[发明专利]隧道临界稳定断面自动迭代方法及快速确定装置

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于隧道工程领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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,c_cr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F_s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F_s。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，本发明以F_s＝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，本发明在安全系数临界值F_s＝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。