CN109538296B - 一种岩溶隧道突水预警计算模型及计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩溶隧道突水预警计算模型，包括：数据输入层，用于输入根据压强采集装置检测到的岩溶水作用到中间岩层上的压强；均布荷载计算层，计算岩溶水作用到中间岩层上的均布荷载；应力计算层，用于将中间岩层简化为简支梁然后通过结构力学以及均布荷载来计算中间岩层受岩溶水作用而产生的拉应力σ_t；比较层，用于将中间岩层产生的拉应力σ_t与事先测定的中间岩层的许用应力[σ]进行比较：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稳定状态，并生成预警信号。本发明还公开了一种岩溶隧道突水预警计算方法，采用本发明的计算模型。本发明综合考虑岩溶水压强与中间岩层抗拉强度来进行突水预警，能够提高准确性。

Description

一种岩溶隧道突水预警计算模型及计算方法

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模型，还涉及一种突水预警计算方法。

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。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计算模型，解决现有技术中进行片面的突水预警导致准确性差的技术问题，能够提高预警的准确性。

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计算模型，包括以下数据层：

数据输入层，用于输入根据压强采集装置检测到的岩溶水作用到中间岩层上的压强；所述压强采集装置包括至少三根位于同一直线上并且贯穿中间岩层而伸入岩溶水中的应力传感器；

均布荷载计算层，用于将岩溶水作用到中间岩层上的荷载简化为均布荷载，并根据数据输入层输入的各压强值，计算岩溶水作用到中间岩层上的均布荷载；

应力计算层，用于将中间岩层简化为简支梁，并将应力传感器简化为固定支点，然后通过结构力学以及均布荷载来计算中间岩层受岩溶水作用而产生的拉应力σ_t；

比较层，用于将中间岩层产生的拉应力σ_t与事先测定的中间岩层的许用应力[σ]进行比较：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稳定状态，并生成预警信号。

优选的，所述应力计算层在计算拉应力σ_t的同时，还计算中间岩层受应力传感器作用而产生的剪应力τ；比较层在比较拉应力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，即应力传感器不会将岩体切割下来；若不为零，则表明应力传感器会影响岩体整体性，存在切割岩体的风险。

优选的，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。

优选的，所述均布荷载按如下公式计算：

其中，q_i表示第i个应力传感器检测到的压强，n表示应力传感器的总数量，i∈{1,2,......n}。

本发明还提供一种岩溶隧道突水预警计算方法，采用本发明的岩溶隧道突水预警计算模型进行突水预警；包括以下步骤：

步骤1：数据输入层将应力传感器检测到的压强发送给均布荷载计算层；

步骤2：均布荷载计算层根据数据输入层输入的各压强值，计算岩溶水作用到中间岩层上的均布荷载q；

步骤3：应力计算层根据结构力学以及均布荷载计算中间岩层受岩溶水作用而产生的拉应力σ_t；

步骤4：比较层将中间岩层产生的拉应力σ_t与事先测定的中间岩层的许用应力[σ]进行比较：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稳定状态，并生成预警信号。

优选的，采用三个应力传感器作为压强采集装置，并将三个应力传感器简化为三个固定支点A、B、C，两端的应力传感器分别对应A点与C点，B点位于AC连线的中点。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的岩溶隧道突水预警计算模型不仅将岩溶水的压强(外因)作为突水预警的因素，同时还将中间岩层的抗拉强度(内因)作为突水预警的因素，从而能够从内因外因两方面综合判断是否存在突水的危险，更加科学合理，符合实际，能够提高突水预警的准确性。

2、由于水压的变化会导致中间岩层拉应力的变化，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计算模型将岩溶水对中间岩层的作用关系，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传感器贯穿中间岩层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，还对应力传感器贯穿中间岩层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、采用三个应力传感器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岩溶隧道突水预警计算模型的结构示意图；

图2是本具体实施方式中压强采集装置的检测原理图；

图3是本具体实施方式中中间岩层简化为简支梁的结构简图；

图4是简支梁的力法基本体系图；

图5是

图；

图6是

图；

图7是

图；

图8是

图；

图9是M图；

图10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。

一种岩溶隧道突水预警计算模型，如图1所示，包括以下数据层：

数据输入层，用于输入根据压强采集装置检测到的岩溶水作用到中间岩层上的压强；压强采集装置的检测原理如图2所示，压强采集装置设置在岩溶隧道1中，压强采集装置3包括至少三根位于同一直线上并且贯穿中间岩层2而伸入岩溶水5中的应力传感器4(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)；

均布荷载计算层，用于将岩溶水作用到中间岩层上的荷载简化为均布荷载，并根据数据输入层输入的各压强值，计算岩溶水作用到中间岩层上的均布荷载；

应力计算层，用于将中间岩层简化为简支梁，并将应力传感器简化为固定支点，然后通过结构力学以及均布荷载来计算中间岩层受岩溶水作用而产生的拉应力σ_t；

比较层，用于将中间岩层产生的拉应力σ_t与事先测定的中间岩层的许用应力[σ]进行比较：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稳定状态，并生成预警信号。

本具体实施方式中，所述应力计算层在计算拉应力σ_t的同时，还计算中间岩层受应力传感器作用而产生的剪应力τ；比较层在比较拉应力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，即应力传感器不会将岩体切割下来；若不为零，则表明应力传感器会影响岩体整体性，存在切割岩体的风险。

本具体实施方式中，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。

本具体实施方方式中，所述均布荷载按如下公式计算：

其中，q_i表示第i个应力传感器检测到的压强，n表示应力传感器的总数量，i∈{1,2,......n}。

本具体实施方式中，所述剪应力τ的计算公式为：

其中，Q表示剪力，A表示中间岩层简化为简支梁后的横截面积。

一种岩溶隧道突水预警计算方法，采用本具体实施方式中的岩溶隧道突水预警计算模型进行突水预警；包括以下步骤：

步骤1：数据输入层将应力传感器检测到的压强发送给均布荷载计算层；

步骤2：均布荷载计算层根据数据输入层输入的各压强值，计算岩溶水作用到中间岩层上的均布荷载q；

步骤3：应力计算层根据结构力学以及均布荷载计算中间岩层受岩溶水作用而产生的拉应力σ_t；

步骤4：比较层将中间岩层产生的拉应力σ_t与事先测定的中间岩层的许用应力[σ]进行比较：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稳定状态，并生成预警信号。

本具体实施方式中，如图3所示，采用三个应力传感器作为压强采集装置，并将三个应力传感器简化为三个固定支点A、B、C，两端的应力传感器分别对应A点与C点，B点位于AC连线的中点。

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4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5至图8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，表示截面惯性矩，

表示X₃作用下的剪力，N_p表示原结构荷载作用在该结构静定基上的剪力，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9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10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，即应力传感器不会将岩体切割下来。

Claims (7)

1.一种岩溶隧道突水预警计算模型，其特征在于，包括以下数据层：

数据输入层，用于输入根据压强采集装置检测到的岩溶水作用到中间岩层上的压强；所述压强采集装置包括至少三根位于同一直线上并且贯穿中间岩层而伸入岩溶水中的应力传感器；

均布荷载计算层，用于将岩溶水作用到中间岩层上的荷载简化为均布荷载，并根据数据输入层输入的各压强值，计算岩溶水作用到中间岩层上的均布荷载；

应力计算层，用于将中间岩层简化为简支梁，并将应力传感器简化为固定支点，然后通过结构力学以及均布荷载来计算中间岩层受岩溶水作用而产生的拉应力σ_t；

拉应力σ_t按如下公式计算：

M表示均布荷载对简支梁产生的弯矩，其中，

X₁表示绕简支梁轴线转动方向的广义多余应力，X₂表示沿垂直简支梁长度方向的广义多余应力，X₃表示沿简支梁长度方向的广义多余应力；

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表示原结构荷载作用在该结构静定基上的弯矩，A表示简支梁横截面积，l表示简支梁总长度，q表示岩溶水作用到中间岩层上的均布荷载；

比较层，用于将中间岩层产生的拉应力σ_t与事先测定的中间岩层的许用应力[σ]进行比较：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稳定状态，并生成预警信号。

2.根据权利要求1所述的岩溶隧道突水预警计算模型，其特征在于，所述应力计算层在计算拉应力σ_t的同时，还计算中间岩层受应力传感器作用而产生的剪应力τ；比较层在比较拉应力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，即应力传感器不会将岩体切割下来；若不为零，则表明应力传感器会影响岩体整体性，存在切割岩体的风险。

3.根据权利要求1所述的岩溶隧道突水预警计算模型，其特征在于，所述均布荷载按如下公式计算：

其中，q表示均布荷载，q_i表示第i个应力传感器检测到的压强，n表示应力传感器的总数量，i∈{1,2,......n}。

4.根据权利要求2所述的岩溶隧道突水预警计算模型，其特征在于，所述剪应力τ的计算公式为：

其中，Q表示剪力，A表示中间岩层简化为简支梁后的横截面积。

5.一种岩溶隧道突水预警计算方法，其特征在于：采用权利要求1至4中任一所述的岩溶隧道突水预警计算模型进行突水预警；包括以下步骤：

步骤1：数据输入层将应力传感器检测到的压强发送给均布荷载计算层；

步骤2：均布荷载计算层根据数据输入层输入的各压强值，计算岩溶水作用到中间岩层上的均布荷载q；

步骤3：应力计算层根据结构力学以及均布荷载计算中间岩层受岩溶水作用而产生的拉应力σ_t；

步骤4：比较层将中间岩层产生的拉应力σ_t与事先测定的中间岩层的许用应力[σ]进行比较：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稳定状态，并生成预警信号。

6.根据权利要求5所述的岩溶隧道突水预警计算方法，其特征在于：采用三个应力传感器作为压强采集装置，并将三个应力传感器简化为三个固定支点A、B、C，两端的应力传感器分别对应A点与C点，B点位于AC连线的中点。

7.根据权利要求6所述的岩溶隧道突水预警计算方法，其特征在于：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}；当i＝1时，表示绕简支梁轴线转动的方向；当i＝2时，表示沿垂直简支梁长度方向，当i＝3时，表示沿简支梁长度方向；

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；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，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图，

表示X₃作用下静定结构的弯矩，M_p表示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，N_p表示原结构荷载作用在该结构静定基上的剪力，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，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，A表示简支梁横截面积，l表示简支梁总长度。

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