一种评估浅埋隧道超挖对拱部塌方影响的方法技术

本发明专利技术公开了一种评估浅埋隧道超挖对拱部塌方影响的方法。它主要包括如下步骤：根据浅埋隧道超挖情况，确定超挖形状以及超挖面积；计算浅埋隧道塌方体重力做功；计算浅埋隧道塌方体内能耗散；根据最小能耗原理以及边界条件，求解塌方范围以及塌方量大小；改变不同的超挖角度、超挖高度、超挖面积，评估其对浅埋隧道塌方范围以及塌方大小的影响。本发明专利技术可以应用于浅埋地下工程中关于拱部超挖对塌方的影响分析，并且能够考虑超挖角度、超挖高度以及超挖面积等因素的影响，为评估超挖影响以及塌方的加固与防治提供理论方法指导。塌方的加固与防治提供理论方法指导。塌方的加固与防治提供理论方法指导。

【技术实现步骤摘要】
一种评估浅埋隧道超挖对拱部塌方影响的方法


[0001]本专利技术属于隧道施工
，具体涉及一种评估浅埋隧道超挖对拱部塌方影响的方法。

技术介绍

[0002]随着越来越多的隧道将会修建，如目前川藏线中，隧道占了很大一部分比例。由于受围岩本身地质条件，还有钻爆施工参数等影响，超挖在隧道施工现场是常见的现象。目前相关研究文献基本是研究超挖对围岩变形受力等方面的，既有专利也多为一些检测与控制装置，如专利：一种用于铁路隧道线性超挖控制的间隔装药工具（CN201922381532.5）等。隧道塌方是常见的事故，超挖也是导致隧道塌方的主要诱因，特别是对于浅埋隧道，超挖过大时，会产生冒顶塌方。然而，尚未有文献从理论上分析超挖对浅埋隧道塌方的影响，也缺少相应的评估方法。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于针对现有技术中存在的上述技术问题，提供一种评估浅埋隧道超挖对拱部塌方影响的方法。
[0004]本专利技术的目的是通过如下的技术方案来实现的。
[0005]该评估浅埋隧道超挖对拱部塌方影响的方法，包括如下步骤。
[0006]（1）根据浅埋隧道超挖情况，确定超挖形状以及超挖面积；超挖形状简化为三角形，其超挖面积由下式确定。
[0007]。
[0008]式中，S
c
为超挖区面积；R为隧道拱部半径；θ为超挖角度；h为超挖高度；π为圆周率。
[0009]（2）计算浅埋隧道塌方体重力做功，其由下式确定。
[0010] 。
[0011]式中，P
γ
为浅埋隧道塌方体重力做功；L1为浅埋隧道地表塌方区宽度的一半，L2为浅埋隧道洞内塌方区宽度的一半；γ为围岩重度；g(x)为隧道拱部轮廓函数；f(x)为塌方形状函数；v为机动容许速度场；x为直角坐标系中x轴坐标值。
[0012]其中，隧道拱部轮廓函数g(x)，具体由下式进行确定。
[0013] 。
[0014]式中，H为浅埋隧道埋深。
[0015]（3）计算浅埋隧道塌方体内能耗散，其由下式确定。
[0016] 。
[0017]式中，P
D
为浅埋隧道塌方体内能耗散；为完整围岩岩石的抗压强度；A、B为围岩参数；为f(x)的切线斜率，即一阶导数；为围岩的抗拉强度。
[0018]（4）根据最小能耗原理以及边界条件，求解塌方范围以及塌方量大小，其包括如下步骤。
[0019]（Ⅰ）由浅埋隧道塌方体重力做功与内能耗散，构建如下函数。
[0020]。式中：为浅埋隧道塌方体内能耗散和塌方体重力做功之差。，为泛函数。
[0021]（Ⅱ）由泛函数的变分原理，可得其对应的欧拉方程为。
[0022] 。
[0023]结合边界条件，求解可得：。式中，c1为系数。
[0024]（Ⅲ）由几何条件可知。
[0025] 。
[0026]由此可以得到以下式。
[0027] 。
[0028] （Ⅳ）由能量守恒定律，即浅埋隧道塌方体重力做功与内能耗散相等，可得。
[0029]。
[0030]（
Ⅴ
）联合步骤（Ⅲ）与（Ⅳ）的公式，可构成一个方程组，从而可以解得浅埋隧道地表塌方区宽度2L1和洞内塌方区宽度2L2的值，塌方大小即塌方面积可由下式求得。
[0031] 。
[0032]（
Ⅵ
）根据上述，结合实际超挖情况，即可求得超挖引起的浅埋隧道塌方范围，包括塌方面积、塌方高度以及塌方宽度等；改变超挖高度、超挖角度等相关参数，即可求得超挖高度、超挖角度以及超挖面积对浅埋隧道拱部塌方的影响，从而为评估超挖影响以及浅埋隧道塌方的加固与防治提供理论方法指导。
[0033]本专利技术与现有技术和研究方法相比，具有如下的优点：现有文献技术研究主要是针对超挖后对围岩以及支护的影响；现有专利技术只是对超挖进行检查或者控制装置等方面。缺少超挖对浅埋隧道塌方的影响，以及超挖后浅埋隧道塌方范围有多大，塌方高度与宽度是多少，这些直接影响到后续对塌方的治理与加固。本专利技术为评估浅埋隧道超挖对拱部塌方影响，提供了一种理论计算方法；并通过改变超挖高度、超挖角度等相关参数，即可求得超挖高度、超挖角度对浅埋隧道塌方的影响，从而为超挖影响下的塌方治理提供参考。本专利技术的方法不仅可以应用于交通隧道，还可应用于采矿巷道、水工隧洞、地铁区间隧道等地下工程中关于超挖对塌方的影响分析，从而为评估超挖影响以及塌方的加固与防治提供理论方法指导。
附图说明
[0034]图1为本专利技术实施例超挖下隧道塌方示意图。
[0035]图1中，H为隧道埋深；L1为浅埋隧道地表塌方区宽度的一半，L2为浅埋隧道洞内塌方区宽度的一半；；R为隧道拱部半径；θ为超挖角度；h为超挖高度；f(x)为塌方形状函数；g(x)为隧道拱部轮廓函数；v为机动容许速度场；x为直角坐标系中x轴坐标值。
[0036]图2为不同超挖高度对塌方高度、塌方宽度、塌方面积的影响。
[0037]图3为不同超挖角度对塌方高度、塌方宽度、塌方面积的影响。
具体实施方式
[0038]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的描述。
[0039]本实施例工程的具体数据如下：研究超挖高度h的影响时，其他参数取值分别为：A=0.15，B=0.6，σ
c
=0.5MPa，σ
t
=σ
c
/100，R=11m，γ=20kN/m3，θ=6
°
，超挖高度h分别选取0m，0.2m，0.4m，0.6m，0.8m，1.0m六种情况进行计算。
[0040]研究超挖角度θ的影响时，其他参数取值分别为：A=0.15，B=0.6，σ
c
=0.5MPa，σ
t
=σ
c
/100，R=11m，γ=20kN/m3，h=0.6m，超挖角度θ分别选取0
°
，2
°
，4
°
，6
°
，8
°
，10
°
六种情况进行计算。
[0041]参见图1，本实施例评估浅埋隧道超挖对拱部塌方影响的方法如下。
[0042]（1）根据浅埋隧道超挖情况，确定超挖形状以及超挖面积；超挖形状简化为三角形，其超挖面积由下式确定。
[0043]。
[0044]式中，S
c
为超挖区面积；R为隧道拱部半径；θ为超挖角度；h为超挖高度；π为圆周率。
[0045]（2）计算浅埋隧道塌方体重力做功，其由下式确定。
[0046] 。
[0047]式中，P
γ
为浅埋隧道塌方体重力做功；L1为浅埋隧道地表塌方区宽度的一半，L2为浅埋隧道洞内塌方区宽度的一半；γ为围岩重度；g(x)为隧道拱部轮廓函数；f(x)为塌方形状函数；v为机动容许速度场；x为直角坐标系中x轴坐标值本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种评估浅埋隧道超挖对拱部塌方影响的方法，其特征在于包括如下步骤：（1）根据浅埋隧道超挖情况，确定超挖形状以及超挖面积；超挖形状简化为三角形，其超挖面积由下式确定：；式中，S
c
为超挖区面积；R为隧道拱部半径；θ为超挖角度；h为超挖高度；π为圆周率；（2）计算浅埋隧道塌方体重力做功，其由下式确定，；式中，P
γ
为浅埋隧道塌方体重力做功；L1为浅埋隧道地表塌方区宽度的一半，L2为浅埋隧道洞内塌方区宽度的一半；γ为围岩重度；g(x)为隧道拱部轮廓函数；f(x)为塌方形状函数；v为机动容许速度场；x为直角坐标系中x轴坐标值；其中，隧道拱部轮廓函数g(x)，具体由下式进行确定：；式中，H为浅埋隧道埋深；（3）计算浅埋隧道塌方体内能耗散，其由下式确定：；式中，P
D
为浅埋隧道塌方体内能耗散； 为完整围岩岩石的抗压强度；A、B为围岩参数； 为f(x)的切线斜率，即一阶导数； 为围岩的抗拉强度；（4）根据最小能耗原理以及边界...

【专利技术属性】
技术研发人员：安永林，郭晋东，周进，谭格宇，刘文娟，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：