一种深埋隧洞施工开挖数值模拟分析的模型范围取值方法技术

本发明专利技术提供了一种深埋隧洞施工开挖数值模拟分析的模型范围取值方法,包括步骤：建立不同模型范围下的数值计算模型，并进行隧洞开挖数值模拟；计算位移误差并提取整体位移误差，采用最小二乘法分析不同方向的模型范围对整体位移误差的影响，探讨整体位移误差与模型范围的函数关系；基于整体位移误差和模型范围函数关系，限定某一整体位移误差允许值并以模型范围最小为目标确定模型范围最优值。本发明专利技术能同时考虑不同方向的模型尺寸影响，从而确定最优的模型范围，可广泛应用于深埋隧洞施工开挖数值模拟中，为深埋隧洞数值模型的建立提供指导。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及深埋隧洞数值模拟分析领域，具体地说是一种深埋隧洞施工开挖数值模拟分析的模型范围取值方法。
技术介绍
数值模拟是指依靠计算机，通过数值计算方法，对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题进行研究。在深埋隧洞数值模拟分析中，由于左右和下部范围是无限的，其范围取值已是数值模拟计算中不可回避的问题。过大的模型范围将导致庞大的计算量，影响计算效率，而过小的模型范围又将产生较大的边界效应，影响数值模拟的精度，因此截取合适范围的岩体为研究对象，建立数值计算模型具有重要的指导意义和实践价值。深埋隧洞模型范围的选取分为纵向和横向两个部分。目前纵向模型范围的取值尚缺乏研究，人们一般根据经验取5～20倍洞径；而对于横向模型范围的选取，人们通常将模型横截面内的上部、下部和左右模型尺寸等同起来，不加以区别，然后根据经验取3～10倍的洞径。因此现有的数值模型范围选取存在问题：(1)模型范围的选取大多根据经验，取值不统一，取值原则不明确；(2)模型范围选定以后，无法确定选定的模型范围对计算结果的影响程度；(3)横向模型范围选取中，未对各个方向的模型尺寸加以区分。
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，提供一种深埋隧洞施工开挖数值模拟分析的模型范围取值方法，该方法可评价数值模型的计算精度，同时可以考虑模型各个方向尺寸影响。本专利技术一种深埋隧洞施工开挖数值模拟分析的模型范围取值方法，包括如下步骤：步骤1，建立数值计算模型，在不同的工况下进行隧洞开挖数值模拟，所述工况包括不同的岩性和不同的地应力；对于纵向模型范围的选取，建立横向模型范围为定值、纵向模型范围足够大的模型，纵向模型范围分为初始开挖面到监测断面的距离H0和远端边界到监测断面的距离H4；对于横向模型范围的选取，建立纵向模型范围为定值、横向模型范围不同的模型，横向模型范围包括上部范围H1、下部范围H2和左右范围H3；步骤2，基于步骤1中的数值模拟结果，计算位移误差并提取整体位移误差，采用最小二乘法分析不同方向的模型范围对整体位移误差的影响，计算整体位移误差与模型范围的函数关系；位移数据包括隧洞顶部、隧洞腰部和隧洞底部三个部位的径向位移；对于纵向模型范围的确定，整体位移误差指监测断面上的最大位移误差；对于横向模型范围的确定，整体位移误差指监测断面上的平均位移误差；步骤3，基于步骤2计算出的整体位移误差和模型范围的函数关系，限定某一整体位移误差允许值并以模型范围最小为目标确定模型范围最优值，对于纵向模型范围的确定，模型范围最小指纵向模型尺寸最小；对于横向模型范围的确定，模型范围最小指横截面面积最小。1、纵向模型范围的确定：监测断面上各监测点的位移误差wi采用公式(1) w i = | s i - s a | s a × 100 % - - - ( 1 ) ]]>式中，si为监测断面上某监测点的位移，包括顶部、腰部和底部三个部位；sa为模型取足够大时，中部范围内监测点位移平均值，即没有边界效应影响的稳定值，同样包括顶部、腰部和底部三个部位；纵向模型范围选取时，整体位移误差取监测断面的最大位移误差wm采用公式(2)wm＝max(wA,wB,wC) (2)式中，wm为整体位移误差，作为拟合分析的基础数据；wA、wB和wC分别为隧洞顶部、腰部和底部监测点的位移误差；纵向模型范围与监测断面的整体位移误差的函数关系采用公式(3)wm＝a(H0/D)b+c(H4/D)d+e (3)式中，H0、H4分别为近端边界与监测断面的距离以及远端边界与监测断面的距离；D为隧洞的开挖洞径；a、b、c、d、e为用最小二乘法拟合的常数。最优纵向模型范围的选取： H o p = M i n ( H 0 + H 4 ) w m = a ( H 0 / D ) b + c ( H 4 / D ) d + e ≤ [ w ] - - - ( 4 ) ]]>式中,Hop为最优纵向模本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种深埋隧洞施工开挖数值模拟分析的模型范围取值方法，其特征在于包括如下步骤：步骤(1)，建立数值计算模型，在不同的工况下进行隧洞开挖数值模拟，所述工况包括不同的岩性和不同的地应力；对于纵向模型范围的选取，建立横向模型范围为定值、纵向模型范围足够大的模型，纵向模型范围分为初始开挖面到监测断面的距离H0和远端边界到监测断面的距离H4；对于横向模型范围的选取，建立纵向模型范围为定值、横向模型范围不同的模型，横向模型范围包括上部范围H1、下部范围H2和左右范围H3；步骤(2)，基于步骤(1)中的数值模拟结果，计算位移误差并提取整体位移误差，采用最小二乘法分析不同方向的模型范围对整体位移误差的影响，计算整体位移误差与模型范围的函数关系；位移数据包括隧洞顶部、隧洞腰部和隧洞底部三个部位的径向位移；对于纵向模型范围的确定，整体位移误差指监测断面上的最大位移误差；对于横向模型范围的确定，整体位移误差指监测断面上的平均位移误差；步骤(3)，基于步骤(2)计算出的整体位移误差和模型范围的函数关系，限定某一整体位移误差允许值并以模型范围最小为目标确定模型范围最优值，对于纵向模型范围的确定，模型范围最小指纵向模型尺寸最小；对于横向模型范围的确定，模型范围最小指横截面面积最小。...

【技术特征摘要】
1.一种深埋隧洞施工开挖数值模拟分析的模型范围取值方法，其特征在于包括如下步骤：步骤(1)，建立数值计算模型，在不同的工况下进行隧洞开挖数值模拟，所述工况包括不同的岩性和不同的地应力；对于纵向模型范围的选取，建立横向模型范围为定值、纵向模型范围足够大的模型，纵向模型范围分为初始开挖面到监测断面的距离H0和远端边界到监测断面的距离H4；对于横向模型范围的选取，建立纵向模型范围为定值、横向模型范围不同的模型，横向模型范围包括上部范围H1、下部范围H2和左右范围H3；步骤(2)，基于步骤(1)中的数值模拟结果，计算位移误差并提取整体位移误差，采用最小二乘法分析不同方向的模型范围对整体位移误差的影响，计算整体位移误差与模型范围的函数关系；位移数据包括隧洞顶部、隧洞腰部和隧洞底部三个部位的径向位移；对于纵向模型范围的确定，整体位移误差指监测断面上的最大位移误差；对于横向模型范围的确定，整体位移误差指监测断面上的平均位移误差；步骤(3)，基于步骤(2)计算出的整体位移误差和模型范围的函数关系，限定某一整体位移误差允许值并以模型范围最小为目标确定模型范围最优值，对于纵向模型范围的确定，模型范围最小指纵向模型尺寸最小；对于横向模型范围的确定，模型范围最小指横截面面积最小。2.如权利要求1所述的模型范围取值方法，其特征在于所述纵向模型范围的确定方法如下：监测断面上各监测点的位移误差wi采用公式(1) w i = | s i - s a | s a × 100 % - - - ( 1 ) ]]>式中，si为监测断面上某监测点的位移，包括顶部、腰部和底部三个部位；sa为模型取足够大时，中部范围内监测点位移平均值，即没有边界效应影响的稳定值，同样包括顶部、腰部和底部三个部位；纵向模型范围选取时，整体位移误差取监测断面的最大位移误差wm采用公式(2)wm＝max(wA,wB,wC) (2)式中，wm为整体位移误差，作为拟合分析的基础数据；wA、wB和wC分别为隧洞顶部、腰部和底部监测点的位移误差；纵向模型范围与监测断面的整体位移误差的函数关系采用公式(3)wm＝a(H0/D)b+c(H4/D)d+e (3)式中，H0、H4分别为近端边界与监测断面的距离以及远端边界与监测断面的距离；D为隧洞的开挖洞径；a、b、c、d、e为用最小二乘法拟合的常数；最优纵向模型范围的选取： H o p = M i n ( H 0 + H 4 ) w m = a ( H 0 / D ) b + c ( H 4 / D ) d + e ≤ [ w ] - - - ( 4 ) ]]>式中,Hop为最优纵向模型范围，相当于纵向模型尺寸最小；[w]为某一既定整体位移误差允许值。3.如权利要求1所述的模型范围取值方法，其特征在于所述横向模型范围的确定方法如下：横向模型范围选取时，整体位移误差取平均位移误差采用公式(5) w ‾ = ( w A + w B + w C ) / 3 - - - ( 5 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏凯，常智慧，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