CN104298856A - 基于围岩变形监控与数值模拟的隧道超前地质预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于围岩变形监控与数值模拟的隧道超前地质预报方法，将当前段围岩的实际分级情况与通过综合超前地质预报法对当前段围岩前方一段距离的围岩的进行的初步定性分级相结合，对当前段围岩前方一段距离的围岩进行综合定量分析，修正综合超前地质预报法对前方一段距离围岩进行超前预报得出的定性分级数据，减少超前预报中的人为主观性，增加地质预报的客观性；通过采取“通过一段，验证一段，预报一段”的方式，将下一段定性得出的围岩级别与定量得出的当前段围岩级别互相比较，以定量分析得出下一段围岩级别，修正定性分析所获得的下一段围岩级别和围岩参数，可对隧道围岩超前地质预报进行综合评价，大大提高了隧道超前预报的准确性。

Description

基于围岩变形监控与数值模拟的隧道超前地质预报方法

技术领域

本发明涉及地下工程地质超前预报领域，特别涉及一种基于围岩变形监控与数值模拟的隧道超前地质预报方法。

背景技术

隧道是与岩体打交道的建筑，但是由于岩体结构千变万化，从而使隧道施工前方地质情况具有随机性、模糊性和不可预见性。但是，在隧道施工中，采用的施工方法和支护措施均需根据地质条件进行调整，因此，做好隧道施工过程中前方的地质预报与级别鉴定工作具有重大的经济价值。

现有技术中，隧道施工前方的地质预报主要依据地质雷达和TSP技术，但此类方法主要依据操作人员的经验和判别能力进行判断，主观性较强，通常由于预报人员的主观原因，发生预报结果与实际情况相差较大的情况，从而发生围岩失稳、施工人员伤亡等事故。因此，如何减少操作人员的主观性，增加地质预报的客观性，进行准确的地质预报是摆在隧道相关工作人员面前的一大难题。而且，岩体结构千变万化，荷载分布模式、大小具有随机性、模糊性、不可预见性，准确确定隧道受力状态很困难，导致现行的隧道结构设计规范多采用围岩分级为前提的类比设计，这是目前工作的客观现实情况，而且多年来的设计与施工都一直这样做，如果摒弃围岩分级，来谈结构设计(特别是隧道施工现场的设计)，做一些理论上的研究，研究成果的实用性是值得商榷的。研究新的设计方法，还是必须与围岩分级挂钩，与设计与施工的习惯相结合，这样的研究成果才有生命力，才有可能得到广泛应用。另外，隧道结构的变形，尤其是围岩的变形与掌子面前方地质情况有直接关系，单一的预报前方地质情况，不经过预报后隧道的开挖结构变形监控对比验证，无法做到预报结果的准确性。如专利“基于综合参数的隧道开挖围岩动态细化分级法”(CN02736124A)、“地下工程超前预报的方法”(CN102495434 A)等，利用各种物探方法，观测掌子面的地质情况，以及结构的变形测量数据等，对隧道的开挖掌子面前方的围岩进行分级，确保隧道施工安全，但是都没有“通过一段，验证一段，预报一段”，即没有将对于该段地质的开挖前结构产生的预测变形数据与开挖阶段的监控量测数据进行对比分析，只是简单的对前方开挖段围岩进行定性分析，而未结合实际开挖变形情况对围岩进行定量分级，未能有效分析预测变形数据与实际开挖监控数据之间的差异，从而不能对前期预测数据进行有效验证。

因此，对于隧道开挖前方的围岩分级急需一种定量与定性结合的综合围岩分级法，降低地质超前预报对围岩分级过程中的人为主观性，通过将前方围岩开挖变形前预测数据与开挖变形监控数据进行对比分析，综合评价对前方围岩定量分级，提高超前预报的准确性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于围岩变形监控与数值模拟的隧道超前地质预报方法，可降低地质超前预报对围岩分级过程中的人为主观性，通过将前方围岩开挖变形前预测数据与开挖变形监控数据进行对比分析，综合评价对前方围岩定量分级，提高超前预报的准确性。

本发明的基于围岩变形监控与数值模拟的隧道超前地质预报方法，包括以下步骤：

a，采用数值模拟方法，分析模拟已分级的当前段围岩的开挖变形，获得初步模拟参数，为当前段围岩前方一段距离的围岩的最后分级做准备；

b，对当前段围岩进行开挖验证，并记录当前段围岩实际情况，同时监控当前段围岩的实际变形情况，获得当前段围岩的开挖变形实际参数；

c，利用开挖得到的当前段围岩实际情况，进行数值模拟，获得当前段围岩的开挖变形后模拟参数；

d，将初步模拟参数、开挖变形后模拟参数及开挖变形实际参数三者进行对比分析，并根据三者对比分析之间的差异对当前段围岩级别进行区间划分，得出当前段围岩的实际分级情况；

e，通过综合围岩预报法，对已分级的当前段围岩前方一段距离的围岩进行超前预报，获得当前段围岩前方一段距离的围岩的初步分级情况；

f.根据步骤e所得的当前段围岩前方一段距离的围岩的初步分级情况，结合步骤d中所得的当前段围岩的实际分级情况，对当前段围岩前方一段距离的围岩的围岩级别和相关参数进行定量分级预报；

g.重复步骤a-f，根据获得的当前段围岩前方一段距离的围岩的定量分级预报情况进行数值模拟并开挖验证，并对下下段围岩进行定量分级预报。

进一步，步骤d中，将初步模拟参数作为基础数据π，并取开挖变形后模拟参数和开挖变形实际参数间的差值δ，差值δ取绝对值，当前段围岩的实际分级标准为：当0≤δ/π<5％，为Ⅰ级围岩；5％≤δ/π<10％，为Ⅱ级围岩；10％≤δ/π<25％，为Ⅲ级围岩；25％≤δ/π<40％，为Ⅵ级围岩；40％≤δ/π<65％，为Ⅴ级围岩；65％≤δ/π<100％，为Ⅵ级围岩。

进一步，所述初步模拟参数、所述开挖变形后模拟参数和所述开挖变形实际参数均包括拱顶沉降数据、拱腰沉降数据和周边收敛数据。

本发明的有益效果：本发明的基于围岩变形监控与数值模拟的隧道超前地质预报方法，不仅可在开挖过程中对当前段围岩所获得的定量分级预报情况参数进行验证，及时对当前段围岩的预报参数进行动态修正，并将当前段围岩的实际分级情况与通过综合超前地质预报法对当前段围岩前方一段距离的围岩的进行的初步定性分级相结合，对当前段围岩前方一段距离的围岩进行综合定量分析，修正综合超前地质预报法对前方一段距离围岩进行超前预报得出的定性分级数据，减少超前预报中的人为主观性，增加地质预报的客观性；该发明步骤循环往复，通过采取这种“通过一段，验证一段，预报一段”的方式，将定性得出的下一段围岩级别与定量得出的当前段围岩实际级别互相比较，以定量预报分析得出下一段围岩级别，修正定性分析所获得的下一段围岩级别和围岩参数，可对隧道围岩超前地质预报进行综合评价，大大提高了隧道超前预报的准确性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明流程示意图。

具体实施方式

图1为本发明流程示意图，如图所示：本实施例的基于围岩变形监控与数值模拟的隧道超前地质预报方法，包括以下步骤：

a，采用数值模拟方法，分析模拟已分级的当前段围岩的开挖变形，获得初步模拟参数，为当前段围岩前方一段距离的围岩的最后分级做准备；当前段围岩是指将要开挖的围岩段，当前段围岩和当前段围岩前方一段距离的围岩的尺寸长度可根据实际情况进行确定，另外，数值模拟方法主要是指通过有限元分析软件，如ANSYS、ABAQUS等有限元分析软件，对隧道现场施工的过程，包括开挖、立架、初支、二衬、锚杆、超前支护、以及掌子面与二衬、仰拱、其他开挖部分的间距等，进行整体模拟，并得出当前段围岩开挖变形前的初步模拟参数；并且，本实施例中，所指前为隧道掘进的方向，后为隧道掘进方向相反的方向；

b，对当前段围岩进行开挖验证，并记录当前段围岩实际情况，同时监控当前段围岩的实际变形情况，获得当前段围岩的开挖变形实际参数；主要是利用非接触的测量方式，如全站仪等，对拱顶、拱腰的沉降，以及周边收敛等数据进行测量监控，得到当前段围岩的开挖变形实际参数。

c，利用开挖得到的当前段围岩实际情况，进行数值模拟，获得当前段围岩的开挖变形后模拟参数；本步骤中的数值模拟采取与步骤b中相同的数值模拟方法，此处唯一不同的是在地层取值为实际地层的参数。

d，将初步模拟参数、开挖变形后模拟参数及开挖变形实际参数三者进行对比分析，并根据三者对比分析之间的差异对当前段围岩级别进行区间划分，得出当前段围岩的实际分级情况；

e，通过综合围岩预报法，对已分级的当前段围岩前方一段距离的围岩进行超前预报，获得当前段围岩前方一段距离的围岩的初步分级情况；本实施例中的综合围岩预报法可为现有的机械钻探法或依靠TSP技术的地质雷达超前预报法，也可为本申请所提到的专利申请中所涉及的超前预报法，只要能实现对当前段围岩前方一段距离的围岩进行超前预报的目的均可；

f.根据步骤e所得的当前段围岩前方一段距离的围岩的初步分级情况，结合步骤d中所得的当前段围岩的实际分级情况，对当前段围岩前方一段距离的围岩的围岩级别和相关参数进行定量分级预报；由于围岩的变形与掌子面前方地质情况有直接关系，通过对当前段围岩的开挖结构变形进行监控对比验证，为位于当前段围岩前方的下一段围岩的分级预报提供了参考依据，通过获得的当前段围岩的实际分级情况，可对下一段围岩的初步分级情况进行修正，从而获得较为准确的下一段围岩的分级情况；

g.重复步骤a-f，根据获得的当前段围岩前方一段距离的围岩的定量分级预报情况进行数值模拟并开挖验证，并对下下段围岩进行定量分级预报。

本实施例中，步骤d中，将初步模拟参数作为基础数据π，并取开挖变形后模拟参数和开挖变形实际参数间的差值δ，差值δ取绝对值，当前段围岩的实际分级标准为：当0≤δ/π<5％，为Ⅰ级围岩；5％≤δ/π<10％，为Ⅱ级围岩；10％≤δ/π<25％，为Ⅲ级围岩；25％≤δ/π<40％，为Ⅵ级围岩；40％≤δ/π<65％，为Ⅴ级围岩；65％≤δ/π<100％，为Ⅵ级围岩；分级标准更加定量化和明确化，进一步降低了围岩分级预报中的人为主观性，增加地质预报的客观性。

本实施例中，所述初步模拟参数、所述开挖变形后模拟参数和所述开挖变形实际参数均包括拱顶沉降数据、拱腰沉降数据和周边收敛数据；其中，拱顶沉降数据为拱顶一个点的数据，拱腰沉降数据包括左右两个拱腰点的数据，周边收敛数据同为左右两侧周边收敛的数据，并且，拱顶沉降数据、拱腰沉降数据和周边收敛数据分别一一对应初步模拟参数、所述开挖变形后模拟参数和所述开挖变形实际参数各测量得出有三个数值。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种基于围岩变形监控与数值模拟的隧道超前地质预报方法，其特征在于：包括以下步骤：

a，采用数值模拟方法，分析模拟已分级的当前段围岩的开挖变形，获得初步模拟参数，为当前段围岩前方一段距离的围岩的最后分级做准备；

b，对当前段围岩进行开挖验证，并记录当前段围岩实际情况，同时监控当前段围岩的实际变形情况，获得当前段围岩的开挖变形实际参数；

c，利用开挖得到的当前段围岩实际情况，进行数值模拟，获得当前段围岩的开挖变形后模拟参数；

d，将初步模拟参数、开挖变形后模拟参数及开挖变形实际参数三者进行对比分析，并根据三者对比分析之间的差异对当前段围岩级别进行区间划分，得出当前段围岩的实际分级情况；

e，通过综合围岩预报法，对已分级的当前段围岩前方一段距离的围岩进行超前预报，获得当前段围岩前方一段距离的围岩的初步分级情况；

f.根据步骤e所得的当前段围岩前方一段距离的围岩的初步分级情况，结合步骤d中所得的当前段围岩的实际分级情况，对当前段围岩前方一段距离的围岩的围岩级别和相关参数进行定量分级预报；

g.重复步骤a-f，根据获得的当前段围岩前方一段距离的围岩的定量分级预报情况进行数值模拟并开挖验证，并对下下段围岩进行定量分级预报。

2.根据权利要求1所述的基于围岩变形监控与数值模拟的隧道超前地质预报方法，其特征在于：步骤e中，将初步模拟参数作为基础数据π，并取开挖变形后模拟参数和开挖变形实际参数间的差值δ，差值δ取绝对值，当前段围岩的实际分级标准为：当0≤δ/π<5％，为Ⅰ级围岩；5％≤δ/π<10％，为Ⅱ级围岩；10％≤δ/π<25％，为Ⅲ级围岩；25％≤δ/π<40％，为Ⅵ级围岩；40％≤δ/π<65％，为Ⅴ级围岩；65％≤δ/π<100％，为Ⅵ级围岩。

3.根据权利要求1或2任一权利要求所述的基于围岩变形监控与数值模拟的隧道超前地质预报方法，其特征在于：所述初步模拟参数、所述开挖变形后模拟参数和所述开挖变形实际参数均包括拱顶沉降数据、拱腰沉降数据和周边收敛数据。