技术领域
[0001] 本发明涉及隔水岩体厚度确定技术领域，尤其涉及考虑岩体参数不确定性的隔水岩体厚度确定方法及系统。
相关背景技术
[0002] 本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
[0003] 隧道穿越岩溶地区时，受复杂地质条件等因素影响，往往会遭遇突水涌泥等大型地质灾害。隧道突水以其高发率、突发性、危害大等特点，严重制约着岩溶区地下工程建设的发展。相比于隧道中塌方、岩爆等地质灾害，突水灾害在隧道各类型的灾害中是最为严重的，其危害主要表现在以下几个方面：一是危害施工安全，二是引起地面沉降或塌陷，三是造成地面上方水资源减少和枯竭，四是导致水质污染。
[0004] 在岩溶隧道突水的防治领域内，防突层安全厚度是个非常关键的概念，如何合理的确定隧道结构与含水地质体之间的距离是一个非常核心的概念和施工指标，运用得当可在突水预防方面发挥重要作用。当隧道附近存在岩溶含水构造时，其与隧道间的围岩(即防突层)稳定性是预防突水发生的关键，若防突层的厚度过小，则难以抵抗开挖与岩溶水的共同作用，往往会由于突发性的突水涌泥遭受严重损失，但若防突层厚度偏大，则缺乏经济性，对含水构造的后续治理工作带来不便与浪费。防突层在突水预防方面一般表现为：当超前预报手段(物探或超前钻孔等)探测前方存在含水构造时，需预留一定厚度的防突层，以进行下一步治理工作，此时防突层的合理厚度有助于同时确保经济性及安全性。
[0005] 现有方法在确定防突层厚度时，都是将隧道围岩参数作为一个定值，未能充分考虑岩体介质的不连续性和岩体参数的离散型，由于自然界中的岩体具有着典型的非均质性的特点，故采用现有的确定防突层厚度方法去顶的防突层厚度准确性偏低，对实际工程的指导效果一般。
具体实施方式
[0035] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0036] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0037] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0038] 实施例1
[0039] 隧道穿越岩溶地区时，受复杂地质条件等因素影响，往往会遭遇突水涌泥等大型地质灾害。隧道突水以其高发率、突发性、危害大等特点，严重制约着岩溶区地下工程建设的发展。相比于隧道中塌方、岩爆等地质灾害，突水灾害在隧道各类型的灾害中是最为严重的，其危害主要表现在以下几个方面：一是危害施工安全，二是引起地面沉降或塌陷，三是造成地面上方水资源减少和枯竭，四是导致水质污染。
[0040] 岩溶水的基本特点为水量丰富而分布不均一，在赋存区动态变化很大。同时，岩溶区含水构造形态各异，规模小至溶隙、裂隙，大至溶腔、溶管等，水平形态、垂直形态多样，往往相互联系紧密；加之周边不同地质构造的参与，使得岩溶区的含水构造及岩溶水的补、径、排关系异常复杂。基于上述特点，使得岩溶区隧道突水灾害的预测和治理难度非常大。
[0041] 在岩溶隧道突水的防治领域内，防突层安全厚度是个非常关键的概念，如何合理的确定隧道结构与含水地质体之间的距离是一个非常核心的概念和施工指标，运用得当可在突水预防方面发挥重要作用。当隧道附近存在岩溶含水构造时，其与隧道间的围岩(即防突层)稳定性是预防突水发生的关键，若防突层的厚度过小，则难以抵抗开挖与岩溶水的共同作用，往往会由于突发性的突水涌泥遭受严重损失，但若防突层厚度偏大，则缺乏经济性，对含水构造的后续治理工作带来不便与浪费。防突层在突水预防方面一般表现为：当超前预报手段(物探或超前钻孔等)探测前方存在含水构造时，需预留一定厚度的防突层，以进行下一步治理工作，此时防突层的合理厚度有助于同时确保经济性及安全性。
[0042] 目前阶段尚没有统一的成规范的隧道突水隔水岩体的计算方法。防突岩层最小安全厚度的研究工作主要从两个方面展开：一是研究溶洞自身的形态、分布态势、地下水情况及地质环境对隧道围岩的影响；二是研究隧道穿越岩层本身的物理力学特性、岩体完整性、节理裂隙情况及工程外部荷载等与防突层安全厚度的相关情况。现阶段的计算方法主要通过理论分析(定性分析法、半定量分析法、定量分析法)、数值模拟法(研究不同围岩等级，含水结构不同空间位置)，物理模拟的方法来确定，取得了大量的有益结果。此外，还通过对岩溶隧道掌子面与高压含水体之间裂隙岩体的防突最小安全厚度的研究，提出“两带”理论，推导了合理反映爆破开挖扰动与水压作用下裂纹岩体最小安全厚度的计算公式，并为工程实例所验证。李浪等建立防突岩盘最小安全厚度力学模型,采用相似模型试验方法,开展系列隧道掌子面前方突涌水灾害防突岩盘模型试验。通过着重研究了地震与岩溶水压力耦合作用下岩层的破坏模式和破坏机理，尝试用准静态法、弹性力学法和Bishop法建立了临空面与充填型溶洞之间最小防突安全岩层厚度的理论模型。张群借助可以考虑流固耦合的有限元程序对隧道突水过程进行了模拟，并采用多元线性拟合和理论分析建立最小防突安全岩层厚度的计算模型。褚汉东基于数值模拟，研究了隔水岩体厚度随不同围岩等级的变化规律，并拟合了隔水岩体厚度的计算公式。
[0043] 总之，上述研究中大都是将隧道围岩参数作为一个定值输入去考虑岩体结构的破坏特征，但是自然界中的岩体具有着典型的非均质性的特点，现有的研究未能充分考虑岩体介质的不连续性和岩体参数的离散型，理论计算结果对实际工程的指导效果一般。
[0044] 本实施例针对隧道突水灾害隔水岩体安全厚度这一工程难题，在考虑岩体参数的离散型和不确定性的基础上提出了考虑岩体参数不确定性的隔水岩体厚度确定方法。首先，总结三种经典的隔水岩体厚度计算模型，引入了岩体均质度的概念，确定了岩体均质度的计算方法，提出了基于岩体均质度的岩体概率参数确定方法，以经典的隔水岩体厚度计算模型为基础建立了防突安全厚度的概率分析方法，最后，通过典型工程案例对建立方法的准确性进行了验证。
[0045] 对本实施例公开的考虑岩体参数不确定性的隔水岩体厚度确定方法进行详细说明。
[0046] 考虑岩体参数不确定性的隔水岩体厚度确定方法，包括：
[0047] S1：获取含水体位置处的岩体完整性系数和多组岩体参数。
[0048] 具体为：
[0049] 通过超前地质预报确定含水体位置。
[0050] 通过工程地质调查及室内试验确定岩体完整性系数及多组岩体参数。
[0051] 每组岩体参数均包括围岩的围岩等级、弹性模量、泊松比、抗拉强度、粘聚力、摩擦角和饱和单轴抗压强度。
[0052] 多组岩体参数为含水体位置处不同位置点的岩体参数，。
[0053] 岩体完整性系数可由现场通过波速确定，鉴于目前涉及岩体均质度的相关研究较少，若实际工程中未涉及到岩体完整性系数这个参数，则按照现场的围岩等级确定岩体完整性系数，岩石完整性系数取分类标准中上下限的平均值确定，表1中展示了工程中常用的依据岩体完整性系数的岩体分级标准。
[0054] 表1工程中常用的依据岩体完整性系数的岩体分级标准
[0055]
[0056] 此外，还需要获取含水体位置处的隧道结构参数和含水结构参数等数据，用于后续隔水岩体厚度计算。
[0057] 隧道结构参数包括隧道的断面宽度、断面高度和隧道埋深。
[0058] 含水结构参数包括含水结构的溶腔水压。
[0059] S2：根据岩体完整性系数，确定岩体均质度。
[0060] 具体为：
[0061] 将均质度的概念引入到岩体中，岩体均质度m可以代表岩体的完整性，即岩体均质度越高，岩体中结构面发育程度越低，且岩体完整性越好；相反的，岩体均质度越低，岩体中的结构面发育程度越高，且岩体的完整性越差。这样，就可以借用岩体完整性的概念来表达岩体均质度。结合工程岩体分级标准，岩体质量在II级及以上，此时岩体完整性Kv＞0.55，如表1所示，这里以II级围岩的分界线为标准，可以定义岩体完整性Kv和岩体均质度m之间的关系为：
[0062]
[0063] 将获取的岩体完整性系数代入公式(1)中，即可以计算获得岩体均质度。
[0064] S3：通过岩体均质度、多组岩体参数和Weibull概率密度分布函数，确定岩体参数的概率分布，以最大概率对应的岩体参数为中心，确定概率和为设定值时的岩体参数区间，从该参数区间中选取岩体参数形成计算参数数据集，其中，将岩体均质度和多组岩体参数输入Weibull概率密度分布函数中，计算获得岩体参数的概率分布，Weibull概率密度分布函数采用三参数weibull分布函数构建获得。
[0065] 具体的：作为天然非均质材料，岩石有其细观结构特征和局部力学特性。宏观上岩体的变形破坏过程实际上是一个从微观损伤逐渐累积的破坏过程。大量的岩石力学试验结果显示，岩石类材料强度的分布有很大的离散性。因此，可以采用概率统计学的方法来研究岩体非均质性。应用于岩石力学领域的经典统计方法有对数正态分布理论和Weibull分布理论，其中，在1939年W.Weibull基于最弱环原理开展了奠基性的研究后，后期学者的研究结果发现该理论能够很好地描述材料的强度特性。目前，Weibull分布理论得到了广泛的应用。假设岩体在结构面的作用下，其单元体岩体参数符合Weibull概率密度分布，则其可以表示为：
[0066]
[0067] 其中，X为岩体基本单元的岩体参数，包括弹性模量、抗压强度、抗拉强度等，X0和m为Weibull分布参数。m为岩体均质度，由S2确定，X0为现场测的实际的岩体参数，为S1中获取的岩体参数。
[0068] 将S1获取的岩体参数、S2获取的岩体均质度代入公式(2)中，计算获得每组岩体参数的概率分布。
[0069] 以最大概率对应的岩体参数为中心，确定概率和为设定值时的岩体参数区间，从该参数区间中选取岩体参数形成计算参数数据集。
[0070] 由于，在岩体物理力学参数的Weibull分布函数中，若在某个上下界内其分布函数的概率之和超过80％，就能够代表自然界中岩体各力学性质的不均质性。故本实施例将设定值设置为80％。
[0071] 求解确定Weibull分布函数在80％内的分布函数的过程为：以公式(2)为基础，提取特定m和X0下岩体参数的最大概率，然后以这个最大概率为基础，以0.001为步长开始循环，向下分别计算出现某一概率对应的下限岩体参数X1和上限岩体参数X2，再对[X1,X2]区间的概率进行定积分，便可以获得[X1,X2]区间对应的总的概率，当总概率大于设定值时，跳出循环，此时的X1、X2，便是对应参数区间的上下边界。
[0072] 对获取的参数区间[X1,X2]进行固定等分，获得多个分区区间，各区间的分界点即为筛选出的岩体参数，形成计算参数数据集。
[0073] S4：通过不同的隔水岩体计算模型对计算参数数据集进行分析，获得每种模型对应的隔水岩体厚度，根据每种模型对应的隔水岩体厚度，确定最终的隔水岩体厚度。
[0074] 自隔水岩体厚度这一概念提出以来，由于其在隧道安全施工中的重要性，受到了广泛的关注。针对掌子面前方存在富水溶腔这种不良地质，对突水过程开展力学分析后，基于强度理论，剪切理论以及突变理论，建立了三种典型的隔水岩体力学模型。
[0075] 本实施例采用的隔水岩体计算模型为基于强度理论的隔水岩体计算模型、基于剪切理论的隔水岩体计算模型和基于突变理论的隔水岩体计算模型。
[0076] 基于强度理论的隔水岩体计算模型为：
[0077]
[0078] 其中：μ为隔水岩体泊松比，p为含水结构的溶腔水压，σt为隔水岩体的拉应力。
[0079] 基于剪切理论的隔水岩体计算模型为：
[0080]
[0081] 其中：D为隧道的端面高度，为围岩的摩擦角。
[0082] 基于突变理论的隔水岩体计算模型为：
[0083]
[0084] 其中，E为隔水岩体弹性模量。
[0085] 将S3选取出的计算参数数据集代入不同的隔水岩体计算模型中，获得每种模型对应的隔水岩体厚度。
[0086] 根据每种模型对应的隔水岩体厚度，确定最终的隔水岩体厚度，具体过程为：
[0087] 确定每种模型对应的隔水岩体厚度的概率分布，并根据该概率分布，确定每种模型确定的隔水岩体厚度；
[0088] 从每种模型确定的隔水岩体厚度中选取最大值为最终的隔水岩体厚度。
[0089] 确定每种模型对应的隔水岩体厚度的概率分布的过程为：
[0090] 确定每种模型对应的隔水岩体厚度的最大值和最小值，以最小值为下限，以最大值为上限确定每种模型对应的隔水岩体厚度区间，将每个隔水岩体厚度区间划分为多个等距的小区间，确定隔水岩体厚度在每个小区间内出现的概率，获得每种模型对应的隔水岩体厚度的概率分布。
[0091] 对于每种模型对应的隔水岩体厚度，从该模型对应的隔水岩体厚度的概率分布中选取累计概率超过一定值对应的隔水岩体厚度为该模型确定的隔水岩体厚度。
[0092] 将本实施例公开的隔水岩体厚度确定方法与实际工程的数据进行对比验证。
[0093] 选用的实际工程为野三关隧道工程，野三关隧道穿越灰岩地层约8.77km，占隧道的63％。隧址区内暗河、溶腔及断裂带发育，其中3号暗河与“+602”溶腔具有良好水力联系，使“+602”溶腔段处隧道存在巨大的突水涌泥风险，如图2所示。当掘进至DK124+602处的溶腔时，掌子面附近发生大规模涌水，并伴有大量泥砂、块石涌出，仅半小时内涌水量即达3 3 3
15.1万m、突泥石量达5.35万m，其后岩溶水量起起伏伏，至次日降至约26万m/d。考虑到“+
602”溶腔规模大、水压高、填充物复杂量大等特征。最终，为充分借助枯水季的便利条件，确定采取泄水洞直接揭示溶洞进行泄水消能。泄水洞隧道相关参数见表2。
[0094] 表2野三关隧道参数统计
[0095]
[0096]
[0097] 计算结果显示，不考虑岩体均质度时，基于强度理论确定的隔水岩体厚度为2.37m，考虑岩体均质度时，基于强度理论确定的隔水岩体厚度的范围为[1.87，4.47]，把上述范围分为10个区间，具体值为(1.87，2.13，2.39，2.65，2.91，3.17，3.43，3.69，3.95，
4.21，4.47)，计算隔水岩体在10个区间出现的概率为(16.3％，28.9％，21.4％，14.6％，
8.4％，4.6％，3.1％，1.5％，0.5％，0.7％)，如图3中(a)所示。
[0098] 不考虑岩体均值度时，基于剪切理论确定的隔水岩体厚度为0.58m，考虑岩体均值度时，基于剪切理论确定的隔水岩体厚度最小范围为[0.37，1.26]，把上述范围分为10个区间，具体值为(0.50，0.53，0.55，0.58，0.60，0.63，0.66，0.68，0.71，0.73，0.76)，计算隔水岩体在10个区间出现的概率为(2.1％，9.1％，17.0％，20.6％，18.7％，14.4％，9.6％，5.4％，2.3％，0.7％)，如图3中(b)所示。
[0099] 不考虑岩体均值度时，基于突变理论确定的隔水岩体厚度为0.87m，考虑岩体均值度时，基于突变理论确定的隔水岩体厚度范围为[0.83，096]，把上述范围分为10个区间，具体值为(0.83，0.84，0.85，0.87，0.88，0.89，0.91，0.92，0.93，0.95，0.96)，计算隔水岩体在10个区间出现的概率为(8.3％，11.2％，13.5％，13.7％，12.7％，11.0％，10.4％，7.6％，
6.4％，5.2％)，如图3中(c)所示。
[0100] 本实施例公开的隔水岩体厚度确定方法能够考虑岩体参数出现的概率，求出各种参数复合条件下的隔水岩体厚度及范围，实际工程中，野山关隧道掌子面附加所采用的隔水岩体厚度为2.4～3.0m。表3显示：基于强度理论计算出的隔水岩体厚度与实际情况更加接近，且有一定的安全系数，工程更加安全，基于突变理论和剪切理论的结果约为预留值得一半，在使用中需要进一步讨论。
[0101] 表3基于概率分析的隔水岩体厚度计算结果
[0102]
[0103] 因此建议在实际的使用过程中，特别是剪切模型和突变模型计算得结构应当以计算值得最大值为依据来设置隔水岩体的厚度。
[0104] 结合本实施例提出的隔水岩体厚度确定方法，当现场遭遇不良地质体时，建议现场实际应用的流程图1所示。首先，结合超前地质预报结果和工程地质勘察结果，确定隧洞与含水体的空间位置关系。结合室内试验和现场试验获取隧道结构参数、岩体参数和含水结构参数。之后继续开展两方面的研究，第一方面：结合上述参数对现场发生突水突泥灾害进行风险评价。第二方面：结合上述参数和本实施例提出的考虑岩体参数不确定性的隔水岩体厚度确定方法，计算隔水岩体厚度作为最小安全厚度来指导施工。
[0105] 本实施例公开的考虑岩体参数不确定性的隔水岩体厚度确定方法，在计算隔水岩体厚度时，考虑了岩体参数的离散型和不确定性，从含水体位置处采集了多组岩体参数，并计算岩体参数的概率分布，根据概率分布从多组岩体参数中选取岩体参数形成计算参数数据集，进而准确计算出了隔水岩体厚度，该隔水岩体厚度更符合实际工程，进而能有效指导现场施工；此外，本发明还考虑了不同隔水岩体计算模型的计算误差，通过不同的隔水岩体计算模型对计算参数数据集进行分析，确定每种模型对应的隔水岩体厚度，进而从不同模型对应的隔水岩体厚度中选取最大值为最终的隔水岩体厚度，有效保证了隔水岩体厚度确定的准确性，与实际工程更适应；且在确定每种模型对应的隔水岩体厚度时，计算了隔水岩体厚度的概率分布，选取累计概率超过一定值时对应的隔水岩体厚度为每种模型对应的隔水岩体厚度，使得获得的每种模型对应的隔水岩体厚度更准确，当通过更准确的每种模型对应的隔水岩体厚度，确定最终的隔水岩体厚度时，进一步提高了隔水岩体厚度确定的准确性。
[0106] 实施例2
[0107] 在该实施例中，公开了提出了考虑岩体参数不确定性的隔水岩施工风险等级确定方法，包括：
[0108] 通过实施例1公开的隔水岩体厚度确定方法确定最终的隔水岩体厚度；
[0109] 其中，以基于强度理论的隔水岩体计算模型计算出的隔水岩体厚度为第一参考值；
[0110] 以基于剪切理论的隔水岩体计算模型和基于突变理论的隔水岩体计算模型计算出的隔水岩体厚度中的最小值为第二参考值；
[0111] 当隧道掌子面与含水溶腔的距离小于第一参考值，大于第二参考值时，确定施工安全风险等级为重大风险级别；
[0112] 当隧道掌子面与含水溶腔的距离小于第二参考值时，确定施工安全风险等级为极大风险级别。
[0113] 具体的，在实际的工程的使用中，在不考虑爆破作用的影响下，可以使用强度理论模型的计算结果作为一个比较安全的值来指导施工，另外，突变理论和剪切理论的计算结果作为实际应用中的一个下限值，当隧道掌子面与含水溶腔的距离小于第一参考值大于第二参考值时，工程现场应将施工安全风险等级提至重大风险级别，当小于第二参考值时，工程现场应将施工安全风险等级提高到极大风险级别，并立即停止施工，撤离人员。
[0114] 实施例3
[0115] 在该实施例中，公开了考虑岩体参数不确定性的隔水岩体厚度确定系统，包括：
[0116] 数据获取模块，用于获取含水体位置处的岩体完整性系数和多组岩体参数；
[0117] 岩体均质度获取模块，用于根据岩体完整性系数，确定岩体均质度；
[0118] 计算参数数据集获取模块，用于通过岩体均质度、多组岩体参数和Weibull概率密度分布函数，确定岩体参数的概率分布，以最大概率对应的岩体参数为中心，确定概率和为设定值时的岩体参数区间，从该参数区间中选取岩体参数形成计算参数数据集；
[0119] 隔水岩体厚度确定模块，用于通过不同的隔水岩体计算模型对计算参数数据集进行分析，获得每种模型对应的隔水岩体厚度，根据每种模型对应的隔水岩体厚度，确定最终的隔水岩体厚度。
[0120] 实施例4
[0121] 在该实施例中，公开了一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1公开的考虑岩体参数不确定性的隔水岩体厚度确定方法所述的步骤。
[0122] 实施例5
[0123] 在该实施例中，公开了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1公开的考虑岩体参数不确定性的隔水岩体厚度确定方法所述的步骤。
[0124] 最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
