隧道临界稳定断面自动迭代方法及快速确定装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供隧道临界稳定断面自动迭代方法及快速确定装置，方法包括：步骤1.参数设定；步骤2.参数化建模；步骤3.计算安全系数；步骤4.判断本次迭代后的安全系数是否等于目标值，若等于，迭代终止，否则计算下一次迭代的尺寸调整比例；步骤5.根据尺寸调整比例计算下一循环的隧道半径，重复2～4，直至判断为等于；步骤6.计算最大位移，判断是否满足容许位移要求，若满足，迭代结束，得到临界稳定断面；否则，进入第二阶段迭代，迭代目标为容许位移；步骤7.指定半径的上、下限；步骤8.计算最大位移；步骤9.判断最大位移是否满足要求，若满足，迭代终止，得到临界稳定断面；否则，更新上、下限；步骤10.重复8～9，直到收敛。

【技术实现步骤摘要】
隧道临界稳定断面自动迭代方法及快速确定装置
本专利技术属于隧道工程领域，具体涉及隧道临界稳定断面自动迭代方法及快速确定装置。
技术介绍
隧道工程施工过程中，围岩是否稳定以及稳定的程度对施工人员和设备的安全至关重要。理论上，对于同等级别的围岩，隧道的断面面积或跨度越大，围岩的稳定性越差，隧道的断面面积或跨度越小，围岩的稳定性越好。因此，现有研究提出了隧道临界稳定断面的概念，即与设计开挖断面中心埋深相同、几何形状相似、在无支护状态下能够以设计安全系数达到自稳并基本能够维持原有形状的最大断面。当开挖断面小于临界稳定断面时，可认为围岩拥有足够的承载能力，不需要支护措施，否则需要施加支护措施，使其达到设计所需的安全系数。现有的临界稳定断面确定方法的不足包括以下几个方面：1.需要手动调整隧道尺寸，并多次反复地建立数值模型进行计算，计算过程繁琐，耗时较久，效率低。2.需要提前确定用于尺寸调整的上限和下限，计算工作量大。3.未考虑隧道的容许变形量，可能导致得到的临界稳定断面的隧道变形量超过容许值，导致计算结果不合理。
技术实现思路
本专利技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种隧道临界稳定断面自动迭代方法及快速确定装置，能够高效、方便和可靠的获得满足安全系数和容许位移的临界稳定断面。本专利技术首先对多心圆隧道进行参数化建模。其方法为将多心圆隧道各个圆弧的端点、半径、圆心、定义为参数，并按照隧道标准断面尺寸对圆弧半径的参数赋值。根据圆弧中的三角关系，利用圆弧半径的参数及圆弧角度数值对圆弧的端点和圆心赋值。通过参数化建模，只需通过一个尺寸调整比例，即可等比例改变各个圆弧的半径数值，得到如图1所示几何形状相似的多心圆隧道开挖断面。建模过程可利用FLAC3D软件完成。对于建立的数值模型，通过强度折减法计算开挖隧道安全系数，其定义为：式中：c和表示样本输入的粘聚力和内摩擦角,ccr和表示掌子面处于极限状态时的临界粘聚力和临界内摩擦角。式中的Fs表示安全系数，对于给定的数值模型和参数，FLAC3D可通过自带的强度折减法计算得到Fs。研究表明当安全系数小于1.15时，数值模型为失稳状态，当安全系数大于等于1.15时，数值模型为稳定状态。因此，本专利技术以Fs＝1.15作为临界稳定状态的目标值，用于判断隧道开挖后围岩是否稳定。需要说明的是，数值软件中模拟的岩土体是连续、均质和各项同性的，而实际工程的岩土体都是不连续、非均质和各项异性，此外，地勘资料得到的岩土体参数也很有可能与实际情况有出入，因此，数值计算结果往往偏安全(即计算安全系数偏大)。为了使得计算结果更加符合实际情况，本专利技术在安全系数临界值Fs＝1.15的基础上引入一个安全储备系数综合考虑数值模型和实际工程的差异性，然后将作为安全系数的目标值进行设计。安全储备系数的准确数值需要通过多次现场试验，根据真实的临界稳定断面确定，代价高，难度大，目前难以实施，而且，试验数据具有一定的波动性，只能得到一个大致的范围。本专利技术建议其取值范围为具体数值根据工程的重要性等级选取，工程重要性等级为一级取工程重要性等级为二级取工程重要性等级为三级取本专利技术的主要目的是提供临界稳定断面的确定方法。后期，随着工程数据的不断积累，可以对安全储备系数的取值范围进行修正，从而得到更为准确的临界稳定断面。为了在迭代过程中对隧道的尺寸进行调整，本专利技术基于计算得到的安全系数，定义一个隧道尺寸调整比例：式中：—第n次迭代计算得到的安全系数；—安全系数目标值αn+1—第n次迭代中隧道尺寸调整比例(用于第n+1次的尺寸调整)。第n+1次迭代中隧道的尺寸调整方式为：rn+1＝rn·αn+1(3)式中：rn—第n次迭代所采用的隧道半径；rn+1—第n+1次迭代所采用的隧道半径。以图1为例，到n+1迭代步时，为叙述方便，文中以r指代r1、r2、r3。式(2)的原理是，当计算安全系数小于目标临界值时，表示隧道断面尺寸偏大，因此需要将现在的隧道半径乘以小于1的数值；当计算安全系数大于目标临界值时，表示隧道断面尺寸偏小，因此需要将现在的隧道半径乘以大于1的数值。通过不断迭代，当计算安全系数达到目标临界值时(即)，隧道尺寸调整比例αn+1＝1.0，隧道尺寸将不再进行调整，迭代终止。FLAC3D自带强度折减法计算可以直接得到模型的安全系数Fs，但这种方法只考虑了模型的受力特征，并未考虑隧道开挖产生的位移对隧道稳定性的影响。为了在临界稳定断面的计算中考虑位移的影响，可在数值模拟中，对隧道的拱顶和洞周的收敛等代表性位置的位移进行监测，在每一个迭代步结束时，通过命令查看隧道的最大位移。对于迭代终止时的隧道断面(rn)，如果监测的隧道最大位移小于容许位移，则该断面(rn)为临界稳定断面。否则，说明该断面(rn)的隧道的位移量超出允许值，不满足临界稳定断面条件，需要进一步缩小隧道的断面。为了得到满足隧道容许位移的临界稳定断面，将进行第二阶段的迭代。此阶段不再将安全系数作为迭代目标，而是将隧道的容许位移作为迭代目标。迭代开始时，将隧道开挖断面圆弧半径下限取0，上限取为rn，通过二分法调整隧道尺寸，其中下一个迭代步的隧道圆弧半径为:rn+1＝(rn上限+rn下限)/2(4)式中：r上限—隧道圆弧半径上限值；r下限—隧道圆弧半径下限值。由于计算结果算出的位移值是一个小数，而容许目标值通常都是取为整数，为了满足迭代终止条件，本专利技术设定一个容差β，该参数决定了迭代结果的精度。容差β的值越小，计算的精度越高，但计算的时间越长。当数值计算结果得到的隧道的最大位移与差值的绝对值小于容差β时，即可认为达到迭代终止条件。第二阶段的迭代采用二分法原理调整隧道尺寸，在每一步迭代终止时，如果计算的隧道最大位移大于容许位移时，说明此时的隧道断面仍然大于临界稳定断面，需要进一步缩小尺寸。因此，保持r下限的值不变，令rn+1上限＝(rn上限+rn下限)/2，并根据公式(4)计算下一个迭代步的隧道半径。如果计算位移小于容许位移说明此时的隧道断面小于临界稳定断面，需要扩大隧道断面，此时，保持r上限的值不变，令rn+1下限＝(rn上限+rn下限)/2，并根据公式(4)计算下一个迭代步的半径。通过多次迭代计算，当满足迭代终止条件时(公式(5))，计算结束。此时的隧道断面即为隧道临界稳定断面。迭代过程如图2所示。具体地，本专利技术采用了以下方案：<方法>如图2所示，本专利技术提供一种隧道临界稳定断面自动迭代方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据隧道尺寸和工程要求设定多心圆隧道模型各圆弧的半径初始值，安全系数目标值Fs＊，隧道容许位移和容差β的数值；步骤2：根据半径初始值r1，或步骤5迭代步更新的半径数据rn+1，进行参数化建模，得到能够基于半径变化等比例缩放更新断面尺寸的隧道数值计算模型；步骤3：采用FLAC3D自带的强度折减法进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于强度折减法的隧道临界稳定断面自动迭代方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：根据隧道尺寸和工程要求设定多心圆隧道模型各圆弧的半径初始值，安全系数目标值F

【技术特征摘要】
1.一种基于强度折减法的隧道临界稳定断面自动迭代方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据隧道尺寸和工程要求设定多心圆隧道模型各圆弧的半径初始值，安全系数目标值Fs＊，隧道容许位移和容差β的数值；
步骤2：根据半径初始值r1，或步骤5迭代步更新的半径数据rn+1，进行参数化建模，得到能够基于半径变化等比例缩放更新断面尺寸的隧道数值计算模型；
步骤3：采用强度折减法进行强度折减计算，得到安全系数
步骤4：判断本次迭代后计算得到的安全系数是否等于目标值如果等于，迭代终止，否则计算下一次迭代的尺寸调整比例
步骤5：根据尺寸调整比例计算下一循环的隧道半径rn+1＝rn·αn+1，重复步骤2～4，直至第一阶段迭代结束；
步骤6：根据第一阶段结束时的隧道半径rn更新隧道数值计算模型，计算并得到隧道最大位移判断是否满足，如果满足，全部迭代结束，此时的隧道断面即为临界稳定断面；否则，进入第二阶段迭代，将迭代目标改为隧道容许位移
步骤7：指定第二阶段迭代中隧道半径的上限rn上限＝rn和下限rn下限＝0，其中rn为第一阶段迭代结束时得到的隧道半径；
步骤8：更新下一个迭代步的隧道半径rn+1＝(rn上限+rn下限)/2，并以该隧道半径rn+1更新隧道数值计算模型，计算并得到隧道最大位移
步骤9：判断如果满足，迭代终止，此时的断面为隧道临界稳定断面；否则，更新上限和下限：当时，令rn+1上限＝(rn上限+rn下限)/2，rn+1下限＝rn下限，反之，则令rn+1上限＝rn上限，rn+1下限＝(rn上限+rn下限)/2；
步骤10：重复8～9步，直到满足收敛条件时，迭代终止。


2.根据权利要求1所述的基于强度折减法的隧道临界稳定断面自动迭代方法，其特征在于：
其中，安全系数目标值为安全储备系数，Fs为安全系数临界值。


3.根据权利要求2所述的基于强度折减法的隧道临界稳定断面自动迭代方法，其特征在于：
其中，Fs＝1.15。


4.根据权利要求2所述的基于强度折减法的隧道临界稳定断面自动迭代方法，其特征在于：
其中，为根据已知真实临界稳定断面多次现场试验的数据确定。


5.根据权利要求2所述的基于强度折减法的隧道临界稳定断面自动迭代方法，其特征在于：
其中，根据工程的重要性等级选取，对于重要性等级为一的工程取重要性等级为二的工程取重要性等级为三的工程取


6.根据权利要求1所述的基于强度折减法的隧道临界稳定断面自动迭代方法，其特征在于：
其中，在步骤2中，是将多心圆隧道各个圆弧的端点、半径、圆心定义为参数，并按照隧道标准断面尺寸对圆弧半径的参数赋值；根据圆弧中的三角关系，利用圆弧半径的参数及圆...

【专利技术属性】
技术研发人员：李斌，尤昭，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42