一種基于隧洞開挖數(shù)值模擬分析的初次支護(hù)時(shí)機(jī)選擇方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于隧洞開挖數(shù)值模擬分析的初次支護(hù)時(shí)機(jī)選擇方法，包括：步驟1，建立隧洞的二維數(shù)值模型，采用廣義虛擬力支撐法確定以開挖荷載釋放率為參數(shù)的二維數(shù)值模型初次支護(hù)時(shí)機(jī)r0。步驟2，建立隧洞的三維數(shù)值模型，按某一合理開挖進(jìn)尺逐步開挖，統(tǒng)計(jì)掌子面的推進(jìn)過程中圍巖典型位置的位移值。步驟3，基于位移完成率的概念建立二維數(shù)值模型和三維數(shù)值模型之間的函數(shù)關(guān)系，提出了以掌子面與監(jiān)測(cè)斷面間距離為參數(shù)的三維數(shù)值模型最佳初次支護(hù)時(shí)機(jī)選擇方法。本發(fā)明可以定量地計(jì)算初次支護(hù)時(shí)機(jī)，解決了現(xiàn)階段依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定的問題，且計(jì)算結(jié)果以距掌子面的距離為參數(shù)，該參數(shù)可以在實(shí)際工程中應(yīng)用。
【專利說明】
一種基于隧洞開挖數(shù)值模擬分析的初次支護(hù)時(shí)機(jī)選擇方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及隧洞數(shù)值模擬分析技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種基于隧洞開挖數(shù)值模擬分析的初次支護(hù)時(shí)機(jī)選擇方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]隨著巖石理論和數(shù)值模擬方法的發(fā)展，隧洞開挖正越來越多地運(yùn)用數(shù)值模擬進(jìn)行研究分析。通常情況下，巖體受各種自然應(yīng)力作用及施工方式與技術(shù)等因素的影響，隧洞開挖時(shí)圍巖易受到破壞。據(jù)文獻(xiàn)可知，大部分隧洞事故發(fā)生于開挖后較短一段時(shí)間內(nèi)，此時(shí)圍巖主要靠自承能力和初次支護(hù)保證其穩(wěn)定性，因此初次支護(hù)十分重要。但根據(jù)新奧法理論， 若支護(hù)過早，圍巖的自身承載能力未能完全發(fā)揮，容易造成支護(hù)因圍巖變形的擠壓而造成損壞，因此初次支護(hù)時(shí)機(jī)是隧洞設(shè)計(jì)時(shí)的一個(gè)重要參數(shù)。
[0003]隧洞開挖數(shù)值模擬分為二維和三維兩種方法。目前二維數(shù)值模擬中初次支護(hù)時(shí)機(jī)確定方法一般采用廣義虛擬力支撐法，但是二維數(shù)值模擬是三維問題的理想假定，已不能滿足工程和學(xué)術(shù)研究的需求;而三維數(shù)值模擬中初次支護(hù)時(shí)機(jī)尚缺乏研究，一般以工程經(jīng)驗(yàn)或工程類比的方式進(jìn)行操作，未能提出有效可行的控制條件或計(jì)算方法。
[0004]因此，現(xiàn)有的初次支護(hù)時(shí)機(jī)計(jì)算方法存在問題:(1)二維數(shù)值模擬中計(jì)算得到的初次支護(hù)時(shí)機(jī)以開挖荷載釋放率為參數(shù)，該參數(shù)無法在實(shí)際工程中應(yīng)用；(2)三維數(shù)值模擬中初次支護(hù)時(shí)機(jī)大多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇，選擇方法沒有共性，取值原則不明確；(3)未能提出有效可行的選擇方法和理論公式。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種以距掌子面距離為參數(shù)的基于隧洞開挖數(shù)值模擬分析的初次支護(hù)時(shí)機(jī)選擇方法。
[0006]本發(fā)明一種基于隧洞開挖數(shù)值模擬分析的初次支護(hù)時(shí)機(jī)選擇方法，包括如下步驟:
[0007]步驟1，建立隧洞的二維數(shù)值模型，根據(jù)二維數(shù)值模型一次完全開挖后進(jìn)行一步運(yùn)算得到隧洞開挖后圍巖瞬時(shí)的開挖荷載等效節(jié)點(diǎn)力，然后根據(jù)荷載系數(shù)將得到的開挖荷載等效節(jié)點(diǎn)力按比例分配依次施加在開挖邊界上，統(tǒng)計(jì)各開挖荷載釋放過程中圍巖典型位置的位移值和塑性區(qū)范圍，采用廣義虛擬力支撐法確定以開挖荷載釋放率為參數(shù)的二維模型初次支護(hù)時(shí)機(jī)r0;
[0008]步驟2，建立隧洞的三維數(shù)值模型，按合理開挖進(jìn)尺逐步開挖，統(tǒng)計(jì)掌子面的推進(jìn)過程中圍巖典型位置的位移值；
[0009]步驟3,基于位移完成率的概念，建立二維數(shù)值模型和三維數(shù)值模型的聯(lián)系，提出以掌子面與監(jiān)測(cè)斷面間距離為參數(shù)的三維模型最佳初次支護(hù)時(shí)機(jī)選擇方法，具體包括以下子步驟:
[0010]步驟3.1，二維數(shù)值模型的位移完成率A2D采用公式(1)
[0011]A2D(r,n)=du(r,n)/du(100% ,n) X 100%(1)[〇〇12]式中:r是開挖荷載釋放率，取值區(qū)間為[0，100%];(1^，11)是監(jiān)測(cè)點(diǎn)11在開挖荷載釋放率為r時(shí)的位移值；[〇〇13]步驟3.2,三維數(shù)值模型的位移完成率A3D采用公式(2)
[0014]A3d(1 ,m) = du(l ,m)/du(°° ,m) X 100%(2)[〇〇15]式中:1是掌子面與監(jiān)測(cè)斷面的距離，取值區(qū)間為[_m，m]，監(jiān)測(cè)斷面前后取7倍以上洞徑即可滿足要求;du(l，m)是監(jiān)測(cè)點(diǎn)m在掌子面與監(jiān)測(cè)斷面的距離為1時(shí)的位移值，其中 m點(diǎn)n點(diǎn)位置相同；[〇〇16]步驟3.3,二維數(shù)值模型和三維數(shù)值模型位移完成率的函數(shù)關(guān)系采用公式(3)
[0017]A3d(1 ,m) =A2〇(r ,n)(3)[〇〇18]式中:若r = r〇,則1即為三維計(jì)算模型最佳初次支護(hù)時(shí)機(jī)。
[0019]所述二維模型初次支護(hù)時(shí)機(jī)為隧洞圍巖位移增量和塑性區(qū)體積開始突增時(shí)的開挖荷載釋放率。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:[〇〇21]1、采用本發(fā)明方法，計(jì)算結(jié)果以距掌子面的距離為參數(shù)，該參數(shù)可以在實(shí)際工程中應(yīng)用。
[0022]2、引入理論公式，可以定量地計(jì)算初次支護(hù)時(shí)機(jī)，解決了現(xiàn)階段依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定的問題，避免了人為選取的主觀性。[〇〇23]3、本發(fā)明將二維模型與三維模型相關(guān)聯(lián)，可以根據(jù)廣泛被接受的二維模型初次支護(hù)時(shí)機(jī)來計(jì)算三維模型初次支護(hù)時(shí)機(jī)，計(jì)算方法簡(jiǎn)便且易被接受?！靖綀D說明】[〇〇24]圖1為本發(fā)明方法流程圖。【具體實(shí)施方式】[〇〇25]下面結(jié)合附圖，對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步具體說明。
[0026]本發(fā)明一種基于隧洞開挖數(shù)值模擬分析的初次支護(hù)時(shí)機(jī)選擇方法，見圖1，具體步驟如下:
[0027]步驟1，建立隧洞的二維數(shù)值模型，根據(jù)二維數(shù)值模型一次完全開挖后進(jìn)行一步運(yùn)算得到隧洞開挖后圍巖瞬時(shí)的開挖荷載等效節(jié)點(diǎn)力，然后根據(jù)荷載系數(shù)將得到的開挖荷載等效節(jié)點(diǎn)力按一定比例分配，如等分為10份，每份10 %，依次施加在開挖邊界上，統(tǒng)計(jì)各開挖荷載釋放過程中圍巖監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移值和塑性區(qū)范圍，并計(jì)算其位移增量和塑性區(qū)體積率，采用廣義虛擬力支撐法確定以開挖荷載釋放率為參數(shù)的二維模型初次支護(hù)時(shí)機(jī)ro,包括:[〇〇28] (1)圍巖位移增量cU(r)采用公式(1)
[0029]di(r) = du(r)-du(r-10%)(1)
[0030]式(1)中:[〇〇31 ] du(r)是某一監(jiān)測(cè)點(diǎn)在開挖荷載釋放率為r時(shí)的位移。[〇〇32] (2)塑性區(qū)體積率p(r)采用公式(2)
[0033]p(r)=v(r)/veX100%(2)
[0034]式(2)中:
[0035]v(r)是在開挖荷載釋放率為r時(shí)的塑性區(qū)體積；[〇〇36]ve代表開挖掉的山體總體積。[〇〇37](3)廣義虛擬力支撐法:
[0038]隨著開挖荷載釋放率r的增大，圍巖的位移以及塑性區(qū)體積率也都在不斷增加；當(dāng)開挖荷載釋放率小于ro時(shí)，圍巖的位移和塑性區(qū)體積率呈線性增加，而當(dāng)開挖荷載釋放率達(dá)到ro之后迅速上升，那么初次支護(hù)應(yīng)該在開挖荷載釋放率為ro時(shí)進(jìn)行施加，即開挖荷載釋放率rQ為二維模型初次支護(hù)時(shí)機(jī)。[〇〇39]步驟2,建立隧洞的三維數(shù)值模型，按某一合理開挖進(jìn)尺逐步開挖，統(tǒng)計(jì)掌子面的推進(jìn)過程中圍巖監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移值。
[0040]步驟3,分別計(jì)算二維和三維模型中監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移完成率，并建立二維數(shù)值模型和三維數(shù)值模型位移完成率的函數(shù)關(guān)系，最終提出了以掌子面與監(jiān)測(cè)斷面間距離為參數(shù)的三維計(jì)算模型最佳初次支護(hù)時(shí)機(jī)選擇方法，包括:[0041 ]步驟3.1，二維計(jì)算模型的位移完成率A2D采用公式(3)
[0042]A2D(r,n)=du(r,n)/du(100% ,n) X 100%(3)
[0043]式(3)中:
[0044]r是開挖荷載釋放率，取值區(qū)間為[0，100 % ];
[0045]du(r，n)是監(jiān)測(cè)點(diǎn)n在開挖荷載釋放率為r時(shí)的位移值；
[0046]步驟3.2,三維計(jì)算模型的位移完成率A3D采用公式(4)
[0047]A3d(1 ,m) = du(l ,m)/du(°° ,m) X 100% (4)
[0048]式(4)中:
[0049]1是掌子面與監(jiān)測(cè)斷面的距離，取值區(qū)間為[-c-，^]，一般認(rèn)為監(jiān)測(cè)斷面前后取7 倍以上洞徑即可滿足要求；
[0050]du(l，m)是監(jiān)測(cè)點(diǎn)m在掌子面與監(jiān)測(cè)斷面的距離為1時(shí)的位移值，其中m點(diǎn)與該點(diǎn)處隧洞斷面的位置關(guān)系與n點(diǎn)相同。
[0051]步驟3.3,二維和三維數(shù)值模型位移完成率的函數(shù)關(guān)系采用公式(5)
[0052]A3d(1 ,m) =A2〇(r ,n)(5)
[0053]式(5)中:[〇〇54]若r = r〇，則1即為三維數(shù)值模型最佳初次支護(hù)時(shí)機(jī)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于隧洞開挖數(shù)值模擬分析的初次支護(hù)時(shí)機(jī)選擇方法，其特征在于包括如下步 驟:步驟1，建立隧洞的二維數(shù)值模型，根據(jù)二維數(shù)值模型一次完全開挖后進(jìn)行一步運(yùn)算得 到隧洞開挖后圍巖瞬時(shí)的開挖荷載等效節(jié)點(diǎn)力，然后根據(jù)荷載系數(shù)將得到的開挖荷載等效 節(jié)點(diǎn)力按一定比例分配依次施加在開挖邊界上，統(tǒng)計(jì)各開挖荷載釋放過程中圍巖典型位置 的位移值和塑性區(qū)范圍，采用廣義虛擬力支撐法確定以開挖荷載釋放率為參數(shù)的二維模型 初次支護(hù)時(shí)機(jī)ro;步驟2，建立隧洞的三維數(shù)值模型，按合理開挖進(jìn)尺逐步開挖，統(tǒng)計(jì)掌子面的推進(jìn)過程 中圍巖典型位置的位移值；步驟3,基于位移完成率的概念，建立二維數(shù)值模型和三維數(shù)值模型的聯(lián)系，提出以掌 子面與監(jiān)測(cè)斷面間距離為參數(shù)的三維模型最佳初次支護(hù)時(shí)機(jī)選擇方法，具體包括以下子步 驟:步驟3.1，二維數(shù)值模型的位移完成率A2D采用公式(1)^2D(r,n) = du(r,n)/du(100% ,n) X 100%(1)式中:r是開挖荷載釋放率，取值區(qū)間為[0,100% ];du(r，n)是監(jiān)測(cè)點(diǎn)n在開挖荷載釋放 率為r時(shí)的位移值；步驟3.2，三維數(shù)值模型的位移完成率A3D采用公式(2)^3d(1 ,m) = du(l ,m)/du(°° ,m) X 100%(2)式中:1是掌子面與監(jiān)測(cè)斷面的距離，取值區(qū)間為[-0，0]，監(jiān)測(cè)斷面前后取7倍以上洞 徑可滿足要求;du(l，m)是監(jiān)測(cè)點(diǎn)m在掌子面與監(jiān)測(cè)斷面的距離為1時(shí)的位移值，其中m點(diǎn)與 該點(diǎn)處隧洞斷面的位置關(guān)系與n點(diǎn)相同；步驟3.3,二維數(shù)值模型和三維數(shù)值模型位移完成率的函數(shù)關(guān)系采用公式(3)入 3D(l，m)=A2D(r，n)(3)式中:若r = r〇，貝ijl即為三維計(jì)算模型最佳初次支護(hù)時(shí)機(jī)。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述二維模型初次支護(hù)時(shí)機(jī)為隧洞圍巖位移 增量和塑性區(qū)體積開始突增時(shí)的開挖荷載釋放率。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK106021725SQ201610339466
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月20日
【發(fā)明人】蘇凱, 崔金鵬, 伍鶴皋, 石長(zhǎng)征
【申請(qǐng)人】武漢大學(xué)