一种基于隧洞围岩纵向变形曲线的初次支护时机计算方法技术

本发明专利技术一种基于隧洞围岩纵向变形曲线的初次支护时机计算方法，包括如下步骤：步骤1，建立隧洞的三维数值模型，按合理开挖进尺逐步开挖，记录随着开挖面推进隧洞围岩监测断面典型位置位移值的变化情况；步骤2，建立三维计算模型中隧洞监测点围岩位移完成率与开挖面推进距离间函数关系；步骤3，采用一次挖除方案模拟隧洞开挖，记录开挖荷载释放过程中围岩监测点位移的变化情况；步骤4，将确定的进行初次支护时的围岩位移完成率回代入步骤二中拟合得到的围岩纵断面变形曲线公式，计算得到初次支护时，支护的施加位置落后或超前于开挖面的距离。本发明专利技术方法，计算结果为支护施加时的位置相对于开挖掌子面的距离，可以直接为工程施工现场使用。

A calculation method of initial support time based on vertical deformation curve of tunnel surrounding rock

The invention relates to a method to calculate the curve of longitudinal deformation of tunnel surrounding rock primary support based on time, comprising the following steps: 1, to establish a three-dimensional numerical model of tunnel excavation footage, according to a reasonable step by step excavation, excavation records with the changes of tunnel surrounding rock monitoring section typical position displacement values; step 2, to establish a three-dimensional model the tunnel surrounding rock displacement monitoring points and the completion rate of excavation distance function; step 3, the first Excavation Scheme Simulation of tunnel excavation, rock records changes monitoring process of excavation load displacement release; step 4, will determine the initial displacement of surrounding rock supporting complete rock profile rate back to get into the second step fitting deformation curve formula, calculate the initial support, support position support behind or ahead of the excavation face distance . The method of the invention, the calculation results for the supporting applied position relative to the excavation working face of the distance, can be directly used in the construction site for the project.

【技术实现步骤摘要】
一种基于隧洞围岩纵向变形曲线的初次支护时机计算方法
本专利技术涉及隧洞数值模拟分析领域，具体地说是一种依据围岩纵向变形曲线的初次支护时机计算方法。
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。以充分发挥围岩的自承载力为基础的收敛-约束法，强调了围岩与支护共同承担开挖荷载，成为隧洞稳定性分析和支护设计的主流，随着现场监控测量技术和数值计算软件的应用推广，收敛-约束法得到进一步完善。围岩纵向变形曲线是收敛-约束法的重要部分，能直观反映隧洞开挖推荐过程中围岩变形的空间效应，对围岩变形进行监控，建立围岩位移完成率与开挖面推进距离之间的关系，可以为确定初次支护施加相对于开挖面的位置提供直观的数值依据，因此围岩纵向变形曲线的确定对隧洞支护设计有重要意义。围岩纵向变形曲线可以通过对隧洞三维计算模型进行分步开挖模拟，记录监测点位移随开挖面推进的变化得到，然而三维模型的计算量通常较大，在工程中运用势必将增加人力成本和计算时间。如果具有普适性的围岩纵向变形曲线公式，在实际工程中可利用现场监测围岩位移数据进行纵向变形曲线的拟合。现有的初次支护计算方法存在以下问题：(1)三维数值模拟中初次支护多依据经验选择，没有明确的判断原则；(2)可运用在实际工程中的具有普适性的围岩纵向变形曲线公式；(3)三维模拟计算时间长，增加工作量。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术提供了一种基于围岩纵向变形曲线拟合公式确定最佳的施加初次支护相对于开挖面位置的计算方法。本专利技术为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：一种基于隧洞围岩纵向变形曲线的初次支护时机计算方法，包括如下步骤：步骤1，建立隧洞的三维数值模型，按合理开挖进尺逐步开挖，记录随着开挖面推进隧洞围岩监测断面典型位置位移值的变化情况；步骤2，基于位移完成率的概念，对围岩纵断面变形曲线公式进行拟合，建立三维计算模型中隧洞监测点围岩位移完成率λ与开挖面推进距离x间的函数关系；步骤3，依据建立的隧洞三维计算模型，采用基于广义虚拟支撑力法的一次挖除方案模拟隧洞开挖，开挖荷载逐步释放，记录开挖荷载释放过程中围岩监测点位移的变化情况，以位移增量突变处作为初次支护时机的判断依据，确定此时开挖荷载释放率所对应的围岩位移完成率λs；步骤4，将通过步骤3确定的进行初次支护时的围岩位移完成率λs回代入步骤二中拟合得到的围岩纵断面变形曲线公式，计算得到初次支护时，支护的施加位置落后或超前开挖面的距离x。所述的步骤2具体包括以下子步骤：步骤2.1，三维数值模型的围岩位移完成率λ采用公式(1)λ(z,p)＝u(z,p)/u(∞,p)(1)式中，z是开挖面与监测断面的距离，监测断面前后取7倍以上洞径即可满足要求；u(z,p)是监测点p在开挖面距离监测断面为z时的位移值；u(∞,p)是监测点p在开挖面距离监测断面无穷远时的位移值；步骤2.2，建立围岩位移完成率λ与开挖面到监测断面的距离之间的关系，依据公式(2)进行围岩纵断面变形曲线的拟合，确定参数λ0和X；式中，λ为围岩位移完成率；x是开挖面与监测断面的距离；λ0是开挖面到达监测断面时围岩位移完成率；X为常数，所述的步骤3依据建立的隧洞三维计算模型，采用基于广义虚拟支撑力法的一次挖除方案模拟隧洞开挖，将围岩开挖荷载等分，例如分成10份，每份10％逐步施加在开挖边界上，记录开挖荷载释放过程中围岩监测点位移的变化情况，计算监测点的位移增量，围岩位移增量采用公式(3)表示：Δu(r)＝u(r)-u(r-10％)(3)式中，u(r)是监测点在开挖荷载释放率为r时的位移；Δu(r)是监测点位移增量；以位移增量突变处的开挖荷载释放率r0作为施加初次支护的时机，确定此时开挖荷载释放率r0所对应的围岩位移完成率λs。所述的步骤4具体为将步骤3中确定进行初次支护时的围岩位移完成率λs代入步骤2中拟合得到的围岩纵断面变形曲线变形公式，即公式(3)：计算得到初次支护时，支护的施加位置落后或超前开挖面的距离x。本专利技术具有如下优点：1、建立了基于位移完成率和掌子面推进距离的岩体纵向变形的函数表达式；2、通过数值计算结果拟合确定了纵向变形函数表达式的具体参数；3、通过建议的位移完成率直接代入确定的函数表达式中，可以便捷的计算掌子面推进距离(初期支护距离)；4、采用具有普适性的数学计算方法(函数表达式)替代了相关专利中的图表法，提高了计算精度；5、将基于虚拟支撑力法的一次挖穿方案和基于收敛约束法的分步开挖方案结合在一起，以给出开挖初次支护时机的选择，具有严密的逻辑性；6、围岩纵向变形曲线不但可以通过拟逐步推进方案的三维数值模型计算结果数据得到，而且可以通过现场监测点位移值的监测数据依据公式拟合得到，具有广泛的适用性；7、采用本专利技术方法，计算结果为支护施加时的位置相对于开挖掌子面的距离，简洁明了，可以直接为工程施工现场使用。附图说明图1为本专利技术方法流程图；图2为计算模型与监测断面示意图；图3为Ⅲ类围岩监测点位移演化规律；图4为监测点P1对应式(6)拟合结果与监测结果对比；图5为监测点P1对应式(6)拟合结果与监测结果中[-20,0]处局部放大图；图6为围岩位移完成率与开挖面推进的关系；图7为监测点P1式(9)拟合结果与监测值对比；图8为Ⅱ类围岩监测点位移演化规律；图9为Ⅱ类围岩时基于式(5)、式(8)的拟合结果与监测值对比；图10为Ⅳ类围岩监测点位移演化规律；图11为Ⅳ类围岩在式(5)、式(8)拟合结果与监测值对比；图12为Ⅱ类围岩条件下合位移增量随开挖荷载释放率变化关系图；图13为Ⅱ类围岩条件下位移完成率随开挖荷载释放率变化关系图；图14为Ⅲ类围岩条件下合位移增量随开挖荷载释放率变化关系图；图15为Ⅲ类围岩条件下位移完成率随开挖荷载释放率变化关系图；图16为Ⅳ类围岩条件下合位移增量随开挖荷载释放率变化关系图；图17为Ⅳ类围岩条件下位移完成率随开挖荷载释放率变化关系图。具体实施方式下面通过实施例，并结合附图，对本专利技术的技术方案作进一步具体的说明，如图1所示，一种基于隧洞围岩纵向变形曲线的初次支护时机计算方法，具体步骤如下：步骤1，建立隧洞的三维计算模型，按某一合理开挖进尺逐步开挖，记录随着开挖面推进隧洞围岩监测点的位移值的变化情况。步骤2，基于位移完成率的概念，基于提出的围岩纵断面变形曲线公式进行拟合，建立三维计算模型中隧洞监测点围岩位移完成率与开挖面推进距离间的函数关系，具体包括以下子步骤：步骤2.1，在隧洞开挖后，前期影响隧洞围岩的变形主要体现为开挖面的空间效应，隧洞开挖面前未开挖的岩体对已开挖的岩体的约束作用即为空间效应，围岩纵向变形曲线直观体现开挖推进过程中的空间效应。可以定义位移完成率λ来衡量开挖面的空间效应，即在距开挖面一定距离z处某点p洞壁围岩变形值，与开挖面距离足够远本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于隧洞围岩纵向变形曲线的初次支护时机计算方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1，建立隧洞的三维数值模型，按合理开挖进尺逐步开挖，记录随着开挖面推进隧洞围岩监测断面典型位置位移值的变化情况；步骤2，基于位移完成率的概念，对围岩纵断面变形曲线公式进行拟合，建立三维计算模型中隧洞监测点围岩位移完成率λ与开挖面推进距离x间的函数关系；步骤3，依据建立的隧洞三维计算模型，采用基于广义虚拟支撑力法的一次挖除方案模拟隧洞开挖，开挖荷载逐步释放，记录开挖荷载释放过程中围岩监测点位移的变化情况，以位移增量突变处作为初次支护时机的判断依据，确定此时开挖荷载释放率所对应的围岩位移完成率λ

【技术特征摘要】
1.一种基于隧洞围岩纵向变形曲线的初次支护时机计算方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1，建立隧洞的三维数值模型，按合理开挖进尺逐步开挖，记录随着开挖面推进隧洞围岩监测断面典型位置位移值的变化情况；步骤2，基于位移完成率的概念，对围岩纵断面变形曲线公式进行拟合，建立三维计算模型中隧洞监测点围岩位移完成率λ与开挖面推进距离x间的函数关系；步骤3，依据建立的隧洞三维计算模型，采用基于广义虚拟支撑力法的一次挖除方案模拟隧洞开挖，开挖荷载逐步释放，记录开挖荷载释放过程中围岩监测点位移的变化情况，以位移增量突变处作为初次支护时机的判断依据，确定此时开挖荷载释放率所对应的围岩位移完成率λs；步骤4，将通过步骤3确定的进行初次支护时的围岩位移完成率λs回代入步骤二中拟合得到的围岩纵断面变形曲线公式，计算得到初次支护时，支护的施加位置落后或超前于开挖面的距离x。2.如权利要求1所述的一种基于隧洞围岩纵向变形曲线的初次支护时机计算方法，其特征在于：所述的步骤2具体包括以下子步骤：步骤2.1，三维数值模型的围岩位移完成率λ采用公式(1)λ(z,p)＝u(z,p)/u(∞,p)(1)式中，z是开挖面与监测断面的距离，监测断面前后取7倍以上洞径即可满足要求；u(z,p)是监测点p在开挖面距离监测断面为z时的位移值；u(∞,p)是监测点p在开挖面距离监测断面无穷远时的位移值；步骤2.2，建立围岩位移完成率λ与开挖面到监测断面的距离之间的关系，依据公式(2)进行围岩纵断面变形曲线的拟合，确定参数λ0和X；

【专利技术属性】
技术研发人员：苏凯，张妍珺，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