[发明专利]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

说明书

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。

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；