用于复杂地质条件的隧道施工工法的决策方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及隧道工程技术领域，公开了用于复杂地质条件的隧道施工工法的决策方法，包括：S1：采集隧道施工的调研信息；S2：根据调研信息分析隧道修建过程的安全稳定性因素；S3：根据安全稳定性因素确定隧道施工工法的评估项；S4：根据调研信息建立隧道施工数学模型，根据隧道施工数学模型建立隧道施工物理模型；S5：通过隧道施工物理模型进行施工工法仿真模拟，得到评估项参数；S6：根据评估项参数选择施工工法。本发明专利技术通过分析隧道修建过程的安全稳定性因素，并依次建立隧道施工数学模型和物理模型，通过隧道施工物理模型进行仿真模拟，以评估和选择隧道施工工法，能够满足现场地质条件，保证了隧道施工的安全性。保证了隧道施工的安全性。保证了隧道施工的安全性。

【技术实现步骤摘要】
用于复杂地质条件的隧道施工工法的决策方法及系统


[0001]本专利技术涉及隧道工程
，具体涉及用于复杂地质条件的隧道施工工法的决策方法及系统。

技术介绍

[0002]随着隧道工程向深埋长大方向发展，工程灾害问题日益凸显。尤其在地质环境复杂的西部山区，当隧道穿越高地应力、软岩(如千枚岩、泥岩等)、断层破碎带等不良地质组合区段时，围岩所产生的显著塑性变形会导致支护破坏，工期延误，带来巨大损失。因此，在山地城市修建公路隧道将面临岩溶地层、含瓦斯地层、地面构筑物等复杂的地质条件和地面环境。在这样的施工环境下，公路隧道施工不仅将面临突水、瓦斯和地质断层等危害，还需要保证地面构筑物的稳定性。
[0003]目前，大断面隧道施工工法种类多、工艺复杂，常见工法类型有中隔壁法(CD法)或交叉中隔壁法(CRD)、双侧壁导坑法、台阶法以及在上述基本工法类型的基础上衍生出的形式各异的工法。各种工法均以分步施工为特征，但对大断面隧道分步施工适用条件的认识还仅仅停留在定性层面上，因而，现阶段对大断面隧道分步施工决策多依赖于主管技术人员工程经验和隧道开挖后对围岩条件的认知，对施工工法的选用缺乏有效、严谨的理论依据和相关标准。
[0004]鉴于隧道工程的地质条件与施工过程都具有显著的不确定性，如何合理的预测评估隧道施工的风险，针对不同地质环境采用合理的隧道施工工法，保证隧道安全施工和地面构筑物稳定，从而进行有效的管理与防控，成为目前隧道安全施工中亟待解决的问题

技术实现思路

[0005]本专利技术意在提供用于复杂地质条件的隧道施工工法的决策方法，通过分析隧道修建过程的安全稳定性因素，并依次建立隧道施工数学模型和物理模型，通过隧道施工物理模型进行仿真模拟，以评估和选择隧道施工工法，能够满足现场地质条件，保证了隧道施工的安全性。
[0006]本专利技术提供的技术方案为：用于复杂地质条件的隧道施工工法的决策方法，包括：
[0007]S1：采集隧道施工的调研信息；
[0008]S2：根据调研信息分析隧道修建过程的安全稳定性因素；
[0009]S3：根据安全稳定性因素确定隧道施工工法的评估项；
[0010]S4：根据调研信息建立隧道施工数学模型，根据隧道施工数学模型建立隧道施工物理模型；
[0011]S5：通过隧道施工物理模型进行施工工法仿真模拟，得到评估项参数；
[0012]S6：根据评估项参数选择施工工法。
[0013]本专利技术的工作原理及优点在于：本专利技术方法首先采集隧道施工现场的调研信息，用于研判复杂地质条件下公路隧道修建时的具体安全稳定性因素，并在此基础上，从隧道
施工的安全性方面考虑，形成隧道施工工法的评估项。然后根据实际工程条件，依次建立复杂地质条件下公路隧道施工数学模型和物理模型，该物理模型具有对象的唯一性和实际性。通过隧道施工物理模型从施工安全性进行施工工法仿真模拟，得到评估项参数。最终通过不同施工工法的评估项参数对比，选择出合适的复杂地质条件下公路隧道的施工工法。本专利技术方法弥补了目前对施工工法的选用缺乏有效、严谨的理论依据和相关标准的不足。为山地城市修建公路隧道面临岩溶地层、含瓦斯地层、地面构筑物等复杂的地质条件和地面环境时，提供了合理的施工工法选择，能够满足现场地质条件，保证了隧道施工的安全性。
[0014]进一步，所述调研信息包括地质信息和设计信息。
[0015]调研信息包括地质信息和设计信息，地质信息为隧道现场的外部环境信息，设计信息为隧道工程的内部设计及施工信息，内外结合的调研信息能够为后续安全稳定性因素分析和模型建立提供可靠参考。
[0016]进一步，所述地质信息包括地层岩性、围岩力学性质、地质构造、地面构筑物和水文地质条件，所述设计信息包括隧道平面图、纵断面图和主洞建筑限界。
[0017]根据复杂地质条件下公路隧道施工的实际情况，地质信息细化为地层岩性、围岩力学性质、地质构造、地面构筑物和水文地质条件，设计信息细化为隧道平面图、纵断面图和主洞建筑限界。为后续选择施工工法的实施提供基础。
[0018]进一步，所述安全稳定性因素包括不良地质现场、地面影响构筑物和隧道稳定性。
[0019]本专利技术方法从不良地质现场、地面影响构筑物和隧道稳定性三个方面考虑隧道施工的安全性，符合现场实际安全需求。
[0020]进一步，所述评估项包括围岩应力、拱顶下沉量、拱腰收敛量、瓦斯涌出量、瓦斯压力、地面构筑物沉降量和地面构筑物倾斜值。
[0021]将以上评估项作为选择施工工法的依据，便于评估和选择合适的施工工法。
[0022]进一步，所述评估项还包括经济成本和工期。
[0023]除了施工安全性的考虑，还引入了经济成本和工期作为评估项，兼顾了隧道工程的经济性和时效性。
[0024]进一步，所述隧道施工数学模型为气
‑
固耦合的多场数学模型，所述气
‑
固耦合的多场数学模型包括岩石、混凝土和土壤等材料的本构模型、隧道瓦斯解吸流动模型和地面建筑物简化模型。
[0025]复杂地质条件下公路隧道施工的数学模型是气
‑
固耦合的多场数学模型，需要考虑每一种安全稳定性因素的简化形式与数学模型。因此，分别建立岩石、混凝土和土壤等材料的本构模型、隧道瓦斯解吸流动模型和地面建筑物简化模型来表征隧道施工的安全稳定性因素关系。
[0026]进一步，所述岩石、混凝土和土壤等材料的本构模型中，岩石、混凝土和土壤等材料屈服准则的表达式为：
[0027][0028]式中为平均应力或静水平压力，{S}为偏压应力，β为材料常
数，[M]为Mises屈服准则中的[
M
]，C为粘聚力；
[0029]所述隧道瓦斯解吸流动模型中，瓦斯煤层的瓦斯解吸表示为：
[0030][0031]式中，X为在某一温度下，吸附平衡瓦斯压力为p时单位质量可燃基吸附的瓦斯量，a为单位质量煤的极限吸附量，b为朗缪尔常数，c为煤质修正系数，p为煤体瓦斯压力，n为煤的孔隙率，B为常数系数项；
[0032]瓦斯的扩散表示为：
[0033][0034]式中，Df为Fick扩散系数，和分别为A组元浓度梯度在坐标x、y和z方向上的分量，负号表示分子扩散通量沿浓度减小的方向；
[0035]瓦斯在隧道中的流动表示为：
[0036][0037]式中，μ为粘性系数，u
ns
为速度矢量，ρ0为混合气体的参考密度，p
ns
为压力，F为外部体积力；
[0038]瓦斯在采动裂隙中的流动表示为：
[0039][0040]式中，k为采稳区渗透率。
[0041]隧道中瓦斯
‑
空气混合气体的状态方程为：
[0042][0043]式中，M为气体的分子量，R为气体的普适常数
[0044]所述地面建筑物简化模型中，梁的中性轴到梁的底板的距离为：
[0045][0046]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于复杂地质条件的隧道施工工法的决策方法，其特征在于，包括：S1：采集隧道施工的调研信息；S2：根据调研信息分析隧道修建过程的安全稳定性因素；S3：根据安全稳定性因素确定隧道施工工法的评估项；S4：根据调研信息建立隧道施工数学模型，根据隧道施工数学模型建立隧道施工物理模型；S5：通过隧道施工物理模型进行施工工法仿真模拟，得到评估项参数；S6：根据评估项参数选择施工工法。2.根据权利要求1所述的用于复杂地质条件的隧道施工工法的决策方法，其特征在于：所述调研信息包括地质信息和设计信息。3.根据权利要求2所述的用于复杂地质条件的隧道施工工法的决策方法，其特征在于：所述地质信息包括地层岩性、围岩力学性质、地质构造、地面构筑物和水文地质条件，所述设计信息包括隧道平面图、纵断面图和主洞建筑限界。4.根据权利要求1所述的用于复杂地质条件的隧道施工工法的决策方法，其特征在于：所述安全稳定性因素包括不良地质现场、地面影响构筑物和隧道稳定性。5.根据权利要求1所述的用于复杂地质条件的隧道施工工法的决策方法，其特征在于：所述评估项包括围岩应力、拱顶下沉量、拱腰收敛量、瓦斯涌出量、瓦斯压力、地面构筑物沉降量和地面构筑物倾斜值。6.根据权利要求5所述的用于复杂地质条件的隧道施工工法的决策方法，其特征在于：所述评估项还包括经济成本和工期。7.根据权利要求1所述的用于复杂地质条件的隧道施工工法的决策方法，其特征在于：所述隧道施工数学模型为气
‑
固耦合的多场数学模型，所述气
‑
固耦合的多场数学模型包括岩石、混凝土和土壤等材料的本构模型、隧道瓦斯解吸流动模型和地面建筑物简化模型。8.根据权利要求7所述的用于复杂地质条件的隧道施工工法的决策方法，其特征在于：所...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾家银，陈结，周世均，任奕玮，赖成军，蒲源源，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：