CN115859444B - 一种公路隧道崩塌预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及公路隧道安全领域，具体涉及一种公路隧道崩塌预测方法，包括：获取隧道工程环境信息；判断所述隧道工程环境信息是否符合预定条件；将符合预定条件的工程环境项计入影响因素，基于影响因素，获取名义荷载初始值与计算值之间的对应关系，得出名义荷载计算值；与现有技术相比，本发明的有益效果是：本方法旨识别隧道衬砌崩落发生的工程地质环境条件，确定隧道运营过程中是否存在孕育该类灾害的环境，由此为隧道防控对象的筛选提供技术依据与路径。

Description

一种公路隧道崩塌预测方法

技术领域

本发明涉及公路隧道安全领域，具体涉及一种公路隧道崩塌预测方法。

背景技术

随着社会经济的快速发展，国民经济对交通基础设施的依赖性越来越强烈，交通基础设施公共安全已成为当前社会发展的焦点；公路隧道基础设施穿越山体，由于其工程地质环境复杂多变，受控影响因素多，因此，公路隧道运营期面临着较高风险，如近年来我国多地出现了隧道突发性衬砌崩落事件，造成了较大的社会影响。

目前，对隧道衬砌结构安全的研究多针对于结构材料角度，分析不同荷载模式及缺损情况下的变形、破坏机理，但在实际工程中，隧道衬砌结构与隧道围岩共同承载，组成了承载系统，该系统的稳定性、安全性受到衬砌结构自身状况、工程地质条件、水文条件及气候条件等影响。

可见，现有隧道衬砌结构安全判别的理论方法无法适用于运营隧道衬砌结构安全状况的识别，尤其针对隧道突发性崩塌预测，因此，开发一种公路隧道崩塌预测方法，不但具有迫切的研究价值，也具有良好的经济效益和工业应用潜力，这正是本发明得以完成的动力所在和基础。

发明内容

为了克服上述所指出的现有技术的缺陷，本发明人对此进行了深入研究，在付出了大量创造性劳动后，从而完成了本发明。

具体而言，本发明所要解决的技术问题是：提供一种公路隧道崩塌预测方法，通过对隧道工程环境孕育条件判断，判断隧道是否存在发生突发性崩落的环境条件。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种公路隧道崩塌预测方法，包括：

获取隧道工程环境信息；

判断所述隧道工程环境信息是否符合预定条件；

将符合预定条件的工程环境项计入工程环境影响因素，基于工程环境影响因素，获取名义荷载初始值与计算值之间的对应关系，得出名义荷载计算值；

根据隧道衬砌结构类型及有效承载厚度建立初始承载力与承载力计算值的对应关系，得出隧道衬砌承载力计算值；

比对隧道工程环境的名义荷载计算值与衬砌承载力计算值，判断公路隧道是否会发生突发性崩塌。

在本发明中，作为一种改进，隧道工程环境信息及预定条件包括：

地应力，包括自重地应力和构造地应力；其中，自重地应力满足地应力大于30MPa或埋深大于等于800m；构造地应力满足向斜构造带两翼倾角大于等于30°或埋深大于等于400m或具有区域构造挤压现象；

大气降水，隧址区24小时内降雨量超100mm，或连续降雨超过3天且总降雨量超过200mm；

不良地质，包括岩溶、采空区和断层破碎带发育，其中，岩溶的溶腔和采空区位于隧道两侧或上部围岩处，且与隧道边界的距离小于3倍洞径；断层破碎带满足与隧道走向相交；

特殊岩土，隧道周边围岩中超过三分之一的位置具有膨胀属性围岩，且最大膨胀力大于等于1.8MPa；

气候条件，最高温度小于0℃，且持续时长超过30天；

地下水赋水情况，隧道存在衬砌渗漏水，且持续时间超过3个月。

在本发明中，作为一种改进，所述隧道衬砌的有效承载厚度基于衬砌影响因素计算，衬砌影响因素与有效承载厚度的计算关系如下：

衬砌影响因素为隧道衬砌实际厚度小于设计厚度所造成的厚度不足，隧道衬砌的实际厚度为有效承载厚度；

衬砌影响因素为隧道衬砌具有深度不小于1m的纵向裂缝，有效承载厚度为隧道衬砌的设计厚度与裂缝最大深度的差值；

衬砌影响因素为混凝土腐蚀，以未腐蚀的混凝土厚度为有效承载厚度；

衬砌影响因素为隧道衬砌背后空洞，当空洞位于拱顶或拱肩部位，且空洞的环向尺寸不小于10cm、不大于60cm，衬砌实际厚度为有效承载厚度。

在本发明中，作为一种改进，隧道衬砌结构类型包括素混凝土衬砌及钢筋混凝土衬砌；

其中，隧道衬砌为素混凝土衬砌时，衬砌影响因素作用下，隧道衬砌表现为局部塌落；

隧道衬砌为钢筋混凝土衬砌时，衬砌影响因素作用下，隧道衬砌表现为衬砌表层剥落。

在本发明中，作为一种改进，所述名义荷载计算值及隧道衬砌承载力计算值的计算过程如下：

计算隧道工程环境的名义荷载初始值；

基于隧道初始状态关系，计算隧道衬砌初始承载力；

计入工程环境影响因素，计算隧道工程环境的名义荷载计算值；

根据隧道衬砌结构类型及有效承载厚度计算隧道衬砌的承载力计算值。

在本发明中，作为一种改进，所述隧道初始状态时，名义荷载与初始承载力满足如下关系式：

KL＝σ_h

其中，L为隧道名义荷载初始值；K为隧道衬砌结构安全水平系数；σ为隧道衬砌的初始承载力。

在本发明中，作为一种改进，所述工程环境的名义荷载初始值包括外部围岩压力和衬砌结构自重。

在本发明中，作为一种改进，所述名义荷载初始值L与名义荷载计算值L_j之间的对应关系如下：

隧道工程环境影响因素为地应力时，L_j＝1.2L；

隧道工程环境影响因素为膨胀岩和地下水赋水时，L_j＝1.5L；

隧道工程环境影响因素为地应力、膨胀岩和地下水赋水时，L_j＝2.0L；

隧道工程环境影响因素为大气降水和不良地质时，L_j＝1.5L；

隧道工程环境影响因素为气候条件和地下水赋水时，L_j＝1.8L；

隧道工程环境影响因素为膨胀岩、气候条件和地下水赋水时，L_j＝2.0L。

在本发明中，作为一种改进，隧道衬砌的初始承载力σ_h与承载力计算值σ_hj的对应关系如下：

隧道衬砌为素混凝土且衬砌影响因素为厚度不足或纵向裂缝或者混凝土腐蚀时，

其中，H为隧道衬砌设计厚度，h是隧道衬砌有效厚度；

隧道衬砌为钢筋混凝土且衬砌影响因素为厚度不足时，

隧道衬砌为钢筋混凝土且衬砌影响因素为纵向裂缝时，

隧道衬砌为钢筋混凝土且衬砌影响因素为混凝土腐蚀时，

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本方法旨识别隧道衬砌崩落发生的工程地质环境条件，确定隧道运营过程中是否存在孕育该类灾害的环境，由此为隧道防控对象的筛选提供技术依据与路径。

(2)本方法通过判断工程环境孕育条件、识别隧道衬砌易发条件以及两者之间进行比较，识别公路隧道是否具备发生突发性崩落的可能，可进一步细化隧道防控段落与目标。

(3)明确了隧道衬砌崩落发生的触发条件，为隧道运营单位防范衬砌崩落灾害的时机提供依据，从而最大化可降低隧道衬砌崩落损失。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明预测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

一种公路隧道崩塌预测方法，包括：

判断隧道工程环境的孕育条件；

识别隧道衬砌结构易发条件；

基于前两者的比对，预测隧道衬砌突发崩落触发。

其中，判断隧道工程环境的孕育条件具体包括如下步骤：

1)获取隧道工程环境信息；

2)判断所述隧道工程环境信息是否符合预定条件；

3)将符合预定条件的工程环境项计入工程环境影响因素，获取名义荷载初始值与计算值之间的对应关系；

4)得出名义荷载计算值。

识别隧道衬砌结构易发条件具体包括如下步骤：

1)根据隧道衬砌结构类型及有效承载厚度建立初始承载力与承载力计算值的对应关系；

2)计算所述隧道衬砌承载力计算值。

比对隧道工程环境的名义荷载计算值与隧道衬砌承载力计算值，判断公路隧道是否会发生突发性崩塌。

所述名义荷载计算值与衬砌承载力计算值的计算过程如下：

计算隧道工程环境的名义荷载初始值，获取名义荷载初始值与计算值之间的对应关系，得出工程环境的名义荷载计算值；

基于隧道初始状态关系，计算隧道衬砌初始承载力；

根据隧道衬砌结构类型及有效承载厚度建立初始承载力与承载力计算值的对应关系，计算所述隧道衬砌承载力计算值。

所述工程环境的名义荷载初始值包括外部围岩压力和衬砌结构自重。

隧道工程环境信息由隧道工程环境的探测数据可知，隧道工程环境项基于所述隧道工程环境是否对隧道衬砌的承载力造成影响，且是否达到相应的影响范围，基于以上考虑，所述隧道工程环境项及预定条件如下：

地应力，包括自重地应力和构造地应力，其中，自重地应力满足岩石强度大于30MPa或埋深大于等于800m，构造地应力满足向斜构造带两翼倾角不小于30°或埋深大于等于400m或者有区域构造挤压现象，符合三个条件中至少一个即可，符合以上条件计入工程环境影响因素；

大气降水，隧址区24小时内降雨量超100mm，或连续降雨超过3天且总降雨量超过200mm；

不良地质，包括岩溶、采空区和断层破碎带发育，其中，岩溶的溶腔和采空区位于隧道两侧或上部围岩处，且与隧道边界的距离小于3倍洞径，断层破碎带需要满足与隧道走向相交；

特殊岩土，隧道周边围岩中超过三分之一的位置具有膨胀属性围岩，且最大膨胀力不小于1.8MPa；

气候条件，最高温度小于0℃，持续时长超过30天；

地下水赋水情况，隧道存在连续或间断性的衬砌渗漏水，持续时间超过3个月。

以上为隧道工程环境中需要考虑的各项指标，符合预定条件的指标计入工程环境影响因素，基于工程环境影响因素，所述名义荷载初始值L与名义荷载计算值L_j之间的对应关系如下：

由以上对应关系可知，所述隧道工程环境影响因素同时含有类型越多，孕育灾害的概率越高。

隧道衬砌结构类型包括素混凝土和钢筋混凝土两种，衬砌的损伤及质量缺陷包括多种，其中，对衬砌承载力造成影响的衬砌影响因素有厚度不足、空洞、裂缝及腐蚀。

厚度不足表现为隧道衬砌实际厚度小于设计厚度，在此条件下，隧道衬砌的实际厚度为有效承载厚度。

隧道衬砌具有深度不小于1m的纵向裂缝时，有效承载厚度为隧道衬砌的设计厚度与裂缝最大深度的差值。

混凝土腐蚀，以未腐蚀的混凝土厚度为有效承载厚度。

隧道衬砌背后空洞，只有当空洞位于拱顶或拱肩部位，且空洞的环向尺寸不小于10cm、不大于60cm时，将衬砌实际厚度作为有效承载厚度。

根据隧道衬砌类型及有效承载厚度建立隧道衬砌初始承载力与承载力计算值之间的关系，如下图所示：

其中，H为隧道衬砌设计厚度，h是隧道衬砌有效承载厚度；σ_hj为隧道的承载力计算值；L_j为隧道的名义荷载计算值。

对于具体隧道而言，隧道初始状态满足如下关系：

KL＝σ_h

式中：L为隧道名义荷载初始值；K为隧道衬砌结构安全水平系数，取值为隧道设计规范值；σ为隧道衬砌的初始承载力。

由以上关系式可知隧道衬砌的初始承载力，通过初始承载力计算隧道衬砌的承载力计算值。

所述隧道衬砌结构易发条件中下列组合最为显著：

(1)素混凝土+厚度不足+衬砌背后空洞+裂缝或腐蚀，在该种组合下，隧道衬砌以局部塌落为主。

(2)钢筋混凝土+厚度不足+衬砌背后空洞+裂缝或腐蚀，在该种组合下，隧道衬砌是以衬砌表层剥落为主。

若工程环境对隧道衬砌结构名义荷载计算值超过隧道衬砌结构承载力计算值，即：L_j>σ_hj，则发生崩塌的风险极高。

实施例一：

一种双向四车道高速公路单洞隧道，其中，隧道参数包括：隧道路面设计荷载采用I级公路，设计时速100km/h，车道宽度3.75m×2，隧道建筑限界宽度10.75m，净高5.0m，内轮廓线净宽11.4m，净高7.306m；隧道衬砌采用复合式衬砌，初衬是喷射混凝土厚度为25cm，二次衬砌采用素混凝土，厚度为40cm。隧道围岩等级为IV级(岩石强度＞30MPa)，部分围岩具有膨胀性，最大膨胀力为2.0MPa，隧道最大埋深800m，地下水较为活跃，拱顶水压力为0.05MPa。

由上述可知，隧道衬砌结构所受外部荷载包括围岩压力、膨胀岩的膨胀力、衬砌结构自重和地下水压，具体参数值如下表所示：

隧道洞身的基本参数

计算参数

根据以上参数及公路隧道设计细则计算隧道初始状态的名义荷载初始值，包括：

(1)围岩松散压力计算

基于公路隧道设计细则，判断隧道深埋浅埋用荷载等效高度：

h＝0.45×2^S-1ω；

ω＝1+i(B_t-5)；

H_p＝(2～2.5)h；

式中：H_p为：深埋、浅埋隧道的分界深度(m)；h为：荷载等效高度(m)；s为：围岩级别；ω为：宽度影响系数；B_t为：隧道最大开挖跨度＝内轮廓线宽度+衬砌厚度+预留变形量；i为：B_t每增减1m时的围岩压力增减率，且当B_t＜5m时取值0.2，反之取值0.1。

将隧道的各个参数代入，经计算后可得出本隧道埋深属于深埋。

由此，围岩压力q_s计算如下：

计算B_t和h为：

B_t＝11400+(50+1+300)×2＝12102mm；

h＝0.45×2^2-1×[1+0.1×(12.102-5)]＝1.54m；

代入后计算：

q_s＝γ_sh＝26.5×1.54＝40.81kPa；

其中，q_s为围岩松散压力。

(2)衬砌结构自重

衬砌总厚度为d＝35cm，内轮廓半径R₁＝5.7m，故衬砌中轴线所围的半圆周长为S＝18.46m，衬砌结构自重为：

q_c＝γ_hd＝23×0.35＝8.05kPa。

隧道名义荷载初始值为：

L＝40.81+2.0×10³+8.05+50＝2.099×10³kPa。

计算隧道衬砌的初始承载力如下：

隧道衬砌结构安全水平系数K根据设计细则取值2.4；

将计算出的名义荷载初始值代入隧道初始状态关系：KL＝σ_h，代入可得σ_h＝5.0376×10³kPa。

由此，得出名义荷载初始值和隧道衬砌的初始承载力。

将工程环境项计入工程环境影响因素，影响因素包括：地应力、膨胀岩和地下水赋水，名义荷载计算值L_j为：

L_j＝2.0L＝4.198×10³kPa。

由于隧道施工期间施工不当造成衬砌拱顶背后空洞，隧道衬砌有效厚度变为35cm，运营期混凝土出现衬砌腐蚀，腐蚀厚度为5cm，所以衬砌承载力计算值σ_hj：

(1)厚度不足状态下的衬砌承载力值计算

式中，H为40cm，h为5cm。

即隧道实际无病害条件下的衬砌承载力值为4.4079×10³kPa。

(2)衬砌腐蚀影响下的衬砌承载力值计算

式中，H为35cm、h为5cm、σ_h为4.4079×10³kPa，代入计算，则得到隧道衬砌混凝土被腐蚀后的衬砌承载力值为3.7782×10³kPa。

(3)隧道衬砌结构名义荷载计算值与隧道衬砌结构承载力计算值比较，可见：

L_j＝4.198×10³kPa>σ_hj＝3.7782×10³kPa。

故此隧道发生突发性崩塌的风险极高。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (6)

1.一种公路隧道崩塌预测方法，其特征在于，包括：

获取隧道工程环境信息；

判断所述隧道工程环境信息是否符合预定条件；

将符合预定条件的工程环境项计入工程环境影响因素，基于工程环境影响因素，获取名义荷载初始值与计算值之间的对应关系，得出名义荷载计算值；

根据隧道衬砌结构类型及有效承载厚度建立初始承载力与承载力计算值的对应关系，得出隧道衬砌承载力计算值；

比对隧道工程环境的名义荷载计算值与衬砌承载力计算值，判断公路隧道是否会发生突发性崩塌；

所述名义荷载初始值L与名义荷载计算值L_j之间的对应关系如下：

隧道工程环境影响因素为地应力时，L_j＝1.2L；

隧道工程环境影响因素为膨胀岩和地下水赋水时，L_j＝1.5L；

隧道工程环境影响因素为地应力、膨胀岩和地下水赋水时，L_j＝2.0L；

隧道工程环境影响因素为大气降水和不良地质时，L_j＝1.5L；

隧道工程环境影响因素为气候条件和地下水赋水时，L_j＝1.8L；

隧道工程环境影响因素为膨胀岩、气候条件和地下水赋水时，L_j＝2.0L；

所述名义荷载计算值及隧道衬砌承载力计算值的计算过程如下：

计算隧道工程环境的名义荷载初始值；

基于隧道初始状态关系，计算隧道衬砌初始承载力；

计入工程环境影响因素，计算隧道工程环境的名义荷载计算值；

根据隧道衬砌结构类型及有效承载厚度计算隧道衬砌的承载力计算值；

隧道衬砌的初始承载力σ_h与承载力计算值σ_hj的对应关系如下：

隧道衬砌为素混凝土且衬砌影响因素为厚度不足或纵向裂缝或者混凝土腐蚀时，

其中，H为隧道衬砌设计厚度，h是隧道衬砌有效厚度；

隧道衬砌为钢筋混凝土且衬砌影响因素为厚度不足时，

隧道衬砌为钢筋混凝土且衬砌影响因素为纵向裂缝时，

隧道衬砌为钢筋混凝土且衬砌影响因素为混凝土腐蚀时，

2.根据权利要求1所述的一种公路隧道崩塌预测方法，其特征在于，隧道工程环境信息及预定条件包括：

地应力，包括自重地应力和构造地应力；其中，自重地应力满足地应力大于30MPa或埋深大于等于800m；构造地应力满足向斜构造带两翼倾角大于等于30°或埋深大于等于400m或具有区域构造挤压现象；

大气降水，隧址区24小时内降雨量超100mm，或连续降雨超过3天且总降雨量超过200mm；

不良地质，包括岩溶、采空区和断层破碎带发育，其中，岩溶的溶腔和采空区位于隧道两侧或上部围岩处，且与隧道边界的距离小于3倍洞径；断层破碎带满足与隧道走向相交；

特殊岩土，隧道周边围岩中超过三分之一的位置具有膨胀属性围岩，且最大膨胀力大于等于1.8MPa；

气候条件，最高温度小于0℃，且持续时长超过30天；

地下水赋水情况，隧道存在衬砌渗漏水，且持续时间超过3个月。

3.根据权利要求1所述的一种公路隧道崩塌预测方法，其特征在于，所述隧道衬砌的有效承载厚度基于衬砌影响因素计算，衬砌影响因素与有效承载厚度的计算关系如下：

衬砌影响因素为隧道衬砌实际厚度小于设计厚度所造成的厚度不足，隧道衬砌的实际厚度为有效承载厚度；

衬砌影响因素为隧道衬砌具有深度不小于1m的纵向裂缝，有效承载厚度为隧道衬砌的设计厚度与裂缝最大深度的差值；

衬砌影响因素为混凝土腐蚀，以未腐蚀的混凝土厚度为有效承载厚度；

衬砌影响因素为隧道衬砌背后空洞，当空洞位于拱顶或拱肩部位，且空洞的环向尺寸不小于10cm、不大于60cm，衬砌实际厚度为有效承载厚度。

4.根据权利要求1所述的一种公路隧道崩塌预测方法，其特征在于：隧道衬砌结构类型包括素混凝土衬砌及钢筋混凝土衬砌；

其中，隧道衬砌为素混凝土衬砌时，衬砌影响因素作用下，隧道衬砌表现为局部塌落；

隧道衬砌为钢筋混凝土衬砌时，衬砌影响因素作用下，隧道衬砌表现为衬砌表层剥落。

5.根据权利要求1所述的一种公路隧道崩塌预测方法，其特征在于，所述隧道初始状态时，名义荷载与初始承载力满足如下关系式：

KL＝σ_h

其中，L为隧道名义荷载初始值；K为隧道衬砌结构安全水平系数；σ_h为隧道衬砌的初始承载力。

6.根据权利要求1所述的一种公路隧道崩塌预测方法，其特征在于，所述工程环境的名义荷载初始值包括外部围岩压力和衬砌结构自重。

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