基于围岩和支护结构力学特性的支护选型方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了基于围岩和支护结构力学特性的支护选型方法及系统，包括：将参数输入第一判断模型，并接收输出结果；如果输出结果为失效，则将参数输入第二判断模型，并输出结果；如果输出结果为延伸率过大，则计算主动让压支护的参数。本发明专利技术基于围岩和支护结构力学特性的支护选型方法及系统，通过引入挤压因子对不同的被动支护强度进行考核，实现了对支护体系的遴选，并通过锚杆和锚索延伸率作为判据，有效的提高了锚杆和锚索在主动支护体系中所发挥的作用，同时有利于让压支护参数的计算，具有极其的适应性，可以应用在各种环境的隧道设计施工中。计施工中。计施工中。

【技术实现步骤摘要】
基于围岩和支护结构力学特性的支护选型方法及系统


[0001]本专利技术涉及地下工程技术，具体涉及基于围岩和支护结构力学特性的支护选型方法及系统。

技术介绍

[0002]目前穿越以千枚岩、炭质板岩与泥岩等为代表的长大深埋软岩隧道大量涌现，高地应力环境所引发的隧道建设过程中软岩大变形问题日益凸显，由此带来的变形侵限、喷射砼剥落、拱架扭曲、二衬开裂甚至塌方等工程灾害现象屡见不鲜，严重危及了隧道正常施工。
[0003]针对上述问题，有学者提出了在软岩大变形地下工程中，通过提高支护结构的刚度和强度来阻止围岩变形的思路是行不通的，“强力支护”的基本理念应当改变，进而在该基础上从软岩岩体的非线性流变特性出发，提出了针对软岩大变形的让压支护理念，即在围岩协同支护发生一定变形之后，支护结构在提供支护力的同时，让“围岩形变能”得以在该支护抗力持续伴随作用下适当释放，从而实现支护体系“抗让结合、边抗边让、抗中有让”的承载特性，进而达到充分发挥围岩自承能力、优化结构受力，保障隧道稳定、安全的目的。但截止目前，让压支护体系在软岩大变形隧道中尚处于初步试验阶段，其适用性与可靠性均有待进一步研究。

技术实现思路

[0004]为了至少克服现有技术中的上述不足，本申请的目的在于提供基于围岩和支护结构力学特性的支护选型方法及系统。
[0005]第一方面，本申请实施例提供了基于围岩和支护结构力学特性的支护选型方法，包括：
[0006]将目标隧道的围岩参数、挤压因子和内壁被动衬砌支护数据输入到预设的第一判断模型中，并接收所述第一判断模型根据极限挤压因子计算的输出结果；所述极限挤压因子为所述内壁被动衬砌支护失效临界对应的挤压因子；
[0007]如果所述第一判断模型的输出结果为内壁被动衬砌支失效，则将所述目标隧道的围岩参数和主动支护参数输入到预设的第二判断模型中，并接收所述第二判断模型根据锚杆(索)延伸率安全裕度计算的输出结果；
[0008]如果所述第二判断模型的输出结果为预应力锚杆(索)的杆体延伸率大于或等于所述锚杆(索)延伸率安全裕度，则根据所述预应力锚杆(索)的杆体延伸率和所述锚杆(索)延伸率安全裕度计算主动让压支护的参数。
[0009]现有技术中，申请号为CN202211447656.9的中国专利公开了一种隧道变形主动控制支护结构体系及参数求解方法，其包括以下步骤：建立不同隧道变形等级对应的结构安全变形控制基准；建立主动支护构件和被动支护构件协同承载的变形协调方程；以隧道的主动支护构件的变形控制效应确定主动支护参数；在被动支护参数取值区间内拟定若干被
动支护参数；利用变形协调方程中，输出隧道变形量；将隧道变形量与变形控制基准进行比较：若隧道变形量在变形控制基准内，则输出对应的被动支护参数和主动支护参数；若隧道变形量不在变形控制基准内，返回从新拟定被动支护参数。其基于变形协调方程来依次确定主动支护构件和被动支护构件的参数，但是未将让压考虑进软岩隧道的支护计算；同时，不同的隧道围岩体系会对应不同的变形协调方程，从工程实际方面考虑，理论方程往往很难很好的适应不同的围岩环境，所以其适应性也会大打折扣。
[0010]为了解决上述问题，本申请实施例实施时，采用了基于挤压因子和锚杆(索)延伸率作为判据的新的计算方法；其中的第一判断模型和第二判断模型均是决策模型，可以使用现有技术中任意一种模型进行训练生成，包括神经网络模型、支持向量机、决策树等模型，也可以采用多种模型的结合进行生成，本实施例在此不多做限定。无论第一判断模型和第二判断模型采用哪种模型生成，第一判断模型都需要在判据中加入挤压因子，挤压因子是岩体强度和地应力的比值，专利技术人发现挤压因子与被动支护增益效果具有非常强的关联性，主要体现在对于被动支护的拱形结构来说，不同的挤压因子对不同的被动支护强度所带来的围岩位移规律会有较大差异，例如对挤压因子小于2的围岩来说，随被动支护强度增加，围岩位移呈指数型减小，但当被动支护强度增至一定程度时，支护对围岩变形的控制效果明显下降；而对挤压因子大于2的围岩来说，增加被动支护强度将可取得理想的位移控制效果，现行的强力支护模式能够实现对围岩的有效支护。基于此机理，将挤压因子引入被动支护参数的选择是可以有效的提高计算精准度的，并且可以将第一判断模型适用于在各种围岩中。
[0011]同时在第二判断模型中，以锚杆(索)延伸率作为判据，对于软岩隧道来说，由于软岩隧道围岩变形较大，为有效发挥锚索系统支护作用，应允许锚杆(索)工作于塑性阶段；所以通过锚杆(索)延伸率安全裕度对锚索系统进行计算。通过第一判断模型和第二判断模型的判断结果，本申请实施例可以判断出目标隧道是否需要应用到主动让压支护，并且通过第二判断模型所获取的预应力锚杆(索)的杆体延伸率也可以用于进行主动让压支护的参数计算的。本申请实施例通过引入挤压因子对不同的被动支护强度进行考核，实现了对支护体系的遴选，并通过锚杆和锚索延伸率作为判据，有效的提高了锚杆和锚索在主动支护体系中所发挥的作用，同时有利于让压支护参数的计算，具有极其的适应性，可以应用在各种环境的隧道设计施工中。
[0012]在一种可能的实现方式中，所述第一判断模型的生成包括：
[0013]建立不同的第一工况下被动支护体系下的第一仿真模型；所述第一工况为不同的围岩参数、挤压因子和内壁被动衬砌支护数据的组合；
[0014]对所有第一仿真模型进行计算获取第一计算结果，所述第一计算结果包括洞壁位移和被动衬砌支护变形量；
[0015]根据所述洞壁位移和所述被动衬砌支护变形量的超限情况确定对应所述内壁被动衬砌支护数据的所述极限挤压因子；
[0016]将所述第一计算结果和所述第一工况进行匹配形成第一样本库，并以所述极限挤压因子作为约束，通过所述第一样本库对神经网络模型进行训练生成第一判断模型；所述第一判断模型的输入数据为围岩参数、挤压因子和内壁被动衬砌支护数据，输出数据为内壁被动衬砌支护是否失效。
[0017]在一种可能的实现方式中，所述第二判断模型的生成包括：
[0018]建立不同的第二工况下主动支护体系下的第二仿真模型；所述第二工况为不同的围岩参数和主动支护参数的组合；所述第二工况中的主动支护参数包括预应力锚杆(索)的长度；
[0019]对所有第二仿真模型进行计算获取第二计算结果，所述第二计算结果包括预应力锚杆(索)的杆体延伸率；
[0020]将所述第二计算结果和所述第二工况进行匹配形成第二样本库，并以预设的所述锚杆(索)延伸率安全裕度作为约束，通过所述第二样本库对神经网络模型进行训练生成第二判断模型；所述第二判断模型的输入数据为围岩参数和主动支护参数，输出数据为预应力锚杆(索)的杆体延伸率是否超过了所述锚杆(索)延伸率安全裕度。
[0021]在一种可能的实现方式中，根据所述预应力锚杆(索)的杆体延伸率和所述锚杆(索)延伸率安全裕度计算主动让压支护的参数包括：
[0022]根据所述预应力锚杆(索)的杆体延伸率与所述锚杆(索)延伸率安全裕度的差异计本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于围岩和支护结构力学特性的支护选型方法，其特征在于，包括：将目标隧道的围岩参数、挤压因子和内壁被动衬砌支护数据输入到预设的第一判断模型中，并接收所述第一判断模型根据极限挤压因子计算的输出结果；所述极限挤压因子为所述内壁被动衬砌支护失效临界对应的挤压因子；如果所述第一判断模型的输出结果为内壁被动衬砌支失效，则将所述目标隧道的围岩参数和主动支护参数输入到预设的第二判断模型中，并接收所述第二判断模型根据锚杆(索)延伸率安全裕度计算的输出结果；如果所述第二判断模型的输出结果为预应力锚杆(索)的杆体延伸率大于或等于所述锚杆(索)延伸率安全裕度，则根据所述预应力锚杆(索)的杆体延伸率和所述锚杆(索)延伸率安全裕度计算主动让压支护的参数。2.根据权利要求1所述的基于围岩和支护结构力学特性的支护选型方法，其特征在于，所述第一判断模型的生成包括：建立不同的第一工况下被动支护体系下的第一仿真模型；所述第一工况为不同的围岩参数、挤压因子和内壁被动衬砌支护数据的组合；对所有第一仿真模型进行计算获取第一计算结果，所述第一计算结果包括洞壁位移和被动衬砌支护变形量；根据所述洞壁位移和所述被动衬砌支护变形量的超限情况确定对应所述内壁被动衬砌支护数据的所述极限挤压因子；将所述第一计算结果和所述第一工况进行匹配形成第一样本库，并以所述极限挤压因子作为约束，通过所述第一样本库对神经网络模型进行训练生成第一判断模型；所述第一判断模型的输入数据为围岩参数、挤压因子和内壁被动衬砌支护数据，输出数据为内壁被动衬砌支护是否失效。3.根据权利要求1所述的基于围岩和支护结构力学特性的支护选型方法，其特征在于，所述第二判断模型的生成包括：建立不同的第二工况下主动支护体系下的第二仿真模型；所述第二工况为不同的围岩参数和主动支护参数的组合；所述第二工况中的主动支护参数包括预应力锚杆(索)的长度；对所有第二仿真模型进行计算获取第二计算结果，所述第二计算结果包括预应力锚杆(索)的杆体延伸率；将所述第二计算结果和所述第二工况进行匹配形成第二样本库，并以预设的所述锚杆(索)延伸率安全裕度作为约束，通过所述第二样本库对神经网络模型进行训练生成第二判断模型；所述第二判断模型的输入数据为围岩参数和主动支护参数，输出数据为预应力锚杆(索)的杆体延伸率是否超过了所述锚杆(索)延伸率安全裕度。4.根据权利要求3所述的基于围岩和支护结构力学特性的支护选型方法，其特征在于，根据所述预应力锚杆(索)的杆体延伸率和所述锚杆(索)延伸率安全裕度计算主动让压支护的参数包括：根据所述预应力锚杆(索)的杆体延伸率与所述锚杆(索)延伸率安全裕度的差异计算差异余量；根据所述差异余量计算让压参数，并通过所述差异余量修正所述锚杆(索)延伸率安全
裕度生成修正安全裕度；将所述修正安全裕度替换所述第二判断模型的锚杆(索)延伸率安全裕度形成第三判断模型；将所述目标隧道的围岩参数和主动支护参数输入到预设的第三判断模型中；如果所述第三判断模型的输出结果为预应力锚杆(索)的杆体延伸率大于或等于所述修正安全裕度，则调整所述差异余量并重复计算所述让压参数和所述修正安全裕度直至所述第三判断模型的输出结果为预应力锚杆(索)的杆体延伸率小于所述修正安全裕度；如果所述第三判断模型的输出结果为预应力锚杆(索)的杆体延伸率小于所述修正安全裕度，则将所述主动支护参数和所述让压参数作为主动让压支护的参数。5.根据权利要求1所述的基于围岩和支护结构力学特性的支护选型方法，其特征在于，目标隧道的围岩参数包括地应力、岩体强度、埋深、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角和重度；所述主动支护参数包括锚杆锚索的选型、长度、弹性模量、截面积、纵向间距、切向间距和预应力量值、弹性极限强度及对应延伸率、强度极限及对应延伸...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪波，喻炜，訾信，董杰，李金津，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：