一种深埋隧洞非线弹性围岩板裂预测方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种深埋隧洞非线弹性围岩板裂预测方法及系统，涉及隧洞技术领域，通过将围岩视为非线性围岩，根据所述应力应变数据拟合应力应变曲线，结合岩体距离所述隧洞中心的距离与应力之间的关系，生成不同位置处所述岩体对应的弹性模量，此时计算出的弹性模量更适用于非线性围岩，基于此，将不同位置处所述岩体的所述弹性模量和所述隧洞的参数信息输入非线弹性围岩应力模型中，得到围岩中所述岩体受到的内部拉应力，此时得到的内部拉应力更为准确，然后判断内部拉应力是否满足强度约束条件，当判断所述围岩会发生板裂时，生成提醒预防信息，提醒施工人员调整支护设备的支护应力或者及时撤离隧洞

【技术实现步骤摘要】
一种深埋隧洞非线弹性围岩板裂预测方法及系统


[0001]本专利技术涉及隧洞
，具体而言，涉及一种深埋隧洞非线弹性围岩板裂预测方法及系统
。

技术介绍

[0002]在深埋高地应力条件下，硬脆性岩体表现出与浅埋地应力条件下完全不同的力学行为，规律性的板裂化破裂是深埋隧洞硬脆性围岩的普遍规律和现象
。
板裂化可弱化围岩强度，引发岩爆等动力灾害，给施工人员及设备安全造成了严重危害
。
[0003]常规的弹性围岩应力分析方法常常将岩石视为理想弹性体，但是实质上，岩石经历亿万年的地质作用，内部广泛分布有微观孔隙和裂纹，其应力
–
应变关系也表现出强烈的非线性特征，因此基于弹性围岩应力分析方法，对围岩板裂现象进行分析得到的围岩板裂预测结果不够准确，使得预测结果对于隧洞施工前或施工过程中的指导作用下降
。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的问题是基于现有弹性围岩应力分析方法，对围岩板裂现象进行分析得到的围岩板裂预测结果不够准确
。
[0005]为解决上述问题，一方面，本专利技术提供了一种深埋隧洞非线弹性围岩板裂预测方法，包括：
[0006]获取隧洞所在地围岩样本的应力应变数据和所述隧洞的参数信息；
[0007]根据所述应力应变数据拟合应力应变曲线，结合岩体距离所述隧洞中心的距离与应力之间的关系，生成不同位置处所述岩体对应的弹性模量；
[0008]将不同位置处所述岩体的所述弹性模量和所述隧洞的参数信息输入非线弹性围岩应力模型中，得到围岩中所述岩体受到的内部拉应力；
[0009]根据所述内部拉应力和强度约束条件，预测所述围岩是否会发生板裂
。
[0010]可选地，所述根据所述应力应变数据拟合应力应变曲线，结合岩体距离所述隧洞中心的距离与应力的关系，生成不同位置处所述岩体对应的弹性模量包括：
[0011]根据所述应力应变数据拟合应力应变曲线，得到非线弹性围岩的弹性模量与应力之间的关系，记为弹模应力关系；
[0012]根据岩体距离所述隧洞中心的距离与应力的关系，结合所述弹模应力关系，得到所述弹性模量与所述距离之间的关系，生成不同位置处所述岩体对应的弹性模量
。
[0013]可选地，所述根据所述应力应变数据拟合应力应变曲线，得到非线弹性围岩的弹性模量与应力之间的关系包括：
[0014]分析所述应力应变数据拟合应力应变曲线上每一点的斜率，拟合所述斜率与所述应力之间的对应关系，得到所述非线弹性围岩的所述弹性模量与所述应力之间的关系
。
[0015]可选地，所述岩体距离所述隧洞中心的距离与所述应力之间的关系为：
[0016][0017]其中，
σ
r
(r,
θ
)
为径向应力，
θ
为极角，
r
为所述岩体距离所述隧洞中心的距离；
a
是巷道半径；
p
为地应力
。
[0018]可选地，所述将不同位置处所述岩体的所述弹性模量和所述隧洞的参数信息输入非线弹性围岩应力模型中，得到围岩中所述岩体受到的内部拉应力之前，还包括：
[0019]将所述隧洞周围的所述围岩划分为多层围岩圈层，得到所述围岩圈层的地应力
、
围岩圈层内径和围岩圈层外径；
[0020]根据轴对称力学分析原理，得到每一层所述围岩圈层的应力分布模型；
[0021]根据相邻两个所述围岩圈层之间的应力关系和应变关系，结合每一层所述围岩圈层的所述应力分布模型，确定所述应力分布模型的系数，得到与所述隧洞相适配的所述非线弹性围岩应力模型
。
[0022]可选地，所述应力分布模型包括：
[0023][0024][0025]其中，
A
i
、C
i
为第
i
层的所述围岩圈层的所述应力分布模型中的待定系数，
σ
ir
为第
i
层的径向应力，
σ
i
θ
为第
i
层的切向应力，
r
为所述岩体距离所述隧洞中心的距离，
r
i
为第
i
层的所述围岩圈层的内径，
r
i+1
为第
i+1
层的所述围岩圈层的内径
。
[0026]可选地，所述内部拉应力为：
[0027][0028]其中，
σ
G
为所述岩体的所述内部拉应力，
σ1为最大主应力，
σ3为最小主应力
。
[0029]可选地，所述强度约束条件为所述岩体的所述内部拉应力小于或等于所述岩体的抗拉强度
。
[0030]可选地，所述根据所述内部拉应力和强度约束条件，预测所述围岩是否会发生板裂包括：
[0031]当所述内部拉应力满足所述强度约束条件时，预测所述围岩会发生板裂；
[0032]当所述内部拉应力不满足所述强度约束条件时，预测所述围岩不会发生板裂
。
[0033]另外一方面，本专利技术还提供了一种深埋隧洞非线弹性围岩板裂预测系统，包括：
[0034]数据获取模块，用于获取隧洞所在地围岩样本的应力应变数据和所述隧洞的参数信息；
[0035]弹模分析模块，用于根据所述应力应变数据拟合应力应变曲线，结合岩体距离所述隧洞中心的距离与应力之间的关系，生成不同位置处所述岩体对应的弹性模量；
[0036]应力分析模块，用于将不同位置处所述岩体的所述弹性模量和所述隧洞的参数信息输入非线弹性围岩应力模型中，得到围岩中所述岩体受到的内部拉应力；
[0037]板裂预测模块，用于根据所述内部拉应力和强度约束条件，预测所述围岩是否会发生板裂
。
[0038]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0039]本专利技术提供的一种深埋隧洞非线弹性围岩板裂预测方法及系统，通过将围岩视为非线性围岩，根据所述应力应变数据拟合应力应变曲线，结合岩体距离所述隧洞中心的距离与应力之间的关系，生成不同位置处所述岩体对应的弹性模量，此时计算出的弹性模量更适用于非线性围岩，基于此，将不同位置处所述岩体的所述弹性模量和所述隧洞的参数信息输入非线弹性围岩应力模型中，得到围岩中所述岩体受到的内部拉应力，此时得到的内部拉应力更为准确，然后判断内部拉应力是否满足强度约束条件，当判断所述围岩会发生板裂时，生成提醒预防信息，提醒施工人员调整支护设备的支护应力或者及时撤离隧洞
。
附图说明
[0040]图1示出了本专利技术实施例中一种深埋隧洞非线弹性围岩板裂预测方法的流程示意图；
[0041]图2示出了本专利技术实施例中围岩的应力应变关系曲线图；
[0042]图3示出了本专利技术实施例中无限大弹性岩体中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种深埋隧洞非线弹性围岩板裂预测方法，其特征在于，包括：获取隧洞所在地围岩样本的应力应变数据和所述隧洞的参数信息；根据所述应力应变数据拟合应力应变曲线，结合岩体距离所述隧洞中心的距离与应力之间的关系，生成不同位置处所述岩体对应的弹性模量；将不同位置处所述岩体的所述弹性模量和所述隧洞的参数信息输入非线弹性围岩应力模型中，得到围岩中所述岩体受到的内部拉应力；根据所述内部拉应力和强度约束条件，预测所述围岩是否会发生板裂
。2.
根据权利要求1所述的深埋隧洞非线弹性围岩板裂预测方法，其特征在于，所述根据所述应力应变数据拟合应力应变曲线，结合岩体距离所述隧洞中心的距离与应力的关系，生成不同位置处所述岩体对应的弹性模量包括：根据所述应力应变数据拟合应力应变曲线，得到非线弹性围岩的弹性模量与应力之间的关系，记为弹模应力关系；根据岩体距离所述隧洞中心的距离与应力的关系，结合所述弹模应力关系，得到所述弹性模量与所述距离之间的关系，生成不同位置处所述岩体对应的弹性模量
。3.
根据权利要求1所述的深埋隧洞非线弹性围岩板裂预测方法，其特征在于，所述根据所述应力应变数据拟合应力应变曲线，得到非线弹性围岩的弹性模量与应力之间的关系包括：分析所述应力应变数据拟合应力应变曲线上每一点的斜率，拟合所述斜率与所述应力之间的对应关系，得到所述非线弹性围岩的所述弹性模量与所述应力之间的关系
。4.
根据权利要求2所述的深埋隧洞非线弹性围岩板裂预测方法，其特征在于，所述岩体距离所述隧洞中心的距离与所述应力之间的关系为：其中，
σ
r
(r,
θ
)
为径向应力，
θ
为极角，
r
为所述岩体距离所述隧洞中心的距离；
a
是巷道半径；
p
为地应力
。5.
根据权利要求1所述的深埋隧洞非线弹性围岩板裂预测方法，其特征在于，所述将不同位置处所述岩体的所述弹性模量和所述隧洞的参数信息输入非线弹性围岩应力模型中，得到围岩中所述岩体受到的内部拉应力之前，还包括：将所述隧洞周围的所述围岩划分为多层围岩圈层，得到所述围岩圈层的地应力
、
围岩圈层内径和围岩圈层外径；根据轴对称力学分析原理，得到每一层所述围岩圈层的应力分布模型；根据相邻两个所述围岩圈层之间的应力关系和应变关系，结合每一层所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：高祥，祝平华，李赵九，王明刚，寇学超，陈哲斌，韦鑫颖，杨益，胡茂，张玉，
申请(专利权)人：安徽理工大学中铁四局集团第五工程有限公司，
类型：发明
国别省市：