CN110007367A - 一种隧道围岩稳定性量化分析方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种隧道围岩稳定性量化分析方法及装置，方法包括：获得隧道的参数信息；隧道的参数信息包括开挖断面的尺寸、中心埋深和几何形状、隧道围岩的物理力学参数；利用所获得的参数信息，计算临界稳定断面；临界稳定断面为与开挖断面中心埋深相同、几何形状相似且在无支护状态下隧道围岩能够自稳的最大断面；若开挖断面的尺寸大于临界稳定断面的尺寸，确定隧道围岩需要支护；若开挖断面的尺寸不大于临界稳定断面的尺寸，计算临界稳定断面内的围岩作为支护结构时的安全系数，根据计算所得的安全系数确定隧道围岩是否需要支护；如果确定需要支护，还可以求出支护力的大小。应用本发明实施例，提高了隧道围岩稳定性分析的可靠性。

Description

一种隧道围岩稳定性量化分析方法及装置

技术领域

本发明涉及隧道工程领域，尤其涉及一种隧道围岩稳定性量化分析方法及装置。

背景技术

隧道围岩既是荷载的来源也是承载的主体，隧道围岩的稳定性分析具有十分重要的意义。但目前，业内对隧道围岩的稳定性分析尚未形成一种清晰明确的计算模型和方法。目前采用较多的是强度折减法和极限平衡分析法。一般而言，隧道围岩的强度参数劣化并非整体性的，而强度折减法通常是将围岩作为一个整体进行强度折减，忽略了隧道围岩作为承载或支护结构组成部分的可能性。应用于隧道的极限平衡分析法主要为基于静水压力场的圆形隧洞的理论解析解方法，而理论解析解方法在场地条件差异较大、断面形状不同的隧道工程应用误差相对较大。可以看出，采用这些方法进行隧道围岩稳定性分析的可靠性不高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种隧道围岩稳定性量化分析方法及装置，以实现提高隧道围岩稳定性分析的可靠性。

本发明是这样实现的：

第一方面，本发明提供一种隧道围岩稳定性量化分析方法，所述方法包括：

获得隧道的参数信息；所述隧道的参数信息包括开挖断面的尺寸、中心埋深和几何形状、隧道围岩的物理力学参数；

利用所获得的参数信息，计算临界稳定断面；所述临界稳定断面为与开挖断面中心埋深相同、几何形状相似且在无支护状态下隧道围岩能够自稳的最大断面；判断所述开挖断面的尺寸是否大于所述临界稳定断面的尺寸；

若所述开挖断面的尺寸大于所述临界稳定断面的尺寸，确定所述隧道围岩需要支护；

若所述开挖断面的尺寸不大于所述临界稳定断面的尺寸，计算临界稳定断面内的围岩作为支护结构时的安全系数，根据计算所得的安全系数确定隧道围岩是否需要支护。

可选的，利用所获得的参数信息，计算临界稳定断面，包括：

保持所述开挖断面的形心位置不变，对所述开挖断面进行放大或缩小，得到与所述开挖断面几何相似的各目标断面；

在相同的围岩物理力学参数、地应力水平下，通过第一有限元模型分别计算各目标断面无支护开挖后隧道围岩的受力特征与位移特征，根据第一有限元模型的计算结果，判断各目标断面开挖后隧道围岩能否自稳；

将开挖后隧道围岩能自稳的各目标断面中尺寸最大的目标断面确定为临界稳定断面。

可选的，根据第一有限元模型的计算结果，判断各目标断面开挖后隧道围岩能否自稳，包括：

针对每一目标断面，若第一有限元模型的计算结果出现以下稳定性判别条件之一，则判定该目标断面无法自稳：

第一有限元模型计算不收敛；

各目标断面无支护开挖后隧道围岩的位移特征-断面尺寸曲线中，有目标断面的计算结果出现位移突变；

无支护开挖后隧道围岩超过极限剪应变的围岩深度超过预设第一深度值；

无支护开挖后隧道围岩受拉区深度超过预设第二深度值。

可选的，计算临界稳定断面内的围岩作为支护结构时的安全系数，包括：

建立第二有限元模型，其中，所述第二有限元模型的第一组有限元模型单元、第二组有限元模型单元、第三组有限元模型单元分别为：开挖断面内的围岩、临界稳定断面与开挖断面之间的围岩、临界稳定断面与模型边界之间的围岩；

按照预设强度折减系数，对隧道围岩的粘聚力c值与tanφ值进行等比例折减；用折减后的粘聚力c值与内摩擦角φ值调整所述第二有限元模型的三组有限元单元的参数，并对调整后的第二有限元模型施加边界条件，对施加边界条件后的第二有限元模型进行迭代计算，直至第二有限元模型收敛；

在第二有限元模型收敛后，开挖第二有限元模型的第一组有限元单元中的围岩，重新对第二有限元模型进行迭代计算，直至第二有限元模型重新收敛；

获得当前强度折减系数；按照所获得的当前强度折减系数，对隧道围岩的粘聚力c值与tanφ值进行等比例折减，用折减后的粘聚力c值与内摩擦角φ调整第二有限元模型的第二组有限元单元的参数；重新对第二有限元模型进行迭代计算，直至第二有限元模型重新收敛后，采用预设的稳定性判别条件判断隧道围岩能否自稳，若隧道围岩能够自稳，将当前强度折减系数作为临界稳定断面内的围岩作为支护结构时的安全系数；否则，获得下一强度折减系数，并将所获得的下一强度折减系数更新为当前强度折减系数，返回执行按照所获得的当前强度折减系数，对隧道围岩的粘聚力值与tanφ值进行等比例折减。

可选的，根据计算所得的安全系数确定隧道围岩是否需要支护，包括：

若计算所得的安全系数小于预设安全系数，确定隧道围岩需要支护；

若计算所得的安全系数不小于预设安全系数，确定隧道围岩不需要支护。

可选的，在确定隧道围岩需要支护后，所述方法还包括：

计算隧道围岩所需的支护力。

可选的，计算隧道围岩所需的支护力，包括：

建立第三有限元模型，其中，所述第三有限元模型的第一组有限元单元、第二组有限元单元分别为：开挖断面内的围岩、开挖断面与模型边界之间的围岩；

按照预设强度折减系数，对隧道围岩的粘聚力c值与tanφ值进行等比例折减；用折减后的粘聚力c值与内摩擦角φ调整所述第三有限元模型的两组有限元单元的参数，并对调整后的第三有限元模型施加边界条件，对施加边界条件后的第三有限元模型进行迭代计算，直至第三有限元模型收敛；

开挖第三有限元模型的第一组有限元单元，获得当前支护力，对第三有限元模型的第二组有限元单元施加当前支护力，重新对第三有限元模型进行迭代计算，直至第三有限元模型重新收敛后，计算该第二组有限元单元的围岩破坏区平均高度；

计算围岩破坏区平均高度与围岩自重之积，判断所得乘积与当前支护力的比值是否等于预设比值；若等于，将当前支护力作为隧道围岩所需的支护力；否则，获得下一支护力，并将所获得的下一支护力更新为当前支护力，返回执行对第三有限元模型的第二组有限元单元施加当前支护力，重新对第三有限元模型进行迭代计算。

可选的，计算该第二组有限元单元的围岩破坏区平均高度，包括：

计算该第二组有限元单元的围岩超过极限应变或者抗拉强度的围岩范围，作为破坏区范围；计算破坏区范围的高度平均值，作为该第二组有限元单元的围岩破坏区平均高度。

第二方面，本发明提供一种隧道围岩稳定性量化分析装置，所述装置包括：

获得模块，用于获得隧道的参数信息；所述隧道的参数信息包括开挖断面的尺寸、中心埋深和几何形状、隧道围岩的物理力学参数；

判断模块，用于利用所获得的参数信息，计算临界稳定断面；所述临界稳定断面为与开挖断面中心埋深相同、几何形状相似且在无支护状态下隧道围岩能够自稳的最大断面；判断所述开挖断面的尺寸是否大于所述临界稳定断面的尺寸；

第一确定模块，用于在所述判断模块的判断结果为是时，确定所述隧道围岩需要支护；

第二确定模块，用于在所述判断模块的判断结果为否时，计算临界稳定断面内的围岩作为支护结构时的安全系数，根据计算所得的安全系数确定隧道围岩是否需要支护。

可选的，所述判断模块利用所获得的参数信息，计算临界稳定断面，具体为：

保持所述开挖断面的形心位置不变，对所述开挖断面进行放大或缩小，得到与所述开挖断面几何相似的各目标断面；

在相同的围岩物理力学参数、地应力水平下，通过第一有限元模型分别计算各目标断面无支护开挖后隧道围岩的受力特征与位移特征，根据第一有限元模型的计算结果，判断各目标断面开挖后隧道围岩能否自稳；

将开挖后隧道围岩能自稳的各目标断面中尺寸最大的目标断面确定为临界稳定断面。

本发明具有以下有益效果：应用本发明实施例，可以计算出临界稳定断面，并通过比较开挖断面与临界稳定断面的大小，可以得到隧道围岩的自稳能力，进而确定是否需要支护，整个分析过程便捷可行，适用性广泛，实现了对隧道围岩的稳定性分析；若开挖断面的尺寸不大于临界稳定断面的尺寸，可以计算临界稳定断面内的围岩作为支护结构时的安全系数，因此，隧道围岩有可能作为承载或支护结构组成部分，并且整个方案无需采用理论解析解方法，避免了理论解析解方法带来的误差，故提高了可靠性；通过计算临界稳定断面内的围岩作为支护结构时的安全系数，根据计算所得的安全系数确定隧道围岩是否需要支护，从而实现了可以充分发挥临界稳定断面内的围岩的自承载能力；当隧道围岩无法自稳时，还可以计算支护力，进而实现了支护结构的量化设计，提高了经济性与安全性。

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，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的隧道围岩稳定性量化分析方法的一种流程示意图；

图2为本发明实施例提供的隧道围岩稳定性量化分析方法的又一种流程示意图；

图3为本发明实施例提供的第一有限元模型示意图；

图4为本发明实施例提供的第二有限元模型示意图；

图5为本发明实施例提供的第三有限元模型示意图；

图6为本发明实施例提供的隧道围岩稳定性量化分析装置的一种结构示意图。

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它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明所提供的隧道围岩稳定性量化分析方法可以应用于电子设备，在具体应用中，电子设备可以为平板、手机、个人电脑、计算机、服务器等等。

参见图1，本发明实施例提供一种隧道围岩稳定性量化分析方法，方法包括如下步骤：

S101、获得隧道的参数信息；隧道的参数信息包括开挖断面的尺寸、中心埋深和几何形状、隧道围岩的物理力学参数；

隧道的参数信息可以包括设计隧道所需要的基本参数，主要包括隧道围岩的基本物理力学参数、隧道的开挖断面尺寸、中心埋深、地应力水平等。在确定隧道的设计样式后，可以直接获得隧道的参数信息。

S102、利用所获得的参数信息，计算临界稳定断面；临界稳定断面为与开挖断面中心埋深相同、几何形状相似且在无支护状态下隧道围岩能够自稳的最大断面；判断开挖断面的尺寸是否大于临界稳定断面的尺寸，若大于，执行S103；若不大于，执行S104；

S103、确定隧道围岩需要支护；

S104、计算临界稳定断面内的围岩作为支护结构时的安全系数，根据计算所得的安全系数确定隧道围岩是否需要支护。

又一种实现方式中，参见图2，在图1所示实施例的基础上，S104中的根据计算所得的安全系数确定隧道围岩是否需要支护，具体可以为：若计算所得的安全系数小于预设安全系数，确定隧道围岩需要支护；若计算所得的安全系数不小于预设安全系数，确定隧道围岩不需要支护。在确定隧道围岩需要支护后，所述方法还可以包括：S105、计算隧道围岩所需的支护力。具体的，计算隧道围岩所需的支护力可以包括以下几步：获得当前支护力P_i，计算围岩破坏区平均高度H_p，若H_p*γ＝1.4P_i，则确定当前支护力P_i为隧道围岩所需的支护力；否则，获得下一支护力，将下一支护力作为当前支护力P_i，，重新执行计算围岩破坏区平均高度H_p。其中，γ表示隧道围岩自重。隧道围岩自重是隧道的参数信息之一。

预设安全系数可以根据工程重要性及围岩条件事先设定，例如，可以为1.40，如果安全系数大于1.40，确定隧道围岩不需要支护，否则需要进一步的支护措施。常用的支护措施有围岩注浆、锚杆、喷射混凝土(包括加钢筋网喷射混凝土、钢纤维喷射混凝土、加钢架喷射混凝土等)、模筑混凝土等，对于复合式衬砌，还有二次衬砌。

一种实现方式中，利用所获得的参数信息，计算临界稳定断面，可以包括：

保持开挖断面的形心位置不变，对开挖断面进行放大或缩小，得到与开挖断面几何相似的各目标断面；

在相同的围岩物理力学参数、地应力水平下，通过第一有限元模型分别计算各目标断面无支护开挖后隧道围岩的受力特征与位移特征，根据第一有限元模型的计算结果，判断各目标断面开挖后隧道围岩能否自稳；

将开挖后隧道围岩能自稳的各目标断面中尺寸最大的目标断面确定为临界稳定断面。

第一有限元模型的第一组有限元单元、第二组有限元单元分别为：目标断面内的围岩、目标断面与第一有限元模型边界之间的围岩。第一有限元模型对不同目标断面进行计算所采用的围岩物理力学参数、地应力水平均是相同的，可以分别与隧道围岩物理力学参数、隧道围岩的地应力水平相同。

第一有限元模型可以按照以下方式预先建立：

采用实体单元模拟围岩，采用弹塑性本构关系，破坏准则采用M-C(Mohr-Coulomb)准则或D-P(Drucker-Prager)准则；

第一有限元模型的模型尺寸可以满足圣维南定律的要求，即隧道与模型边界距离大于3～5倍的隧道跨度；

通过位移边界和应力边界组合方式模拟第一有限元模型的地应力场。

一种实现方式中，根据第一有限元模型的计算结果，判断各目标断面开挖后隧道围岩能否自稳，可以包括：

针对每一目标断面，若第一有限元模型的计算结果出现以下稳定性判别条件之一，则判定该目标断面无法自稳：

第一有限元模型计算不收敛；

各目标断面无支护开挖后隧道围岩的位移特征断面尺寸线中，有目标断面的计算结果出现位移突变；

无支护开挖后隧道围岩超过极限剪应变的围岩深度超过预设第一深度值；

无支护开挖后隧道围岩受拉区深度超过预设第二深度值。

随着目标断面逐渐扩大，目标断面无支护开挖后隧道围岩的位移不断增大，且隧道围岩的受力形态也趋于恶化，若第一有限元模型的计算结果满足上述条件之一，则可以判定目标断面无法自稳；若第一有限元模型的计算结果均不满足上述条件，可以重新执行对开挖断面进行放大或缩小，得到与开挖断面几何相似的各目标断面。

预设第一深度值可根据断面大小与围岩条件事先设定，例如，可以采用如下值：边墙破坏区域的最大深度超过1m，拱顶破坏区域的最大深度超过0.5m；预设第二深度值可根据断面大小与围岩条件事先设定，例如，可以采用如下值：顶部围岩破坏极限深度0.5m，底部围岩破坏深度1.0m。极限剪应变可以是预先选取的常量。

临界稳定断面的选取原则可以为：不断扩大第一有限元模型计算的目标断面的尺寸，当某个目标断面率先达到上述任一稳定性条件时，即可表明该目标断面为临界稳定断面。

将开挖断面与临界稳定断面相比较，当开挖断面不大于临界稳定断面时，认为临界稳定断面以内的围岩对临界稳定断面起到了支护作用，可视为支护结构的一部分，从而可以执行S104，即计算临界稳定断面内围岩作为支护结构时的安全系数，根据计算所得的安全系数确定隧道围岩是否需要支护；若开挖断面大于临界稳定断面，可以确定隧道围岩需要支护。

应用本发明实施例，可以计算出临界稳定断面，并通过比较开挖断面与临界稳定断面的大小，可以得到隧道围岩的自稳能力，进而确定是否需要支护，整个分析过程便捷可行，适用性广泛，实现了对隧道围岩的稳定性分析；若开挖断面的尺寸不大于临界稳定断面的尺寸，可以计算临界稳定断面内的围岩作为支护结构时的安全系数，因此，隧道围岩有可能作为承载或支护结构组成部分，并且整个方案无需采用理论解析解方法，避免了理论解析解方法带来的误差，故提高了可靠性；通过计算临界稳定断面内的围岩作为支护结构时的安全系数，根据计算所得的安全系数确定隧道围岩是否需要支护，从而实现了可以充分发挥临界稳定断面内的围岩的自承载能力。当隧道围岩无法自稳时，可以计算具有合适经济性与安全性的支护力，进而实现了支护结构的量化设计。

具体的，计算临界稳定断面内的围岩作为支护结构时的安全系数，可以包括：

建立第二有限元模型，其中，所述第二有限元模型的第一组有限元模型单元、第二组有限元模型单元、第三组有限元模型单元分别为：开挖断面内的围岩、临界稳定断面与开挖断面之间的围岩、临界稳定断面与模型边界之间的围岩；

按照预设强度折减系数，对隧道围岩的粘聚力c值与tanφ值进行等比例折减；用折减后的粘聚力值与内摩擦角φ调整所述第二有限元模型的三组有限元单元的参数，并对调整后的第二有限元模型施加边界条件，对施加边界条件后的第二有限元模型进行迭代计算，直至第二有限元模型收敛；

在第二有限元模型收敛后，开挖第二有限元模型的第一组有限元单元中的围岩，重新对第二有限元模型进行迭代计算，直至第二有限元模型重新收敛；

获得当前强度折减系数；按照所获得的当前强度折减系数，对隧道围岩的粘聚力c值与tanφ值进行等比例折减，用折减后的粘聚力c值与内摩擦角φ调整第二有限元模型的第二组有限元单元；重新对第二有限元模型进行迭代计算，直至第二有限元模型重新收敛后，采用预设的稳定性判别条件判断隧道围岩能否自稳，若隧道围岩能够自稳，将当前强度折减系数作为临界稳定断面内的围岩作为支护结构时的安全系数；否则，获得下一强度折减系数，并将所获得的下一强度折减系数更新为当前强度折减系数，返回执行按照所获得的当前强度折减系数，对隧道围岩的粘聚力c值与tanφ值进行等比例折减。

S101所获得的隧道的参数信息还可以包括隧道围岩的粘聚力c值与tanφ值，等比例折减是指这两个参数的强度折减系数是相等的。预设强度折减系数可以根据工程重要性及围岩条件事先设定，例如可以取1.05-1.25中的某个值。

当前强度折减系数可以为当前获得的任一数值，下一强度折减系数可以为不同于当前强度折减系数的另一数值。

通过本发明实施例，通过不断调整强度折减系数，使第二有限元模型计算至收敛状态时，隧道围岩也能够达到上述的稳定性条件之一，从而该强度折减系数即为临界稳定断面内围岩作为支护结构时的安全系数。

如果临界稳定断面作为支护结构时的安全系数小于预设安全系数，或者开挖断面大于临界稳定断面，说明隧道围岩不能自稳，需要支护，开挖断面以外的围岩均为其支护的对象，所需的支护力按以下步骤计算：

步骤一、建立第三有限元模型，其中，所述第三有限元模型的第一组有限元单元、第二组有限元单元分别为：开挖断面内的围岩、开挖断面与模型边界之间的围岩；

步骤二、按照预设强度折减系数，对隧道围岩的粘聚力c值与tanφ值进行等比例折减；用折减后的粘聚力c值与内摩擦角φ调整所述第三有限元模型的两组有限元单元的参数，并对调整后的第三有限元模型施加边界条件，对施加边界条件后的第三有限元模型进行迭代计算，直至第三有限元模型收敛；

步骤三、开挖第三有限元模型的第一组有限元单元，获得当前支护力，对第三有限元模型的第二组有限元单元施加当前支护力，重新对第三有限元模型进行迭代计算，直至第三有限元模型重新收敛后，计算该第二组有限元单元的围岩破坏区平均高度；

步骤四、计算围岩破坏区平均高度与隧道围岩自重之积，判断所得乘积与当前支护力的比值是否等于预设比值；若等于，将当前支护力作为计算隧道围岩所需的支护力，否则，获得下一支护力，并将所获得的下一支护力更新为当前支护力，返回执行对第三有限元模型的第二组有限元单元施加当前支护力，重新对第三有限元模型进行迭代计算。

预设比值可以根据需求事先设定，例如，可以为1.40，通过不断调整支护力，使围岩破坏区平均高度与隧道围岩自重之积可以等于支护力与预设比值之积，表明支护力即为满足设计要求的支护力。应用本发明实施例，可以计算出支护力，相比于现有的根据经验取值的方式，避免了材料不必要的浪费，节约了经济成本。

一种实现方式中，计算该第二组有限元单元的围岩破坏区平均高度，包括：

计算该第二组有限元单元的围岩超过极限应变或者抗拉强度的围岩范围，作为破坏区范围；计算破坏区范围的高度平均值，作为该第二组有限元单元的围岩破坏区平均高度。

超过极限应变的围岩范围可以是：整个围岩中超过极限剪应变的围岩深度超过预设第一深度值的围岩区域；超过抗拉强度的围岩范围可以是：整个围岩中受拉区深度超过预设第二深度值的围岩区域。预设第一深度值可根据断面大小与围岩条件事先设定，例如，可以采用如下值：边墙破坏区域的最大深度超过1m，拱顶破坏区域的最大深度超过0.5m；；预设第二深度值可根据断面大小与围岩条件事先设定，例如，可以采用如下值：顶部围岩破坏极限深度0.5m，底部围岩破坏深度1.0m。另外，隧道的参数信息也可以包含极限应变和抗拉强度。

本发明对第一有限元模型、第二有限元模型和第三有限元模型的类型不做限定，三者类型可以相同，例如均为ABAQUS、ANSYS或MSC等现有的某种有限元模型。第一有限元模型用于求解临界稳定断面；第二有限元模型用于求解临界稳定断面内的围岩作为支护结构时的安全系数；第三有限元模型用于求解隧道围岩所需支护力。三个模型的围岩可以均采用实体单元模拟，破坏准则可以采用M-C准则或D-P准则，模型尺寸可以满足圣维南定律的要求，即隧道与模型边界距离大于3～5倍的隧道跨度，通过位移边界和应力边界组合方式模拟地应力场。

示例性的，第一有限元模型、第二有限元模型和第三有限元模型可以分别如图3-5所示，图3-5中，1表示开挖断面；2表示开挖断面形心位置相同、几何相似的目标断面；3表示应力边界；4表示位移边界；5表示临界稳定断面；6表示临界稳定断面与模型边界之间的围岩；7表示临界稳定断面与开挖断面之间的围岩；8表示开挖断面内的围岩；9表示支护力；10表示开挖断面与模型边界之间的围岩。

与上述的方法实施例相对应，本发明实施例还提供一种隧道围岩稳定性量化分析装置。

参见图6，图6为本发明实施例所提供的一种隧道围岩稳定性量化分析装置，所述装置包括：

获得模块201，用于获得隧道的参数信息；隧道的参数信息包括开挖断面的尺寸、中心埋深和几何形状、隧道围岩的物理力学参数；

判断模块202，用于利用所获得的参数信息，计算临界稳定断面；所述临界稳定断面为与开挖断面中心埋深相同、几何形状相似且在无支护状态下隧道围岩能够自稳的最大断面；判断开挖断面的尺寸是否大于临界稳定断面的尺寸；

第一确定模块203，用于在所述判断模块的判断结果为是时，确定隧道围岩需要支护；

第二确定模块204，用于在所述判断模块的判断结果为否时，计算临界稳定断面内的围岩作为支护结构时的安全系数，根据计算所得的安全系数确定隧道围岩是否需要支护。

应用本发明实施例，可以计算出临界稳定断面，并通过比较开挖断面与临界稳定断面的大小，可以得到隧道围岩的自稳能力，进而确定是否需要支护，整个分析过程便捷可行，适用性广泛，实现了对隧道围岩的稳定性分析；若开挖断面的尺寸不大于临界稳定断面的尺寸，可以计算临界稳定断面内的围岩作为支护结构时的安全系数，因此，隧道围岩有可能作为承载或支护结构组成部分，并且整个方案无需采用理论解析解方法，避免了理论解析解方法带来的误差，通过计算临界稳定断面内的围岩作为支护结构时的安全系数，根据计算所得的安全系数确定隧道围岩是否需要支护，从而实现了可以充分发挥临界稳定断面内的围岩的自承载能力。当隧道围岩无法自稳时，可以计算具有支护力，进而实现了支护结构的量化设计，提高了经济性与安全性。

可选的，所述判断模块利用所获得的参数信息，计算临界稳定断面，具体为：

保持开挖断面的形心位置不变，对开挖断面进行放大或缩小，得到与开挖断面几何相似的各目标断面；

在相同的围岩物理力学参数、地应力水平下，通过第一有限元模型分别计算各目标断面无支护开挖后隧道围岩的受力特征与位移特征，根据第一有限元模型的计算结果，判断各目标断面开挖后隧道围岩能否自稳；

将开挖后隧道围岩能自稳的各目标断面中尺寸最大的目标断面确定为临界稳定断面。

可选的，所述判断模块根据第一有限元模型的计算结果，判断各目标断面开挖后隧道围岩能否自稳，具体为：

针对每一目标断面，若第一有限元模型的计算结果出现以下稳定性判别条件之一，则判定该目标断面无法自稳：

第一有限元模型计算不收敛；

各目标断面无支护开挖后隧道围岩的位移特征断面尺寸曲线中，有目标断面的计算结果出现位移突变；

无支护开挖后隧道围岩超过极限剪应变的围岩深度超过预设第一深度值；

无支护开挖后隧道围岩受拉区深度超过预设第二深度值。

可选的，所述第二确定模块计算临界稳定断面内的围岩作为支护结构时的安全系数，具体为：

建立第二有限元模型，其中，所述第二有限元模型的第一组有限元模型单元、第二组有限元模型单元、第三组有限元模型单元分别为：开挖断面内的围岩、临界稳定断面与开挖断面之间的围岩、临界稳定断面与模型边界之间的围岩；

按照预设强度折减系数，对隧道围岩的粘聚力c值与tanφ值进行等比例折减；用折减后的粘聚力c值与内摩擦角φ调整所述第二有限元模型的三组有限元单元的参数，并对调整后的第二有限元模型施加边界条件，对施加边界条件后的第二有限元模型进行迭代计算，直至第二有限元模型收敛；

在第二有限元模型收敛后，开挖第二有限元模型的第一组有限元模型单元中的围岩，重新对第二有限元模型进行迭代计算，直至第二有限元模型重新收敛；

获得当前强度折减系数；按照所获得的当前强度折减系数，对隧道围岩的粘聚力c值与tanφ值进行等比例折减，用折减后的粘聚力c值与内摩擦角φ调整第二有限元模型的第二组有限元单元；重新对第二有限元模型进行迭代计算，直至第二有限元模型重新收敛后，采用预设的稳定性判别条件判断隧道围岩能否自稳，若隧道围岩能够自稳，将当前强度折减系数作为临界稳定断面内的围岩作为支护结构时的安全系数；否则，获得下一强度折减系数，并将所获得的下一强度折减系数更新为当前强度折减系数，返回执行按照所获得的当前强度折减系数，对隧道围岩的粘聚力c值与tanφ值进行等比例折减。

可选的，所述第二确定模块根据计算所得的安全系数确定隧道围岩是否需要支护，具体为：

若计算所得的安全系数小于预设安全系数，确定隧道围岩需要支护；

若计算所得的安全系数不小于预设安全系数，确定隧道围岩不需要支护。

可选的，所述装置还包括计算模块，用于：

在确定隧道围岩需要支护后，计算隧道围岩所需的支护力。

可选的，所述计算模块计算隧道围岩所需的支护力，具体为：

建立第三有限元模型，其中，所述第三有限元模型的第一组有限元单元、第二组有限元单元分别为：开挖断面内的围岩、开挖断面与模型边界之间的围岩；

按照预设强度折减系数，对隧道围岩的粘聚力c值与tanφ值进行等比例折减；用折减后的粘聚力c值与内摩擦角φ调整所述第三有限元模型的两组有限元单元的参数，并对调整后的第三有限元模型施加边界条件，对施加边界条件后的第三有限元模型进行迭代计算，直至第三有限元模型收敛；

开挖第三有限元模型的第一组有限元单元，获得当前支护力，对第三有限元模型的第二组有限元单元施加当前支护力，重新对第三有限元模型进行迭代计算，直至第三有限元模型重新收敛后，计算该第二组有限元单元的围岩破坏区平均高度；

计算围岩破坏区平均高度与隧道围岩自重之积，判断所得乘积与当前支护力的比值是否等于预设比值；若等于，将当前支护力作为隧道围岩所需的支护力；否则，获得下一支护力，并将所获得的下一支护力更新为当前支护力，返回执行对第三有限元模型的第二组有限元单元施加当前支护力，重新对第三有限元模型进行迭代计算。

可选的，所述计算模块计算该第二组有限元单元的围岩破坏区平均高度，具体为：

计算该第二组有限元单元的围岩超过极限应变或者抗拉强度的围岩范围，作为破坏区范围；计算破坏区范围的高度平均值，作为该第二组有限元单元的围岩破坏区平均高度。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种隧道围岩稳定性量化分析方法，其特征在于，所述方法包括：

获得隧道的参数信息；所述隧道的参数信息包括开挖断面的尺寸、中心埋深和几何形状、隧道围岩的物理力学参数；

利用所获得的参数信息，计算临界稳定断面；所述临界稳定断面为与开挖断面中心埋深相同、几何形状相似且在无支护状态下隧道围岩能够自稳的最大断面；判断所述开挖断面的尺寸是否大于所述临界稳定断面的尺寸；

若所述开挖断面的尺寸大于所述临界稳定断面的尺寸，确定所述隧道围岩需要支护；

若所述开挖断面的尺寸不大于所述临界稳定断面的尺寸，计算临界稳定断面内的围岩作为支护结构时的安全系数，根据计算所得的安全系数确定隧道围岩是否需要支护。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所获得的参数信息，计算临界稳定断面，包括：

保持所述开挖断面的形心位置不变，对所述开挖断面进行放大或缩小，得到与所述开挖断面几何相似的各目标断面；

在相同的围岩物理力学参数、地应力水平下，通过第一有限元模型分别计算各目标断面无支护开挖后隧道围岩的受力特征与位移特征，根据第一有限元模型的计算结果，判断各目标断面开挖后隧道围岩能否自稳；

将开挖后隧道围岩能自稳的各目标断面中尺寸最大的目标断面确定为临界稳定断面。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据第一有限元模型的计算结果，判断各目标断面开挖后隧道围岩能否自稳，包括：

针对每一目标断面，若第一有限元模型的计算结果出现以下稳定性判别条件之一，则判定该目标断面无法自稳：

第一有限元模型计算不收敛；

各目标断面无支护开挖后隧道围岩的位移特征断面尺寸曲线中，有目标断面的计算结果出现位移突变；

无支护开挖后隧道围岩超过极限剪应变的围岩深度超过预设第一深度值；

无支护开挖后隧道围岩受拉区深度超过预设第二深度值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算临界稳定断面内的围岩作为支护结构时的安全系数，包括：

建立第二有限元模型，其中，所述第二有限元模型的第一组有限元模型单元、第二组有限元模型单元、第三组有限元模型单元分别为：开挖断面内的围岩、临界稳定断面与开挖断面之间的围岩、临界稳定断面与模型边界之间的围岩；

按照预设强度折减系数，对隧道围岩的粘聚力c值与tanφ值进行等比例折减；用折减后的粘聚力c值与内摩擦角φ调整所述第二有限元模型的三组有限元单元的参数，并对调整后的第二有限元模型施加边界条件，对施加边界条件后的第二有限元模型进行迭代计算，直至第二有限元模型收敛；

在第二有限元模型收敛后，开挖第二有限元模型的第一组有限元单元中的围岩，重新对第二有限元模型进行迭代计算，直至第二有限元模型重新收敛；

获得当前强度折减系数；按照所获得的当前强度折减系数，对隧道围岩的粘聚力c值与tanφ值进行等比例折减，用折减后的粘聚力c值与内摩擦角φ调整第二有限元模型的第二组有限元单元；重新对第二有限元模型进行迭代计算，直至第二有限元模型重新收敛后，采用预设的稳定性判别条件判断隧道围岩能否自稳，若隧道围岩能够自稳，将当前强度折减系数作为临界稳定断面内的围岩作为支护结构时的安全系数；否则，获得下一强度折减系数，并将所获得的下一强度折减系数更新为当前强度折减系数，返回执行按照所获得的当前强度折减系数，对隧道围岩的粘聚力c值与tanφ值进行等比例折减。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据计算所得的安全系数确定隧道围岩是否需要支护，包括：

若计算所得的安全系数小于预设安全系数，确定隧道围岩需要支护；

若计算所得的安全系数不小于预设安全系数，确定隧道围岩不需要支护。

6.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于，在确定隧道围岩需要支护后，所述方法还包括：

计算隧道围岩所需的支护力。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，计算隧道围岩所需的支护力，包括：

建立第三有限元模型，其中，所述第三有限元模型的第一组有限元单元、第二组有限元单元分别为：开挖断面内的围岩、开挖断面与模型边界之间的围岩；

按照预设强度折减系数，对隧道围岩的粘聚力c值与tanφ值进行等比例折减；用折减后的粘聚力c值与内摩擦角φ调整所述第三有限元模型的两组有限元单元的参数，并对调整后的第三有限元模型施加边界条件，对施加边界条件后的第三有限元模型进行迭代计算，直至第三有限元模型收敛；

开挖第三有限元模型的第一组有限元单元，获得当前支护力，对第三有限元模型的第二组有限元单元施加当前支护力，重新对第三有限元模型进行迭代计算，直至第三有限元模型重新收敛后，计算该第二组有限元单元的围岩破坏区平均高度；

计算围岩破坏区平均高度与隧道围岩自重之积，判断所得乘积与当前支护力的比值是否等于预设比值；若等于，将当前支护力作为隧道围岩所需的支护力；否则，获得下一支护力，并将所获得的下一支护力更新为当前支护力，返回执行对第三有限元模型的第二组有限元单元施加当前支护力，重新对第三有限元模型进行迭代计算。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，计算该第二组有限元单元的围岩破坏区平均高度，包括：

计算该第二组有限元单元的围岩超过极限应变或者抗拉强度的围岩范围，作为破坏区范围；计算破坏区范围的高度平均值，作为该第二组有限元单元的围岩破坏区平均高度。

9.一种隧道围岩稳定性量化分析装置，其特征在于，所述装置包括：

获得模块，用于获得隧道的参数信息；所述隧道的参数信息包括开挖断面的尺寸、中心埋深和几何形状、隧道围岩的物理力学参数；

判断模块，用于利用所获得的参数信息，计算临界稳定断面；所述临界稳定断面为与开挖断面中心埋深相同、几何形状相似且在无支护状态下隧道围岩能够自稳的最大断面；判断所述开挖断面的尺寸是否大于所述临界稳定断面的尺寸；

第一确定模块，用于在所述判断模块的判断结果为是时，确定所述隧道围岩需要支护；

第二确定模块，用于在所述判断模块的判断结果为否时，计算临界稳定断面内的围岩作为支护结构时的安全系数，根据计算所得的安全系数确定隧道围岩是否需要支护。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述判断模块利用所获得的参数信息，计算临界稳定断面，具体为：

保持所述开挖断面的形心位置不变，对所述开挖断面进行放大或缩小，得到与所述开挖断面几何相似的各第一断面；

在相同的围岩物理力学参数、地应力水平下，通过第一有限元模型分别计算各第一断面无支护开挖围岩的受力特征与位移特征，根据第一有限元模型的计算结果，判断各第一断面是否具有围岩稳定性；

将具有围岩稳定性的第一断面中面积最大的第一断面确定为临界稳定断面。