[发明专利]一种长距离隧洞膨胀性围岩变形超前预测预报方法

权利要求书

1.一种长距离隧洞膨胀性围岩变形超前预测预报方法，其特征在于：所述方法包括：

步骤一：设置超前平行小导洞，利用超前小导洞获得隧洞掌子面前方围岩条件的布置技术，借助用于通风和逃生救援的紧急通道；结合超前小导洞与主洞的空间关系，揭示的主洞掌子面前方围岩体的实际地质条件，明确勘察设计阶段的地层与实际揭示地层的差异，根据原地质条件作出的施工开挖和支护方案；

步骤二：利用超前小导洞提供的条件，对地层岩体的膨胀性和膨胀程度进行判断，获得岩样的矿物成分组成和膨胀性矿物含量以及轴向自由膨胀率、径向自由膨胀率和稳定膨胀压力；

步骤三：在超前小导洞内选定变形监测断面，布置适应于膨胀性围岩变形监测、并且具有远程数据采集的智能化变形监测仪器并持续监测，旨在获得随隧洞掌子面推进过程的围岩变形时程；

步骤四：利用超前小导洞钻取岩芯，进行饱和单轴压缩试验，获得岩石饱和单轴抗压强度σ_c；

步骤五：在小导洞钻孔部位进行原位地应力测试，获取该处空间应力分布状态、应力张量主平面上的最大水平侧压力系数λ及原位最大主应力值σ_0max；

步骤六：将适应于膨胀性岩体变形规律的复合膨胀黏弹塑性模型，嵌入FLAC3D或ABAQUS数值计算软件中，实现洞室膨胀性围岩变形计算功能；采用的适应于膨胀性地层围岩变形定量化预测的复合膨胀黏弹塑性模型的应变ε_ij(t)计算式如下：

式中，K为体积模量，G^M为Maxwell体的剪切模量，η^M为Maxwell体的黏性系数，为Kelvin体1的剪切模量，为Kelvin体1的粘滞系数，为Kelvin体2的剪切模量，为Kelvin体2的粘滞系数，δ_ij为克罗尼可符号，P₀为最大膨胀应力，A和B均为膨胀延迟参数，t为时间，η_P为膨胀粘滞系数，S_ij为偏应力张量的分量，σ_s为屈服强度，σ_m为体积应力，σ_kk＝3σ_m，为塑性应变，exp()为指数函数；

步骤七：建立主洞室和超前小导洞的数值预测预报模型，根据超前小导洞现场测试获得的岩石饱和单轴抗压强度σ_c、最大水平侧压力系数λ、最大主应力值σ_0max，定义数值预测预报模型初始计算条件；

步骤八：根据超前小导洞采集的围岩变形数据，采用智能反馈分析技术，获得复合膨胀黏弹塑性模型参数，对主洞室开挖施工和支护进行数值仿真计算，对膨胀性围岩的变形规律和变形量级进行定量化预测预报。

2.根据权利要求1所述的一种长距离隧洞膨胀性围岩变形超前预测预报方法，其特征在于：所述超前小导洞与主洞平行，以斜向通道与主洞相连。

3.根据权利要求1所述的一种长距离隧洞膨胀性围岩变形超前预测预报方法，其特征在于：步骤二中所述的地层岩体的膨胀性判断，是指对获得的岩石试样进行矿物成分分析，当岩石中含有高岭石、蒙脱石和黏土矿物时，则初步判别地层岩体具有膨胀性。

4.根据权利要求1所述的一种长距离隧洞膨胀性围岩变形超前预测预报方法，其特征在于：步骤三中所述围岩变形监测，具有远程数据采集的智能化变形监测仪器包括全站仪、测量机器人和徕卡三维激光扫描仪联合实施。

5.根据权利要求1所述的一种长距离隧洞膨胀性围岩变形超前预测预报方法，其特征在于：所述步骤八的具体步骤包括：

步骤8001：根据工程经验结合正分析试算确定待反演复合膨胀黏弹塑性模型参数范围；

步骤8002：确定参数划分水平及合适的均匀设计表，得到多组试验样本数据；

步骤8003：通过样本数据进行深度学习网络构建，采用遗传算法优化，得到能反映位移与复合膨胀黏弹塑性模型参数之间映射关系的深度学习网络；

步骤8004：将实测位移输入训练好的网络，得到模型实际复合膨胀黏弹塑性模型参数。