CN108959803B - 一种隧道支护结构体系协同设计方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道支护结构体系协同设计方法及系统。所述方法及系统根据隧道围岩的超前变形预测值和超前变形量控制标准值进行比较，可以科学地判定出是否采用隧道超前支护，并通过超前支护参数的敏感性分析获得超前支护最优参数解集；根据隧道围岩施工期间最大变形量预测值和隧道最大变形量控制标准值进行对比，可以科学判定出是否采用初期支护，并通过初期支护参数的敏感性分析可以获得初期支护最优参数解集；根据所提出的隧道支护结构体系协同度可以科学地判断所选隧道支护设计方案的优劣，从而实现隧道支护结构体系的协同作用评价，充分发挥支护体系的整体性能，提高了隧道设计的科学性和经济性。

Description

一种隧道支护结构体系协同设计方法及系统

技术领域

本发明涉及隧道支护结构体系设计技术领域，特别是涉及一种隧道支护结构体系协同设计方法及系统。

背景技术

截止到2017年底，我国已建成运营的铁路隧道12.7万公里，其中高铁隧道2.5万公里，此外还有大量的公路隧道以及城市地下空间开发工程等，可以说，我国已成为名副其实的隧道及地下工程大国。然而，鉴于隧道及地下工程学科的实践性特点，对工程经验的依赖较多，目前我国尚未形成系统理论与技术体系，这一方面是由于我国地质条件及其力学行为的极其复杂性，另一方面也说明隧道建造理论严重滞后于工程实践。

隧道支护结构体系是保证隧道围岩稳定性的基本要求，随着新奥法的提出和应用，以调动围岩承载为核心的支护设计理念已形成广泛共识。但由于我国隧道围岩条件差异性极大，针对具体工程设计中的支护时机选择、支护参数确定以及支护可靠性评价等问题尚存在诸多困惑，使得隧道工程的定量化设计步履维艰。

在现行的隧道设计规范中，主要依靠工程经验确定超前支护、锚固支护以及初期支护方案和参数，将上述支护形式均视为临时支护进行设计，而将二次衬砌作为主承载结构对其进行检算，在校核时则不考虑前述施作的预支护和初期支护的作用，显然这与事实是严重不符的。现有隧道支护结构体系的设计方法主观性强、科学性差，或因过分强调安全而造成材料浪费，或因过于经济而使得工程偏于危险。

发明内容

本发明的目的是提供一种隧道支护结构体系协同设计方法及系统，结合施工程序依次确定隧道支护结构体系参数，从而降低隧道支护设计的主观性，提高其科学性，同时可避免材料浪费，消除因设计不合理造成的隧道施工安全隐患。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种隧道支护结构体系协同设计方法，所述方法包括：

获取隧道开挖面的超前变形量预测值和超前变形量控制标准值；

根据所述超前变形量预测值和超前变形量控制标准值判断隧道开挖过程中是否需要施作超前支护，获得第一判断结果；

若所述第一判断结果为隧道开挖过程中需要施作超前支护，根据超前支护参数的敏感性分析结果确定超前支护参数最优解集；

根据所述超前支护参数最优解集对隧道施工期间围岩的最大变形量进行预测，获得围岩变形量预测值；

根据所述围岩变形量预测值和围岩变形量控制标准值判断隧道围岩施工期间是否需要施作初期支护，获得第二判断结果；

若所述第二判断结果为隧道围岩施工期间需要施作初期支护，根据初期支护体系确定初期支护参数最优解集；所述初期支护体系为钢架和喷射混凝土配合锚固体系组成的隧道支护结构体系；所述初期支护参数最优解集包括支护时机最优值、喷射混凝土支护刚度最优值以及钢架支护刚度最优值；

根据所述超前支护参数最优解集和所述初期支护参数最优解集计算隧道支护结构体系的协同度；

根据所述协同度判断围岩变形是否影响隧道运营，获得第三判断结果；

若所述第三判断结果为围岩变形影响隧道运营，根据支护时机确定二次衬砌参数最优解集；所述二次衬砌参数最优解集包括二次衬砌厚度最优值；

根据所述超前支护参数最优解集、所述初期支护参数最优解集和所述二次衬砌参数最优解集确定隧道支护结构体系的结构参数；所述隧道支护结构体系包括超前支护、初期支护和二次衬砌。

可选的，所述根据所述超前变形量预测值和超前变形量控制标准值判断隧道开挖过程中是否需要施作超前支护，获得第一判断结果，具体包括：

判断所述超前变形量预测值是否小于所述超前变形量控制标准值；

若所述超前变形量预测值小于所述超前变形量控制标准值，则所述第一判断结果为隧道开挖过程中不需要施作超前支护；

若所述超前变形量预测值不小于所述超前变形量控制标准值，则所述第一判断结果为隧道开挖过程中需要施作超前支护。

可选的，所述根据超前支护参数的敏感性分析结果确定超前支护参数最优解集，具体包括：

获取所述超前支护参数的波动范围；

将所述超前支护参数在其波动范围内变化，确定超前支护参数的不同取值对围岩变形量的影响；

确定对所述围岩变形量影响最小的超前支护参数值作为所述超前支护参数最优解集。

可选的，所述根据所述围岩变形量预测值和围岩变形量控制标准值判断隧道围岩施工期间是否需要施作初期支护，获得第二判断结果，具体包括：

判断所述围岩变形量预测值是否小于所述围岩变形量控制标准值；

若所述围岩变形量预测值小于所述围岩变形量控制标准值，则所述第二判断结果为隧道围岩施工期间不需要施作初期支护；

若所述围岩变形量预测值不小于所述围岩变形量控制标准值，则所述第二判断结果为隧道围岩施工期间需要施作初期支护。

可选的，所述根据初期支护体系确定初期支护参数最优解集，具体包括：

获取所述初期支护体系中初期支护参数的波动范围；所述初期支护参数包括支护时机、喷射混凝土支护刚度以及钢架支护刚度；

将所述初期支护参数在其波动范围内变化，确定所述初期支护参数的不同取值对围岩变形量的影响；

确定对围岩变形量影响最小的初期支护参数值作为所述初期支护参数最优解集；所述初期支护参数最优解集包括支护时机最优值、喷射混凝土支护刚度最优值以及钢架支护刚度最优值。

可选的，所述根据所述超前支护参数最优解集和所述初期支护参数最优解集计算隧道支护结构体系的协同度，具体包括：

采用公式

计算所述隧道支护结构体系的协同度；其中E(ξ)表示隧道支护结构体系中各支护构件强度利用率的加权平均值；D(ξ)表示隧道支护结构体系中各支护构件使用效率的一致性；n表示隧道支护结构体系中各种支护形式的数量；ω_i为第i种支护形式的权重值；ξ_i为第i种构件的性能利用率。

可选的，所述根据所述协同度判断围岩变形是否影响隧道运营，获得第三判断结果，具体包括：

根据所述协同度确定所述超前支护和所述初期支护的支护参数设置是否合理；

若所述超前支护和所述初期支护的支护参数设置合理，获取隧道服务期内围岩变形量预测值；

判断所述围岩变形量预测值是否小于围岩变形量控制标准值；

若所述围岩变形量预测值小于所述围岩变形量控制标准值，则所述第三判断结果为围岩变形不影响隧道运营；

若所述围岩变形量预测值不小于所述围岩变形量控制标准值，则所述第三判断结果为围岩变形影响隧道运营。

本发明还公开了一种隧道支护结构体系协同设计系统，所述系统包括：

超前变形量获取模块，用于获取隧道开挖面的超前变形量预测值和超前变形量控制标准值；

第一判断模块，用于根据所述超前变形量预测值和超前变形量控制标准值判断隧道开挖过程中是否需要施作超前支护，获得第一判断结果；

超前支护参数最优解集确定模块，用于当所述第一判断结果为隧道开挖过程中需要施作超前支护时，根据超前支护参数的敏感性分析结果确定超前支护参数最优解集；

围岩变形量预测模块，用于根据所述超前支护参数最优解集对隧道施工期间围岩的最大变形量进行预测，获得围岩变形量预测值；

第二判断模块，用于根据所述围岩变形量预测值和围岩变形量控制标准值判断隧道围岩施工期间是否需要施作初期支护，获得第二判断结果；

初期支护参数最优解集确定模块，用于当所述第二判断结果为隧道围岩施工期间需要施作初期支护时，根据初期支护体系确定初期支护参数最优解集；所述初期支护体系为钢架和喷射混凝土配合锚固体系组成的隧道支护结构体系；所述初期支护参数最优解集包括支护时机最优值、喷射混凝土支护刚度最优值以及钢架支护刚度最优值；

协同度计算模块，用于根据所述超前支护参数最优解集和所述初期支护参数最优解集计算隧道支护结构体系的协同度；

第三判断模块，用于根据所述协同度判断围岩变形是否影响隧道运营，获得第三判断结果；

二次衬砌参数最优解集确定模块，用于当所述第三判断结果为围岩变形影响隧道运营时，根据支护时机确定二次衬砌参数最优解集；所述二次衬砌参数最优解集包括二次衬砌厚度最优值；

隧道支护结构体系确定模块，用于根据所述超前支护参数最优解集、所述初期支护参数最优解集和所述二次衬砌参数最优解集确定隧道支护结构体系的结构参数；所述隧道支护结构体系包括超前支护、初期支护和二次衬砌。

可选的，所述超前支护参数最优解集确定模块具体包括：

超前支护参数波动范围获取单元，用于获取所述超前支护参数的波动范围；

围岩变形量确定单元，用于将所述超前支护参数在其波动范围内变化，确定超前支护参数的不同取值对围岩变形量的影响；

超前支护参数最优解集确定单元，用于确定对所述围岩变形量影响最小的超前支护参数值作为所述超前支护参数最优解集。

可选的，所述协同度计算模块具体包括：

协同度计算单元，用于采用公式

计算所述隧道支护结构体系的协同度；其中E(ξ)表示隧道支护结构体系中各支护构件强度利用率的加权平均值；D(ξ)表示隧道支护结构体系中各支护构件使用效率的一致性；n表示隧道支护结构体系中各种支护形式的数量；ω_i为第i种支护形式的权重值；ξ_i为第i种构件的性能利用率。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供一种隧道支护结构体系协同设计方法及系统，所述方法及系统根据隧道围岩的超前变形预测值和超前变形量控制标准值进行比较，可以科学地判定出是否采用隧道超前支护，并通过超前支护参数的敏感性分析获得超前支护最优参数解集；根据隧道围岩施工期间最大变形量预测值和隧道最大变形量控制标准值进行对比，可以科学判定出是否采用初期支护，并通过初期支护参数的敏感性分析可以获得初期支护最优参数解集；根据所提出的隧道支护结构体系协同度可以科学地判断所选隧道支护设计方案的优劣，从而实现隧道支护结构体系的协同优化设计。本发明提供的方法及系统基于现有隧道设计规范制定控制标准，容易被设计人员理解和接受，该方法和系统在参数计算过程中考虑隧道施工全过程的时空效应，计算结果与实际情况一致性更好，同时可实现隧道支护结构体系的协同作用评价，充分发挥支护体系的整体性能，提高了隧道设计的科学性和经济性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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为本发明提供的隧道支护结构体系协同设计方法的方法流程图；

图2为本发明提供的隧道支护结构体系的工作流程图；

图3为本发明提供的小导管直径对围岩特性曲线影响的示意图；

图4为本发明提供的小导管纵向间距对围岩特性曲线影响的示意图；

图5为本发明提供的小导管环向间距对围岩特性曲线影响的示意图；

图6为本发明提供的小导管长度对围岩特性曲线影响的示意图；

图7为本发明提供的小导管外插角对围岩特性曲线影响的示意图；

图8为本发明提供的支护时机对围岩特性曲线影响分析的示意图；

图9为本发明提供的喷射混凝土支护刚度对围岩特性曲线影响分析的示意图；

图10为本发明提供的格栅钢架支护刚度对围岩特性曲线影响分析的示意图；

图11为本发明提供的隧道支护结构体系的协同度计算结果示意图；

图12为本发明提供的不同刚度下二次衬砌安全系数与支护时机关系曲线图；

图13为本发明提供的隧道支护结构体系协同设计系统的系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种隧道支护结构体系协同设计方法及系统，结合施工程序依次确定隧道支护结构体系参数，从而降低隧道支护设计的主观性，提高其科学性，同时可避免材料浪费，消除因设计不合理造成的隧道施工安全隐患。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明提供的隧道支护结构体系协同设计方法的方法流程图。图2为本发明提供的隧道支护结构体系的工作流程图。参见图1和图2，本发明提供的一种隧道支护结构体系协同设计方法，具体包括：

步骤101：获取隧道开挖面的超前变形量预测值和超前变形量控制标准值。

基于隧道工程地质条件和相关施工因素预测超前变形量，获得隧道开挖面的超前变形量预测值再采用工程类比、理论解析、现场实测等方法确定超前变形量控制标准值S₁。

步骤102：根据所述超前变形量预测值和超前变形量控制标准值判断隧道开挖过程中是否需要施作超前支护，获得第一判断结果。

将所述超前变形量预测值

和超前变形量控制标准值S₁两者进行比较，从而判断隧道开挖过程中是否需要超前支护，具体为：

判断所述超前变形量预测值

是否小于所述超前变形量控制标准值S₁；

若

小于S₁，则所述第一判断结果为隧道开挖过程中不需要施作超前支护；

若

不小于S₁，则所述第一判断结果为隧道开挖过程中需要施作超前支护。确定采用超前支护后，结合《铁路隧道设计规范》(TB10003-2016)中对超前支护的适用条件的相关描述，选取相应合适的超前支护方式，并初步确定超前支护方案，对各支护参数进行敏感性分析，从而搜索出超前支护参数最优解的范围，将各参数取值区间进行组合后对开挖面超前变形量进行预测，对于满足施工要求的方案，计算其协同度并进行比较，取协同度最大的方案为超前支护最优解集。

例如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。隧道轴线总体走向为148°，进口段为浅埋偏压段。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。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。根据工程数据统计分析和数值分析等方法确定该隧道拱顶沉降控制标准S₁为50mm，而开挖面变形预测值

为99mm，可知

因此需要采用超前支护措施。

步骤103：若所述第一判断结果为隧道开挖过程中需要施作超前支护，根据超前支护参数的敏感性分析结果确定超前支护参数最优解集。包括：

获取所述超前支护参数的波动范围；

将所述超前支护参数在其波动范围内变化，确定超前支护参数的不同取值对围岩变形量的影响；

确定对所述围岩变形量影响最小的超前支护参数值作为所述超前支护参数最优解集。

所述步骤103具体为：

采用超前小导管支护对开挖面进行控制，根据《铁路隧道设计规范》(TB10003-2016)，确定小导管支护参数如表1所示：

表1超前小导管参数波动范围

由于本发明所采用的超前支护仅有一种形式，为超前小导管支护体系，因此其协同作用表现为参数的匹配，可通过对小导管参数的影响规律进行分析得出其最优解集。在对小导管参数中的某一参数进行分析时，纵向和环向间距取

表1中的最大值，其他参数取最小值。从而确定各参数最优值，其原则为若某一参数与围岩变形关系存在“转折点”(即影响不明显点)，则此转折点即对应相应参数的最优解。图3为本发明提供的小导管直径对围岩特性曲线影响的示意图。图4为本发明提供的小导管纵向间距对围岩特性曲线影响的示意图。图5为本发明提供的小导管环向间距对围岩特性曲线影响的示意图。图6为本发明提供的小导管长度对围岩特性曲线影响的示意图。图7为本发明提供的小导管外插角对围岩特性曲线影响的示意图。

由图3-图7可得小导管支护参数的最优解集如表2所示：

表2超前小导管参数最优解集

即小导管直径最优值为40mm，纵向间距最优值为3.5m，环向间距最优值为35cm，小导管长度最优值为4.5m，外插角最优值15度。

按照表2中支护方案进行施工时，开挖面围岩变形量预测值为S₁＝32mm，不会发生超前破坏，满足开挖面稳定性的要求，并留有一定富余，为初期支护的施作争取了一定时间。

步骤104：根据所述超前支护参数最优解集对隧道施工期间围岩的最大变形量进行预测，获得围岩变形量预测值。

在采用上述超前支护参数施工时，选取所述步骤103得到的超前支护参数最优解集，借助数值模拟或理论计算方法对隧道围岩施工期间最大变形量

(主要为弹塑性变形)进行预测。并根据规范中对隧道极限变形量的规定，参考相关工程案例确定隧道最大变形量控制标准S₂。

步骤105：根据所述围岩变形量预测值和围岩变形量控制标准值判断隧道围岩施工期间是否需要施作初期支护，获得第二判断结果。

将围岩变形量预测值

和围岩变形量控制标准值S₂二者进行比较，若

则判断不需要采用初期支护，否则需要施作初期支护。

由于围岩应力随隧道开挖而逐渐释放，若仅有超前支护作用，当围岩应力完全释放时，围岩最大变形量将达到

根据施工经验，并查阅规范可确定隧道极限变形量为S₂＝100mm，则可判断施工期间隧道将发生失稳破坏，因此需要及时施作初期支护以控制围岩变形。

步骤106：若所述第二判断结果为隧道围岩施工期间需要施作初期支护，根据初期支护体系确定初期支护参数最优解集。

当确定采用初期支护时，选择适合于本工程的初期支护形式，并初步确定支护参数的变化范围，对各参数进行敏感性分析，搜索出参数最优解的存在范围，将各参数进行组合后采用数值计算或理论公式对最大变形量S₂进行预测，将满足隧道施工期间安全性要求的方案比较其协同度，从而确定初期支护参数最优解集。

选择工程中常用的格栅钢架和喷射混凝土(简称表面初支)配合锚固体系作为初期支护。由于锚固体系与作用于隧道表面的初期支护施作工艺、作用机理不同，因此需要分别设计。对于锚固体系，当开挖跨度较小且围岩变形也不是很大时无须施作锚索，根据《铁路隧道设计规范》，可确定锚杆支护参数如表3所示：

表3隧道锚杆支护参数

为了研究表面初支参数对支护效果的影响，初步拟定支护时机(支护施作时距掌子面距离)x₁、喷射混凝土支护刚度E_c以及格栅钢架支护刚度E_s变化范围如表4所示：

表4隧道表面初支参数波动范围

在对初期支护参数进行敏感性分析时，支护时机x₁取11m，其他参数取

表4中7种工况中的最小值。图8为本发明提供的支护时机对围岩特性曲线影响分析的示意图。图9为本发明提供的喷射混凝土支护刚度对围岩特性曲线影响分析的示意图。图10为本发明提供的格栅钢架支护刚度对围岩特性曲线影响分析的示意图。图8-图10表明，初期支护3个主要参数(支护时机、喷射混凝土支护刚度以及格栅钢架支护刚度)对围岩变形量控制效果影响均较为明显，且当参数变化到某一范围后，参数改变对围岩变形影响明显减弱。由此可确定表面初支参数最优解集如表5所示：

表5隧道表面初期支护参数最优解集

由表5可以确定，所述初期支护参数最优解集中支护时机最优值为7m，喷射混凝土支护刚度最优值为200MPa/m，格栅钢架支护刚度最优值为100MPa/m。

将表3中的隧道锚杆支护参数和表5中的初期支护最优参数代入数值模型对隧道围岩最大变形量进行预测，计算可得

满足隧道施工安全性的要求。

步骤107：根据所述超前支护参数最优解集和所述初期支护参数最优解集计算隧道支护结构体系的协同度。

采用协同度为指标判断支护结构体系的协同程度，即各支护构件强度平均利用率以及支护体系组合效率，前者反映了支护构件力学性能整体发挥的程度，可由各支护构件强度利用率的加权平均值描述，为主要评价指标，而后者反映了各支护构件使用效率的一致性，可由各构件强度利用率的加权方差来表达，为辅助评价指标，如式(1)所示：

式中，n代表支护体系中各种支护形式数量；ω_i为第i种支护形式对应权重值；ξ_i为第i种构件性能利用率，可由其实际受力最大值与其极限承载强度的比值来表征，如式(2)所示：

式中，p_max为构件实际受力最大值，对于锚杆可取其最大轴力，对于钢拱架和喷射混凝土可取其最大应力值；[p_i]为构件极限承载强度，对于锚杆可取其抗拉强度，对于钢架和喷射混凝土则取其极限抗压强度。

步骤108：根据所述协同度判断围岩变形是否影响隧道运营，获得第三判断结果。

由于二次衬砌作为安全储备，其协同效果表现为安全系数的大小，因此在研究支护体系协同作用时仅对超前支护和初期支护进行分析，根据层次分析中上下层因素之间的隶属关系，将各支护构件的重要程度进行比较，并采用1～9标度方法构造支护系统协同作用评价因素3阶判断矩阵(n＝3)：

判断矩阵

的最大特征值为λ_max＝3.0092，求解其相应的特征向量并进行归一化后可得到支护协同制约因素权向量为：

ω＝[0.1634,0.2970,0.5396] (4)

经检验，满足一致性条件。因此，在协同支护系统中，超前小导管、锚固系统和表面初期支护所占权重分别为16.34％、29.7％和53.96％。

将前述所得各构件参数最优解(所述超前支护参数最优解集、所述初期支护参数最优解集)代入数值模型中进行计算可得支护体系协同度结果如图11所示。图11为本发明提供的隧道支护结构体系的协同度计算结果示意图。将图11中计算结果代入式(1)可得隧道支护结构体系协同度计算结果为E(ξ)＝0.7524，表明隧道支护结构体系中各构件平均利用率较高，而D(ξ)＝0.0189，标准差为

表明隧道支护结构体系中各支护构件性能利用率离散性较小，基本保持在相对一致的水平，支护设计合理，支护体系协同效果较好。

步骤109：若所述第三判断结果为围岩变形影响隧道运营，根据支护时机确定二次衬砌参数最优解集。

根据规范中对支护结构体系安全系数的要求对二次衬砌进行设计，初步拟定二次衬砌支护方案，计算不同方案的安全系数，并对长期作用过程中最不利荷载条件下围岩的稳定性进行校验，确定二次衬砌安全系数需求，从而选择符合条件的支护方案，对各方案中支护体系的协同度进行计算，选取协同度最高者为二次衬砌最优解集，据此确定二次衬砌的厚度、配筋率以及混凝土标号。

根据相关工程经验，二次衬砌采用C30钢筋混凝土，定义二衬安全系数为其极限承载能力与其实际受力的比值，并分别对工程中常用的二衬支护时机x₂和厚度t下二衬安全系数进行对比，如图12所示。图12为本发明提供的不同刚度下二次衬砌安全系数与支护时机关系曲线图。

根据《铁路隧道设计规范》(TB10003-2016)中对隧道结构长期安全系数的规定，可确定二衬厚度最优值为40cm。

至此，可以确定上述支护参数(所述超前支护参数最优解集、所述初期支护参数最优解集以及所述二次衬砌参数最优解集)即为基于协同作用的隧道支护结构体系设计参数。

步骤110：根据所述超前支护参数最优解集、所述初期支护参数最优解集和所述二次衬砌参数最优解集确定隧道支护结构体系的结构参数。所述隧道支护结构体系包括超前支护、初期支护和二次衬砌。

由此可见，本发明提供的隧道支护结构体系协同设计方法与现有技术相比，至少具有以下优点：

1.根据隧道围岩的超前变形预测值

和隧道围岩开挖面变形控制标准值S₁进行比较，可以科学地判定出是否采用隧道超前支护，并通过超前支护参数的敏感性分析可以获得超前支护最优参数解集。

2.根据隧道围岩施工期间最大变形量

和隧道最大变形量控制标准S₂进行对比，可以科学判定出是否采用初期支护，并通过初期支护参数的敏感性分析可以获得初期支护最优参数解集。

3.根据所提出的隧道支护结构体系协同作用评价方法可以科学地判断所选隧道支护设计方案的优劣，从而实现隧道支护结构体系的协同优化设计。

本发明还提供了一种隧道支护结构体系协同设计系统。图13为本发明提供的隧道支护结构体系协同设计系统的系统结构图，参见图13，所述系统包括：

超前变形量获取模块301，用于获取隧道开挖面的超前变形量预测值和超前变形量控制标准值；

第一判断模块302，用于根据所述超前变形量预测值和超前变形量控制标准值判断隧道开挖过程中是否需要施作超前支护，获得第一判断结果；

超前支护参数最优解集确定模块303，用于当所述第一判断结果为隧道开挖过程中需要施作超前支护时，根据超前支护参数的敏感性分析结果确定超前支护参数最优解集；

围岩变形量预测模块304，用于根据所述超前支护参数最优解集对隧道施工期间围岩的最大变形量进行预测，获得围岩变形量预测值；

第二判断模块305，用于根据所述围岩变形量预测值和围岩变形量控制标准值判断隧道围岩施工期间是否需要施作初期支护，获得第二判断结果；

初期支护参数最优解集确定模块306，用于当所述第二判断结果为隧道围岩施工期间需要施作初期支护时，根据初期支护体系确定初期支护参数最优解集；所述初期支护体系为钢架和喷射混凝土配合锚固体系组成的隧道支护结构体系；所述初期支护参数最优解集包括支护时机最优值、喷射混凝土支护刚度最优值以及钢架支护刚度最优值；

协同度计算模块307，用于根据所述超前支护参数最优解集和所述初期支护参数最优解集计算隧道支护结构体系的协同度；

第三判断模块308，用于根据所述协同度判断围岩变形是否影响隧道运营，获得第三判断结果；

二次衬砌参数最优解集确定模块309，用于当所述第三判断结果为围岩变形影响隧道运营时，根据支护时机确定二次衬砌参数最优解集；所述二次衬砌参数最优解集包括二次衬砌厚度最优值；

隧道支护结构体系确定模块310，用于根据所述超前支护参数最优解集、所述初期支护参数最优解集和所述二次衬砌参数最优解集确定隧道支护结构体系的结构参数；所述隧道支护结构体系包括超前支护、初期支护和二次衬砌。

所述第一判断模块302具体包括：

第一判断单元，用于判断所述超前变形量预测值是否小于所述超前变形量控制标准值；若所述超前变形量预测值小于所述超前变形量控制标准值，则所述第一判断结果为隧道开挖过程中不需要施作超前支护；若所述超前变形量预测值不小于所述超前变形量控制标准值，则所述第一判断结果为隧道开挖过程中需要施作超前支护。

所述超前支护参数最优解集确定模块303具体包括：

超前支护参数波动范围获取单元，用于获取所述超前支护参数的波动范围；

围岩变形量确定单元，用于将所述超前支护参数在其波动范围内变化，确定超前支护参数的不同取值对围岩变形量的影响；

超前支护参数最优解集确定单元，用于确定对所述围岩变形量影响最小的超前支护参数值作为所述超前支护参数最优解集。

所述第二判断模块305具体包括：

第二判断单元，用于判断所述围岩变形量预测值是否小于所述围岩变形量控制标准值；若所述围岩变形量预测值小于所述围岩变形量控制标准值，则所述第二判断结果为隧道围岩施工期间不需要施作初期支护；若所述围岩变形量预测值不小于所述围岩变形量控制标准值，则所述第二判断结果为隧道围岩施工期间需要施作初期支护。

所述初期支护参数最优解集确定模块306具体包括：

初支参数波动范围获取单元，用于获取所述初期支护体系中初期支护参数的波动范围；所述初期支护参数包括支护时机、喷射混凝土支护刚度以及钢架支护刚度；

围岩变形量影响确定单元，用于将所述初期支护参数在其波动范围内变化，确定所述初期支护参数的不同取值对围岩变形量的影响；

初期支护参数最优解集确定单元，用于确定对围岩变形量影响最小的初期支护参数值作为所述初期支护参数最优解集；所述初期支护参数最优解集包括支护时机最优值、喷射混凝土支护刚度最优值以及钢架支护刚度最优值。

所述协同度计算模块307具体包括：

协同度计算单元，用于采用公式

计算所述隧道支护结构体系的协同度；其中E(ξ)表示隧道支护结构体系中各支护构件强度利用率的加权平均值；D(ξ)表示隧道支护结构体系中各支护构件使用效率的一致性；n表示隧道支护结构体系中各种支护形式的数量；ω_i为第i种支护形式的权重值；ξ_i为第i种构件的性能利用率。

所述第三判断模块308具体包括：

支护参数设置确定单元，用于根据所述协同度确定所述超前支护体系和所述初期支护体系的支护参数设置是否合理；

隧道服务期内围岩变形量预测单元，用于当所述超前支护体系和所述初期支护体系的支护参数设置合理时，获取隧道服务期内围岩变形量预测值；

第三判断单元，用于判断所述围岩变形量预测值是否小于围岩变形量控制标准值；若所述围岩变形量预测值小于所述围岩变形量控制标准值，则所述第三判断结果为围岩变形不影响隧道运营；若所述围岩变形量预测值不小于所述围岩变形量控制标准值，则所述第三判断结果为围岩变形影响隧道运营。

本发明提供的隧道支护结构体系协同设计方法及系统基于现有隧道设计规范制定控制标准，容易被设计人员理解和接受，该方法和系统在参数计算过程中考虑隧道施工全过程的时空效应，计算结果与实际情况一致性更好，同时可实现隧道支护结构体系的协同作用评价，充分发挥支护体系的整体性能，提高了隧道设计的科学性和经济性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种隧道支护结构体系协同设计方法，其特征在于，所述方法包括：

获取隧道开挖面的超前变形量预测值和超前变形量控制标准值；

根据所述超前变形量预测值和超前变形量控制标准值判断隧道开挖过程中是否需要施作超前支护，获得第一判断结果；

若所述第一判断结果为隧道开挖过程中需要施作超前支护，根据超前支护参数的敏感性分析结果确定超前支护参数最优解集；

根据所述超前支护参数最优解集对隧道施工期间围岩的最大变形量进行预测，获得围岩变形量预测值；

根据所述围岩变形量预测值和围岩变形量控制标准值判断隧道围岩施工期间是否需要施作初期支护，获得第二判断结果；

若所述第二判断结果为隧道围岩施工期间需要施作初期支护，根据初期支护体系确定初期支护参数最优解集；所述初期支护体系为钢架和喷射混凝土配合锚固体系组成的隧道支护结构体系；所述初期支护参数最优解集包括支护时机最优值、喷射混凝土支护刚度最优值以及钢架支护刚度最优值；

根据所述超前支护参数最优解集和所述初期支护参数最优解集计算隧道支护结构体系的协同度，具体包括：

采用公式

计算所述隧道支护结构体系的协同度；其中E(ξ)表示隧道支护结构体系中各支护构件强度利用率的加权平均值；D(ξ)表示隧道支护结构体系中各支护构件使用效率的一致性；n表示隧道支护结构体系中各种支护形式的数量；ω_i为第i种支护形式的权重值；ξ_i为第i种构件的性能利用率；

根据所述协同度判断围岩变形是否影响隧道运营，获得第三判断结果；

若所述第三判断结果为围岩变形影响隧道运营，根据支护时机确定二次衬砌参数最优解集；所述二次衬砌参数最优解集包括二次衬砌厚度最优值；

根据所述超前支护参数最优解集、所述初期支护参数最优解集和所述二次衬砌参数最优解集确定隧道支护结构体系的结构参数；所述隧道支护结构体系包括超前支护、初期支护和二次衬砌。

2.根据权利要求1所述的隧道支护结构体系协同设计方法，其特征在于，所述根据所述超前变形量预测值和超前变形量控制标准值判断隧道开挖过程中是否需要施作超前支护，获得第一判断结果，具体包括：

判断所述超前变形量预测值是否小于所述超前变形量控制标准值；

若所述超前变形量预测值小于所述超前变形量控制标准值，则所述第一判断结果为隧道开挖过程中不需要施作超前支护；

若所述超前变形量预测值不小于所述超前变形量控制标准值，则所述第一判断结果为隧道开挖过程中需要施作超前支护。

3.根据权利要求1所述的隧道支护结构体系协同设计方法，其特征在于，所述根据超前支护参数的敏感性分析结果确定超前支护参数最优解集，具体包括：

获取所述超前支护参数的波动范围；

将所述超前支护参数在其波动范围内变化，确定超前支护参数的不同取值对围岩变形量的影响；

确定对所述围岩变形量影响最小的超前支护参数值作为所述超前支护参数最优解集。

4.根据权利要求1所述的隧道支护结构体系协同设计方法，其特征在于，所述根据所述围岩变形量预测值和围岩变形量控制标准值判断隧道围岩施工期间是否需要施作初期支护，获得第二判断结果，具体包括：

判断所述围岩变形量预测值是否小于所述围岩变形量控制标准值；

若所述围岩变形量预测值小于所述围岩变形量控制标准值，则所述第二判断结果为隧道围岩施工期间不需要施作初期支护；

若所述围岩变形量预测值不小于所述围岩变形量控制标准值，则所述第二判断结果为隧道围岩施工期间需要施作初期支护。

5.根据权利要求1所述的隧道支护结构体系协同设计方法，其特征在于，所述根据初期支护体系确定初期支护参数最优解集，具体包括：

获取所述初期支护体系中初期支护参数的波动范围；所述初期支护参数包括支护时机、喷射混凝土支护刚度以及钢架支护刚度；

将所述初期支护参数在其波动范围内变化，确定所述初期支护参数的不同取值对围岩变形量的影响；

确定对围岩变形量影响最小的初期支护参数值作为所述初期支护参数最优解集；所述初期支护参数最优解集包括支护时机最优值、喷射混凝土支护刚度最优值以及钢架支护刚度最优值。

6.根据权利要求1所述的隧道支护结构体系协同设计方法，其特征在于，所述根据所述协同度判断围岩变形是否影响隧道运营，获得第三判断结果，具体包括：

根据所述协同度确定所述超前支护和所述初期支护的支护参数设置是否合理；

若所述超前支护和所述初期支护的支护参数设置合理，获取隧道服务期内围岩变形量预测值；

判断所述围岩变形量预测值是否小于围岩变形量控制标准值；

若所述围岩变形量预测值小于所述围岩变形量控制标准值，则所述第三判断结果为围岩变形不影响隧道运营；

若所述围岩变形量预测值不小于所述围岩变形量控制标准值，则所述第三判断结果为围岩变形影响隧道运营。

7.一种隧道支护结构体系协同设计系统，其特征在于，所述系统包括：

超前变形量获取模块，用于获取隧道开挖面的超前变形量预测值和超前变形量控制标准值；

第一判断模块，用于根据所述超前变形量预测值和超前变形量控制标准值判断隧道开挖过程中是否需要施作超前支护，获得第一判断结果；

超前支护参数最优解集确定模块，用于当所述第一判断结果为隧道开挖过程中需要施作超前支护时，根据超前支护参数的敏感性分析结果确定超前支护参数最优解集；

围岩变形量预测模块，用于根据所述超前支护参数最优解集对隧道施工期间围岩的最大变形量进行预测，获得围岩变形量预测值；

第二判断模块，用于根据所述围岩变形量预测值和围岩变形量控制标准值判断隧道围岩施工期间是否需要施作初期支护，获得第二判断结果；

初期支护参数最优解集确定模块，用于当所述第二判断结果为隧道围岩施工期间需要施作初期支护时，根据初期支护体系确定初期支护参数最优解集；所述初期支护体系为钢架和喷射混凝土配合锚固体系组成的隧道支护结构体系；所述初期支护参数最优解集包括支护时机最优值、喷射混凝土支护刚度最优值以及钢架支护刚度最优值；

协同度计算模块，用于根据所述超前支护参数最优解集和所述初期支护参数最优解集计算隧道支护结构体系的协同度；

所述协同度计算模块具体包括：

协同度计算单元，用于采用公式

计算所述隧道支护结构体系的协同度；其中E(ξ)表示隧道支护结构体系中各支护构件强度利用率的加权平均值；D(ξ)表示隧道支护结构体系中各支护构件使用效率的一致性；n表示隧道支护结构体系中各种支护形式的数量；ω_i为第i种支护形式的权重值；ξ_i为第i种构件的性能利用率；

第三判断模块，用于根据所述协同度判断围岩变形是否影响隧道运营，获得第三判断结果；

二次衬砌参数最优解集确定模块，用于当所述第三判断结果为围岩变形影响隧道运营时，根据支护时机确定二次衬砌参数最优解集；所述二次衬砌参数最优解集包括二次衬砌厚度最优值；

隧道支护结构体系确定模块，用于根据所述超前支护参数最优解集、所述初期支护参数最优解集和所述二次衬砌参数最优解集确定隧道支护结构体系的结构参数；所述隧道支护结构体系包括超前支护、初期支护和二次衬砌。

8.根据权利要求7所述的隧道支护结构体系协同设计系统，其特征在于，所述超前支护参数最优解集确定模块具体包括：

超前支护参数波动范围获取单元，用于获取所述超前支护参数的波动范围；

围岩变形量确定单元，用于将所述超前支护参数在其波动范围内变化，确定超前支护参数的不同取值对围岩变形量的影响；

超前支护参数最优解集确定单元，用于确定对所述围岩变形量影响最小的超前支护参数值作为所述超前支护参数最优解集。

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