隧道穿越大溶洞空间分解方法的几何模型及模型参数确定方法技术

岩溶隧道施工中常遇到隧道穿越大型溶洞区，采用空间分解方法治理大型溶洞时，需要掌握隧道与溶洞的空间位置关系，进而将实际中的几何参数转化到三维图中，以方便的指导施工。为了解决隧道与溶洞的空间位置关系，建立了空间分解方法几何模型及几何方程；同时，提出了空间分解方法几何模型参数确定方法，并将几何方程转化为几何参数方程，从而使隧道与溶洞空间位置立体、直观的展现出来，为后续空间分解方法配套施工技术的选择与应用提供了准确空间参考。

【技术实现步骤摘要】
隧道穿越大溶洞空间分解方法的几何模型及模型参数确定方法
本专利技术专利属于岩溶隧道安全施工
，特别涉及隧道穿越大溶洞空间分解方法的几何模型及模型参数确定方法。
技术介绍
我国西南部的贵州、云南、四川等省，崇山峻岭，岩溶发育十分典型，随着“西部大开发”战略的持续推进，岩溶隧道工程量迅速增加，各种岩溶隧道技术问题不断涌现，其中穿越大型溶洞是隧道建设中遇到的重大难题之一，对溶洞治理理论和技术提出了更高的要求。专利技术专利《一种用于大型复杂溶洞处治的空间划分方法》（专利号：ZL201410490362.3），是专利技术人2017年获得授权的专利技术专利，当时该方法的提出对指导隧道穿越大型溶洞提供了理论支持。但是，随着对该方法的应用，发现空间划分方法是一种宏观的理论指导，实际应用过程中还需要建立空间划分方法的几何模型，并确定几何模型参数，以方便工程现场实际应用。本专利技术专利是将空间划分方法应用到工程实践的可操作性纽带，大大促进了空间划分方法在施工一线的应用。
技术实现思路
为解决空间划分方法的工程应用问题，本专利技术专利提供了隧道穿越大溶洞空间分解方法的几何模型及模型参数确定方法，具体方案如下：隧道穿越大溶洞空间分解方法的几何模型及模型参数确定方法包含以下步骤：步骤1空间分解方法几何模型建立；步骤2几何模型参数确定。步骤1中所述的空间分解方法几何模型建立，包含建立坐标系、几何表达式和几何参数表达式。步骤2中所述的几何模型参数确定，包含隧道中轴线h、隧道轮廓线g、拱顶上线c、拱底下线d的确定，溶洞轮廓线a的确定，围岩稳定边缘线b的确定，充填线e的确定，水位线f的确定，空间分解方法几何成图。步骤1中，所述的建立坐标系包含柱坐标系和笛卡尔坐标系的建立。步骤1中，所述的柱坐标系和笛卡尔坐标系均以隧道轴线h为Z轴方向，隧道入口与溶洞交汇的位置设为坐标系原点O。步骤1中，所述的柱坐标系每个测量断面中溶洞轮廓线a、围岩稳定边缘线b和隧道轮廓线g采用极坐标系建立。步骤1中，所述的笛卡尔坐标系，每个测量断面中溶洞轮廓线a、围岩稳定边缘线b、隧道轮廓线g采用平面直角系建立。步骤1中，所述的几何表达式包含：柱坐标系几何表达式建立和笛卡尔坐标系几何表达式建立。步骤1中，所述的柱坐标系几何表达式可分别表示为：（公式1）；（公式2）；（公式3）；其中：ρk为溶洞轮廓线a的几何表达式；ρr为围岩稳定边缘线b的几何表达式；ρt为隧道轮廓线g的几何表达式，θ为极坐标轴沿逆时针方向的转角，规定沿X轴正方向为0°。步骤1中，所述的笛卡尔坐标系几何表达式可分别表示为：（公式4）；（公式5）；（公式6）；（公式7）；其中：Y1为拱顶上线c的几何表达式；Y2为拱底下线d的几何表达式；Y3为水位线f的几何表达式；Y4为充填线e的几何表达式。步骤1中，所述的几何参数表达式是将几何表达式转换为利用几何模型参数的表达式，且几何参数表达式在步骤2几何模型参数确定完成后开展。步骤2中，所述的几何模型参数确定，应首先确定测量断面。步骤2中，所述的测量断面确定的方法是由隧道入口为起点，每隔D1长度取一个测量断面，且D1不大于5m，且溶洞总体测量断面数量不小于5个。步骤2中，所述的隧道中轴线h、隧道轮廓线g、拱顶上线c、拱底下线d是采用后交会法确定的。步骤2中，所述的溶洞轮廓线a的确定是采用激光设备测量的，其测量方法为：激光设备q安装在应测测量断面中轴线正下方的溶洞底部，采用三脚架qs支撑激光设备q，且该激光设备q可同时读取测量角度α和距离D2两个参数，每个测量断面不少于12个激光测量点。步骤2中，所述的激光设备q，激光设备q距离原点O的垂直高度d1可采用激光设备q测量O´点的距离和测量角度η，再利用三角公式计算d1的数值。步骤2中，所述的溶洞轮廓线a的确定，采用三角函数余弦公式，可知其几何参数表达为：（公式8）。步骤2中，所述的围岩稳定边缘线b的确定，采用取芯勘察方法确定不稳定围岩的勘探深度du，且取芯深度应钻入中风化岩体深度dp不小于2m。步骤2中，所述的围岩稳定边缘线b的确定，取芯测量点的布设位置与部分激光测距点重合，且取芯测量点的密度小于激光测距点的密度，且每隔测量断面取芯测量点不少于4个。步骤2中，所述的围岩稳定边缘线b的确定，通过取芯测量点的地质描述，可知其几何参数表达为：（公式9）。步骤2中，所述的充填线e的确定，采用水位量测方法确定水位深度为df，其几何参数表达为：（公式10）。步骤2中，所述的水位线f的确定，采用观察法确定溶洞围岩壁水深为dw，其几何参数表达为：（公式11）。步骤2中，所述的空间分解方法几何成图，将几何参数方程绘制到三维图中，并将不同测量断面依次连接，可完成空间分解方法几何成图。有益效果：本专利技术提供了隧道穿越大溶洞空间分解方法的几何模型及模型参数确定方法，为空间分解方法在工程应用中提供了几何模型，将隧道与溶洞的空间位置关系更加直观的展现，且为后续治理技术提供了参考。同时，对采用现场测量方式，将几何模型参数由现场转换到几何模型中，更加真实和科学。附图说明图1空间分解方法优化构思图。图2空间分解方法几何模型图。图3各测量断面隧道中轴线、隧道轮廓线、拱顶上线、拱底下线确定示意图。图4溶洞轮廓线几何参数关系图。图5测量断面内溶洞轮廓线几何参数方程确定所需的几何参数关系图。图6围岩稳定边缘线的几何参数关系图。图7水位线与充填线的几何参数关系图。图8空间划分方法几何成图示意图。图中：溶洞轮廓线a、围岩稳定边缘线b、拱顶上线c、拱底下线d、充填线e、水位线f、隧道轮廓线g、隧道中轴线h、取芯钻孔j、激光线ql、激光设备q、三脚架qs、顶面A、底面B；①拱顶溶洞空间、②隧道洞身空间、③两翼溶洞空间、④拱底溶洞空间、⑤含水空间、⑥充填物空间、⑦不稳定围岩体空间、③-L两翼溶洞空间之左翼、③-R两翼溶洞空间之右翼。具体实施方式下面结合实施案例和附图，对本专利技术进一步说明。步骤1几何模型建立。（1）如图2所示，建立坐标系结合图1，对于溶洞轮廓线a、围岩稳定边缘线b、隧道轮廓线g等闭合环形线，建立柱坐标系几何模型。对于拱顶上线c、拱底下线d、充填线e、水位线f等水平线，建立笛卡尔坐标系。柱坐标系和笛卡尔坐标系均以隧道轴线为Z轴方向，隧道入口与溶洞交汇的位置设为起点。（2）如图2所示，建立几何表达式柱坐标系几何表达式为：（公式1）；（公式2）；（公式3）；ρk为溶洞轮廓线a的几何表达式；ρr为围岩稳定边缘线b的几何表达式；ρt为隧道轮廓线g的几何表达式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.隧道穿越大溶洞空间分解方法的几何模型及模型参数确定方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤1空间分解方法几何模型建立；步骤2几何模型参数确定；/n步骤1中所述的空间分解方法几何模型建立，包含建立坐标系、几何表达式和几何参数表达式；/n步骤2中所述的几何模型参数确定，包含隧道中轴线h、隧道轮廓线g、拱顶上线c、拱底下线d的确定，溶洞轮廓线a的确定，围岩稳定边缘线b的确定，充填线e的确定，水位线f的确定，空间分解方法几何成图。/n

【技术特征摘要】
1.隧道穿越大溶洞空间分解方法的几何模型及模型参数确定方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤1空间分解方法几何模型建立；步骤2几何模型参数确定；
步骤1中所述的空间分解方法几何模型建立，包含建立坐标系、几何表达式和几何参数表达式；
步骤2中所述的几何模型参数确定，包含隧道中轴线h、隧道轮廓线g、拱顶上线c、拱底下线d的确定，溶洞轮廓线a的确定，围岩稳定边缘线b的确定，充填线e的确定，水位线f的确定，空间分解方法几何成图。


2.如权利要求1所述的隧道穿越大溶洞空间分解方法的几何模型及模型参数确定方法，其特征在于，步骤1中，所述的建立坐标系包含柱坐标系和笛卡尔坐标系的建立；所述的柱坐标系和笛卡尔坐标系均以隧道轴线h为Z轴方向，隧道入口与溶洞交汇的位置设为坐标系原点O。


3.如权利要求2所述的隧道穿越大溶洞空间分解方法的几何模型及模型参数确定方法，其特征在于，所述的柱坐标系每个测量断面中溶洞轮廓线a、围岩稳定边缘线b和隧道轮廓线g采用极坐标系建立；所述的笛卡尔坐标系，每个测量断面中溶洞轮廓线a、围岩稳定边缘线b、隧道轮廓线g采用平面直角系建立。


4.如权利要求1所述的隧道穿越大溶洞空间分解方法的几何模型及模型参数确定方法，其特征在于，步骤1中，所述的几何表达式包含：柱坐标系几何表达式建立和笛卡尔坐标系几何表达式建立。


5.如权利要求4所述的隧道穿越大溶洞空间分解方法的几何模型及模型参数确定方法，其特征在于，所述的柱坐标系几何表达式可分别表示为：

（公式1）

（公式2）

（公式3）
其中：ρk为溶洞轮廓线a的几何表达式；ρr为围岩稳定边缘线b的几何表达式；ρt为隧道轮廓线g的几何表达式，θ为极坐标轴沿逆时针方向的转角，规定沿X轴正方向为0°；
所述的笛卡尔坐标系几何表达式可分别表示为：

（公式4）

（公式5）

（公式6）

（公式7）
其中：Y1拱顶上线c的几何表达式；Y2为拱底下线d的几何表达式；Y3为水位线f的几何表达式；Y4为充填线e的几何表达式。


6.如权利要求1所述的隧道穿越大溶洞空间分解方法的几何模型及模型参数确定方法，其特征在于，步骤1中，所述的几何参数表达式是将几何表达式转换为利用几何模型参数的表达式，且几何参数表达式在步骤2几何模型参数确定完成后开展。


7.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：施振跃，王清标，袁月明，王富强，宋红旭，王普，于小鸽，李因旭，高阳，赵新越，姜彦博，李中莹，李少波，张旭，黄鹏，李越，
申请(专利权)人：山东科技大学，李欣远，
类型：发明
国别省市：山东;37