CN104727828B - 基于变形控制的隧道超前支护管理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种基于变形控制的隧道超前支护管理方法。该方法主要包括：基于隧道工程地质情况和隧道结构，计算出隧道围岩的变形预测值S1；基于隧道围岩的变形破坏过程和隧道工程支护结构受力分析，计算出隧道围岩的变形控制标准值S2；将所述隧道围岩的变形预测值S1与所述隧道围岩的变形控制标准值S2进行比较，若S1＜S2，则确定在隧道施工中不采用隧道超前支护；若S1≥S2，则确定在隧道施工中采用隧道超前支护。本发明实施例可以科学地选择出适合种类的隧道超前支护方式，合理地计算出各个隧道超前支护参数的上限值和下限值，可以适用于各种隧道工程的特点和地质条件的多变性。
Description
技术领域
本发明涉及隧道超前支护技术领域，尤其涉及一种基于变形控制的隧道超前支护管理方法。
背景技术
随着近几十年来我国经济的高速发展，铁路及公路运输、水利水电工程和城市地铁等轨道交通与地下空间的开发利用，隧道及地下工程进入了持续快速发展时期。不同长度、不同类型的山岭隧道大量涌现，因此地下工程施工技术的发展，面临新的机遇和挑战。建隧道具有缩短线路长度、穿越不良地质地段、提高道路的可靠性和安全性，维修费用少、保护环境等方面的优点。为了使隧道能更好地适应山岭地区复杂多变的地质条件，有必要对隧道洞身穿越破碎隧道围岩段时的设计和施工支护方法作一些深入细致的研究，确保施工及运营安全。隧道穿越软弱破碎地段时除了施工中遵循“短进尺、弱爆破、少扰动、强支撑、快封闭”的原则外，还需运用一些隧道超前支护的辅助工法，以保施工安全。
对于稳定性较差的隧道围岩，隧道开挖后，隧道围岩的自稳时间很短，初期支护来不及施做，隧道围岩变形就可能超过其容许范围，此时需采用隧道超前支护措施来控制隧道围岩的变形，事先减轻开挖后可能释放的荷载，用初期支护承担开挖后由隧道超前支护减轻的释放荷载，此时隧道超前支护和初期支护共同承担了开挖后可能释放的全部荷载。
控制掌子面超前变形主要采用隧道超前支护，隧道超前支护大体上可以按构造分类，分为利用隧道纵向刚性的梁构造和利用横向刚性的拱形构造两大类。梁构造可分为采用钢管、钢棒系材料的工法和高压喷射改良隧道围岩的工法2种,各种隧道超前支护分类表如图1所示。
目前，这些隧道超前支护的方法在隧道及地下工程建设领域有着广泛的运用和发展，而在山岭隧道建设中尤以超前锚杆、管棚和小导管注浆法最为常见。就这三种隧道超前支护技术而言，它们的力学行为特征、适应的隧道围岩条件、设计及施工的合理性和经济性等方面还存在诸多的不确定性，给隧道超前支护的选择带来一定困难。
目前，现有隧道施工中，对隧道超前支护的选择多是采用基于经验的工程类比方法，缺乏可靠的理论指导，难以做到科学化设计。由于隧道工程的特点和地质条件的多变性和缺乏系统的理论指导，隧道超前支护设计在某些条件下过于保守，造成浪费，然而在有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，上述现有技术中的基于经验的工程类比方法不能很好的根据隧道围岩特点选择最经济、最适合的隧道超前支护方法。
发明内容
本发明的实施例提供了一种基于变形控制的隧道超前支护管理方法，以提供一种科学、合理的隧道超前支护方式和参数的选取方案。
一种基于变形控制的隧道超前支护管理方法，包括：
基于隧道工程地质情况和隧道结构，计算出隧道围岩的变形预测值S1；
基于隧道围岩的变形破坏过程和隧道工程支护结构受力分析，计算出隧道围岩的变形控制标准值S2；
将所述隧道围岩的变形预测值S1与所述隧道围岩的变形控制标准值S2进行比较，若S1＜S2，则确定在隧道施工中不采用隧道超前支护；若S1≥S2，则确定在隧道施工中采用隧道超前支护。
优选地，所述的根据隧道工程地质情况和隧道结构计算出隧道围岩的变形预测值S1，包括：
根据地质勘查资料中工程地质情况确定隧道围岩的物理力学参数，根据设计资料确定隧道结构的形式及开挖方式，基于所述隧道围岩的物理力学参数、隧道结构的形式及开挖方式通过连续介质模型计算得到隧道围岩的变形预测值S1。
优选地，所述的基于隧道围岩的变形破坏过程和隧道工程支护结构受力分析，计算出隧道围岩的变形控制标准值S2，包括：
根据隧道围岩的变形破坏过程、隧道工程支护结构受力分析、道路行车交通要求，并根据类似工程监测结果的统计分析，采用解析法、类比法、数值法、模型试验法、现场监测法中的至少一种方法计算出隧道围岩的变形控制标准值S2。
优选地，所述的确定在隧道施工中采用隧道超前支护之后，还包括：
选取某种隧道超前支护，根据所述某种隧道超前支护的加固原理及施工方法，得出各个隧道超前支护参数的初始赋值范围，选取各个隧道超前支护参数的初始赋值范围内的最大值，基于最大值的各个隧道超前支护参数通过预测分析得出隧道围岩变形的预测值S3；
将所述预测值S3与所述变形控制标准值S2进行比较，如果S3＜S2，则在隧道施工中采用所述某种隧道超前支护；
如果S3≥S2，则选取另一种隧道超前支护，按照上述处理过程，计算出所述另一种隧道超前支护的隧道围岩变形的预测值S3'，将所述预测值S3'与所述变形控制标准值S2进行比较，如果S3'＜S2，则在隧道施工中采用所述另一种隧道超前支护；
如果S3'≥S2，则选取其它隧道超前支护，重新执行上述处理过程，直到选取的当前隧道超前支护的隧道围岩变形的预测值小于所述变形控制标准值S2，则在隧道施工中采用所述当前隧道超前支护。
优选地，所述的方法还包括：
通过隧道超前支护参数的敏感性分析，计算出各个隧道超前支护参数的上限值；
根据所述各个隧道超前支护参数的上限值，以及各个隧道超前支护参数的初始赋值范围，计算出采取隧道超前支护后的隧道围岩变形的预测值S3；
计算出隧道超前支护参数的加固有效性评价系数α，α＝S3/S2，如果α＜1，则确定隧道超前支护参数达到要求；如果α≥1，则确定隧道超前支护参数不达到要求，对隧道超前支护参数进行调整。
优选地，所述的通过隧道超前支护参数的敏感性分析，计算出各个隧道超前支护参数的上限值，包括：
采用数值模拟方法，得出隧道围岩变形随隧道超前支护参数的变化规律曲线，对所述变化规律曲线进行拟合，得出隧道超前支护参数的敏感性，对不同隧道超前支护参数的敏感性进行排序；
对于敏感性存在拐点的隧道超前支护参数，以拐点所对应的参数值确定隧道超前支护参数的上限值；对于敏感性不存在拐点的隧道超前支护参数，给出隧道超前支护参数的上限值的建议值。
优选地，所述的对隧道超前支护参数进行调整，包括：
选取隧道超前支护的各参数的初始赋值范围的最小值进行计算分析，选取某个参数，计算时不断增大该某个参数，并分别计算出不同的S3，得出不同的α，如果在所述某个参数达到根据参数敏感性分析得到的上限值之前，存在α＜1的情况，则选择α＝1所对应的值为该某个参数的下限值，其他参数直接选取初始范围所确定的下限值；
如果在所述某个参数达到根据参数敏感性分析得到的上限值之前或者同时，不存在α＜1的情况，则根据参数敏感性分析得到的上限值即为该某个参数的下限值；
选取下一个参数，按照上述处理过程计算下一个参数的下限值。
优选地，所述的对隧道超前支护参数进行调整，包括：
根据隧道超前支护参数的敏感性计算结果，将敏感性大于设定的阈值的参数定义为敏感性大的参数，将敏感性小于或者等于设定的阈值的参数定义为敏感性小的参数；
先计算出于敏感性大的参数的下限值，后计算出敏感性小的参数的下限值。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过将隧道围岩的变形预测值S1和隧道围岩的变形控制标准值S2进行比较，可以科学地判定出是否采用隧道超前支护。通过将基于最大值的各个隧道超前支护参数的隧道围岩的变形预测值S3与变形控制标准值S2进行比较，可以科学地选择出适合种类的隧道超前支护方式。通过利用隧道超前支护参数的敏感性分析和加固有效性评价系数，可以合理地计算出各个隧道超前支护参数的上限值和下限值。本发明实施例即保证了隧道建设的安全，又根据隧道围岩的特点选择最经济、最适合的隧道超前支护方式和隧道超前支护参数，可以适用于各种隧道工程的特点和地质条件的多变性。
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为现有技术中的一种各种隧道超前支护分类表示意图；
图2为本发明实施例一提供的一种基于变形控制的隧道超前支护管理方法的处理流程图；
图3为本发明实施例一提供的一种拱顶沉降随管棚钢管直径的变化趋势曲线示意图；
图4为本发明实施例一提供的一种管棚钢管直径的敏感度曲线示意图；
图5为本发明实施例一提供的一种拱顶沉降随管棚钢管间距的变化趋势曲线示意图；
图6为本发明实施例一提供的一种管棚钢管间距的敏感度曲线示意图；
图7为本发明实施例一提供的一种拱顶沉降随管棚注浆厚度的变化趋势曲线；
图8为本发明实施例一提供的一种管棚注浆厚度的敏感度曲线示意图；
图9为本发明实施例一提供的一种监测断面测点示意图。
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
本发明实施例针对隧道超前支护设计不合理的问题，提出以隧道围岩变形控制为核心的隧道超前支护设计方法。通过变形预测、控制标准制定、隧道超前支护参数敏感性分析、加固有效性的分析和施工过程监测五个步骤，制定出隧道超前支护参数合理范围，为我国高速铁路隧道的建造提供直接的指导，并逐步形成相应的工程建设关键技术。
该实施例提供了一种基于变形控制的隧道超前支护管理方法的处理流程如图2所示，包括如下的处理步骤：
步骤S210、计算出隧道围岩的变形预测值S1。
首先，根据地质勘查资料中工程地质情况确定隧道围岩的物理力学参数。然后，根据设计资料确定隧道结构的形式及开挖方式。最后，基于上述隧道围岩的物理力学参数、隧道结构的形式及开挖方式通过连续介质模型计算得到隧道围岩的变形预测值S1。
步骤S220、计算出隧道围岩的变形控制标准值S2。
结合隧道围岩的变形破坏过程、隧道工程支护结构受力分析、道路行车交通要求等，并根据类似工程监测结果的统计分析，采用解析法、类比法、数值法、模型试验法、现场监测法等方法确定隧道围岩的变形控制标准值S2。
步骤S230、确定是否采用超前加固措施。
将步骤S210与步骤S220得到的预测变形量S1和控制标准S2进行比较。若S1＜S2，则进行正常施工，进行步骤S260，在施工过程中进行严格监控量测；若S1≥S2，则需要采用超前加固措施，进行步骤S240。
步骤S240、确定隧道超前支护类型。
首先，选取某种隧道超前支护，根据所述某种隧道超前支护的加固原理及施工方法，得出各个隧道超前支护参数的初始赋值范围，选取各个隧道超前支护参数的初始赋值范围内的最大值，基于最大值的各个隧道超前支护参数通过预测分析得出隧道围岩变形的预测值S3；
将所述预测值S3与所述变形控制标准值S2进行比较，如果S3＜S2，则在隧道施工中采用所述某种隧道超前支护，进行步骤S250；
如果S3≥S2，则选取另一种隧道超前支护，按照上述处理过程，计算出所述另一种隧道超前支护的隧道围岩变形的预测值S3'，将所述预测值S3'与所述变形控制标准值S2进行比较，如果S3'＜S2，则在隧道施工中采用所述另一种隧道超前支护；进行步骤S250；
如果S3'≥S2，则选取其它隧道超前支护，重新执行上述处理过程，直到选取的当前隧道超前支护的隧道围岩变形的预测值小于所述变形控制标准值S2，则在隧道施工中采用所述当前隧道超前支护。进行步骤S250。
步骤S250、确定选择的隧道超前支护参数范围。
1)通过隧道超前支护参数的敏感性分析，计算出隧道超前支护参数的上限值。
首先，采用数值模拟方法，采用数值模拟方法，得出隧道围岩变形随隧道超前支护参数的变化规律曲线，对所述变化规律曲线进行拟合，得出隧道超前支护参数的敏感性，。
然后，根据不同参数的敏感性制定出参数的上限值。对于敏感性存在拐点的隧道超前支护参数，以拐点所对应的参数值确定隧道超前支护参数的上限值；对于敏感性不存在拐点的隧道超前支护参数，给出隧道超前支护参数的上限值的建议值。
2)根据上述各个隧道超前支护参数的上限值，以及各个隧道超前支护参数的初始赋值范围，计算出采取隧道超前支护后的隧道围岩变形的预测值S3。
3)通过隧道超前支护参数加固有效性分析，计算出隧道超前支护参数的下限值。定义隧道超前支护参数的加固有效性评价系数α，α＝S3/S2，S3为采取隧道超前支护后的隧道围岩变形的预测值，如果α＜1，则说明采取隧道超前支护的加固措施后的隧道拱顶沉降计算结果满足控制标准，隧道超前支护参数达到要求；
如果α≥1，则说明采取隧道超前支护的加固措施后的隧道拱顶沉降计算结果不满足控制标准，需要重新调整隧道超前支护的参数。
根据隧道超前支护参数的敏感性计算结果，将敏感性大于设定的阈值的参数定义为敏感性大的参数，将敏感性小于或者等于设定的阈值的参数定义为敏感性小的参数。先计算出于敏感性大的参数的下限值，后计算出敏感性小的参数的下限值。
选取隧道超前支护的各参数的初始赋值范围的最小值进行计算分析，选取敏感性大的某个参数，计算时不断增大该敏感性大的某个参数，并分别计算出不同的S3，得出不同的α。如果在上述某个参数达到步骤“1)”中根据参数敏感性分析得到的上限值之前，存在α＜1的情况，则选择α＝1所对应的值为该某个参数的下限值，其他参数直接选取初始范围所确定的下限值；
如果在相应参数达到步骤“1)”中根据参数敏感性分析得到的上限值之前以及达到上限值时，不存在α＜1的情况，那么步骤“1)”中根据参数敏感性分析得到的上限值即为该某个参数的下限值。
接着，选取下一个参数，按照上述处理过程计算下一个参数的下限值。
此处确定超前支护参数下限的方法，先确定敏感性大的参数的下限值后确定敏感性参数小的下限值，是为了减小计算量。
步骤S260、施工中的监控量测
监控量测的目的就是为了反映隧道施工过程中隧道围岩的受力和变形状况，并根据监测结果来判定隧道支护结构的稳定状态，从而评价隧道支护结构的合理性，为设计和施工提供依据，因此，设计文件都会根据隧道特点来确定其必测项目和选测项目的具体内容。
不同的工程根据其实际特点而选用的必测项目和选测项目不尽相同，但一般山岭隧道的监测项目有洞内观察、拱顶下沉、净空收敛、地表下沉、隧道围岩压力、钢架受力、锚杆内力等。
实施例二
本发明实施例提出的基于变形控制的隧道超前支护设计方法在贵广铁路隧道、合福铁路等项目中获得了成功的应用。下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
某隧道总体呈现北西-南东向。隧道起讫里程为DK592+058～DK594+496，是贵广高速铁路中施工难度较大的一座隧道。其中，隧道进口段DK592+058～090接长明洞，DK592+090～+300为进口浅埋地段，埋深2～20m，开挖跨度14.7m，隧道矢高12.5m，隧道开挖面积150m2，为特大断面隧道。
隧道位于构造低山丘陵区，山坡自然坡度20～30，洞身最大埋深约200m。隧道进口浅埋段位于左侧坡脚与右侧沟谷之间的缓坡地带，地形平缓。隧道顶部地面高程165～185m，进口处线路标高155m。洞身在DK592+225m处地表有一条深切沟谷，且常年流水，附近地层的电阻值及弹性波速较低，地层含水性较好。
进口段地层分为三层，表层为第四系残坡积粉质黏土，硬塑，厚0～4m；碎石土，土黄色，松散，厚0～4m；基岩为泥盆系中统郁江阶(D2y)地层,岩性以泥质砂岩、粉砂岩、炭质页岩为主，全风化～强风化，全风化带层厚10～20m，强风化带厚10～20m，下为炭质灰岩，弱风化为主，岩溶较发育。第一层物理力学参数为密度1990kg·m-3、弹性模量3.25MPa、泊松比0.38、粘聚力25.79KPa，内摩擦角17.72°，第二层物理力学参数为密度2020kg·m-3、弹性模量13.4MPa、泊松比0.33、粘聚力20.55KPa，内摩擦角18.36°，第三层物理力学参数为密度2600kg·m-3、弹性模量120MPa、泊松比0.3、粘聚力30.3KPa，内摩擦角20.54°。
(1)变形预测：基于连续介质模型计算得到了隧道最大沉降值为98.90mm，出现在拱顶处。隧道的计算参数为下述表1所示，喷射混凝土：全环C30早强喷混凝土；钢拱架：全环I22a工字钢，拱架纵向间距@60cm；系统锚杆：拱墙均设置，长度4m，间距(环向×纵向)1.2m×1.0m；纵向连接筋：φ22螺纹钢筋，环向间距1m；施工方法：采用6部CRD法施工，机械辅助人工开挖。
表1
| 项目 | 计算参数 |
| 喷射混凝土 | 全环C30早强喷混凝土 |
| 钢拱架 | 全环I22a工字钢，拱架纵向间距@60cm |
| 系统锚杆 | 拱墙均设置，长度4m，间距(环向×纵向)1.2m×1.0m |
| 纵向连接筋 | φ22螺纹钢筋，环向间距1m |
| 钢筋网 | φ8钢筋，@20×20网格 |
| 施工方法 | 采用6部CRD法施工，机械辅助人工开挖 |
(2)控制标准的制定：基于隧道施工安全性和长期运营可靠性的要求，根据工程数据统计分析和数值分析等方法制定该隧道拱顶沉降控制标准为50mm。
(3)确定是否采用超前加固措施：控制标准为50mm，而变形预测值为98.90mm，属于S1≥S2的情况，因此需要采取超前加固措施。
(4)确定隧道超前支护的类型：管棚初始参数范围为：直径42～300mm、间距0.3～0.6m、注浆厚度0.3m～0.6m。采用超前管棚(最大参数为直径300mm、最小间距取0.3mm，最大注浆厚度取0.6)计算得到的隧道拱顶沉降为34.86mm，小于控制标准50mm，满足S3＜S2情况，因此选择这种隧道超前支护方式作为设计参考。
(5)隧道超前支护参数范围确定：
1)通过隧道超前支护参数敏感性分析，制定出参数上限
①管棚直径
该实施例提供的一种拱顶沉降随管棚钢管直径的变化趋势曲线示意图如图3所示，对隧道拱顶沉降随管棚钢管直径变化曲线进行拟合，得到拱顶沉降和管棚钢管直径之间的关系特性函数如下式所示：
s拱顶＝-34.85-1219.01/(2.4+R)
根据上式可得管棚钢管直径的敏感度函数S(R)如下式所示：
该实施例提供的一种管棚钢管直径的敏感度曲线示意图如图4所示，由图4可以看出，随着管棚钢管直径的增加，拱顶沉降值逐渐减小，趋势基本为双曲线的形式。通过无量钢化的敏感性分析，得到拱顶沉降对管棚钢管直径的敏感度因子。随着管棚钢管直径的增加，其敏感度因子逐渐减小，范围在0.1～0.5之间。
②管棚间距
该实施例提供的一种拱顶沉降随管棚钢管间距的变化趋势曲线如图5所示，对隧道拱顶沉降随管棚钢管间距变化曲线进行拟合，得到拱顶沉降和管棚钢管间距之间的关系特性函数如下式所示：
s拱顶＝-49.91-118.85S5.06
根据上式可得管棚钢管间距的敏感度函数S(S)如下式所示：
该实施例提供的一种管棚钢管间距的敏感度曲线示意图如图6所示，由图6可以看出，随着管棚钢管间距的增加，拱顶沉降值逐渐增大。通过无量钢化的敏感性分析，得到拱顶沉降对管棚钢管间距的敏感度因子。随着管棚钢管间距的减小，其敏感度因子逐渐减小，范围在0.03～0.77之间。
③管棚注浆厚度
该实施例提供的一种拱顶沉降随管棚注浆厚度的变化趋势曲线如图7所示，对隧道拱顶沉降随管棚注浆厚度变化曲线进行拟合，得到拱顶沉降和管棚注浆厚度之间的关系特性函数如下式所示：
s拱顶＝14.2D-56.74
根据上式可得管棚注浆厚度的敏感度函数S(D)如下式所示：
该实施例提供的一种管棚注浆厚度的敏感度曲线如图8所示，由图8可以看出，随着管棚注浆厚度的增加，拱顶沉降值逐渐减小，趋势基本为直线的形式。通过无量钢化的敏感性分析，得到拱顶沉降对管棚钢管直径的敏感度因子。随着管棚注浆厚度的增加，其敏感度因子逐渐减小，范围在0.08～0.18之间。
综合考虑经济因素及实际施工条件，根据敏感性分析结果可知：①管棚直径上限为159mm，②管棚间距上限为0.4m，③管棚注浆厚度上限为0.4m。
2)通过隧道超前支护参数加固有效性分析，制定参数下限
敏感性分析结果，影响隧道拱顶沉降的影响因素敏感性大小依次为：管棚直径、管棚间距、管棚的注浆厚度。首先，选取管棚直径范围为42～159mm(其中159mm为参数敏感性分析得到的上限)，计算不同直径对应的α(加固有效性评价指标)值，发现存在α＜1的情况，则选择α＝1所对应的值(直径为108mm)为该参数的下限，其他参数直接选取初始范围所确定的下限值。
综合考虑经济因素及实际施工条件，根据加固有效性分析结果可知：①管棚直径下限为108mm，②管棚间距下限为0.3m，③管棚注浆厚度下限为0.3m。
(6)施工中的监控量测：
该实施例提供的一种监测断面测点示意图如图9所示，工程监控量测项目有：拱顶下沉、水水平收敛、初支-隧道围岩接触压力、初支-二衬接触压力初支钢架应力、初支砼应变、二衬砼应变、地层深部沉降、地表沉降、地层分层沉降、地层水平位移。
综上所述，通过将隧道围岩的变形预测值S1和隧道围岩的变形控制标准值S2进行比较，可以科学地判定出是否采用隧道超前支护。通过将基于最大值的各个隧道超前支护参数的隧道围岩的变形预测值S3与变形控制标准值S2进行比较，可以科学地选择出适合种类的隧道超前支护方式。通过利用隧道超前支护参数的敏感性分析和加固有效性评价系数，可以合理地计算出各个隧道超前支护参数的上限值和下限值。本发明实施例即保证了隧道建设的安全，又根据隧道围岩的特点选择最经济、最适合的隧道超前支护方式和隧道超前支护参数，可以适用于各种隧道工程的特点和地质条件的多变性。
本发明实施例为我国高速铁路隧道的建造提供了直接的指导，并逐步形成相应的工程建设关键技术。
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)
1.一种基于变形控制的隧道超前支护管理方法，其特征在于，包括：
基于隧道工程地质情况和隧道结构，计算出隧道围岩的变形预测值S1；
基于隧道围岩的变形破坏过程和隧道工程支护结构受力分析，计算出隧道围岩的变形控制标准值S2；
将所述隧道围岩的变形预测值S1与所述隧道围岩的变形控制标准值S2进行比较，若S1＜S2，则确定在隧道施工中不采用隧道超前支护；若S1≥S2，则确定在隧道施工中采用隧道超前支护；
确定在隧道施工中采用隧道超前支护之后，选取某种隧道超前支护，根据所述某种隧道超前支护的加固原理及施工方法，得出各个隧道超前支护参数的初始赋值范围，选取各个隧道超前支护参数的初始赋值范围内的最大值，基于最大值的各个隧道超前支护参数通过预测分析得出隧道围岩变形的预测值S3；
将所述预测值S3与所述变形控制标准值S2进行比较，如果S3＜S2，则在隧道施工中采用所述某种隧道超前支护；
如果S3≥S2，则选取另一种隧道超前支护，按照上述处理过程，计算出所述另一种隧道超前支护的隧道围岩变形的预测值S3'，将所述预测值S3'与所述变形控制标准值S2进行比较，如果S3'＜S2，则在隧道施工中采用所述另一种隧道超前支护；
如果S3'≥S2，则选取其它隧道超前支护，重新执行上述处理过程，直到选取的当前隧道超前支护的隧道围岩变形的预测值小于所述变形控制标准值S2，则在隧道施工中采用所述当前隧道超前支护。
2.根据权利要求1所述的基于变形控制的隧道超前支护管理方法，其特征在于，所述的根据隧道工程地质情况和隧道结构计算出隧道围岩的变形预测值S1，包括：
根据地质勘查资料中工程地质情况确定隧道围岩的物理力学参数，根据设计资料确定隧道结构的形式及开挖方式，基于所述隧道围岩的物理力学参数、隧道结构的形式及开挖方式通过连续介质模型计算得到隧道围岩的变形预测值S1。
3.根据权利要求1所述的基于变形控制的隧道超前支护管理方法，其特征在于，所述的基于隧道围岩的变形破坏过程和隧道工程支护结构受力分析，计算出隧道围岩的变形控制标准值S2，包括：
根据隧道围岩的变形破坏过程、隧道工程支护结构受力分析、道路行车交通要求，并根据类似工程监测结果的统计分析，采用解析法、类比法、数值法、模型试验法、现场监测法中的至少一种方法计算出隧道围岩的变形控制标准值S2。
4.根据权利要求1所述的基于变形控制的隧道超前支护管理方法，其特征在于，所述的方法还包括：
通过隧道超前支护参数的敏感性分析，计算出各个隧道超前支护参数的上限值；
根据所述各个隧道超前支护参数的上限值，以及各个隧道超前支护参数的初始赋值范围，计算出采取隧道超前支护后的隧道围岩变形的预测值S3；
计算出隧道超前支护参数的加固有效性评价系数α，α＝S3/S2，如果α＜1，则确定隧道超前支护参数达到要求；如果α≥1，则确定隧道超前支护参数不达到要求，对隧道超前支护参数进行调整。
5.根据权利要求4所述的基于变形控制的隧道超前支护管理方法，其特征在于，所述的通过隧道超前支护参数的敏感性分析，计算出各个隧道超前支护参数的上限值，包括：
采用数值模拟方法，得出隧道围岩变形随隧道超前支护参数的变化规律曲线，对所述变化规律曲线进行拟合，得出隧道超前支护参数的敏感性，对不同隧道超前支护参数的敏感性进行排序；
对于敏感性存在拐点的隧道超前支护参数，以拐点所对应的参数值确定隧道超前支护参数的上限值；对于敏感性不存在拐点的隧道超前支护参数，给出隧道超前支护参数的上限值的建议值。
6.根据权利要求4所述的基于变形控制的隧道超前支护管理方法，其特征在于，所述的对隧道超前支护参数进行调整，包括：
选取隧道超前支护的各参数的初始赋值范围的最小值进行计算分析，选取某个参数，计算时不断增大该某个参数，并分别计算出不同的S3，得出不同的α，如果在所述某个参数达到根据参数敏感性分析得到的上限值之前，存在α＜1的情况，则选择α＝1所对应的值为该某个参数的下限值，其他参数直接选取初始范围所确定的下限值；
如果在所述某个参数达到根据参数敏感性分析得到的上限值之前或者同时，不存在α＜1的情况，则根据参数敏感性分析得到的上限值即为该某个参数的下限值；
选取下一个参数，按照上述处理过程计算下一个参数的下限值。
7.根据权利要求6所述的基于变形控制的隧道超前支护管理方法，其特征在于，所述的对隧道超前支护参数进行调整，包括：
根据隧道超前支护参数的敏感性计算结果，将敏感性大于设定的阈值的参数定义为敏感性大的参数，将敏感性小于或者等于设定的阈值的参数定义为敏感性小的参数；
先计算出于敏感性大的参数的下限值，后计算出敏感性小的参数的下限值。
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