同时应力计上配置无线发送模块)，从而完成岩溶水压强采集装置的安装；最后，启动岩溶水压强采集装置、数据分析主机以及报警装置，使得数据分析主机根据岩溶水压强采集装置的实时监测数据执行突水预警分析程序。

本具体实施方式中，采用如下方式获取岩溶体极限应力σ_u：从岩溶体区域现场取样，然后测试岩溶体样本的单轴抗压强度，将单轴抗压强度作为岩溶体极限应力σ_u。另外，还可采用如下方式获取岩溶体极限应力σ_u：将会有在饱和状态下的单轴抗压强度的统计值作为岩溶体极限应力σ_u。

Claims (9)

1.一种岩溶隧道突水预警系统，其特征在于：包括岩溶水压强采集装置、数据分析主机以及报警装置；所述岩溶水压强采集装置包括至少三个贯穿岩溶体并伸入岩溶水中的应力计，并且应力计位于同一直线上；所述数据分析主机包括控制器，控制器的信号输入端分别与岩溶水压强采集装置、岩性参数输入模块的信号输出端连接，控制器的信号输出端与报警装置连接；所述控制器内配置有突水预警分析程序，用于根据输入的至少包括岩溶体极限应力σ_u在内的岩性参数与实时输入的岩溶水压强来实时分析判断在当前水压下岩溶体是否处于安全状态，若岩溶体处于不安全状态，则向报警装置发送告警命令；报警装置能够在接收告警命令后发出告警信号；

所述突水预警分析程序按如下步骤执行：

步骤1：根据输入的岩溶体极限应力σ_u计算岩溶体的许用应力[σ]，按如下公式：

n为安全系数；

步骤2：根据岩溶水压强采集装置采集到的压强值计算岩溶水作用到岩溶体上的均布荷载q，按如下公式：

其中，q_i表示第i个应力传感器，n表示应力传感器的总数量，i∈{1,2,......n}；

步骤3：将岩溶体简化为简支梁，并将应力计简化为固定支点，然后通过结构力学以及均布荷载来计算岩溶体受岩溶水作用而产生的拉应力σ_t；

步骤4：比较拉应力σ_t与许用应力[σ]；若σ_t≤[σ]，则表明中间岩层处于安全状态；若σ_t>[σ]，则表明中间岩层处于不安全状态，并生成告警命令。

2.根据权利要求1所述的岩溶隧道突水预警系统，其特征在于：所述岩性参数输入模块为机械式按键面板或触摸屏，并包括数字输入键；通过数字输入键能够直接输入岩溶体极限应力σ_u。

3.根据权利要求1所述的岩溶隧道突水预警系统，其特征在于：所述岩性参数输入模块为机械式按键面板或触摸屏，并包括岩性模式选择按键；岩性模式包括纯石灰岩、白云质石灰岩、灰质石灰岩以及白云岩，各种所述岩性模式所对应的岩溶体极限应力σ_u预存在控制器内；通过岩性模式选择按键能够通过选择岩性模式来间接输入岩溶体极限应力σ_u。

4.根据权利要求1所述的岩溶隧道突水预警系统，其特征在于：还包括用于现场检测岩体样本的单轴抗压强度的单轴抗压强度测试仪。

5.根据权利要求1所述的岩溶隧道突水预警系统，其特征在于：所述控制器的信号输出端还连接有显示屏。

6.根据权利要求1所述的岩溶隧道突水预警系统，其特征在于：采用三个应力计作为压强采集装置，并将三个应力计简化为三个固定支点A、B、C，两端的应力计分别对应A点与C点，B点位于AC连线的中点；拉应力σ_t按如下公式计算：

其中，q为岩溶水作用到中间岩层上的均布荷载，l为中间岩层简化为简支梁的长度，即同一直线上两端的两应力传感器的距离。

7.根据权利要求1所述的岩溶隧道突水预警系统，其特征在于：在步骤3中计算拉应力的同时，一并计算岩溶体受应力计作用而产生的剪应力τ；在步骤4中比较拉应力σ_t与许用应力[σ]时，还一并验证剪应力τ是否为零：若为零，则表明应力计贯通岩溶体后未对岩体整体性造成影响，即应力计不会将岩体切割下来；若不为零，则表明应力计会影响岩体整体性，存在切割岩体的风险。

8.一种岩溶隧道突水预警方法，其特征在于：采用权利要求1至7中任一所述的岩溶隧道突水预警系统；包括以下步骤：首先，通过岩性参数输入模块输入岩溶体极限应力σ_u给控制器；然后，将至少三个应力计贯穿岩溶体并伸入岩溶水中，将应力计与数据分析主机的信号输入端连接，从而完成岩溶水压强采集装置的安装；最后，启动岩溶水压强采集装置、数据分析主机以及报警装置，使得数据分析主机根据岩溶水压强采集装置的实时监测数据执行突水预警分析程序。

9.根据权利要求8所述的岩溶隧道突水预警方法，其特征在于：采用如下方式获取岩溶体极限应力σ_u：从岩溶体区域现场取样，然后测试岩溶体样本的单轴抗压强度，将单轴抗压强度作为岩溶体极限应力σ_u。

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