富水构造区圆形隧道抗突体最小安全厚度解析解

摘要

隧道掘进前方存在富水溶腔时，掌子面与富水溶腔之间的抗突水岩体（抗突体）厚度会随着隧道掘进逐渐减小，一旦达到极限厚度会引发突水灾害。准确预测抗突体最小安全厚度，可有效避免岩溶富水区隧道突水灾害发生。隧道掌子面前方岩溶水压作用可能导致抗突体发生剪切破坏和弯曲破坏，据此，本文建立了相对应的抗突体力学模型，并采用抗剪强度准则、抗弯强度准则、弹性薄板理论计算出抗突体最小安全厚度。本文方法计算结果与基于固支梁弯曲理论、岩柱剪切理论、突变理论得到的结果较为吻合。参数敏感性分析结果表明：1)隧道埋深较深时，抗突体易发生弯曲破坏；隧道埋深较浅时，抗突体易发生剪切破坏。2)抗突体最小安全厚度与隧道开挖半径、岩溶水压、围岩泊松比呈正相关，且影响程度从大到小顺序依次为隧道开挖半径、岩溶水压、围岩泊松比。3)模型边界条件会影响抗突体最小安全厚度，当隧道开挖半径R<6 m、岩溶水压P_w<0.35 MPa时，最小安全厚度可按边界简支情况计算；当隧道开挖半径R≥6 m、岩溶水压P_w≥0.35 MPa时，最小安全厚度须按边界固定情况计算。最后，结合一座发生突水的岩溶隧道案例，将对应参数代入弯曲Ⅰ型表达式计算出最小安全厚度，结果与工程中预留的厚度总体一致，表明本文最小安全厚度，结果解析解是合理的。

关键词

圆形隧道 / 抗突体 / 最小安全厚度 / 薄板理论 / 突水

基金资助

国家自然科学基金项目（42107172）; 四川省科技厅基础研究重点项目（2020YFN0012;2020YFS0361）; 四川大学基础研究项目（2021SCU12035）