一种台阶法开挖隧道支护结构变形预测方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种台阶法开挖隧道支护结构变形预测方法及装置，应用于隧道开挖变形预测技术领域，方法包括：确定基本参数；确定隧道开挖所需要的作业工序以及每一作业工序对应的时间；确定竖向围岩压力与时间的第一对应关系、水平围岩压力与时间的第二对应关系；计算每一施工循环时间内喷层结构的水平变形量和竖向变形量，累计后总变形即为结构的允许变形值，并绘制隧道变形计算值与时间的曲线；获取隧道施工现场实测位移值，绘制隧道变形实测值与时间的曲线；基于允许变形值、隧道变形计算值与时间的曲线和实测结果的对比，确定施工调整措施。应用本发明专利技术实施例，可以实现台阶法开挖隧道过程中变形量预测，并有效提高监控量测对施工的指导作用。

A method and device for predicting the deformation of support structure in tunnel excavation by bench method

【技术实现步骤摘要】
一种台阶法开挖隧道支护结构变形预测方法及装置
本专利技术涉及开挖隧道支护结构变形处理
，尤其涉及一种台阶法开挖隧道支护结构变形预测方法及装置。
技术介绍
隧道是修建在地下或水下或者在山体中，铺设铁路或修筑公路供机动车辆通行的建筑物。隧道变形监控量测是判断施工和支护安全性的重要手段，因而允许变形值的取值是隧道设计和施工中的一个关键技术参数。现有技术中，铁路隧道设计规范对预留变形量的要求是：复合式衬砌各级围岩隧道预留变形量值可根据围岩级别、开挖跨度、埋置深度、施工方法和支护条件，采用工程类比法确定。当无类比资料时，大跨隧道(12～14m跨度)的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩的预留变形量分别为30～50mm、50～80mm、80～120mm、120～170mm。且实际应用中，由于地质条件、开挖方法、支护时机、支护强度、支护刚度及支护质量水平等均对支护结构变形值有影响，实际设计中难以给定一个具体的监测控制值，只能通过现场量测数据反馈分析进行调整。因此，现有的隧道开挖支护过程中，缺少有效的变形监控和处理方案。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种台阶法开挖隧道支护结构变形预测方法及装置，旨在通过台阶法进行隧道开挖过程中变形量计算和基于变形量进行现场监控。本专利技术是这样实现的：一种台阶法开挖隧道支护结构变形预测方法，包括：确定隧道工程的基本参数；根据所述基本参数，确定隧道开挖所需要的作业工序以及每一作业工序对应的时间；根据每一作业工序及对应的时间，确定竖向围岩压力与时间的第一对应关系、水平围岩压力与时间的第二对应关系；根据所述第一对应关系和所述第二对应关系，计算每一施工循环时间内喷层分担的水平围岩压力和竖向围岩压力；计算每一开挖工序的喷层参数，其中，所述喷层参数至少包括：喷层强度、弹性模量与刚度；根据所述水平围岩压力、所述竖向围岩压力、所述喷层参数以及与时间的对应关系，上台阶开挖至下台阶开挖时间内采用上台阶支护结构的荷载结构模型，下台阶开挖后采用全断面支护结构的荷载结构模型计算每一施工循环时间内喷层结构的水平变形量和竖向变形量，累计后所得总变形即为结构的允许变形值，并绘制隧道变形计算值与时间的曲线；获取隧道施工现场实测位移值，绘制隧道变形实测值与时间的曲线；基于所述允许变形值、隧道变形计算值与时间的曲线和隧道变形实测值与时间的曲线对比，确定施工调整措施。一种实现方式中，所述基于所述允许变形值、隧道变形计算值与时间的曲线和隧道变形实测值与时间的曲线，确定施工调整的步骤，包括：当实测值大于计算允许变形值、且变形能够收敛时，说明支护结构的安全系数大于1.0，措施如下：加大开挖循环长度，以增加支护前的应力释放率；材料强度增长速度过慢，提高喷射混凝土材料的早期强度；计算参数取值大于实际值，且偏差较大，根据内力监测值进行分析调整，调整确定计算参数，重新计算分析；当实测值大于允许变形值，且出现结构开裂时，加强支护；当实测值小于计算允许变形值时，包括：弱化支护参数；计算参数取值小于实际值，且偏差较大，结合内力监测值进行分析调整，调整确定计算参数和重新计算分析。一种实现方式中，所述根据所述水平围岩压力、所述竖向围岩压力、所述喷层参数以及与时间的对应关系，上台阶开挖至下台阶开挖时间内采用上台阶支护结构的荷载结构模型，下台阶开挖后采用全断面支护结构的荷载结构模型计算每一施工循环时间内喷层结构的水平变形量和竖向变形量，累计后所得总变形即为结构的允许变形值，并绘制隧道变形计算值与时间的曲线的步骤，包括：根据所述水平围岩压力、所述竖向围岩压力、所述喷层参数以及与时间的对应关系，将位移计算分为两个阶段，阶段一：上台阶开挖到下台阶开挖阶段，采用上台阶支护结构的荷载结构模型计算每一施工循环内喷层结构的水平变形量和竖向变形量；阶段二：下台阶开挖到隧道变形稳定阶段，采用全断面支护结构的荷载结构模型计算每一施工循环时间内喷层结构的水平变形量和竖向变形量；确定累计后所得总变形为结构的允许变形值；根据每一时间点与所对应的变形值绘制隧道变形计算值与时间的曲线。一种实现方式中，所述根据每一作业工序及对应的时间，确定竖向围岩压力与时间的第一对应关系、水平围岩压力与时间的第二对应关系的步骤，包括：根据每一作业工序及对应的时间，确定支护稳定时的围岩压力以及与硬化速率有关的常数；确定台阶开挖时，上台阶和下台阶的围岩压力释放比例参数；确定上台阶开挖至下台阶开挖的时间间隔；根据所述时间间隔、所述比例参数，确定竖向围岩压力与时间的第一对应关系、水平围岩压力与时间的第二对应关系。一种实现方式中，所述第一对应关系和所述第二对应关系的具体表达式包括：(1)当0<t<T1时，围岩压力只作用在上台阶断面支护结构上，包括竖向均布荷载和水平均布荷载；在0<t<T1时，竖向围岩压力的增长函数为：P(t)＝ζ1·P0·e-b/t，水平均布围岩压力的增长函数为：P(t)＝λ·ζ1·P0·e-b/t；(2)在t＝T1时刻，竖向均布围岩压力为P(t＝T1)＝α·ζ1·P0，水平均布围岩压力为P(t＝T1)＝λ·α·ζ1·P0；(3)当t>T1时，围岩压力分为：上台阶继续释放的围岩压力和下台阶开挖阶段释放的围岩压力；其中，上台阶继续释放的围岩压力，竖向围岩压力的增长函数为：P(t)＝ζ1·P0·e-b/t，水平围岩压力的增长函数为：P(t)＝λ·ζ1·P0·e-b/t(t>T1)，围岩压力作用于全断面支护结构上；下台阶开挖阶段释放的围岩压力，包括：下台阶开挖引起的作用在全断面支护结构上的围岩压力和上台阶开挖对下台阶支护结构产生的局部水平均布围岩压力；其中，下台阶开挖引起的作用在全断面支护结构上的围岩压力，竖向围岩压力与时间的函数为P(t)＝ζ2·P0·e-b/(t-T1)，水平均布围岩压力与时间的函数为P(t)＝λ·ζ2·P0·e-b/(t-T1)，作用于全断面支护结构上；上台阶开挖对下台阶支护结构产生的局部水平均布围岩压力，围岩压力与时间的函数为：P(t)＝λ·α·ζ1·P0·e-b/(t-T1)，只作用于下台阶支护结构上；其中，P(t)为t时刻所对应的围岩压力；P0为支护稳定时的围岩压力；b为与硬化速率有关的常数；ζ1为上台阶开挖围时岩压力释放率，ζ2为下台阶开挖时围岩压力释放率，λ是水平围岩压力为竖向围岩压力乘以侧压力系数，α为下台阶开挖至监测断面时，上台阶围岩压力已释放的荷载比例，T1为上台阶开挖至下台阶开挖的间隔时间。一种实现方式中，所述与硬化速率有关的常数的具体表达为：其中，D为所述基本参数中监测断面与掌子面的距离，S为所述基本参数中开挖进尺，η为在隧道变形速率小于0.2mm/d时当前时刻围岩压力为围岩变形稳定时的围岩压力之比，△t为隧道每一施工循环时间。一种本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种台阶法开挖隧道支护结构变形预测方法，其特征在于，所述方法包括：/n确定隧道工程的基本参数；/n根据所述基本参数，确定隧道开挖所需要的作业工序以及每一作业工序对应的时间；/n根据每一作业工序及对应的时间，确定竖向围岩压力与时间的第一对应关系、水平围岩压力与时间的第二对应关系；/n根据所述第一对应关系和所述第二对应关系，计算每一施工循环时间内喷层分担的水平围岩压力和竖向围岩压力；/n计算每一开挖工序的喷层参数，其中，所述喷层参数至少包括：喷层强度、弹性模量与刚度；/n根据所述水平围岩压力、所述竖向围岩压力、所述喷层参数以及与时间的对应关系，上台阶开挖至下台阶开挖时间内采用上台阶支护结构的荷载结构模型，下台阶开挖后采用全断面支护结构的荷载结构模型计算每一施工循环时间内喷层结构的水平变形量和竖向变形量，累计后所得总变形即为结构的允许变形值，并绘制隧道变形计算值与时间的曲线；/n获取隧道施工现场实测位移值，绘制隧道变形实测值与时间的曲线；/n基于所述允许变形值、隧道变形计算值与时间的曲线和隧道变形实测值与时间的曲线对比，确定施工调整措施。/n

【技术特征摘要】
1.一种台阶法开挖隧道支护结构变形预测方法，其特征在于，所述方法包括：
确定隧道工程的基本参数；
根据所述基本参数，确定隧道开挖所需要的作业工序以及每一作业工序对应的时间；
根据每一作业工序及对应的时间，确定竖向围岩压力与时间的第一对应关系、水平围岩压力与时间的第二对应关系；
根据所述第一对应关系和所述第二对应关系，计算每一施工循环时间内喷层分担的水平围岩压力和竖向围岩压力；
计算每一开挖工序的喷层参数，其中，所述喷层参数至少包括：喷层强度、弹性模量与刚度；
根据所述水平围岩压力、所述竖向围岩压力、所述喷层参数以及与时间的对应关系，上台阶开挖至下台阶开挖时间内采用上台阶支护结构的荷载结构模型，下台阶开挖后采用全断面支护结构的荷载结构模型计算每一施工循环时间内喷层结构的水平变形量和竖向变形量，累计后所得总变形即为结构的允许变形值，并绘制隧道变形计算值与时间的曲线；
获取隧道施工现场实测位移值，绘制隧道变形实测值与时间的曲线；
基于所述允许变形值、隧道变形计算值与时间的曲线和隧道变形实测值与时间的曲线对比，确定施工调整措施。


2.根据权利要求1所述的台阶法开挖隧道支护结构变形预测方法，其特征在于，所述基于所述允许变形值、隧道变形计算值与时间的曲线和隧道变形实测值与时间的曲线，确定施工调整的步骤，包括：
当实测值大于计算允许变形值、且变形能够收敛时，说明支护结构的安全系数大于1.0，措施如下：加大开挖循环长度，以增加支护前的应力释放率；材料强度增长速度过慢，提高喷射混凝土材料的早期强度；计算参数取值大于实际值，且偏差较大，根据内力监测值进行分析调整，调整确定计算参数，重新计算分析；
当实测值大于允许变形值，且出现结构开裂时，加强支护；
当实测值小于计算允许变形值时，包括：弱化支护参数；计算参数取值小于实际值，且偏差较大，结合内力监测值进行分析调整，调整确定计算参数和重新计算分析。


3.根据权利要求1所述的台阶法开挖隧道支护结构变形预测方法，其特征在于，所述根据所述水平围岩压力、所述竖向围岩压力、所述喷层参数以及与时间的对应关系，上台阶开挖至下台阶开挖时间内采用上台阶支护结构的荷载结构模型，下台阶开挖后采用全断面支护结构的荷载结构模型计算每一施工循环时间内喷层结构的水平变形量和竖向变形量，累计后所得总变形即为结构的允许变形值，并绘制隧道变形计算值与时间的曲线的步骤，包括：
根据所述水平围岩压力、所述竖向围岩压力、所述喷层参数以及与时间的对应关系，将位移计算分为两个阶段，阶段一：上台阶开挖到下台阶开挖阶段，采用上台阶支护结构的荷载结构模型计算每一施工循环内喷层结构的水平变形量和竖向变形量；阶段二：下台阶开挖到隧道变形稳定阶段，采用全断面支护结构的荷载结构模型计算每一施工循环时间内喷层结构的水平变形量和竖向变形量；
确定累计后所得总变形为结构的允许变形值；
根据每一时间点与所对应的变形值绘制隧道变形计算值与时间的曲线。


4.根据权利要求3所述的台阶法开挖隧道支护结构变形预测方法，其特征在于，所述根据每一作业工序及对应的时间，确定竖向围岩压力与时间的第一对应关系、水平围岩压力与时间的第二对应关系的步骤，包括：
根据每一作业工序及对应的时间，确定支护稳定时的围岩压力以及与硬化速率有关的常数；
确定台阶开挖时，上台阶和下台阶的围岩压力释放比例参数；
确定上台阶开挖至下台阶开挖的时间间隔；
根据所述时间间隔、所述比例参数，确定竖向围岩压力与时间的第一对应关系、水平围岩压力与时间的第二对应关系。


5.根据权利要求3所述的台阶法开挖隧道支护结构变形预测方法，其特征在于，其中，所述第一对应关系和所述第二对应关系的具体表达式包括：
(1)当0<t<T1时，围岩压力只作用在上台阶断面支护结构上，包括竖向均布荷载和水平均布荷载；在0<t<T1时，竖向围岩压力的增长函数为：P(t)＝ζ1·P0·e-b/t，水平均布围岩压力的增长函数为：P(t)＝λ·ζ1·P0·e-b/t；
(2)在t＝T1时刻，竖向均布围岩压力为P(t＝T1)＝α·ζ1·P0，水平...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖明清，徐晨，田四明，王克金，邓朝辉，杨剑，
申请(专利权)人：中铁第四勘察设计院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42