【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及隧道工程领域，特别涉及城门洞形隧洞岩衬结构计算方法。
技术介绍
1、在水电工程中，城门洞形是一种常用的隧洞断面形式，常见于泄水建筑物中。不同于圆形隧洞，城门洞形隧洞应力变化更加复杂，其结构计算分析也较之圆形隧洞更加困难。特别地，对隧洞岩衬结构进行快速计算有助于隧道工程快速设计，对于城门洞形隧洞，使用常规解析方法不能得到岩衬结构的计算结果，而使用数值方法进行计算，需要花费大量的时间和资源。
2、结构计算的一大难题是参数确定，有些工程可以进行现场初始地应力以及围岩力学参数实测，但该方法的适用范围很有限，为了节约资源，大部分测量结果基本都只能反映局部应力场，同时测量结果具有很大离散性。
技术实现思路
1、本专利技术所解决的技术问题：提供一种城门洞形隧洞岩衬结构计算方法，解决现有的计算城门洞形隧洞岩衬结构费时费力的问题。
2、本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案：城门洞形隧洞岩衬结构计算方法，包括以下步骤：
3、s1、实测城门洞形隧洞的围岩变形数据；
4、s2、利用遗传算法计算围岩力学参数；
5、s3、利用保角变换将有衬砌的城门洞形隧洞映射为相平面中的单位圆环域；
6、s4、根据开挖洞室实际形状建立洞室模型，并输入围岩力学参数，
7、s5、基于弹性力学理论确定衬砌内边界应力边界条件、围岩和衬砌的接触面的法向位移条件、应力矢量的连续条件以及围岩和衬砌的接触面的约束条件；
8、s6
9、进一步的，s1中，实测城门洞形隧洞的围岩变形数据包括以下步骤：
10、s11、按照施工进展情况以及围岩揭露情况，对需要测量的开挖隧洞区间进行分区，均分为n份；
11、s12、在均分处断面两个拱脚处设置靶球作为公共基点，并在隧洞中轴线上架设三维激光扫描仪，三维激光扫描仪的轴向架设于断面位置处，对隧洞进行无约束扫描，获得隧洞初始点云数据和变形后的点云数据；
12、s13、在隧洞的断面中的选取预设线段，并计算预设线段的变形前后的位移量，作为围岩变形数据。
13、进一步的，s13中，所述预设线段包括左拱顶45°与右拱顶45°的连线、左拱脚与右拱脚的连线、左边墙中部与右边墙中部的连线、左底角与右底角的连线、拱顶与左拱顶45°的连线、拱顶与左拱脚的连线、拱顶与左边墙中部的连线、拱顶与左底角的连线、拱顶)与右拱顶45°的连线、拱顶与右拱脚的连线、拱顶与右边墙中部的连线以及拱顶与右底角的连线。
14、进一步的，s2中，所述围岩力学参数包括水平方向初始地应力σx、竖直方向初始地应力σy、剪切地应力τxy、弹性模量e以及泊松比μ。
15、进一步的，s2中，利用遗传算法计算围岩力学参数包括以下步骤：
16、s21、设定目标函数为：其中uj(x)为根据正问题计算方法得到的计算位移；δuj表示位移量，j表示预设线段的序号；
17、s22、将遗传算法中的群体规模设为80，交配概率设为0.99，变异概率设为0.01，终止条件设为g(x)≤10-13，待辨识参数的优化搜索范围为：对目标函数进行优化，获得水平方向初始地应力σx、竖直方向初始地应力σy、剪切地应力τxy、弹性模量e以及泊松比μ的值。
18、进一步的，s3中，映射函数为：ζ表示相平面内的点，r为正实数，反映隧洞的大小，当隧洞形状关于x轴对称时，ck为实数，否则ck为复数。
19、进一步的，s5中，衬砌内边界应力边界条件为：其中σ1＝r0σ，表示在相平面上圆环内边界值上的边界值，σ＝ρeiθ，表示相平面上圆环外边界上的边界值，ρ＝1，θ为相平面上的极角，i表示虚数单位，和ψ3(σ1)表示衬砌的两个解析函数；围岩和衬砌的接触面的法向位移条件为：其中re表示对复数求实部，′表示求导，ˉ表示共轭，和ψ1(σ)表示围岩开挖后未支护时围岩的解析函数，和ψ2(σ)表示支护之后在衬砌单独作用下围岩对应的解析函数，k1＝3-4μ1，e1表示岩体弹性模量，μ1表示岩体的泊松比，k2＝3-4μ2，e2表示衬砌弹性模量，μ1表示衬砌的泊松比，η表示隧洞位移完成了最大位移的倍数后再进行支护，0≤η≤1；应力矢量的连续条件为：围岩和衬砌的接触面接触面的约束条件为：|τrθ|≤fr|σr|，τrθ表示接触面上的剪应力，σr表示接触面上径向正应力，fr表示摩擦系数。
20、进一步的，s6中，利用混合罚函数进行求解的模型为min表示求最小值，x表示待求参数向量，d表示约束条件，包括衬砌内边界应力边界条件、围岩和衬砌的接触面的法向位移条件、应力矢量的连续条件以及围岩和衬砌的接触面的约束条件，aλ(x)表示约束条件中的等式，λ表示等式的个数，bγ(x)为约束条件中的不等式，γ表示不等式的个数，表示围岩的切向位移，表示衬砌的切向位移。
21、进一步的，城门洞形隧洞岩衬结构计算方法还包括对围岩和衬砌内不同点的应力和位移进行处理，获得围岩的应力分布和位移分布以及衬砌的应力分布和位移分布。
22、本专利技术的有益效果：本专利技术城门洞形隧洞岩衬结构计算方法，利用遗传算法计算围岩力学参数，基于复变函数中的保角变换方法，把物理平面上有衬砌的城门洞形隧洞映射为相平面中的单位圆环域，便于利用解析方法进行求解，根据开挖洞室实际形状建立洞室模型，并输入围岩力学参数，基于弹性力学理论确定衬砌内边界应力边界条件、围岩和衬砌的接触面的法向位移条件、应力矢量的连续条件以及围岩和衬砌的接触面的约束条件，利用混合罚函数进行求解，得到围岩和衬砌内不同点的应力和位移，解决了现有的计算城门洞形隧洞岩衬结构费时费力的问题。
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1.城门洞形隧洞岩衬结构计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的城门洞形隧洞岩衬结构计算方法，其特征在于，S1中，实测城门洞形隧洞的围岩变形数据包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的城门洞形隧洞岩衬结构计算方法，其特征在于，S13中，所述预设线段包括左拱顶45°(A)与右拱顶45°(B)的连线(1)、左拱脚(C)与右拱脚(D)的连线(2)、左边墙中部(E)与右边墙中部(F)的连线(3)、左底角(G)与右底角(H)的连线(4)、拱顶(K)与左拱顶45°(A)的连线(5)、拱顶(K)与左拱脚(C)的连线(6)、拱顶(K)与左边墙中部(E)的连线(7)、拱顶(K)与左底角(G)的连线(8)、拱顶(K)与右拱顶45°(B)的连线(9)、拱顶(K)与右拱脚(D)的连线(10)、拱顶(K)与右边墙中部(F)的连线(11)以及拱顶(K)与右底角(H)的连线(12)。
4.根据权利要求3所述的城门洞形隧洞岩衬结构计算方法，其特征在于，S2中，所述围岩力学参数包括水平方向初始地应力σx、竖直方向初始地应力σy、剪切地应力τxy、弹性模量E
5.根据权利要求4所述的城门洞形隧洞岩衬结构计算方法，其特征在于，S2中，利用遗传算法计算围岩力学参数包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的城门洞形隧洞岩衬结构计算方法，其特征在于，S3中，映射函数为：ζ表示相平面内的点，R为正实数，反映隧洞的大小，当隧洞形状关于X轴对称时，Ck为实数，否则Ck为复数。
7.根据权利要求6所述的城门洞形隧洞岩衬结构计算方法，其特征在于，S5中，衬砌内边界应力边界条件为：其中σ1＝R0σ，表示在相平面上圆环内边界值上的边界值，σ＝ρeiθ，表示相平面上圆环外边界上的边界值，ρ＝1，θ为相平面上的极角，i表示虚数单位，和ψ3(σ1)表示衬砌的两个解析函数；围岩和衬砌的接触面的法向位移条件为：其中Re表示对复数求实部，′表示求导，ˉ表示共轭，和ψ1(σ)表示围岩开挖后未支护时围岩的解析函数，和ψ2(σ)表示支护之后在衬砌单独作用下围岩对应的解析函数，k1＝3-4μ1，E1表示岩体弹性模量，μ1表示岩体的泊松比，k2＝3-4μ2，E2表示衬砌弹性模量，μ1表示衬砌的泊松比，η表示隧洞位移完成了最大位移的倍数后再进行支护，0≤η≤1；应力矢量的连续条件为：围岩和衬砌的接触面接触面的约束条件为：|τrθ|≤fr|σr|，τrθ表示接触面上的剪应力，σr表示接触面上径向正应力，fr表示摩擦系数。
8.根据权利要求7所述的城门洞形隧洞岩衬结构计算方法，其特征在于，S6中，利用混合罚函数进行求解的模型为min表示求最小值，X表示待求参数向量，D表示约束条件，包括衬砌内边界应力边界条件、围岩和衬砌的接触面的法向位移条件、应力矢量的连续条件以及围岩和衬砌的接触面的约束条件，aλ(X)表示约束条件中的等式，λ表示等式的个数，bΓ(X)为约束条件中的不等式，Γ表示不等式的个数，表示围岩的切向位移，表示衬砌的切向位移。
9.根据权利要求1-8任一项所述的城门洞形隧洞岩衬结构计算方法，其特征在于，还包括对围岩和衬砌内不同点的应力和位移进行处理，获得围岩的应力分布和位移分布以及衬砌的应力分布和位移分布。
...【技术特征摘要】
1.城门洞形隧洞岩衬结构计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的城门洞形隧洞岩衬结构计算方法，其特征在于，s1中，实测城门洞形隧洞的围岩变形数据包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的城门洞形隧洞岩衬结构计算方法，其特征在于，s13中，所述预设线段包括左拱顶45°(a)与右拱顶45°(b)的连线(1)、左拱脚(c)与右拱脚(d)的连线(2)、左边墙中部(e)与右边墙中部(f)的连线(3)、左底角(g)与右底角(h)的连线(4)、拱顶(k)与左拱顶45°(a)的连线(5)、拱顶(k)与左拱脚(c)的连线(6)、拱顶(k)与左边墙中部(e)的连线(7)、拱顶(k)与左底角(g)的连线(8)、拱顶(k)与右拱顶45°(b)的连线(9)、拱顶(k)与右拱脚(d)的连线(10)、拱顶(k)与右边墙中部(f)的连线(11)以及拱顶(k)与右底角(h)的连线(12)。
4.根据权利要求3所述的城门洞形隧洞岩衬结构计算方法，其特征在于，s2中，所述围岩力学参数包括水平方向初始地应力σx、竖直方向初始地应力σy、剪切地应力τxy、弹性模量e以及泊松比μ。
5.根据权利要求4所述的城门洞形隧洞岩衬结构计算方法，其特征在于，s2中，利用遗传算法计算围岩力学参数包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的城门洞形隧洞岩衬结构计算方法，其特征在于，s3中，映射函数为：ζ表示相平面内的点，r为正实数，反映隧洞的大小，当隧洞形状关于x轴对称时，ck为实数，否则ck为复数。
7.根据权利要求6所述的城门洞形隧洞岩衬结构计算方...
【专利技术属性】
技术研发人员：尹崇林，夏勇，谢金元，唐碧华，刘跃，陈军，刘道桦，罗春，李健薄，
申请(专利权)人：中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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