一种构造应力区层状软质岩层隧底时效变形风险等级评价方法与流程

本发明涉及隧道工程地质风险评估，特别涉及一种构造应力区层状软质岩层隧底时效变形风险等级评价方法。

背景技术：

1、高速铁路以其高速度、高舒适性和高安全性，已成为我国交通基础设施的重要组成部分。截至2025年底，我国高速铁路运营里程已超过5万公里。在复杂山区地形条件下，为满足线路的平顺性要求，大量采用隧道工程。为确保高速铁路的长期稳定，隧道内普遍采用无砟轨道结构。与有砟轨道相比，无砟轨道具有结构耐久性强、维修工作量少等突出优点，基本实现了免维护或少维护的目标。

2、然而，随着运营年限的增长和路网向更复杂地质环境的延伸，部分已运营的高速铁路隧道出现了一种典型的工程病害——隧道底鼓。即隧道底部结构（仰拱或底板）发生向上的隆起变形，进而引发上部无砟轨道道床板开裂、上拱，导致轨道几何尺寸超限。该病害轻则影响列车运行的平稳性与乘客舒适度，增加养护维修成本；重则迫使列车限速运行，甚至中断行车进行紧急抢修，对繁忙的铁路运输秩序造成严重干扰，带来巨大的经济损失。

3、从工程案例来看，隧道底鼓病害呈现出显著的区域性和地层岩性特征，多发于我国西南地区的构造应力区。发生底鼓的隧道多穿越软质岩地层，例如炭质页岩、泥岩、泥质砂岩等，这些岩层通常具有岩体强度低、遇水易软化、流变特性显著等不良工程特性。同时，病害段岩层多呈缓倾角至近水平的薄层状至中厚层状产出。在这种特定的地质条件下，隧道开挖后围岩应力重分布过程复杂，底部岩体在高地应力（尤其是水平构造应力）和地下水的长期耦合作用下，极易发生持续的剪切滑移或挤压流动，最终导致底鼓。

4、当前，工程界对隧道底鼓的变形机理已有一定认识，但由于其是岩体力学特性、地质环境及工程因素等多因素非线性耦合作用的综合结果，变形机理异常复杂。因此，目前尚缺乏一套成熟、统一且被广泛认可的定量评价方法。现有技术对于隧道底鼓风险的评估，多依赖于工程经验类比或单一因素（如地应力大小）判别。

5、例如，现行《铁路工程不良地质勘察规程》（tb10027-2022）主要基于最大初始地应力和岩石强度应力比来划分高地应力状态，但其划分标准主要针对岩爆和大变形，并不完全适用于隧道底鼓这种特殊的、由微小变形累积而成的病害。实践表明，仅考虑地应力和岩石强度的判据，难以准确预测底鼓风险，导致在勘察设计阶段无法有效规避风险，在施工和运营阶段也缺乏精准的预警和管控依据。

6、有鉴于此，亟需发展一种科学、系统且具备可操作性的技术方案，其能够综合考虑影响隧底变形的关键控制因素，建立一套精准的、定量化的风险等级评价方法，以贯穿隧道工程的全生命周期，有效指导工程设计、施工与运维，从而保障高速铁路等重大基础设施的长期安全运营。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中所存在的依赖单一因素或经验类比、评价不准确、无法指导工程实践的缺陷。提供一种构造应力区层状软质岩层隧底时效变形风险等级评价方法。

2、在第一方面，本发明提供一种构造应力区层状软质岩层隧底时效变形风险等级评价方法，包括以下步骤：

3、获取目标隧道的隧底变形风险控制性地质参数，包括隧道底部的最大初始地应力

σmax、岩石单轴饱和抗压强度rc以及岩层层厚h；

4、根据所述隧底变形风险控制性地质参数，按照以下判据评价隧道底鼓变形风险等级：

5、当

σmax≤6mpa时，判定为低度风险；

6、当

σmax＞6mpa，且rc·h≥1.1

σmax-6.6时，判定为中度风险；

7、当

σmax＞6mpa，且rc·h＜1.1

σmax-6.6时，判定为高度风险。

8、优选地，所述最大初始地应力

σmax的单位为mpa，所述岩石单轴饱和抗压强度rc的单位为mpa，所述岩层层厚h的单位为cm，所述最大初始地应力

σmax通过公式

σmax=0.026h确定，其中h为隧道最大埋深，单位为m。

9、优选地，所述低度风险、所述中度风险、所述高度风险是根据岩石坚硬程度、岩层层厚、底鼓变形量及持续时间综合进行划分；其中，所述低度风险对应的工后底鼓变形量为15mm-30mm，所述中度风险对应的工后底鼓变形量为30mm-60mm，所述高度风险对应的工后底鼓变形量为大于60mm。

10、优选地，所述底鼓变形量是指隧道底部结构在工后产生的向上隆起位移量。

11、优选地，对于所述低度风险，采用隧道仰拱矢跨比1/12-1/16，并通过调整轨道扣件消除隆起变形的影响；对于所述中度风险，采用钢筋混凝土仰拱，并采用隧道仰拱矢跨比1/9-1/11；对于所述高度风险，采用钢筋混凝土仰拱，并采用隧道仰拱矢跨比1/7-1/9。

12、优选地，在获取所述最大初始地应力

σmax、岩石单轴饱和抗压强度rc以及岩层层厚h之前，还包括将隧道洞身段划分为若干工程地质单元，并根据各单元的地质特征分别获取对应的

σmax、rc和h参数。

13、优选地，所述构造应力区层状软质岩层中的软质岩为单轴饱和抗压强度rc低于30mpa的岩石，所述层状为岩层呈现薄层状至中厚层状产出。

14、优选地，所述方法适用于隧道勘察阶段、施工阶段和运营阶段中的至少一个阶段，以实现隧道底鼓风险的分段精准评价。

15、优选地，在判定为中度风险或高度风险后，还包括输出预警信号的步骤，所述预警信号包括风险等级、风险段落位置以及对应的工程处置建议。

16、优选地，所述方法还适用于公路隧道、机场隧道、水电站隧洞、引水隧道或地下洞室中构造应力区层状软质岩层的隧底时效变形风险等级评价。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果：

18、本发明提供一种构造应力区层状软质岩层隧底时效变形风险等级评价方法，通过引入岩层层厚参数构建强度厚度应力三因素耦合判据，克服了现有技术中依赖单一因素或双因素判据评价不准确的缺陷，实现了对构造应力区层状软质岩层隧底时效变形风险等级的精准评价，经20处工程案例验证评价准确率达100%。

19、本发明提供一种构造应力区层状软质岩层隧底时效变形风险等级评价方法，所构建的耦合判据基于隧道最大初始地应力、岩石单轴饱和抗压强度和岩层层厚三个易于获取的地质参数，适用于隧道勘察、施工和运营全生命周期的底鼓风险分段精准评价，为工程设计、施工与运维提供了统一的定量化决策依据。

1.一种构造应力区层状软质岩层隧底时效变形风险等级评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的构造应力区层状软质岩层隧底时效变形风险等级评价方法，其特征在于，所述最大初始地应力σmax的单位为mpa，所述岩石单轴饱和抗压强度rc的单位为mpa，所述岩层层厚h的单位为cm，所述最大初始地应力σmax通过公式σmax=0.026h确定，其中h为隧道最大埋深，单位为m。

3.根据权利要求1所述的构造应力区层状软质岩层隧底时效变形风险等级评价方法，其特征在于，所述低度风险、所述中度风险、所述高度风险是根据岩石坚硬程度、岩层层厚、底鼓变形量及持续时间综合进行划分；其中，所述低度风险对应的工后底鼓变形量为15mm-30mm，所述中度风险对应的工后底鼓变形量为30mm-60mm，所述高度风险对应的工后底鼓变形量为大于60mm。

4.根据权利要求1所述的构造应力区层状软质岩层隧底时效变形风险等级评价方法，其特征在于，所述底鼓变形量是指隧道底部结构在工后产生的向上隆起位移量。

5.根据权利要求1所述的构造应力区层状软质岩层隧底时效变形风险等级评价方法，其特征在于，对于所述低度风险，采用隧道仰拱矢跨比1/12-1/16；并通过调整轨道扣件消除隆起变形的影响；

6.根据权利要求1所述的构造应力区层状软质岩层隧底时效变形风险等级评价方法，其特征在于，在获取所述最大初始地应力σmax、岩石单轴饱和抗压强度rc以及岩层层厚h之前，

7.根据权利要求1所述的构造应力区层状软质岩层隧底时效变形风险等级评价方法，其特征在于，所述构造应力区层状软质岩层中的软质岩为单轴饱和抗压强度rc低于30mpa的岩石，所述层状为岩层呈现薄层状至中厚层状产出。

8.根据权利要求1所述的构造应力区层状软质岩层隧底时效变形风险等级评价方法，其特征在于，所述方法适用于隧道勘察阶段、施工阶段和运营阶段中的至少一个阶段，以实现隧道底鼓风险的分段精准评价。

9.根据权利要求1所述的构造应力区层状软质岩层隧底时效变形风险等级评价方法，其特征在于，在判定为中度风险或高度风险后，还包括输出预警信号的步骤，所述预警信号包括风险等级、风险段落位置以及对应的工程处置建议。

10.根据权利要求1所述的构造应力区层状软质岩层隧底时效变形风险等级评价方法，其特征在于，所述方法还适用于公路隧道、机场隧道、水电站隧洞、引水隧道或地下洞室中构造应力区层状软质岩层的隧底时效变形风险等级评价。