[发明专利]一种隧道极限位移的确定方法

摘要

一种隧道极限位移的确定方法，包括建立有限元数值模型；确定围岩主要力学参数；隧址区地应力采用自重地应力场；确定关键监测点；模拟开挖与支护过程；校核模型合理性；将围岩强度除以折减系数，模拟开挖与支护过程；若计算未达到停止条件，则返回上一步并将折减系数增大，直至达到停止条件；提取达到停止条件的前一个折减步的关键点位移；将所得的关键点位移乘以可量测系数作为隧道极限位移，供监控量测预警使用。本发明通过围岩强度折减获得隧道围岩的极限状态和极限位移，易操作、可靠，成本低，能考虑隧道断面型式、埋深、施工工序与支护结构等因素对隧道极限位移的影响，为研究隧道极限位移和建立监控量测预警标准提供了必要的技术支撑。

主权项

1.一种隧道极限位移的确定方法，其特征在于它包括如下工艺步骤：①根据隧址区工程地质情况和隧道支护情况，建立有限元数值计算模型；②根据隧道围岩变形已测得的数据，反分析求得围岩力学参数；③隧址区地应力采用自重地应力场，若隧道埋深较大，应根据地应力实测数据，进行隧址区地应力反演，所述地应力反演方法，以实际测点的实测地应力值为基本依据，采用多元回归与逐步回归相结合的方法，对隧址区进行三维地应力反演，具体的反演过程如下：(I)按自重、水平剪切力、x轴方向作用于模型边界上的构造力与y轴方向作用于模型边界上的构造力四种荷载因素考虑，通过对上述各荷载模式进行三维数值计算，获得用于回归分析的计算应力数据，即数值试验观测值；(II)以下式：作为各应力分量回归方程，其中，下标w、x、y、τ分别代表上述四种荷载因素，e代表误差，a、b、c、d为待回归系数，(III)依据实测点的地应力，通过逐步回归计算剔除对反演结果影响不显著的荷载模式，并得出回归系数值及复相关系数，复相关系数应≥0.9；④确定隧道位移监测关键点：中小跨径隧道选拱顶沉降关键点与边墙收敛关键点，大跨径隧道或复杂地质条件隧道选拱顶沉降关键点与边墙收敛关键点；⑤采用有限元计算软件，模拟隧道开挖与支护全过程；⑥校核所建立的数值模型的准确性，具体方法为：若步骤⑤计算能够收敛，且典型断面的位移等值线云图连续无间断跳跃点，且应力等值线云图均匀无应力集中点，则应判定步骤①所建立的数值模型具有准确性，否则应该重新回到步骤①调整模型尺寸、单元大小与类型，并重复步骤⑤；⑦将围岩的强度参数即粘聚力c和内摩擦角φ除以大于1的折减系数η，重新进行模拟隧道开挖与支护施工过程的有限元计算；⑧若计算达到停止条件，则停止计算，否则回到上一步，并更新折减系数η，计算停止条件是指计算不收敛或关键点位移与折减系数相关关系曲线出现拐点，此时对应的折减系数为临界折减系数。采用“二分法”计算临界折减系数的具体步骤如下：(I)根据实际计算结果设定一个较小初始折减系数η₁和一个较大的折减系数η₂，在折减系数η₁下计算是收敛的，在折减系数η₂下计算是不收敛的；(II)令η取η₃＝(η₁+η₂)/2，计算该工况下是否已收敛；(III)若η取η₃时计算收敛，则令η₁＝η₃；否则令η₂＝η₃；(IV)当η₁‑η₂≤0.05时，停止计算，并取此时的η₁作为临界折减系数，否则回到“二分法”中的第II步继续计算；⑨若围岩强度参数经N次折减，折减系数达到临界折减系数，则第N‑1次折减时的计算结果为隧道围岩稳定的极限状态，即隧道围岩变形的极限状态；⑩隧道极限位移应为计算所得隧道极限状态的各关键点位移与可量测系数的乘积，即提取各关键点位移并乘以可量测系数作为极限位移，供监测量测预警使用，可量测系数ε的计算方法为：ε＝(S_a‑S₀)/S_a，其中S₀是指隧道开挖后至隧道初期支护完成期间监控量测无法测得的隧道的变形，S_a为隧道总变形。