一种深部硬岩隧道围岩稳定性三维动态量化评价方法技术

本发明专利技术提供了一种深部硬岩隧道围岩稳定性三维动态量化评价方法，涉及深部隧道围岩稳定性评估和智能建造技术领域，该方法包括：基于数字化手段和现场原位测试手段的隧道地质和围岩参数动态确定；基于GZZ三维强度准则和考虑三维复杂高地应力的破坏区应力分布快速计算；基于人工智能算法的破坏区分布形态快速定量求解方法。本发明专利技术以应力精确化控制和精细化分析为隧道设计理念，在考虑深部隧道围岩节理、裂隙、开挖扰动与围岩强度特性和力学机理的基础上，利用智能算法强大的全局寻优能力与传统分析方法高效率计算的特性，得到一种程序化流程用于计算围岩破坏区，实现了隧道掘进过程中围岩稳定性的精确化、快速化和动态化分析。析。析。

【技术实现步骤摘要】
一种深部硬岩隧道围岩稳定性三维动态量化评价方法


[0001]本专利技术属于隧道挖掘工程
，尤其涉及一种深部硬岩隧道围岩稳定性三维动态量化评价方法。

技术介绍

[0002]隧道(或巷道)是地下工程中最为常见的结构之一，在国家许多超级工程中发挥着至关重要的作用。随着我国铁(公)路网建设重心进一步西移、深部矿产资源的开采和十四五规划“交通强国”战略工程的建设，隧道工程向着深埋长大的趋势快速发展，向深部进军是二十一世纪地下工程的一大主题。由于深部隧道所处的复杂地质条件，使得隧道施工面临着诸多挑战。深部岩体在结构、变形和强度等力学性质方面与浅部岩体存在着显著差异，深部隧道成灾机理也更加复杂，其中硬质岩体在复杂高地应力条件下的破坏所造成的隧道危石垮塌失稳、高强度和高频次岩爆直接关系着隧道工程施工的安全、进度和质量，是深部工程研究的热点和难点。
[0003]隧道开挖扰动了原本处于平衡状态的岩体，隧道围岩产生应力重分布，在三维高地应力的作用下围岩极易超出弹性极限进而产生松弛、屈服和破坏，在隧道周围形成所谓破坏区(或松动圈)。破坏区的分布形态将对隧道围岩稳定性评估以及后续施工过程中支护设计起到重要参考作用。破坏区的形成是一个动态过程，随着掌子面的推进其形状和大小都会产生变化。在施工过程中，一般可通过现场原位装置对破坏区的厚度进行量测，从而对支护结构的预设计进行修正和完善以达到动态设计的目的。但对于大断面的隧道，围岩破坏区厚度将远超装置的最大探测距离，因此无法进行准确量测。破坏区的大厚度还导致无法通过布置有限长度的锚杆对围岩进行有效加固补强，往往只能通过(多次)施加钢拱架和混凝土衬砌等措施进行防护。对于硬质围岩，其在破坏前往往没有明显变形产生，传统的位移(率)监测手段难以对这类隧道灾害进行实时预警，隧道安全难于得以保证。因此，发展合理有效的围岩破坏区快速预测手段将对指导深部隧道动态设计具有重要促进意义。
[0004]隧道工程往往赋存于隐蔽且复杂的地质环境中，无法通过现有的勘察技术或手段对拟开挖的地质体有全面的认识，这导致了隧道工程具有潜在风险。现行的设计与施工相分离的建设体制割裂了二者之间的关系，在施工过程中难以根据已暴露的地质情况和施工中发生的各种变化对预设计方案进行动态修改和完善。基于数字化的隧道动态设计理念强调在施工过程中及时评判设计的合理性、调整支护参数和施工方案，使支护结构更适应于围岩实际情况，提高隧道工程的投资效益和综合效益。
[0005]数字化动态设计一般以数字化平台和数值分析程序为基础进行一体化分析，但现有技术中数字和数值建模的复杂性以及数值计算所带来的巨大时间花费还不足以满足动态设计的即时性要求。传统的经验类比法客观性较弱，难以考虑复杂因素的影响，一般可适用于浅部隧道建设，经验公式无法解释深部隧道围岩的复杂力学行为。大多数情况下，关于较为精确地计算围岩破坏区的分析方法是极难得到的，且对从业人员的专业知识要求较高，不利于方法的拓展。当前，以人工智能为代表的现代信息技术与隧道等传统建造业的结
合是一大发展趋势，可以为隧道数字化智能建造基础理论注入新的活力。但智能算法往往通过大量工程实测样本来预测和分析隧道结构和围岩的时序变化趋势，缺乏对力学机理的考虑。综上所述，面对这一难题时既需要在利用新科技与智能化手段来迎接新的挑战，也需要挖掘问题背后的物理机制，抽象出合理的力学模型，才能提出用于分析隧道围岩稳定性分析的准确、高效和便捷的方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种深部硬岩隧道围岩稳定性三维动态量化评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0007]S1：通过现场原位测试手段和数字化手段采集隧道地质和围岩的参数；
[0008]S2：利用采集的参数构建基于GZZ三维岩体强度准则的隧道围岩三维力学分析模型，并给出破坏区的控制方程和目标函数；
[0009]S3：封装相关参数和目标函数到人工智能算法中，并使用人工智能算法对目标函数进行求解；
[0010]S4：利用封装的人工智能算法程序自动执行隧道掘进过程中参数动态更新后的稳定性评估。
[0011]进一步地，S1具体包括如下步骤：
[0012]S11：利用数字化手段(三维激光扫描或双目数字照相等非接触测量技术)开展精准、快速的隧道开挖面上迹线和结构面产状等精细数字化信息原位获取，确定地质强度指标GSI和扰动系数D；
[0013]S12：通过回弹动力学测试或经验统计模型等方式获取岩石软硬程度m
i
；结合所述S11中获取的参数GSI和D，进一步计算岩体强度参数m
b
、s和a，参数m
b
、s和a的计算公式表示为：
[0014][0015]S13：利用现场真三轴试验、获取岩石单轴抗压强度σ
c
；地质勘测手段(水压致裂法和声发射法等)现场原位测试水平地应力p和竖直地应力q。
[0016]进一步地，S2具体包括如下步骤：
[0017]S21：根据静力平衡条件与GZZ三维强度准则，构建获取围岩破坏区内应力分布的控制方程，其中GZZ三维强度准则表示为：
[0018][0019]其中，
[0020]S22：利用两个弹性复势函数给出围岩未破坏区域内的应力分布；
[0021]S23：根据静力平衡原理给出确定破坏区的控制方程组，给出求解破坏区的目标函数。
[0022]进一步地，S21中，围岩破坏区内应力分布通过如下步骤实现：
[0023]S211：建立非关联的塑性势函数Q、表示为：
[0024][0025]其中，β为反映岩体剪胀特性的体积修正系数；
[0026]根据非关联的塑性势函数Q、塑性流动法则与隧道轴向应变ε
z
获取确定隧道面外塑性应力σ
z
的关系式，表示为：
[0027][0028]其中，dλ为一正的比例因子；
[0029]S212：将S211中确定隧道面外塑性应力σ
z
的关系式代入GZZ三维强度准则，得到关于围岩垂直于隧道掘进方向的面内应力控制方程，表示为：
[0030][0031]其中，α根据隧道轴向应变ε
z
的大小确定，最为一般的情形是ε
z
＝0时的平面应变模型，此时α取0.5
[0032]S213：将控制方程结合平衡微分方程，采用滑移线法获取破坏区内围岩应力分布。
[0033]进一步地，S22中，围岩未破坏区域内的应力分布通过如下步骤实现：
[0034]S221：将围岩中破坏区的边界用一个映射函数来表示，其形式为Taylor级数，表示为：
[0035][0036]其中，R和C
k
为待求的映射函数系数，且均为实数；m≥6；求解映射函数系数等价于确定破坏区的分布形态，即将破坏区的形状和大小参数化定量表示；
[0037]S222：围岩未破坏区域内的应力分布使用两个与地应力有关的复势函数表示，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种深部硬岩隧道围岩稳定性三维动态量化评价方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：通过现场原位测试手段和数字化手段采集隧道地质和围岩的参数；S2：利用采集的参数构建基于GZZ三维岩体强度准则的隧道围岩三维力学分析模型，并给出破坏区的控制方程和目标函数；S3：封装相关参数和目标函数到人工智能算法中，并使用人工智能算法对目标函数进行求解；S4：利用封装的人工智能算法程序自动执行隧道掘进过程中参数动态更新后的稳定性评估。2.根据权利要求1所述的深部硬岩隧道围岩稳定性三维动态量化评价方法，其特征在于，所述S1具体包括如下步骤：S11：利用数字化手段开展精细数字化信息原位获取，确定地质强度指标GSI和扰动系数D；S12：通过回弹动力学测试或经验统计模型的方式获取岩石软硬程度m
i
；结合所述S11中获取的参数GSI和D，进一步计算岩体强度参数m
b
、s和a，参数m
b
、s和a的计算公式表示为：S13：利用现场真三轴试验、获取岩石单轴抗压强度σ
c
；地质勘测手段(水压致裂法和声发射法等)现场原位测试水平地应力p和竖直地应力q。3.根据权利要求2所述的深部硬岩隧道围岩稳定性三维动态量化评价方法，其特征在于，所述S2具体包括如下步骤：S21：根据静力平衡条件与GZZ三维强度准则，构建获取围岩破坏区内应力分布的控制方程，其中GZZ三维强度准则表示为：其中，S22：利用两个弹性复势函数给出围岩未破坏区域内的应力分布；S23：根据静力平衡原理给出确定破坏区的控制方程组，给出求解破坏区的目标函数。4.根据权利要求3所述的深部硬岩隧道围岩稳定性三维动态量化评价方法，其特征在于，所述S21中，围岩破坏区内应力分布通过如下步骤实现：S211：建立非关联的塑性势函数Q、表示为：
其中，β为反映岩体剪胀特性的体积修正系数；根据非关联的塑性势函数Q、塑性流动法则与隧道轴向应变ε
z
获取确定隧道面外塑性应力σ
z
的关系式，表示为：其中，dλ为一正的比例因子；S212：将S211中确定隧道面外塑性应力σ
z
的关系式代入GZZ三维强度准则，得到关于围岩垂直于隧道掘进方向的面内应力控制方程，表示为：其中，α根据隧道轴向应变ε
z
的大小确定，最为一般的情形是ε
z
＝0时的平面应变模型，此时α取0.5。S213：将所述控制方程结合平衡微分方程，采用滑移线法获取破坏区内围岩应力分布。5.根据权利要求4所述的深部硬岩隧道围岩稳定性三维动态量化评价方法，其特征在于，所述S22中，围岩未破坏区域内的应力分布通过如下步骤实现：S221：将围岩中破坏区的边界用一个映射函数来表示，其形式为Taylor级数，表示为：其中，R和c
k
为待求的映射函数系数，且均为实数；m≥6；求解映射函数系数等价于确定了破坏区的分布形态，即将破坏区的形状和大小参数化定量表示；S222：围岩未破坏区域内的应力分布使用两个与地应力有关的复势函数表示，其形式为Taylor级数，表示为：为Taylor级数，表示为：其中，a
k
和b
k
均为实数；n≥40；S223：给定...

【专利技术属性】
技术研发人员：马耀财，朱合华，蔡武强，卫向阳，苏辰龙，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：