一种铁路深埋软岩大变形隧道地应力场反演方法技术

本发明专利技术涉及隧道施工技术领域，具体为一种铁路深埋软岩大变形隧道地应力场反演方法。本发明专利技术提供的反演方法包括以下步骤：步骤一：布设多个围岩应力监测点；步骤二：监测各个围岩应力监测点的围岩应力值；步骤三：分析各个围岩应力监测点围岩压力的变化；步骤四：根据三个围岩应力监测点的应力值和围岩应力监测点坐标建立地应力函数表达式；步骤五：将各个围岩应力监测点的围岩压力值带入地应力函数中，计算各个围岩应力监测点的围岩应力；步骤六：比较各个围岩应力监测点的地应力函数计算值与实测值的大小，地应力函数计算值与实测值高度相似。本方法采用地应力函数形式简洁明了，计算量小，在局部区域内具有较高的精度。在局部区域内具有较高的精度。在局部区域内具有较高的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种铁路深埋软岩大变形隧道地应力场反演方法


[0001]本专利技术涉及隧道施工
，具体为一种铁路深埋软岩大变形隧道地应力场反演方法。

技术介绍

[0002]地应力是随着地球发展运动而不断变化的。它决定于历次构造运动产生的应力，地壳升降运动引起的加荷、卸荷，岩浆活动的温差应力，岩体物理力学性质的变化等。但是，以目前的技术水平来看，根据地球的发展演化去计算地应力场的值是难以实现的。70年代起，国内外学者在大量研究的基础上，建立了地下洞室的弹性计算法、弹塑性计算法、粘弹性计算法等等计算方法，其中就包括有限元法、边界元法等方法，是一系列平面问题和空间问题的计算方法，程序软件不仅可用于洞周地层的应力分析，还可同时考虑衬砌结构与锚喷支护的作用。这些方法使得地下结构的数值计算发展为较为完整的计算理论。
[0003]上述这类计算方法统称为地层结构法。地层结构法的计算理论虽已较为完善，在应用中却仍存在着不少问题。其中最主要的，是作为已知量输入的初始地应力的分布规律和量值常不明确，弹性模量、泊松比等地层参数的取值程度对不同地带具有任意性，工程施工后的应力松弛与蠕变的规律只能依据工程条件采取理想化的模型模拟，以及对地层受力变形后发生破坏的条件缺少符合实际的判断准则。其结果是，由计算分析所得的结果往往与实际有较大的偏离。
[0004]针对这一情况，便产生了可以依据工程当中获取的现场实测信息，得到各类未知参数的反演计算法。反演计算法可以与地层结构法相结合，将反演计算所得的结果，提供给地层结构法作为必要的计算参数，可以提高各种数值计算方法的计算精度，指导地层的开挖和支护的设计与施工。本文将对初始地应力的反演做出讨论。
[0005]在工程当中，可供应用的初始地应力值，主要靠实测资料，而少数测点又难以满足工程需要，同时，工程中需要的初始应力场可视为忽略时间因素（地质年代）的相对稳定应力场。因此，运用少数测点的应力值进行反演，提供一个相对准确的初始应力场，是解决工程稳定性问题的一个有效方法。
[0006]目前，地应力场的反演方法主要有位移反分析法和应力反分析法。新奥法隧道施工技术的形成，使得洞周收敛位移量测信息进入了科研人员的视野，在开展收敛限制法设计理论研究的同时，隧道施工所得的量测信息同样可以进行地应力的反演研究。但是此种方法的的反演计算方程都假设围岩是具有弹性和均质的各向同性介质，而实际情况并不如此；材料本构方程中的各类参数也是由室内实验确定，而现场环境与实验室条件常有不同，也会影响反演计算结果的正确性。因此，位移反演分析法仅仅适用于地形地貌较简单，地层分布较为单一的工况。应力反演分析法早期的研究大多属于定性分析的范畴，例如将初始地应力场划分为自重应力场、构造应力场、温度应力场和地磁应力场等。大部分的工程中，自重以及构造应力场是岩体应力场的主要组成部分，而在深部岩体当中，温度等也会对应力场的分布产生影响。通过分析他们的特点和影响因素，产生了边界荷载调整法、侧压系数
法等方法。近年来，随着计算机技术和数值分析方法的进步，这一课题开始在定量分析的研究中取得成果。目前采用的分析方法有：应力函数法、多元线性回归分析法、最小二乘法、拟线性梯度搜寻求解法和全局智能搜索最优解法等。这些方法大多是以某些位置的应力实测值为依据进行拟合分析，在数学概念中属于选点法。但是这类方法只能以区域局部范围内的初始地应力场为目标，因为初始应力场的分布较为复杂，人们积累的经验还不足以进行大范围的分析计算。
[0007]通过对上述几种方法进行对比研究，同时结合工程实际，应力函数法具有所得结果局部范围较为精确，计算量小的优点，在工程实际中得到广泛应用。在有限元的方法当中，加权形式的形函数可以根据同一断面不同位置的应力实测值，来近似的计算处平面内任意一点处的应力，在减少计算量的同时能够符合工程实际条件，适用于平面内应力的计算，依据某工程软岩大变形隧道地应力实测结果，结合工程区域地质构造条件，采用本文提出的方法对地应力进行反演，同时辅以数值模拟实验，开展了隧道断面局部区域内的地应力反演。

技术实现思路

[0008]为解决上述现有方法只能以区域局部范围内的初始地应力场为目标，因初始应力场的分布较为复杂，还不足以进行大范围的分析计算,且计算精准率低的问题，本专利技术提供一种铁路深埋软岩大变形隧道地应力场反演方法,具有所得结果局部范围较为精确，计算量小的优点。
[0009]本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：一种铁路深埋软岩大变形隧道地应力场反演方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：布设多个围岩应力监测点；步骤二：监测各个围岩应力监测点的围岩应力值；步骤三：选取三个围岩应力监测点的应力值和围岩应力监测点坐标建立地应力函数表达式，其中，为任一坐标点的应力值；x、y为坐标值；i、j、m表示三个围岩应力监测点；步骤四：将各个围岩应力监测点的围岩应力值带入地应力函数中，计算围岩整个区域内各点的围岩应力；步骤五：比较各个围岩应力监测点的地应力函数计算值与实测值的大小，地应力函数计算值与实测值高度相似，该计算结果可以应用于二维各向异性的偏压地应力场的反演，并且该方法可以推广到三维各向异性地应力场的反演。
[0010]进一步的，步骤一中，监测点的布设越多、越密集地应力反演的结果越准确。
[0011]进一步的，步骤一中，围岩应力监测点的个数至少三个，并且围岩应力监测点的纵向分布不能在一条直线上。
[0012]进一步的，围岩应力监测点的个数为7个。
[0013]本专利技术的技术效果和优点：（1）地应力函数形式简洁明了，计算量小，在局部区域内具有较高的精度。
[0014]（2）可以很好的拟合出地应力场各向异性，以及开挖后隧道中应力集中的区域，表现出其地质构造对地应力分布的影响。
[0015]（3）本专利技术根据有限个围岩应力监测点的围岩应力值，来推测其他未知点的应力值，准确反演得到各向异性的地应力场,通过地应力函数可直接采用地应力测点数据进行整个地层区域的地应力反演，反演中不需要考虑节理地层等参数,反演的精度与地应力的测点个数和间距有关，点越多，越密集地应力反演的结果约准确。
附图说明
[0016]图1为本专利技术的围岩应力监测点布设图；图2为各围岩应力监测点的围岩压力值横断面分布图；图3为本专利技术方法反演的地应力分布云图。
具体实施方式
[0017]下面结合附图与实施例对本专利技术进行详细说明。
[0018]实施例：在本实施例中，隧道整体为构造剥蚀、侵蚀中低山地貌，监测断面处围岩主要为侏罗纪和平乡组、小红桥组泥岩、砂岩夹页岩、砾岩等，主要岩性的岩石坚硬程度划分为软岩，受地质构造影响较重或严重，节理较发育或发育。围岩呈块（石）碎（石）状镶嵌结构时，应定位Ⅳ级；岩体较破碎至破碎，呈角砾碎石状松散结构时，应定为
Ⅴ
级。
[0019]如图1
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3所示，一种铁路深埋软岩大变形隧道地应力场反演方法，包括以下步骤：步骤一：布设7个围岩应力监测点，如图1，监测点的布设越本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铁路深埋软岩大变形隧道地应力场反演方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：布设多个围岩应力监测点；步骤二：监测各个围岩应力监测点的围岩应力值；步骤三：选取三个围岩应力监测点的应力值和围岩应力监测点坐标建立地应力函数表达式，其中，为任一坐标点的应力值；x、y为坐标值；i、j、m表示三个围岩应力监测点；步骤四：将各个围岩应力监测点的围岩应力值带入地应力函数中，计算围岩整个区域内各点的围岩应力；步骤五：比较各个围岩应力监测点的地应力函数计算值与实测值的大小，地应力函数计算值与实测值高度相似，该计算结果可以...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁国龙，刘铁成，于长一，解林博，陈运涛，刘和文，岳长喜，余漾，郭文静，屈朝辉，赵文建，
申请(专利权)人：中交一航局第三工程有限公司，
类型：发明
国别省市：