本发明专利技术公开了一种基于隧洞开挖数值模拟分析的初次支护时机选择方法，包括：步骤1，建立隧洞的二维数值模型，采用广义虚拟力支撑法确定以开挖荷载释放率为参数的二维数值模型初次支护时机r0。步骤2，建立隧洞的三维数值模型，按某一合理开挖进尺逐步开挖，统计掌子面的推进过程中围岩典型位置的位移值。步骤3，基于位移完成率的概念建立二维数值模型和三维数值模型之间的函数关系，提出了以掌子面与监测断面间距离为参数的三维数值模型最佳初次支护时机选择方法。本发明专利技术可以定量地计算初次支护时机，解决了现阶段依靠经验进行确定的问题，且计算结果以距掌子面的距离为参数，该参数可以在实际工程中应用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及隧洞数值模拟分析
，具体地说是一种基于隧洞开挖数值模拟分析的初次支护时机选择方法。
技术介绍
随着岩石理论和数值模拟方法的发展，隧洞开挖正越来越多地运用数值模拟进行研究分析。通常情况下，岩体受各种自然应力作用及施工方式与技术等因素的影响，隧洞开挖时围岩易受到破坏。据文献可知，大部分隧洞事故发生于开挖后较短一段时间内，此时围岩主要靠自承能力和初次支护保证其稳定性，因此初次支护十分重要。但根据新奥法理论，若支护过早，围岩的自身承载能力未能完全发挥，容易造成支护因围岩变形的挤压而造成损坏，因此初次支护时机是隧洞设计时的一个重要参数。隧洞开挖数值模拟分为二维和三维两种方法。目前二维数值模拟中初次支护时机确定方法一般采用广义虚拟力支撑法，但是二维数值模拟是三维问题的理想假定，已不能满足工程和学术研究的需求；而三维数值模拟中初次支护时机尚缺乏研究，一般以工程经验或工程类比的方式进行操作，未能提出有效可行的控制条件或计算方法。因此，现有的初次支护时机计算方法存在问题：(1)二维数值模拟中计算得到的初次支护时机以开挖荷载释放率为参数，该参数无法在实际工程中应用；(2)三维数值模拟中初次支护时机大多根据经验选择，选择方法没有共性，取值原则不明确；(3)未能提出有效可行的选择方法和理论公式。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种以距掌子面距离为参数的基
于隧洞开挖数值模拟分析的初次支护时机选择方法。本专利技术一种基于隧洞开挖数值模拟分析的初次支护时机选择方法，包括如下步骤：步骤1，建立隧洞的二维数值模型，根据二维数值模型一次完全开挖后进行一步运算得到隧洞开挖后围岩瞬时的开挖荷载等效节点力，然后根据荷载系数将得到的开挖荷载等效节点力按比例分配依次施加在开挖边界上，统计各开挖荷载释放过程中围岩典型位置的位移值和塑性区范围，采用广义虚拟力支撑法确定以开挖荷载释放率为参数的二维模型初次支护时机r0；步骤2，建立隧洞的三维数值模型，按合理开挖进尺逐步开挖，统计掌子面的推进过程中围岩典型位置的位移值；步骤3，基于位移完成率的概念，建立二维数值模型和三维数值模型的联系，提出以掌子面与监测断面间距离为参数的三维模型最佳初次支护时机选择方法，具体包括以下子步骤：步骤3.1，二维数值模型的位移完成率λ2D采用公式(1)λ2D(r,n)＝du(r,n)/du(100％,n)×100％ (1)式中：r是开挖荷载释放率，取值区间为[0，100％]；du(r，n)是监测点n在开挖荷载释放率为r时的位移值；步骤3.2，三维数值模型的位移完成率λ3D采用公式(2)λ3D(l,m)＝du(l,m)/du(∞,m)×100％ (2)式中：l是掌子面与监测断面的距离，取值区间为[-∞，∞]，监测断面前后取7倍以上洞径即可满足要求；du(l，m)是监测点m在掌子面与监测断面的距离为l时的位移值，其中m点n点位置相同；步骤3.3，二维数值模型和三维数值模型位移完成率的函数关系采用公式(3)λ3D(l,m)＝λ2D(r,n) (3)式中：若r＝r0，则l即为三维计算模型最佳初次支护时机。所述二维模型初次支护时机为隧洞围岩位移增量和塑性区体积开始突增时的开挖
荷载释放率。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：1、采用本专利技术方法，计算结果以距掌子面的距离为参数，该参数可以在实际工程中应用。2、引入理论公式，可以定量地计算初次支护时机，解决了现阶段依靠经验进行确定的问题，避免了人为选取的主观性。3、本专利技术将二维模型与三维模型相关联，可以根据广泛被接受的二维模型初次支护时机来计算三维模型初次支护时机，计算方法简便且易被接受。附图说明图1为本专利技术方法流程图。具体实施方式下面结合附图，对专利技术的技术方案做进一步具体说明。本专利技术一种基于隧洞开挖数值模拟分析的初次支护时机选择方法，见图1，具体步骤如下：步骤1，建立隧洞的二维数值模型，根据二维数值模型一次完全开挖后进行一步运算得到隧洞开挖后围岩瞬时的开挖荷载等效节点力，然后根据荷载系数将得到的开挖荷载等效节点力按一定比例分配，如等分为10份，每份10％，依次施加在开挖边界上，统计各开挖荷载释放过程中围岩监测点的位移值和塑性区范围，并计算其位移增量和塑性区体积率，采用广义虚拟力支撑法确定以开挖荷载释放率为参数的二维模型初次支护时机r0，包括：(1)围岩位移增量di(r)采用公式(1)di(r)＝du(r)-du(r-10％) (1)式(1)中：du(r)是某一监测点在开挖荷载释放率为r时的位移。(2)塑性区体积率p(r)采用公式(2)p(r)＝v(r)/ve×100％ (2)式(2)中：v(r)是在开挖荷载释放率为r时的塑性区体积；ve代表开挖掉的山体总体积。(3)广义虚拟力支撑法：随着开挖荷载释放率r的增大，围岩的位移以及塑性区体积率也都在不断增加；当开挖荷载释放率小于r0时，围岩的位移和塑性区体积率呈线性增加，而当开挖荷载释放率达到r0之后迅速上升，那么初次支护应该在开挖荷载释放率为r0时进行施加，即开挖荷载释放率r0为二维模型初次支护时机。步骤2，建立隧洞的三维数值模型，按某一合理开挖进尺逐步开挖，统计掌子面的推进过程中围岩监测点的位移值。步骤3，分别计算二维和三维模型中监测点的位移完成率，并建立二维数值模型和三维数值模型位移完成率的函数关系，最终提出了以掌子面与监测断面间距离为参数的三维计算模型最佳初次支护时机选择方法，包括：步骤3.1，二维计算模型的位移完成率λ2D采用公式(3)λ2D(r,n)＝du(r,n)/du(100％,n)×100％ (3)式(3)中：r是开挖荷载释放率，取值区间为[0，100％]；du(r，n)是监测点n在开挖荷载释放率为r时的位移值；步骤3.2，三维计算模型的位移完成率λ3D采用公式(4)λ3D(l,m)＝du(l,m)/du(∞,m)×100％ (4)式(4)中：l是掌子面与监测断面的距离，取值区间为[-∞，∞]，一般认为监测断面前后取7倍以上洞径即可满足要求；du(l，m)是监测点m在掌子面与监测断面的距离为l时的位移值，其中m点与该点处隧洞断面的位置关系与n点相同。步骤3.3，二维和三维数值模型位移完成率的函数关系采用公式(5)λ3D(l,m)＝λ2D(r,n) (5)式(5)中：若r＝r0，则l即为三维数值模型最佳初次支护时机。本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于隧洞开挖数值模拟分析的初次支护时机选择方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1，建立隧洞的二维数值模型，根据二维数值模型一次完全开挖后进行一步运算得到隧洞开挖后围岩瞬时的开挖荷载等效节点力，然后根据荷载系数将得到的开挖荷载等效节点力按一定比例分配依次施加在开挖边界上，统计各开挖荷载释放过程中围岩典型位置的位移值和塑性区范围，采用广义虚拟力支撑法确定以开挖荷载释放率为参数的二维模型初次支护时机r0；步骤2，建立隧洞的三维数值模型，按合理开挖进尺逐步开挖，统计掌子面的推进过程中围岩典型位置的位移值；步骤3，基于位移完成率的概念，建立二维数值模型和三维数值模型的联系，提出以掌子面与监测断面间距离为参数的三维模型最佳初次支护时机选择方法，具体包括以下子步骤：步骤3.1，二维数值模型的位移完成率λ2D采用公式(1)λ2D(r,n)＝du(r,n)/du(100％,n)×100％ (1)式中：r是开挖荷载释放率，取值区间为[0，100％]；du(r，n)是监测点n在开挖荷载释放率为r时的位移值；步骤3.2，三维数值模型的位移完成率λ3D采用公式(2)λ3D(l,m)＝du(l,m)/du(∞,m)×100％ (2)式中：l是掌子面与监测断面的距离，取值区间为[‑∞，∞]，监测断面前后取7倍以上洞径可满足要求；du(l，m)是监测点m在掌子面与监测断面的距离为l时的位移值，其中m点与该点处隧洞断面的位置关系与n点相同；步骤3.3，二维数值模型和三维数值模型位移完成率的函数关系采用公式(3)λ3D(l,m)＝λ2D(r,n) (3)式中：若r＝r0，则l即为三维计算模型最佳初次支护时机。...
【技术特征摘要】
1.一种基于隧洞开挖数值模拟分析的初次支护时机选择方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1，建立隧洞的二维数值模型，根据二维数值模型一次完全开挖后进行一步运算得到隧洞开挖后围岩瞬时的开挖荷载等效节点力，然后根据荷载系数将得到的开挖荷载等效节点力按一定比例分配依次施加在开挖边界上，统计各开挖荷载释放过程中围岩典型位置的位移值和塑性区范围，采用广义虚拟力支撑法确定以开挖荷载释放率为参数的二维模型初次支护时机r0；步骤2，建立隧洞的三维数值模型，按合理开挖进尺逐步开挖，统计掌子面的推进过程中围岩典型位置的位移值；步骤3，基于位移完成率的概念，建立二维数值模型和三维数值模型的联系，提出以掌子面与监测断面间距离为参数的三维模型最佳初次支护时机选择方法，具体包括以下子步骤：步骤3.1，二维数值模型的位移完成率λ2D采用公式(1)λ2D(r,n)＝du(r,n)/du(100％,n)×100％ ...
【专利技术属性】
技术研发人员：苏凯，崔金鹏，伍鹤皋，石长征，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42
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