TBM穿越上覆溶洞的隔水岩体临界厚度极限分析方法OA

TBM隧道穿越岩溶发育区时,掘进扰动易导致上覆溶洞失稳,引发掌子面突涌水灾害。本研究基于极限分析上限定理,建立了TBM隧道掘进掌子面前上方存在溶洞条件下,隔水岩体发生截顶圆锥-楔形体复合破坏的力学模型。结合虚功原理,提出了溶洞位于隧道前上方时隔水岩体的稳定性分析方法。据此,推导了上覆溶洞隔水岩体临界厚度的解析计算公式,并与数值模拟结果对比验证模型可靠性,在此基础上系统分析了隧道直径、掌子面支护力、岩体力学参数及溶洞几何参数等对临界厚度的影响规律。结果表明:围岩力学参数(内摩擦角φ和黏聚力c,尤其是φ)对隔水岩体临界厚度H_(α)的影响最大,其次为隧道直径D、溶腔压力p_(w)和掌子面支护力p,最小为溶洞直径D_(R);并且,H_(α)与D、D_(R)、p_(w)均呈线性正相关,与p呈线性负相关,而与围岩的φ和c呈负指数关系;另外,当围岩c、φ增大一定程度时(φ>37.5°,c>3 MPa),H_(α)降低程度明显减小,表明通过注浆等手段提高围岩强度对预防隧道岩溶突水仅在一定范围内有效,超出后效果大幅减弱。本研究提出的计算方法可为预测TBM隧道上覆溶洞稳定性及保障岩溶区施工安全提供理论指导与设计依据。