隧道初期支护时机动态确定方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种隧道初期支护时机动态确定方法，属于隧道工程技术领域，第一步：获取隧道信息，并构建待求解围岩

【技术实现步骤摘要】
隧道初期支护时机动态确定方法及系统


[0001]本专利技术属于隧道工程
，尤其涉及一种隧道初期支护时机动态确定方法及系统。

技术介绍

[0002]根据隧道力学理论，主动调整支护结构的支护时机可以优化围岩
‑
支护结构承载状态，控制隧道变形在合理范围之内。对于高地应力环境下围岩条件较好的隧道工程，若支护时机过早，支护结构将承受围岩释放的较大压力，可通过适当延后支护时机以释放部分围岩压力，提高支护结构安全系数；而对于高地应力环境下围岩条件较差的隧道工程，若支护时机过晚，支护结构将无法控制围岩产生的较大变形，可通过提早支护，以及时控制围岩变形。因此，根据隧道工程所处的具体地质环境、工程对应的变形控制基准，动态确定初期支护的支护时机对指导现场施工具有十分重要的意义。同时，随着岩石(岩体)力学、隧道力学等理论的发展，可通过理论解析的方式求解隧道不同支护时机下围岩
‑
支护结构协同演变过程。
[0003]目前，支护时机的确定方法主要通过数值模拟实现，包括二维数值计算和三维数值计算。其中，二维数值模拟将隧道纵向空间效应等效为虚拟支撑力或位移释放系数，三维数值模拟主要考虑与掌子面间距对应的位移完成程度。然而开展数值模拟所需的大量人力、时间成本与施工进度要求相冲突，因而具有一定的局限性。另一方面，现场试验也是确定合理支护时机的常用方法，但需设置专用的试验段且测试成本高昂，其仅适用于地质条件特别恶劣的地段，无法大规模应用。因此，现有支护时机确定方法存在的主要问题如下：(1)数值模拟计算成本与时间要求无法满足施工现场进度需求，故而，现场技术人员往往不考虑支护时机的变形主动控制方案，采用及时支护措施；(2)现场试验手段成本高昂，无法开展大规模应用；(3)未有高效、便利、动态、高普适性的支护时机选取方法。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供的一种隧道初期支护时机动态确定方法及系统，解决了
技术介绍
中现有支护时机确定方法不足的问题。
[0005]为了达到以上目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]本方案提供一种隧道初期支护时机动态确定方法，包括以下步骤：
[0007]S1、获取隧道信息，并构建待求解围岩
‑
支护结构变形方程；
[0008]S2、根据所述待求解围岩
‑
支护结构变形方程，基于实际隧道工程的变形控制基准、施工条件动态选取合适的隧道初期支护时机，完成隧道初期支护时机的动态确定。
[0009]本专利技术的有益效果是：本专利技术在收集隧道工程相关参数的基础上即可快速、大量地计算得出不同支护时机下围岩
‑
支护结构变形及支护结构受力情况；本专利技术通过及时调整现场不断变化的围岩参数、支护结构方案，建立不同的求解方程，因此，本专利技术适用于不同隧道或同一隧道不同段落，并可动态指导施工，且可依据现场变形控制基准、支护结构受
力状态、施工条件等选取适宜的支护时机，本专利技术方法高效、简便，可针对实际情况动态调整计算参数，得到与具体隧道工程相适应的支护时机。
[0010]进一步地，所述步骤S1包括以下步骤：
[0011]S101、根据获取的隧道信息，将不同隧道断面形式等效为圆形断面隧道：
[0012][0013]其中，R0表示圆形断面隧道半径，h表示隧道原断面高度，B表示隧道原断面跨度之半；
[0014]S102、以研究断面施作初期支护时距掌子面距离表征支护时间，确定支护时机的计算工况；
[0015]S103、根据所述圆形断面隧道，引入根据隧道工程实际形变特征动态调整的掌子面虚拟支撑力，构建待求解围岩
‑
支护结构变形方程。
[0016]上述进一步方案的有益效果是：以掌子面距研究断面的距离为自变量，可求解得到掌子面不断推进过程中的围岩
‑
支护结构变形及支护结构受力的实时解；引进的掌子面虚拟支撑力计算公式，可通过现场统计或采取经验公式得到与具体工程相符且可动态调整的表达形式，适用范围较广。
[0017]再进一步地，所述步骤S103包括以下步骤：
[0018]S1031、根据所述圆形断面隧道，建立含待定参数的考虑隧道纵向空间效应及支护结构反力的围岩
‑
支护结构变形方程；
[0019]S1032、引入根据隧道工程实际形变特征动态调整的掌子面虚拟支撑力；
[0020]S1033、根据隧道初期支护位移和支护刚度，构建支护结构反力方程；
[0021]S1034、将掌子面虚拟支撑力以及支护结构反力方程代入围岩
‑
支护结构变形方程，构建待求解围岩
‑
支护结构变形方程。
[0022]上述进一步方案的有益效果是：基于收集的现场数据，可快速、大量地计算得出不同支护时机工况下围岩
‑
支护结构变形及支护结构受力情况；本专利技术中围岩
‑
支护结构变形方程的所有数据来源，构建基础均可依据现场实时情况动态调整，使得本专利技术实用范围较广。
[0023]再进一步地，所述步骤S1031中围岩
‑
支护结构变形方程的表达式如下：
[0024][0025][0026][0027]其中，表示虚拟支撑力和支护结构反力作用下的围岩变形，R0表示圆形断面隧道半径，G表示围岩剪切模量，p
s
表示支护结构反力，p'表示隧道纵向空间效应的等效虚
拟支撑力，p
g
表示原岩应力，c表示围岩黏聚力，表示围岩内摩擦角，α和k表示与岩石内摩擦角和黏聚力有关的试验常数。
[0028]上述进一步方案的有益效果是：通过构建含待定系数的围岩
‑
支护结构变形方程，即可简便求解隧道开挖
‑
支护全过程的隧道变形情况。
[0029]再进一步地，所述步骤S1032中动态调整的掌子面虚拟支撑力的表达式如下：
[0030]p'＝p
g
·
[1
‑
χ(x)][0031]χ(x)＝1
‑
Ae
B
·
x
[0032]其中，p'表示动态调整的掌子面虚拟支撑力，x表示研究断面距掌子面的距离，χ(x)表示依据现场统计的位移完成系数，p
g
表示原岩应力，B表示隧道原断面跨度之半，A表示依据现场统计数据拟合得到的常数。
[0033]上述进一步方案的有益效果是：求解方程以掌子面距研究断面的距离为自变量，可求解得到掌子面不断推进过程中的围岩
‑
支护结构变形及支护结构受力的实时解，更好掌握隧道力学演变规律；引入的虚拟支撑力公式基于不同的隧道工程具有不同的表达形式。
[0034]再进一步地，所述步骤S1033中支护结构反力方程的表达式如下：
[0035][0036]其中，p
s
表示支护结构反力，k
s...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种隧道初期支护时机动态确定方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、获取隧道信息，并构建待求解围岩
‑
支护结构变形方程；S2、根据所述待求解围岩
‑
支护结构变形方程，基于实际隧道工程的变形控制基准、施工条件动态选取合适的隧道初期支护时机，完成隧道初期支护时机的动态确定。2.根据权利要求1所述的隧道初期支护时机动态确定方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：S101、根据获取的隧道信息，将不同隧道断面形式等效为圆形断面隧道：其中，R0表示圆形断面隧道半径，h表示隧道原断面高度，B表示隧道原断面跨度之半；S102、以研究断面施作初期支护时距掌子面距离表征支护时间，确定支护时机的计算工况；S103、根据所述圆形断面隧道，引入根据隧道工程实际形变特征动态调整的掌子面虚拟支撑力，构建待求解围岩
‑
支护结构变形方程。3.根据权利要求2所述的隧道初期支护时机动态确定方法，其特征在于，所述步骤S103包括以下步骤：S1031、根据所述圆形断面隧道，建立含待定参数的考虑隧道纵向空间效应及支护结构反力的围岩
‑
支护结构变形方程；S1032、引入根据隧道工程实际形变特征动态调整的掌子面虚拟支撑力；S1033、根据隧道初期支护位移和支护刚度，构建支护结构反力方程；S1034、将掌子面虚拟支撑力以及支护结构反力方程代入围岩
‑
支护结构变形方程，构建待求解围岩
‑
支护结构变形方程。4.根据权利要求3所述的隧道初期支护时机动态确定方法，其特征在于，所述步骤S1031中围岩
‑
支护结构变形方程的表达式如下：支护结构变形方程的表达式如下：支护结构变形方程的表达式如下：其中，表示虚拟支撑力和支护结构反力作用下的围岩变形，R0表示圆形断面隧道半径，G表示围岩剪切模量，p
s
表示支护结构反力，p'表示隧道纵向空间效应的等效虚拟支撑力，p
g
表示原岩应力，c表示围岩黏聚力，表示围岩内摩擦角，α和k表示与岩石内摩擦角和黏聚力有关的试验常数。5.根据权利要求3所述的隧道初期支护时机动态确定方法，其特征在于，所述步骤S1032中动态调整的掌子面虚拟支撑力的表达式如下：
p'＝p
g
·
[1
‑
χ(x)]χ(x)＝1
‑
Ae
B
·
x
其中，p'表示动态调整的掌子面虚拟支...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈子全，何川，周子寒，马伟斌，汪波，邹文浩，
申请(专利权)人：中国国家铁路集团有限公司中国铁道科学研究院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：