水下隧道近断层下盘开挖掌子面-进尺段稳定性的计算方法技术

技术编号：40069481 阅读：7 留言：0更新日期：2024-01-16 23:57

本发明专利技术公开了一种水下隧道近断层下盘开挖掌子面‑进尺段稳定性的计算方法。本发明专利技术主要是，首先计算隧道掌子面‑进尺段破坏面尺寸之间的几何与角度关系，确定掌子面‑进尺段各破坏块体速度关系，然后分别计算断层水压力外力功率、围岩重力外力功率、围岩内能耗散功率，计算稳定安全系数，并与允许稳定安全系数进行比较，判断隧道掌子面‑进尺段是否稳定安全。本发明专利技术为评估隧道近富水断层开挖掌子面‑进尺段的稳定性提供了计算方法；据此可以评价掌子面‑进尺段是否稳定安全；进而可以确定隧道在不同断层富水程度、不同开挖进尺、不同开挖高度下掌子面‑进尺段稳定安全系数，以及获得与允许稳定安全系数对应的临界断层水压力，从而为隧道近富水断层安全施工以及泄水降压等提供依据。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于隧道施工，具体涉及一种水下隧道近断层下盘开挖掌子面-进尺段稳定性的计算方法。

技术介绍

1、对于跨江、跨河及沿海城市，江/河/海阻碍了城市的发展。水底隧道利于航运且不受气象影响、抗震性能优于桥梁、土地利用率优于桥梁、在建设时能做到不拆迁或少拆迁、不破坏环境等诸多优点。当水下隧道近断层施工时，若进尺过大，或者断层水压过大，都会影响掌子面稳定，因此，开展水下隧道近富水断层开挖掌子面-进尺段的稳定研究具有重要的理论意义和工程应用价值。

2、目前既有文献大多是采用数值模拟或理论分析无断层下隧道掌子面稳定性以及开挖进尺下的稳定性等，涉及断层下掌子面-进尺的稳定性很少，而关于水下隧道近断层开挖掌子面-进尺段稳定性的研究鲜见报道，未能提供一种理论上的分析方法。

技术实现思路

1、本专利技术的目的在于提供一种水下隧道近断层下盘开挖掌子面-进尺段稳定性的计算方法。本专利技术可以判断隧道掌子面-进尺段是否满足安全要求，进而可以确定隧道在不同断层水压力、不同开挖高度与不同开挖进尺下的稳定安全系数，从而为隧道安全施工等提供依据。

2、本专利技术的水下隧道近断层下盘开挖掌子面-进尺段稳定性的计算方法，包括如下顺序的步骤：

3、(1)隧道掌子面-进尺段破坏面尺寸之间的几何与角度关系：

4、；

5、；

6、；

7、；

8、；

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15、；

16、式中： lag为a点与g点之间的长度； d为隧道开挖高度； lbg为b点与g点之间的长度； lgf为g点与f点之间的长度； lgf为g点与f点之间的长度； lkh为k点与h点之间的长度； lae为a点与e点之间的长度，即防突厚度； lef为e点与f点之间的长度； lak为a点与k点之间的长度； ljk为j点与k点之间的长度；len为隧道开挖进尺； leh为e点与h点之间的长度； φ为围岩内摩擦角； β为断层倾角； a1为边ab与边bg之间的夹角； a2为边ab与边ag之间的夹角； a3为边ag与边bg之间的夹角； a4为边aj与边ak之间的夹角； a5为边aj与边jk之间的夹角；

17、(2)确定掌子面各破坏块体速度关系：

18、；

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21、；

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23、；

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26、；

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28、式中： v1为块体agfe与块体akhe的速度； v0为块体abg的速度； v0,1为块体abg相对于块体agfe的相对速度； v2为块体ajk的速度； v2,1为块体ajk相对于块体akhe的相对速度； a6为速度 v0与速度 v0,1的夹角； a7为速度 v1与速度 v0,1的夹角； a8为速度 v0与速度 v1的夹角； a9为速度 v2与速度 v2,1的夹角； a10为速度 v1与速度 v2,1的夹角； a11为速度 v1与速度 v2的夹角；

29、(3)断层水压力外力功率：

30、；

31、式中：ww为断层水压力外力功率； pw为断层水压力；

32、(4)围岩重力外力做功功率，其包括如下步骤：

33、（ⅰ）根据上述计算块体各边长关系得到各块体的面积：

34、；

35、；

36、；

37、；

38、式中：sabg为块体abg的面积；sagfe为块体agfe的面积；sakhe为块体akhe的面积；sajk为块体ajk的面积；

39、（ⅱ）围岩重力外力功率为各块体重力与速度竖向分量的乘积，则根据上述得到块体的面积与速度可以得到：

40、；

41、式中：wγ为围岩重力外力功率；γ为围岩重度；

42、(5)外力功率为：

43、；

44、式中：w为外力功率；

45、(6)围岩内能耗散功率为：

46、；

47、式中： ed为围岩内能耗散功率； c为围岩黏聚力；

48、(7)稳定安全系数为：

49、；

50、式中：fos为稳定安全系数；

51、(8)判断隧道掌子面-进尺段是否稳定安全：

52、若，则隧道掌子面-进尺段稳定，施工安全；

53、若，则隧道掌子面-进尺段不稳定，施工不安全；

54、式中：[fos]为允许稳定安全系数。

55、本专利技术与现有技术和研究方法相比，具有如下的优点：

56、目前既有文献大多是采用数值模拟或理论分析无断层下隧道掌子面稳定性以及开挖进尺下的稳定性等，涉及断层下掌子面-进尺的稳定性很少，而关于水下隧道近断层开挖掌子面-进尺段稳定性的研究鲜见报道，未能提供一种理论上的分析方法。

57、本专利技术为评估隧道近富水断层开挖掌子面-进尺段的稳定性提供了计算方法；据此可以评价隧道掌子面-进尺段是否稳定安全；进而可以确定不同断层富水程度、不同隧道开挖高度以及不同开挖进尺下的稳定安全系数，从而为隧道安全施工提供依据。本专利技术的方法，亦可以应用于采矿巷道、水工隧本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种水下隧道近断层下盘开挖掌子面-进尺段稳定性的计算方法，其特征在于包括如下顺序的步骤：

【技术特征摘要】

1.一种水下隧道近断层下盘开挖掌子面-进尺段稳...

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

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