CN104653196A - 一种考虑全参数影响的隧道工程初期设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种考虑全参数影响的隧道工程初期设计方法，包括：根据规范中对隧道预留变形量的规定和隧道纵向的位移计算结果，获取初期设计的隧道纵向不同变形阶段的变形控制值；综合考虑隧道施工中隧道变形的时间变化规律，获取考虑了隧道变形全参数影响的隧道纵向不同变形阶段的变形值；将考虑了隧道变形全参数影响的隧道纵向不同变形阶段的变形值与所述初期设计的隧道纵向不同变形阶段的变形控制值进行比较，根据比较结果确定所述隧道的初期设计方案的合理性。本发明实施例基于现有隧道的设计规范制定控制标准，考虑了隧道施工的时间效应，计算结果与实际情况一致性更好，同时可实现设计、施工一体化，提高隧道设计的科学性。

Description

一种考虑全参数影响的隧道工程初期设计方法

技术领域

本发明涉及隧道工程设计技术领域，尤其涉及一种考虑全参数影响的隧道工程初期设计方法。

背景技术

目前我国铁路隧道数量、总长度均居世界第一，铁路隧道建设取得了举世瞩目的成就。但是，从众多铁路隧道工程设计、施工来看，目前隧道的结构设计普遍采用基于经验的工程类比方法，现有的数值计算也未能考虑隧道变形的时空特性，难以做到科学化设计。同时，由于隧道围岩-支护相互作用的不确定性、地质条件的多变性及缺乏系统理论指导的现状，隧道的初期设计方案往往造成在某些条件下过于保守，造成浪费，然而在另外一些条件下又由于隧道结构设计过于薄弱而存在较大的安全隐患，给隧道工程的建设和后期的运营造成较大的安全风险。

因此，现有隧道工程的初期设计方法存在主观性强、科学性差，容易造成浪费或安全风险较大的缺点。

发明内容

本发明的实施例提供了一种考虑全参数影响的隧道工程初期设计方法，以实现对隧道工程进行有效的初期设计。

一种考虑全参数影响的隧道工程初期设计方法，包括：

根据规范中对隧道预留变形量的规定和隧道纵向位移的计算结果，获取初期设计的隧道纵向不同变形阶段的变形控制值；

综合考虑隧道施工中隧道变形的时间变化规律，获取考虑了隧道变形全参数影响的隧道纵向不同变形阶段的变形值；

将考虑了隧道变形全参数影响的隧道纵向不同变形阶段的变形值与所述初期设计的隧道纵向不同变形阶段的变形控制值进行比较，根据比较结果确定所述隧道的初期设计方案的合理性。

所述的方法还包括：将隧道纵向不同变形阶段划分为：隧道工程超前段、未支护段、安全距离段和后续阶段。

所述的根据规范中对隧道预留变形量的规定和隧道纵向位移的计算结果，获取初期设计的隧道纵向不同变形阶段的变形控制值，包括：

根据勘查结果确定隧道工程所赋存围岩的物理力学参数、岩土体结构面的力学特性和分布特征及水文地质条件，确定围岩级别，结合包括隧道功能、长度、埋深在内的基本设计信息，对隧道工程进行综合评定；

根据隧道工程的综合评定结果和类似工程设计经验，确定隧道工程的支护措施、支护结构物理力学参数及初期支护未支护段长度和二次衬砌与初期支护之间安全距离的长度；

根据规范中对隧道预留变形量的规定和隧道工程综合评定结果确定隧道的最终变形控制值，根据数值计算结果确定隧道纵向不同变形阶段的变形控制值。

所述的隧道纵向不同变形阶段的变形控制值包括：隧道工程超前段变形控制值C1、未支护段变形控制值C2、安全距离段变形控制值C3和后续阶段变形控制值C4。

所述的综合考虑隧道施工中隧道变形的时间变化规律，获取考虑了隧道变形全参数影响的隧道纵向不同变形阶段的变形值，包括：

采用大型三维数值仿真方法，综合考虑隧道初期支护喷射混凝土和二次衬砌模筑混凝土的时间硬化特性、隧道开挖速度、初期支护施做速度、二次衬砌施做速度及围岩、支护结构的物理力学参数，得到考虑了全参数影响的隧道纵向不同变形阶段的变形值，其中包括：考虑了全参数影响的隧道工程超前段变形值A1、未支护段变形值A2、安全距离段变形值A3和后续阶段变形值A4。

所述的将考虑了隧道变形全参数影响的隧道纵向不同变形阶段的变形值与所述初期设计的隧道纵向不同变形阶段的变形控制值进行比较，根据比较结果确定所述隧道的初期设计方案的合理性，包括：

将所述C1与所述A1进行比较，所述C2与所述A2进行比较，所述C3与所述A3进行比较，所述C4与所述A4进行比较；

如果满足A1≤C1，A2≤C2，A3≤C3，A4≤C4，则确定所述隧道的初期设计方案符合要求；

如果不满足A1≤C1，A2≤C2，A3≤C3，A4≤C4，则将初期设计的各个变形控制值之和与考虑了全参数影响的各个变形值之和进行比较，根据比较结果确定所述隧道的初期设计方案的合理性。

所述的将初期设计的各个变形控制值之和与考虑了全参数影响的各个变形值之和进行比较，根据比较结果确定所述初期设计的隧道纵向不同变形阶段的变形控制值是否满足要求，包括：

如果满足A1+A2+A3+A4≤C1+C2+C3+C4，则确定所述隧道的初期设计方案符合要求；

如果不满足A1+A2+A3+A4≤C1+C2+C3+C4，则确定所述初期设计的隧道纵向不同变形阶段的变形控制值不符合要求，根据各阶段变形特点分析变形超标原因并调整相应的设计参数，重复以上步骤直至隧道的初期设计方案符合要求。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例基于现有隧道的设计规范制定控制标准，容易被设计人员理解和接受，该方法可考虑隧道施工的时间效应，计算结果与实际情况一致性更好，同时可实现设计、施工一体化，提高隧道设计的科学性，优化采用经验类比法制定的初设方案，有利于避免浪费、消除施工安全风险。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的一种考虑全参数影响的隧道工程初期设计方法的处理流程图。

图2为本发明实例中隧道纵向不同变形阶段的划分示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

本发明实施例基于现有隧道设计规范和工程经验，全面考虑隧道施工影响下变形发展全过程，可实现隧道工程的动态化初期设计。本发明首先根据地质勘查资料和项目需求目标，采用经验类比法确定隧道的几何尺寸设计参数。其次根据规范对隧道预留变形量的要求确定出隧道最终变形控制值，再通过数值计算确定超前变形控制值、未支护段变形控制值、安全距离段变形控制值和后续变形控制值四个阶段变形控制值。然后采用大型三维数值仿真技术，进行精细化动态模拟，该模拟可评价超前支护措施、复合初期支护结构及二次衬砌结构对变形的控制效果，还可考虑隧道循环施工和混凝土的时间硬化效应对隧道变形的影响，可实现隧道设计的科学化和精细化。

该实施例提供了一种考虑全参数影响的隧道工程初期设计方法的处理流程如图1所示，包括如下的处理步骤：

步骤S110、对隧道工程进行综合评定。

通过前期的地质勘查和室内试验，测定隧道工程赋存围岩的物理力学参数、岩土体结构面的力学特性和分布特征及水文地质条件，综合评定围岩级别，通过分析项目需求、隧道几何尺寸设计参数和类似隧道工程设计方案，对拟建隧道工程进行综合评定。

步骤S120、确定隧道初始支护参数

根据隧道工程评定结果，采用经验类比法确定拟建隧道工程的支护措施与支护参数，包括超前支护措施的选择、复合初期支护的配置及二次衬砌结构的设计，并设定初始的隧道施工循环步序。

步骤S130、根据规范中对隧道预留变形量的规定和隧道纵向位移计算结果，确定初期设计的隧道纵向不同变形阶段的变形控制值。

本发明实例一提供的一种隧道纵向不同变形阶段的划分示意图如图2所示，将隧道纵向不同变形阶段划分为：隧道工程超前段、未支护段、安全距离段和后续阶段。

根据勘查结果确定隧道工程所赋存围岩的物理力学参数、岩土体结构面的力学特性和分布特征及水文地质条件，确定围岩级别，结合包括隧道功能、长度、埋深在内的基本设计信息，对隧道工程进行综合评定；

根据隧道工程的综合评定结果和类似工程设计经验，确定隧道工程的支护措施、支护结构物理力学参数及初期支护未支护段长度和二次衬砌与初期支护之间的安全距离。

根据《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)对隧道衬砌预留变形量的规定，确定隧道的最终变形控制值，采用数值模拟方法对隧道变形进行分析，确定沿隧道纵向的位移分布情况。

根据上述隧道的最终变形控制值和隧道纵向的位移分布情况，确定隧道纵向不同变形阶段的变形控制值，其中包括：支护隧道的超前段变形控制值C1、未支护段长度变形控制值C2、二次衬砌的安全距离段变形控制值C3和后续阶段变形控制值C4。

步骤S140、综合考虑隧道施工中隧道变形的时间变化规律，采用隧道变形全参数分析方法计算得到隧道纵向不同变形阶段的变形值。

采用大型三维数值仿真方法，考虑初期支护喷射混凝土及二次衬砌模筑混凝土硬化特性和隧道施工循环的时间效应，得到隧道变形的时间变化规律。

基于所述隧道变形的时间变化规律、隧道的最终变形控制值和沿隧道纵向的位移分布情况，综合考虑隧道混凝土的时间硬化特性、隧道开挖速度、初期支护施做速度、二次衬砌施做速度及围岩、支护结构的物理力学参数中的至少一项，得到考虑了隧道变形全参数影响的隧道纵向不同变形阶段的变形值，其中包括：隧道超前段的变形值A1、初期支护未支护段的变形值A2、二次衬砌与初期支护安全距离段的变形值A3和后续阶段的变形值A4。

步骤S150、将考虑了隧道变形全参数影响的隧道纵向不同变形阶段的变形值与隧道纵向不同变形阶段的变形控制值进行比较，确定隧道初期设计方案的合理性。

将上述C1与A1进行比较，上述C2与A2进行比较，上述C3与A3进行比较，上述C4与A4进行比较。

如果满足A1≤C1，A2≤C2，A3≤C3，A4≤C4，则执行步骤S170；

如果不满足A1≤C1，A2≤C2，A3≤C3，A4≤C4，则执行步骤S160。

步骤S160、将初期设计方案的各个变形控制值之和与考虑了隧道变形全参数影响的各个变形值之和进行比较。

如果满足A1+A2+A3+A4≤C1+C2+C3+C4，则执行步骤S170；

如果不满足A1+A2+A3+A4≤C1+C2+C3+C4，则确定上述初期设计方案不合理，分析原因并制定相应对策，如改变支护结构配置和支护参数或调整施工循环步序，改变应力传递路径，再次进行数值计算直至满足变形控制要求。

步骤S170、隧道变形计算结果满足控制要求后，确定采用上述初期设计方案。

实施例二

上述考虑了全参数影响的隧道工程初期设计方法的一个具体实例如下，其主要技术方案包括：

(1)隧道工程综合评定。某高速铁路隧道全长2400m，位于剥蚀丘陵区，以构造剥蚀中低山为主，地形陡峭，植被发育，隧道最大埋深约200m，开挖跨度14.7m，隧道矢高12.5m，隧道开挖面积150m²。隧道轴线总体走向为148°，进口段为浅埋偏压段，埋深2～20m。洞身穿越地质为第四系残坡积(Q4el+dl)、泥盆系中统郁江阶(D2y)等地层。表层为第四系残坡积粉质粘土，黄褐色，硬塑，厚度0～4m；碎石土，土黄色，松散，厚0～4m。基岩为泥盆系中统郁江阶地层，岩性以泥质砂岩、粉砂岩、灰黑色炭质页岩为主，黄色、灰白色、灰黑色、全～强风化，全风化带厚10～20m，下为弱风化，局部灰黑色炭质页岩，炭质页岩为强～弱风化。隧道进口附近发育一向斜构造，两翼岩层产状55°∠32°、274°∠41°，进口边坡顺层。隧道所在地层地下水类型主要为基岩裂隙水，除进出口附近富水外，其余地段均不发育，补给源主要为大气降水，通过基岩裂隙、岩层破碎带和下降泉径流和排泄。隧道洞身溪沟较发育，溪沟中常年有水流，一般低于山顶或山脊线100～200m即开始有流水，线路右侧为贺江。隧址区地下水具有酸性侵蚀、二氧化碳侵蚀，化学环境等级为H1，氯盐环境等级为L1。根据勘查结果，综合判定隧道洞口段围岩级别为Ⅴ级。

(2)确定隧道初始设计参数。根据工程经验，该隧道洞口段超前支护采用Φ159的长管棚，环向间距为0.4m，单根长度为65m，初期支护钢架采用I22a工字钢，纵向间距为0.6m，C25喷射混凝土厚度为28cm，二次衬砌采用C35钢筋混凝土，厚度为50cm；该隧道的未支护段距离为5m，二次衬砌与初期支护之间的安全距离为20m。

(3)确定变形控制标准。该隧道研究断面以Ⅴ级围岩为主，根据《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)，双线隧道Ⅴ级围岩的预留变形量推荐值为80～120mm，由于该隧道岩质较差，且常年水量丰富，故将最终变形控制值设定为120mm。根据数值计算结果，以该隧道的拱顶沉降为控制基准，其总变形量为142.3mm，其中，超前段变形值为30.2mm，占总变形量的比值为21.2％，未支护段变形值为89.3mm，占总变形量的比值为62.8％，安全距离段变形值为16.0mm，占总变形量的比值为11.2％，后续阶段变形值为6.8mm，占总变形量的比值为4.8％。因此可按上述比例将超前段拱顶沉降控制值确定为25.4mm，未支护段拱顶沉降控制值确定为75.4mm，安全距离段拱顶沉降控制值确定为13.4mm，后续阶段拱顶沉降控制值确定为5.8mm。

(4)基于全参数分析方法确定隧道初期设计方案。将超前支护措施改为大管棚+水平旋喷桩共同加固方式，管棚设计参数不变，将未支护段距离缩短为4m，采用全参数(考虑混凝土的时间硬化特性、隧道开挖速度、初期支护施做速度、二次衬砌施做速度及围岩、支护结构的物理力学参数)模拟方法对隧道洞口段施工过程进行模拟，根据计算结果，隧道拱顶沉降最终值为90.1mm，其中，超前段变形值为15.7mm，未支护段变形值为52.9mm，安全距离段变形值为18.2mm，后续阶段变形值为3.3mm。拱顶沉降满足规范要求，确定该方案为隧道的初期设计方案。

综上所述，本发明实施例基于现有隧道的设计规范制定控制标准，容易被设计人员理解和接受，该方法可考虑隧道施工的时间效应，计算结果与实际情况一致性更好，同时可实现设计、施工一体化，提高隧道设计的科学性，优化采用经验类比法制定的初设方案，有利于避免浪费、消除施工安全风险。

本发明实施例可实现隧道施工前的充分设计，优化支护结构体系配置和循环施工步序安排，从而降低隧道设计的主观性，提高其科学性。同时可避免浪费，消除因设计不合理造成的隧道施工安全隐患。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种考虑全参数影响的隧道工程初期设计方法，其特征在于，包括：

根据规范中对隧道预留变形量的规定和隧道纵向位移的计算结果，获取初期设计的隧道纵向不同变形阶段的变形控制值；

综合考虑隧道施工中隧道变形的时间变化规律，获取考虑了隧道变形全参数影响的隧道纵向不同变形阶段的变形值；

将考虑了隧道变形全参数影响的隧道纵向不同变形阶段的变形值与所述初期设计的隧道纵向不同变形阶段的变形控制值进行比较，根据比较结果确定所述隧道的初期设计方案的合理性。

2.根据权利要求1所述的考虑全参数影响的隧道工程初期设计方法，其特征在于，所述的方法还包括：将隧道纵向不同变形阶段划分为：隧道工程超前段、未支护段、安全距离段和后续阶段。

3.根据权利要求2所述的考虑全参数影响的隧道工程初期设计方法，其特征在于，所述的根据规范中对隧道预留变形量的规定和隧道纵向的位移计算结果，获取初期设计的隧道纵向不同变形阶段的变形控制值，包括：

根据勘查结果确定隧道工程所赋存围岩的物理力学参数、岩土体结构面的力学特性和分布特征及水文地质条件，确定围岩级别，结合包括隧道功能、长度、埋深在内的基本设计信息，对隧道工程进行综合评定；

根据隧道工程的综合评定结果和类似工程设计经验，确定隧道工程的支护措施、支护结构物理力学参数及初期支护未支护段长度和二次衬砌与初期支护之间的安全距离；

根据规范中对隧道预留变形量的规定和隧道工程综合评定结果确定隧道的最终变形控制值，根据数值计算结果确定隧道纵向不同变形阶段的变形控制值。

4.根据权利要求2或3所述的考虑全参数影响的隧道工程初期设计方法，其特征在于，所述的隧道纵向不同变形阶段的变形控制值包括：隧道工程超前段变形控制值C1、未支护段变形控制值C2、安全距离段变形控制值C3和后续阶段变形控制值C4。

5.根据权利要求4所述的考虑全参数影响的隧道工程初期设计方法，其特征在于，所述的综合考虑隧道施工中隧道变形的时间变化规律，获取考虑了隧道变形全参数影响的隧道纵向不同变形阶段的变形值，包括：

采用大型三维数值仿真方法，综合考虑隧道初期支护喷射混凝土和二次衬砌模筑混凝土的时间硬化特性、隧道开挖速度、初期支护施做速度、二次衬砌施做速度及围岩、支护结构的物理力学参数，得到考虑了全参数影响的隧道纵向不同变形阶段的变形值，其中包括：考虑了全参数影响的隧道工程超前段变形值A1、未支护段变形值A2、安全距离段变形值A3和后续阶段变形值A4。

6.根据权利要求5所述的考虑全参数影响的隧道工程初期设计方法，其特征在于，所述的将考虑了隧道变形全参数影响的隧道纵向不同变形阶段的变形值与所述初期设计的隧道纵向不同变形阶段的变形控制值进行比较，根据比较结果确定所述隧道的初期设计方案的合理性，包括：

将所述C1与所述A1进行比较，所述C2与所述A2进行比较，所述C3与所述A3进行比较，所述C4与所述A4进行比较；

如果满足A1≤C1，A2≤C2，A3≤C3，A4≤C4，则确定所述隧道的初期设计方案符合要求；

如果不满足A1≤C1，A2≤C2，A3≤C3，A4≤C4，则将初期设计的各个变形控制值之和与考虑了全参数影响的各个变形值之和进行比较，根据比较结果确定所述隧道的初期设计方案的合理性。

7.根据权利要求6所述的考虑全参数影响的隧道工程初期设计方法，其特征在于，所述的将初期设计的各个变形控制值之和与考虑了全参数影响的各个变形值之和进行比较，根据比较结果确定所述初期设计的隧道纵向不同变形阶段的变形控制值是否满足要求，包括：

如果满足A1+A2+A3+A4≤C1+C2+C3+C4，则确定所述隧道的初期设计方案符合要求；

如果不满足A1+A2+A3+A4≤C1+C2+C3+C4，则确定所述初期设计的隧道纵向不同变形阶段的变形控制值不符合要求，根据各阶段变形特点分析变形超标原因并调整相应的设计参数，重复以上步骤直至隧道的初期设计方案符合要求。