一种基于掌子面位移突变理论的安全岩柱厚度确定方法与流程

1.本发明涉及隧道灾害预防与治理技术领域，特别是涉及一种基于掌子面位移突变理论的安全岩柱厚度确定方法。


背景技术：

2.岩溶是隧道工程建设中常见的地质灾害之一。岩溶地区修建的隧道工程与既有溶洞间的安全距离(安全岩柱厚度)直接影响隧道工程的安全性和经济效益，因此，既有溶洞与隧道之间安全距离的确定是岩溶地区隧道设计与施工中亟需解决的问题。然而，目前岩溶地区隧道稳定性的研究尚不完善，所以研究拟修建隧道与既有溶洞间安全距离的方法具有十分重要的现实意义。
3.安全岩柱厚度过小，涌水涌泥等灾害还未治理就已发生，造成极大设备损失，甚至人员伤亡。安全岩柱厚度过大，将会增加处理溶洞灾害的难度，给灾害治理造成较大困难，严重影响施工进度。合理的的安全岩柱厚度不仅可以防止隧道内发生涌水涌泥灾害的发生，还能降低处理溶洞灾害的难度。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于掌子面位移突变理论的安全岩柱厚度确定方法，理论性强，简单易行，可行性高，能为岩溶地区隧道工程安全施工提供必要的参考。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种基于掌子面位移突变理论的安全岩柱厚度确定方法，应用于隧道开挖掌子面至掌子面前方溶洞之间，包括以下步骤：
7.隧道掌子面距前方溶洞越近，掌子面沿隧道开挖方向位移逐渐增大，当此位移发生较大突变时，将此时掌子面的位置作为最小安全岩柱的临界面，此平面到溶洞的距离即为安全岩柱最小厚度。
8.进一步的，掌子面距前方溶洞30m出开始记录位移数据，隧道开挖至距溶洞25m时，掌子面中心纵向位移逐渐趋于稳定，隧道开挖至距溶洞6m时，掌子面中心位移急剧增加，定义此处为位移突变位置，安全岩柱最小厚度即为6m。
9.进一步的，通过测量得到掌子面挤出位移、拱顶沉降和水平收敛数据来分析得出施工部与位移值的关系图像，拱顶沉降和挤出位移的图像是否出现交点，若挤出位移和拱顶沉降有交点，掌子面挤出位移会发生突变，掌子面失稳。
10.进一步的，所述掌子面采用的位移监测装置包括控制器以及与控制器连接的信息采集装置和报警装置，所述信息采集装置包括双目视觉相机以及光源，用于采集隧道内掌子面图像，所述报警装置为声光报警器；当被监测掌子面上各观测点的变形量超过设定的阈值时，控制器触发报警装置发出警报信号。
11.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的基于掌子面位移突变理论的安全岩柱厚度确定方法，原理为：隧道掌子面距前方溶洞愈近，掌子
面纵向(隧道开挖方向)位移逐渐增大，当此位移位移发生较大突变时，将此时掌子面的位置作为最小安全岩柱的临界面，此平面到溶洞的距离即为安全岩柱最小厚度；本发明所述方法简单易行，便于实现，可有效确定安全岩柱最小厚度，防止隧道内发生涌水涌泥等灾害的发生，降低处理溶洞灾害的难度；具有较强理论性，可行性高，实用性强。
附图说明
12.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
13.图1为本发明安全岩柱厚度确定范围示意图；
14.图2为本发明掌子面纵向位移曲线示意图；
15.附图标记说明：1、隧道开挖方向；2、掌子面；3、最小安全岩柱；4、安全岩柱最小厚度；5、溶洞。
具体实施方式
16.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
17.本发明的目的是提供一种基于掌子面位移突变理论的安全岩柱厚度确定方法，理论性强，简单易行，可行性高，能为岩溶地区隧道工程安全施工提供必要的参考。
18.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
19.如图1至图2所示，本发明提供的基于掌子面位移突变理论的安全岩柱厚度确定方法，应用于隧道开挖掌子面至掌子面前方溶洞之间，包括如下步骤：
20.隧道掌子面2距前方溶洞5越近，掌子面2沿隧道开挖方向1位移逐渐增大，当此位移发生较大突变时，将此时掌子面2的位置作为最小安全岩柱3的临界面，此平面到溶洞的距离即为安全岩柱最小厚度4。
21.其中，通过测量得到掌子面挤出位移、拱顶沉降和水平收敛数据来分析得出施工部与位移值的关系图像，拱顶沉降和挤出位移的图像是否出现交点，若挤出位移和拱顶沉降有交点，掌子面挤出位移会发生突变，掌子面失稳。
22.所述掌子面采用的位移监测装置包括控制器以及与控制器连接的信息采集装置和报警装置，所述信息采集装置包括双目视觉相机以及光源，用于采集隧道内掌子面图像，所述报警装置为声光报警器；当被监测掌子面上各观测点的变形量超过设定的阈值时，控制器触发报警装置发出警报信号。
23.为研究本发明对于隧道工程的实用性，使用数值模拟进行分析研究。如图2所示，掌子面距前方溶洞30m出开始记录位移数据。隧道开挖至距溶洞25m时，掌子面中心纵向位移逐渐趋于稳定，隧道开挖至距溶洞6m时，掌子面中心位移急剧增加，定义此处为位移突变
位置，安全岩柱最小厚度即为6m。
24.综上，本发明提供的基于掌子面位移突变理论的安全岩柱厚度确定方法，原理为：隧道掌子面距前方溶洞愈近，掌子面纵向(隧道开挖方向)位移逐渐增大，当此位移位移发生较大突变时，将此时掌子面的位置作为最小安全岩柱的临界面，此平面到溶洞的距离即为安全岩柱最小厚度；本发明所述方法简单易行，便于实现，可有效确定安全岩柱最小厚度，防止隧道内发生涌水涌泥等灾害的发生，降低处理溶洞灾害的难度；具有较强理论性，可行性高，实用性强。
25.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。


技术特征：
1.一种基于掌子面位移突变理论的安全岩柱厚度确定方法，应用于隧道开挖掌子面至掌子面前方溶洞之间，其特征在于，包括以下步骤：隧道掌子面距前方溶洞越近，掌子面沿隧道开挖方向位移逐渐增大，当此位移发生较大突变时，将此时掌子面的位置作为最小安全岩柱的临界面，此平面到溶洞的距离即为安全岩柱最小厚度。2.根据权利要求1所述的基于掌子面位移突变理论的安全岩柱厚度确定方法，其特征在于，掌子面距前方溶洞30m出开始记录位移数据，隧道开挖至距溶洞25m时，掌子面中心纵向位移逐渐趋于稳定，隧道开挖至距溶洞6m时，掌子面中心位移急剧增加，定义此处为位移突变位置，安全岩柱最小厚度即为6m。3.根据权利要求2所述的基于掌子面位移突变理论的安全岩柱厚度确定方法，其特征在于，通过测量得到掌子面挤出位移、拱顶沉降和水平收敛数据来分析得出施工部与位移值的关系图像，拱顶沉降和挤出位移的图像是否出现交点，若挤出位移和拱顶沉降有交点，掌子面挤出位移会发生突变，掌子面失稳。4.根据权利要求3所述的基于掌子面位移突变理论的安全岩柱厚度确定方法，其特征在于，所述掌子面采用的位移监测装置包括控制器以及与控制器连接的信息采集装置和报警装置，所述信息采集装置包括双目视觉相机以及光源，用于采集隧道内掌子面图像，所述报警装置为声光报警器；当被监测掌子面上各观测点的变形量超过设定的阈值时，控制器触发报警装置发出警报信号。

技术总结
本发明提供了一种基于掌子面位移突变理论的安全岩柱厚度确定方法，应用于隧道开挖掌子面至掌子面前方溶洞之间，包括以下步骤：隧道掌子面距前方溶洞越近，掌子面沿隧道开挖方向位移逐渐增大，当此位移发生较大突变时，将此时掌子面的位置作为最小安全岩柱的临界面，此平面到溶洞的距离即为安全岩柱最小厚度。本发明提供的基于掌子面位移突变理论的安全岩柱厚度确定方法可有效确定安全岩柱最小厚度范围，理论性强，简单易行，可行性高，能为岩溶地区隧道工程安全施工提供必要的参考。地区隧道工程安全施工提供必要的参考。地区隧道工程安全施工提供必要的参考。


技术研发人员：郎志军 高新强 董北毅 樊浩博 郭鹏 郜现磊 李国琛 黄林超 朱永全 孔超 朱正国
受保护的技术使用者：石家庄铁道大学
技术研发日：2021.11.11
技术公布日：2022/3/15