[发明专利]基于三维的深埋隧道临界安全进尺与坍方形状确定方法

摘要

本发明公开了一种基于三维的深埋隧道临界安全进尺与坍方形状确定方法。首先根据地层参数以及埋深等条件，结合隧道开挖进尺段之间的几何关系，然后分别计算深埋隧道的重力外力功率、内能耗散功率，最后根据临界破坏时的能量守恒原理，即外力功率等于内能耗散功率，确定深埋隧道的临界安全进尺。本发明为确定深埋隧道的安全进尺提供了计算方法；据此可以判断隧道现场施工采用的进尺是否满足要求，并为采取相应的工程提供依据，可以有效避免进尺段坍方的发生；同时可以确定隧道进尺段临界坍方破坏的三维破坏面形状，确定坍方体高度以及坍方体积等。本发明方法亦可以应用于采矿巷道、水工隧洞等地下建筑结构的进尺安全判断、确定等。

主权项

1.一种基于三维的深埋隧道临界安全进尺与坍方形状确定方法，其特征在于包括如下步骤：(1)对于深埋隧道，首先确定进尺段三维坍方体尺寸之间的几何关系如下：式(1)至式(3)中，h为坍方体高度；φ为围岩内摩擦角；R₀为进尺段坍方破裂范围的半径；L_AB、L_BF为坍方体圆锥的母线长度；S_ABF为坍方体圆锥的侧面面积，即三维破裂面面积；(2)确定进尺段坍方体自重荷载所做的外力功率如下：式(4)中，W_r为坍方体自重荷载所做的外力功率；γ为围岩重度；φ为围岩内摩擦角；R₀为进尺段坍方破裂范围的半径；v为坍方体破裂面上的间断速度；(3)确定进尺段坍方体内能耗散功率如下：式(5)中，E_D为坍方体内能耗散功率；c为围岩黏聚力；φ为围岩内摩擦角；R₀为进尺段坍方破裂范围的半径；v为破裂面上的间断速度；(4)根据能量守恒原理，当坍方体自重荷载所做的外力功率等于坍方体内能耗散功率时，由式(4)、式(5)得到下式：E_D＝W_γ  (6)；(5)因此，确定临界安全进尺长度如下：式(9)中，L_cr为临界安全进尺长度；(6)结合式(1)、式(2)、式(3)、式(9)，得到临界坍方体高度以及坍方体积如下：式(10)、式(11)中，h_cr为临界坍方体高度；V_cr为临界坍方体体积；(7)确定隧道实际开挖进尺长度的安全系数如下：式(12)中，K为隧道实际开挖进尺长度的安全系数；L_cr为临界安全进尺长度；L为隧道实际开挖进尺长度；在隧道围岩参数已知的情况下，可以求得深埋隧道进尺段临界破坏时的临界安全进尺长度L_cr，隧道实际施工的进尺长度应小于L_cr，否则不安全；应采取短进尺的方法才能满足不坍方；另外对于无黏聚力的围岩，则L_cr＝0，即会出现隧道现场常见的随挖随坍的现象，这种地层应先注浆加固，提高围岩的强度参数；根据R₀、h可以确定隧道进尺段临界破坏时三维破坏面形状以及坍方体高度与坍方体体积。