[发明专利]一种隧道支护结构体系刚度的设计方法及系统

说明书

本发明涉及一种隧道支护结构体系刚度的设计方法及系统，依据变形位置与隧道开挖方向和隧道掌子面的关系，将围岩变形划分为四个阶段，然后分别计算四个阶段的围岩标准形变量，再根据所述四个阶段的围岩标准形变量初步设计各个阶段的支护结构体系刚度值，最后调整所述支护结构的刚度值。本发明通过建立隧道力学模型，制定围岩变形量化控制标准，通过建立隧道围岩变形与支护刚度的量化关系，实现隧道支护结构体系的定量化设计，并进一步对支护系统刚度进行优化分配，得到最经济的刚度设计方案，使得支护设计更科学合理。

技术领域

本发明涉及隧道工程领域，特别是涉及一种隧道支护结构体系刚度的设计方法及系统。

背景技术

隧道工程建设对于工程经验的过度依赖，一方面降低了工程建设的可靠性和经济性，同时也严重制约着隧道及地下工程科学化的进展，这使得隧道工程的信息化和智能化建造举步维艰。现行的隧道设计理念过于强化地质环境与工程条件的差异性，而对反映隧道工程本质特征的共性问题缺乏系统的分析。现行的理论研究则一方面过于关注岩体质量及力学特性，而忽视最为本质的工程响应特点，使得复杂工程问题难以有效应对；同时，研究手段主要为静力特性分析，过多关注稳定状态而鲜有对过程的深入研究，无法适应围岩变形以及“支护-围岩”关系的动态演化特性。

事实上，隧道围岩由施工扰动前的原始平衡直到在支护协助下形成新的平衡状态，其间经历了极其复杂的动态演化过程，主要表征就是围岩变形的持续增大，而隧道施工引起的不平衡力则是围岩运动和变形的根源。因此，本领域亟需一种从隧道围岩变形的本质出发设计隧道支护结构体系刚度的技术方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种隧道支护结构体系刚度的设计方法及系统，解决当前现有隧道支护设计方法主观性强、科学性差，过分依赖于工程经验而降低了工程建设的可靠性和经济性问题。从而提出了一种从隧道围岩变形的本质出发设计隧道支护结构体系刚度的技术方案。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种隧道支护结构体系刚度的设计方法，所述方法包括：

依据变形位置与隧道开挖方向和隧道掌子面的关系，将围岩变形划分为初始变形阶段、急剧变形阶段、缓慢变形阶段和变形稳定阶段四个阶段；

利用围岩稳定性要求与支护结构安全性要求分别计算四个阶段的围岩标准形变量；

按照所述四个阶段的围岩标准形变量初步设计各个阶段的支护结构体系刚度值，使各个阶段的围岩实际变形量等于对应阶段的所述围岩标准形变量；

实时计算支护强度平均利用率和支护强度利用率方差；

根据所述支护强度平均利用率和支护强度利用率方差的预设条件调整所述支护结构的刚度值。

可选的，所述依据变形位置与隧道开挖方向和隧道掌子面的关系，将围岩变形划分为初始变形阶段、急剧变形阶段、缓慢变形阶段和变形稳定阶段四个阶段之前，还包括：

采集现场监测数据；

分析所述现场监测数据预测围岩最大形变量；

根据深层围岩结构层稳定条件确定围岩标准形变量；

比较所述围岩最大形变量与所述围岩标准形变量，若所述围岩最大形变量大于所述围岩标准形变量，则判定需要施加支护，否则，不需要施加支护；

所述围岩标准形变量为：

其中，△H为围岩标准形变量，A＝q_yL/2d为结构层截面厚度，E为结构层弹性模量，q_y为结构层上部竖向荷载，λ为侧压力系数，L为围岩上部结构层跨度，H为上部结构层高度，σ_c为拱脚处岩体单轴抗压强度。