一种基于数值模拟和参数反演的隧道开挖变形预测方法技术

本发明专利技术涉及隧道施工技术领域，其具体公开了一种基于数值模拟和参数反演的隧道开挖变形预测方法，包括以下步骤：(1)收集变形模量和泊松比作为待研究参数；(2)通过abapus建立二维有限元模型；(3)将所述待研究参数设置多个试验组，获得第一开挖工况下拱顶位移与变形模量和泊松比之间的函数关系，以及周边位移与变形模量和泊松比之间的函数关系；(4)将第一开挖工况下拱顶和周边位移的监测值代入上述函数关系，得到第一开挖工况下变形模量和泊松比的反演值E1和v1，将E1和v1代入二维有限元模型，得到第一开挖工况下的拱顶和周边位移的预测值S

【技术实现步骤摘要】
一种基于数值模拟和参数反演的隧道开挖变形预测方法


[0001]本专利技术涉及隧道施工
，尤其涉及一种基于数值模拟和参数反演的隧道开挖变形预测方法。

技术介绍

[0002]在进行岩石隧道开挖的数值模拟中，由于岩石本构模型参数不准确，造成岩石隧道模型对后续开挖工况的预测误差较大，不利于指导施工；目前由于计算机理论的发展，较多学者采用智能算法对岩石本构参数进行反演，此种反演均基于训练数据上进行，有较强的数学关系，但是在计算时忽略了岩石本身的力学性质，使得隧道开挖变形预测仍然不够精准，适用性不佳。

技术实现思路

[0003]本专利技术旨在至少解决上述所提及的技术问题之一，提供一种基于数值模拟和参数反演的隧道开挖变形预测方法，运用数学关系反演土层参数值，并重新代入二维有限元模型进行计算，若不满足误差准则，设置参数梯度重新计算，能够考虑土层性质，提高隧道开挖变形预测的精准度。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于数值模拟和参数反演的隧道开挖变形预测方法，包括以下步骤：
[0005](1)收集初始参数，将初始参数中的变形模量和泊松比作为待研究参数；
[0006](2)依据隧道实际工况下的断面，通过abapus建立二维有限元模型；
[0007](3)以收集的待研究参数为基准，将所述待研究参数设置多个试验组，并将其代入二维有限元模型进行计算，用改进麻雀算法分别获得第一开挖工况下拱顶位移与变形模量和泊松比之间的函数关系，以及周边位移与变形模量和泊松比之间的函数关系；
[0008](4)将第一开挖工况下拱顶和周边位移的监测值代入上述函数关系，得到第一开挖工况下变形模量和泊松比的反演值E1和v1，将E1和v1代入二维有限元模型，得到第一开挖工况下的拱顶和周边位移的预测值S
拱顶2
和S
周边2
，如果预测值与第一开挖工况下拱顶和周边位移的监测值相比满足误差准则，则继续用E1和v1预测第二开挖工况下拱顶和周边位移；如果不满足误差准则，则将E1和V1设置多组参数梯度，并代入二维有限元模型进行计算，直至找出满足误差准则的E2和V2，用E2和V2预测第二开挖工况下拱顶和周边位移，重复上述操作，直至预测所有的开挖工况。
[0009]优选的，所述模型的初始参数包括比重、变形模量、泊松比、抗剪强度和抗拉强度。
[0010]优选的，所述误差准则为：|U
拱顶
‑
U
拱顶监测
|/U
拱顶监测
≤10％；以及|U
周边
‑
U
周边监测
|/U
周边监测
≤10％。
[0011]优选的，所述E1和V1的参数梯度设置为90％E1,95％E1,105％E1,110％E1,90％V1,95％V1,105％V1,110％V1。
[0012]优选的，将隧道开挖总长均分为多个相同长度的开挖段，并将每个开挖段作为一
个开挖工况，将每个开挖工况都统一一个断面形式，并建立二维有限元模型。
[0013]优选的，所述步骤2中的函数关系建立包括以下步骤：以第一开挖工况下拱顶和周边位移位移为输入变量，以变形模量和泊松比作为输出变量，建立ELM神经网络；在麻雀算法中引入Logistic函数对麻雀种群中加入者进行位置更新，基于ELM网络搜索网络的最优权值和阈值，优化ELM神经网络。
[0014]有益效果是：与现有技术相比，本专利技术的一种基于数值模拟和参数反演的隧道开挖变形预测方法通过利用改进麻雀算法第一开挖工况下拱顶位移与变形模量和泊松比之间的函数关系，以及周边位移与变形模量和泊松比之间的函数关系，当预测值不满足误差准则时，对待研究参数进行梯度设置，再将待研究参数代入有限元模型进行循环计算，直至满足误差准则为止，在每个开挖工况的变形预测中都考虑了岩石的本身的力学性质，提高了隧道开挖变形预测的精准度，适用性更强。
附图说明
[0015]以下结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步的详细说明，其中：
[0016]图1为建立二维有限元模型的示意图；
[0017]图2为二维有限元模型带入待研究参数计算后的示意图。
具体实施方式
[0018]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0019]需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件，当部件被称为“设置在中部”，不仅仅是设置在正中间位置，只要不是设置在两端部都属于中部所限定的范围内。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
[0020]除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本专利技术。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0021]本申请中公开了一种基于数值模拟和参数反演的隧道开挖变形预测方法，包括以下步骤：
[0022](1)收集初始参数，将初始参数中的变形模量和泊松比作为待研究参数；
[0023](2)依据隧道实际工况下的断面，通过abapus建立二维有限元模型；
[0024](3)以收集的待研究参数为基准，将所述待研究参数设置多个试验组，并将其代入二维有限元模型进行计算，用改进麻雀算法分别获得第一开挖工况下拱顶位移与变形模量和泊松比之间的函数关系，以及周边位移与变形模量和泊松比之间的函数关系；
[0025](4)将第一开挖工况下拱顶和周边位移的监测值代入上述函数关系，得到第一开挖工况下变形模量和泊松比的反演值E1和v1，将E1和v1代入二维有限元模型，得到第一开挖工况下的拱顶和周边位移的预测值S
拱顶2
和S
周边2
，如果预测值与第一开挖工况下拱顶和周边位移的监测值相比满足误差准则，则继续用E1和v1预测第二开挖工况下拱顶和周边位移；如果不满足误差准则，则将E1和V1设置多组参数梯度，并代入二维有限元模型进行计算，直至找出满足误差准则的E2和V2，用E2和V2预测第二开挖工况下拱顶和周边位移，重复上述操作，直至预测所有的开挖工况。
[0026]在其中一具体的实施方式中，误差准则可以设计为：|U
拱顶
‑
U
拱顶监测
|/U
拱本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数值模拟和参数反演的隧道开挖变形预测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)收集初始参数，将初始参数中的变形模量和泊松比作为待研究参数；(2)依据隧道实际工况下的断面，通过abapus建立二维有限元模型；(3)以收集的待研究参数为基准，将所述待研究参数设置多个试验组，并将其代入二维有限元模型进行计算，用改进麻雀算法分别获得第一开挖工况下拱顶位移与变形模量和泊松比之间的函数关系，以及周边位移与变形模量和泊松比之间的函数关系；(4)将第一开挖工况下拱顶和周边位移的监测值代入上述函数关系，得到第一开挖工况下变形模量和泊松比的反演值E1和v1，将E1和v1代入二维有限元模型，得到第一开挖工况下的拱顶和周边位移的预测值S
拱顶2
和S
周边2
，如果预测值与第一开挖工况下拱顶和周边位移的监测值相比满足误差准则，则继续用E1和v1预测第二开挖工况下拱顶和周边位移；如果不满足误差准则，则将E1和V1设置多组参数梯度，并代入二维有限元模型进行计算，直至找出满足误差准则的E2和V2，用E2和V2预测第二开挖工况下拱顶和周边位移，重复上述操作，直至预测所有的开挖工况。2.根据权利要求1所述的一种基于数值模拟和参数反演的隧道开挖变形预测方法，其特征在于，所述模型的初始参数包括比重、变形模量、泊松比、抗剪强度和抗拉强度。3.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭耿，聂美军，钟华，江婷，郭胜男，王金锋，唐禹喆，罗晓东，罗恒鑫，
申请(专利权)人：广西路桥工程集团有限公司，
类型：发明
国别省市：