1.一种岩溶隧道突水预警系统,其特征在于:包括岩溶水压强采集装置、数据分析主机以及报警装置;所述岩溶水压强采集装置包括至少三个贯穿岩溶体并伸入岩溶水中的应力计,并且应力计位于同一直线上;所述数据分析主机包括控制器,控制器的信号输入端分别与岩溶水压强采集装置、岩性参数输入模块的信号输出端连接,控制器的信号输出端与报警装置连接;所述控制器内配置有突水预警分析程序,用于根据输入的至少包括岩溶体极限应力σu在内的岩性参数与实时输入的岩溶水压强来实时分析判断在当前水压下岩溶体是否处于安全状态,若岩溶体处于不安全状态,则向报警装置发送告警命令;报警装置能够在接收告警命令后发出告警信号。
2.根据权利要求1所述的岩溶隧道突水预警系统,其特征在于:所述岩性参数输入模块为机械式按键面板或触摸屏,并包括数字输入键;通过数字输入键能够直接输入岩溶体极限应力σu。
3.根据权利要求1所述的岩溶隧道突水预警系统,其特征在于:所述岩性参数输入模块为机械式按键面板或触摸屏,并包括岩性模式选择按键;岩性模式包括纯石灰岩、白云质石灰岩、灰质石灰岩以及白云岩,各种所述岩性模式所对应的岩溶体极限应力σu预存在控制器内;通过岩性模式选择按键能够通过选择岩性模式来间接输入岩溶体极限应力σu。
4.根据权利要求1所述的岩溶隧道突水预警系统,其特征在于:还包括用于现场检测岩体样本的单轴抗压强度的单轴抗压强度测试仪。
5.根据权利要求1所述的岩溶隧道突水预警系统,其特征在于:所述控制器的信号输出端还连接有显示屏。
6.根据权利要求1所述的岩溶隧道突水预警系统,其特征在于:所述突水预警分析程序按如下步骤执行:
步骤1:根据输入的岩溶体极限应力σu计算岩溶体的许用应力[σ],按如下公式:
n为安全系数;
步骤2:根据岩溶水压强采集装置采集到的压强值计算岩溶水作用到岩溶体上的均布荷载q,按如下公式:
其中,qi表示第k个应力传感器,n表示应力传感器的总数量,i∈{1,2,......n};
步骤3:将岩溶体简化为简支梁,并将应力计简化为固定支点,然后通过结构力学以及均布荷载来计算岩溶体受岩溶水作用而产生的拉应力σt;
步骤4:比较拉应力σt与许用应力[σ];若σt≤[σ],则表明中间岩层处于安全状态;若σt>[σ],则表明中间岩层处于不安全状态,并生成告警命令。
7.根据权利要求6所述的岩溶隧道突水预警系统,其特征在于:采用三个应力计作为压强采集装置,并将三个应力计简化为三个固定支点A、B、C,两端的应力计分别对应A点与C点,B点位于AC连线的中点;拉应力σt按如下公式计算: 其中,q为岩溶水作用到中间岩层上的均布荷载,l为中间岩层简化为简支梁的长度,即同一直线上两端的两应力传感器的距离。
8.根据权利要求6所述的岩溶隧道突水预警系统,其特征在于:在步骤3中计算拉应力的同时,一并计算岩溶体受应力计作用而产生的剪应力τ;在步骤4中比较拉应力σt与许用应力[σ]时,还一并验证剪应力τ是否为零:若为零,则表明应力计贯通岩溶体后未对岩体整体性造成影响,即应力计不会将岩体切割下来;若不为零,则表明应力计会影响岩体整体性,存在切割岩体的风险。
9.一种岩溶隧道突水预警方法,其特征在于:采用权利要求1至8中任一所述的岩溶隧道突水预警系统;包括以下步骤:首先,通过岩性参数输入模块输入岩溶体极限应力σu给控制器;然后,将至少三个应力计贯穿岩溶体并伸入岩溶水中,将应力计与数据分析主机的信号输入端连接,从而完成岩溶水压强采集装置的安装;最后,启动岩溶水压强采集装置、数据分析主机以及报警装置,使得数据分析主机根据岩溶水压强采集装置的实时监测数据执行突水预警分析程序。
10.根据权利要求9所述的岩溶隧道突水预警方法,其特征在于:采用如下方式获取岩溶体极限应力σu:从岩溶体区域现场取样,然后测试岩溶体样本的单轴抗压强度,将单轴抗压强度作为岩溶体极限应力σu。