CN113324506A - 双模态盾构隧道下穿水库引起导水裂隙带高度的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双模态盾构隧道下穿水库引起导水裂隙带高度的预测方法，适用于隧道上覆岩为多种岩层组合结构地层，包括以下步骤：首先通过钻孔提取岩样，收集岩层的各项指标信息，再根据有限元模拟得到隧道开挖时引起的地表竖向位移值，得到隧道开挖扰动边界角以及充分开挖扰动角，通过理论计算得到各岩层中间层的最大下沉量以及各岩层中间层的层向拉伸量，最后对各岩层中间层的层向拉伸率与岩层层位高度进行拟合，得到二者关系曲线，找到曲线平滑转折点即为导水裂隙带的最大发育高度。该方法结合实际勘察资料、有限元模拟以及理论计算，通过创造性的结合进行预测，既适用于复杂地质条件下导水裂隙带发育高度的预测，同时又具有较高的准确性。

Description

双模态盾构隧道下穿水库引起导水裂隙带高度的预测方法

技术领域

本发明属于隧道开挖安全预警技术领域，具体涉及一种双模盾构隧道下穿水库引起导水裂隙带发育高度的预测方法。

背景技术

近年来，随着城市现代化的快速发展，地面交通拥挤的现象时常发生，为缓解单一地面交通捉襟见肘的现象，我国大力开发城市地下轨道交通工程。隧道在掘进过程中不可避免会近距离下穿地面邻近建筑物，在某些特殊工程中，隧道同样会近距离下穿水库等水利工程建筑物，那么隧道开挖出现的安全问题也随之而来。由于隧道开挖过程中会对周边岩土体产生扰动，使岩土体产生新的裂隙，这些新的裂隙联通后能为空隙水提供渗流通道，最终发育成为导水裂隙带，导水裂隙带的发育高度会波及到地面水体的底部，进而发生涌水突水事故，危害人们的生命财产安全，故盾构隧道下穿水库引起的导水裂隙带发育高度的预测方法十分重要，而双模盾构隧道也可根据导水裂隙带的高度，来进行双模转换，当预测的导水裂隙带发育高度较大时，可将盾构机调整成能有效控制沉降值的泥水平衡盾构机，当预测的导水裂隙带发育高度较小时，可将盾构机调整成掘进速率更好的土压平衡盾构机。

目前，隧道开挖引起导水裂隙带的发育高度的预测与评价方法主要集中在两个大的方向：一是基于现有科技手段设计监测系统，通过实际钻孔提取岩样，区分基岩区域、土层区域，对仅有基岩区域进行导水裂隙带发育高度进行第一次预估，对基岩土层混合区域进行导水裂隙带高度进行第二次预估，综合两次预估结果判断导水裂隙带的发育高度，但将岩层根据其特性采用从部分预计到综合整体预计导水裂隙带的发育高度，具有不确定性，且岩层特性复杂多样此方法又具有单一性；二是通过确定影响导水裂隙带高度的因素指标，收集整理较为完善的各因素指标下的样本数据，采用归一化方法处理收集到的样本数据，再将样本数据分配为训练样本和检验样本，选取所有训练样本数据，利用MATLAB RBF神经网络工具，得到各因素指标(岩性、岩层厚度等)与导水裂隙带高度之间的关系，建立导水裂隙带高度预测模型，但该方法采用样本统计估计，一旦预测模型无效则需要重新选取样本数据重复验证，操作复杂且样本受客观因素影响大，同样具有不准确性。

因此，如何在预测隧道上方导水裂隙带的发育高度时，找到准确性高且能灵活应对复杂地层的方法，对隧道施工单位说是一个关键技术难题。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺陷，提出一种隧道下穿水库引起导水裂隙带发育高度的预测方法，结合实际勘察资料以及理论计算实现对导水裂隙带发育高度准确的预测，且适用于隧道上覆岩为多种岩层组合结构的情况。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种双模态盾构隧道下穿水库引起导水裂隙带高度的预测方法，包括以下步骤：

步骤A、地面钻孔提取岩样，确定上覆岩的类别及各岩层厚度：勘探与测定各岩层基本物理力学参数，包括各岩层中间层层位高度h、相关隧道埋深以及隧道孔径大小；

步骤B、将隧道上覆岩进行等量划分：根据步骤A测定的各岩层基本物理力学参数，将隧道上方岩层特定高度为一个岩层厚度进行等量划分；

步骤C、计算隧道开挖充分扰动角及扰动边界角：依据隧道上覆岩的岩性，基于P系数法，求得隧道开挖扰动边界角δ₀，依据岩层中间层至隧道中心点的距离与隧道半径，得到充分开挖充分扰动角的正切值，进而得到开挖充分扰动角ψ₀；

步骤D、计算各个岩层中间层的最大下沉量；

步骤E、计算各岩层中间层层向拉伸率：将岩层变形曲线分为中部的近似水平段与两侧边缘的曲线拉伸段，计算确定各个岩层中间层层向拉伸率，；

步骤F、拟合岩层层向拉伸率与岩层层位高度关系曲线，选择岩层层向拉伸率区域平缓的点对应的岩层层位位置即为导水裂隙带的发育高度，进而实现对隧道下穿水库引起的导水裂隙带发育高度预警。

进一步的，所述步骤A中，各岩层中间层层位高度h通过以下方式获得：

其中

为下位岩层厚度总和，h₀为岩层厚度。

进一步的，所述开挖充分扰动角ψ₀通过以下方式获得：

其中，h为某岩层中间层距隧道拱顶的距离，D为隧道直径。

进一步的，所述步骤C中，隧道开挖扰动边界角δ₀的确定通过以下方式：

隧道开挖边界扰动角的正切值与岩性的关系如下：

岩性坚硬：P取0-0.3，隧道开挖边界扰动角的正切值为1.0-1.8；

岩性中硬：P取0.3-0.7，隧道开挖边界扰动角的正切值为1.5-2.5；

岩性软弱：P取0.7-1.1，隧道开挖边界扰动角的正切值为2.2-2.5。

进一步的，所述步骤D中，岩层中间层最大下沉量采用下列公式计算

w₀＝D·q (3)

q＝-0.00043h+0.67±0.05 (4)

其中：D为隧道直径，q为岩层下沉系数。

进一步的，所述步骤E中，岩层中间层层向拉伸率ε采用以下公式：

ε＝(l₁-l₀)/l₀ (5)

l0＝h·(cotδ₀+cotψ₀) (6)

其中：l₀为岩层中间层弯曲变形前的长度，l₁为岩层中间层弯曲变形后的曲线段弧长。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本方案运用岩层拉伸变形率建立一种新的预测方法，确定各岩层特性，明确其中间层层位高度以及各岩层的下沉系数，计算得出单个岩层中间层最大下沉量，并考虑岩层弯曲变形前后的长度变化，得到岩层中间层层向拉伸率，与其层位高度进行拟合得到曲线，分析曲线平滑段转折点，确定导水裂隙水带的发育高度。本方法通过实际理论计算的方法，具有较高的准确性，且适合隧道上覆岩为多种岩层组合结构。

附图说明

图1为本发明实施例所述预测方法的流程示意图；

图2为本发明实施例岩层拉伸变形示意图；

图3为本发明实施例地标沉降曲线示意图；

图4为本发明实施例拟合曲线示意图。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。

根据导水裂隙带的发育规律以及岩层结构及其运动特征的相关性，由于隧道开挖会对周围围岩产生扰动，使上覆岩层由上至下分为弯曲带，导水裂隙带以及垮落带，将岩层看成单一岩梁形式，上覆岩任意岩层产生弯曲下沉时，与水平状态相比，弯曲变形后的岩层被拉长，就单一岩层而言，一旦岩层拉伸力达到岩石的抗拉强度，岩层将会产生垂直于层面的裂隙，岩层的抗弯能力也将大为降低，随后岩层将发生进一步沉降，且岩层断裂属于脆性变形，裂隙不会有塑性恢复。根据上述原理，本实施例提出一种双模盾构隧道下穿水库引起导水裂隙带发育高度的预测方法，该方法考虑隧道的实际孔洞大小，将隧道划分为多个煤层厚度，将多个煤层厚度开采引起的下沉量依次计算再进行叠加，得到隧道开挖引起的岩层最大下沉量；考虑将隧道上方覆岩按特定高度为一层进行等量划分(比如4m为一层)，考虑岩层弯曲形态，将岩层下沉盆地等价成圆弧，进行圆弧拟合计算岩层的层向拉伸率，最后拟合岩层层向拉伸率与岩层中间层层位高度，实现最终的预测，如图1所示，包括以下步骤：

步骤一：地面钻孔提取岩样，确定上覆岩的类别及各岩层厚度：勘探与测定各岩层基本物理力学参数，包括各岩层中间层层位高度h、相关隧道埋深以及隧道孔径大小；

步骤二：将隧道上覆岩进行等量划分：根据步骤一测定的各岩层基本物理力学参数将隧道上方岩层以4米为一个岩层厚度进行等量划分；

步骤三：计算隧道开挖充分扰动角及扰动边界角：依据隧道上覆岩的岩性，参考P系数法，求得隧道开挖扰动边界角δ₀，依据岩层中间层至隧道中心点的距离与隧道半径，得到充分开挖充分扰动角的正切值，进而得到开挖充分扰动角ψ₀；

步骤四：计算各个岩层中间层的最大下沉量；

步骤五：计算各岩层中间层层向拉伸率：将岩层变形曲线划分为中部的近似水平段与两侧边缘的曲线拉伸段，岩层中间层下沉拉伸增加的变形量，主要集中在下沉盆地的曲线段，计算确定各个岩层中间层层向拉伸率；

步骤六：拟合岩层层向拉伸率与岩层中间层层位高度关系曲线，选择岩层层向拉伸率区域平缓的点对应的岩层层位位置即为导水裂隙带的发育高度，进而实现对隧道下穿水库引起的导水裂隙带发育高度预警。

具体的，对本发明方案进行详细的阐述：

所述步骤一中，自上向下从地面钻孔提取岩样，其中，各岩层中间层层位高度h公式如下：

其中

为下位岩层厚度总和，h₀为岩层厚度；

所述步骤二中，将隧道拱顶至水库底部的覆岩按照4m为一个岩层厚度进行均等划分，即定义公式(1)中的h₀为4m。

所述步骤三中，对于隧道开挖扰动边界角主要运用P系数法，P系数主要取决于上部岩层的性质与厚度，P值与隧道开挖边界扰动角δ₀的范围如下表(参考耿德庸研究)：

表1隧道开挖边界扰动角的正切值与岩性的关系

然后根据图3中依据岩层中间层至隧道中心点的距离与隧道半径，得到充分开挖充分扰动角的正切值，进而得到开挖充分扰动角ψ₀，如下式所示：

式中：h为某岩层中间层距隧道拱顶的距离，即为岩层中间层的层位高度，D为隧道直径。

所述步骤四中，根据各个岩层中间层的最大下沉量考虑岩层的下沉系数，岩层自由运动空间的大小是决定岩层弯曲、沉降至贯通裂隙充分发育的关键因素，全部隧道开挖形成的自由空间将断裂的覆岩来填充，考虑各岩层的下沉系数，某一岩层中间层最大下沉量采用下列公式计算

w₀＝D·q (3)

q＝-0.00043h+0.67±0.05 (4)

其中：D为隧道直径，q为岩层下沉系数。

下沉系数主要与上覆岩岩性有关以及与岩层中间层至隧道拱顶的距离有关，下沉系数物质如下表可知：

表2下沉系数取值

所述步骤五中，根据岩层变形的基本规律，岩层变形曲线分为3个部分，如图2所示，包括中部的近似水平段与两侧边缘的曲线拉伸段，岩层中间层下沉拉伸增加的变形量，主要集中在下沉盆地的曲线段，因此岩层中间层层向拉伸率ε采用以下公式：

ε＝(l₁-l₀)/l₀ (5)

再次通过采用圆弧拟合的方法进行分析，且假定两段圆弧曲率及弧长相等，得到了岩层中间层层向拉伸率ε计算需要的两个参数：

l0＝h·(cotδ₀+cotψ₀) (6)

其中：l₀为岩层中间层弯曲变形前的长度，l₁为岩层中间层弯曲变形后的曲线段弧长。

本实施例中，利用Origin来拟合岩层层向拉伸率与岩层中间层层位高度形成关系曲线。

所述步骤六中，根据步骤五的拟合曲线，选择岩层层向拉伸率区域平缓的点对应的岩层层位位置即为导水裂隙带的发育高度。

实施例：

步骤一：以深圳市留-白区间为例，由于隧道在YDK12+875～YDK12+882段下穿西丽水库-铁岗引水库隧道，隧道直径为6m，通过实际地质勘察，该区间段内盾构隧道覆岩从上至下分为素填土、硬塑砾质黏性土、全风化黑云母花岗岩、强风化黑云母花岗岩、中风化黑云母花岗岩，根据导水裂隙带的定义，导水裂隙带一般出现在岩层，故只对岩层的特性进行归纳总结：

表3区间段内隧道上覆岩的岩性特征

步骤二：将步骤一中三种岩层按4m为一个单元岩层从隧道拱顶向上进行均等划分，中风化岩分为4层，标号为1-4；强风化岩为一层标记为5，全风化岩为一层，标记为6。

表4各岩层厚度及中间层层位高度

步骤三：依据表1可知，岩层1-4层为中风化岩，则tanδ₀＝1.5，cotδ₀＝0.667；岩层5和6均为中硬岩，则则tanδ₀＝2，cotδ₀＝0.5；根据各岩层的中间层层位高度以及隧道半径，得到cotψ₀如下表示：

表5各岩层充分扰动边界角的余切值

步骤四：根据岩性以及岩层中间层至隧道拱顶的距离近似取下沉系数取为0.5，代入公式可求得岩层最大下沉量。

步骤五：根据上述四个步骤，可求得各个岩层的层向拉伸率

表6各岩层中间层层向拉伸率

步骤六：进行曲线拟合，拟合曲线如图4所示：

根据拟合曲线可知，随着岩层中间层层位高度的增加，中间层层向拉伸率之间较小，隧道拱顶以上22m处岩层中间层依然有拉伸，但数值很小，故认定为导水裂隙带的发育高度为22m左右，结果可与现场实测值进行对比分析进一步验证。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.双模态盾构隧道下穿水库引起导水裂隙带高度的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A、地面钻孔提取岩样，确定上覆岩的类别及各岩层厚度：勘探与测定各岩层基本物理力学参数，包括各岩层中间层层位高度h、相关隧道埋深以及隧道孔径大小；

步骤B、将隧道上覆岩进行等量划分：根据步骤A测定的各岩层基本物理力学参数，将隧道上方岩层特定高度为一个岩层厚度进行等量划分；

步骤C、计算隧道开挖充分扰动角及扰动边界角：依据隧道上覆岩的岩性，基于P系数法，求得隧道开挖扰动边界角δ₀，依据岩层中间层至隧道中心点的距离与隧道半径，得到充分开挖充分扰动角的正切值，进而得到开挖充分扰动角ψ₀；

步骤D、计算各个岩层中间层的最大下沉量；

步骤E、计算各岩层中间层层向拉伸率：将岩层变形曲线分为中部的近似水平段与两侧边缘的曲线拉伸段，计算确定各个岩层中间层层向拉伸率，；

步骤F、拟合岩层层向拉伸率与岩层层位高度关系曲线，选择岩层层向拉伸率区域平缓的点对应的岩层层位位置即为导水裂隙带的发育高度，进而实现对隧道下穿水库引起的导水裂隙带发育高度预警。

2.根据权利要求1所述的双模态盾构隧道下穿水库引起导水裂隙带高度的预测方法，其特征在于：所述步骤A中，各岩层中间层层位高度h通过以下方式获得：

其中

为下位岩层厚度总和，h₀为岩层厚度。

3.根据权利要求1所述的双模态盾构隧道下穿水库引起导水裂隙带高度的预测方法，其特征在于：所述开挖充分扰动角ψ₀通过以下方式获得：

其中，h为某岩层中间层距隧道拱顶的距离，D为隧道直径。

4.根据权利要求1所述的双模态盾构隧道下穿水库引起导水裂隙带高度的预测方法，其特征在于：所述步骤C中，隧道开挖扰动边界角δ₀的确定通过以下方式：

隧道开挖边界扰动角的正切值与岩性的关系如下：

岩性坚硬：P取0-0.3，隧道开挖边界扰动角的正切值为1.0-1.8；

岩性中硬：P取0.3-0.7，隧道开挖边界扰动角的正切值为1.5-2.5；

岩性软弱：P取0.7-1.1，隧道开挖边界扰动角的正切值为2.2-2.5。

5.根据权利要求1所述的双模态盾构隧道下穿水库引起导水裂隙带高度的预测方法，其特征在于：所述步骤D中，岩层中间层最大下沉量采用下列公式计算

w₀＝D·q (3)

q＝-0.00043h+0.67±0.05 (4)

其中：D为隧道直径，q为岩层下沉系数。

6.根据权利要求1所述的双模态盾构隧道下穿水库引起导水裂隙带高度的预测方法，其特征在于：所述步骤E中，岩层中间层层向拉伸率ε采用以下公式：

ε＝(l₁-l₀)/l₀ (5)

l₀＝h·(cotδ₀+cotψ₀) (6)

其中：l₀为岩层中间层弯曲变形前的长度，l₁为岩层中间层弯曲变形后的曲线段弧长。

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