CN110598361A - 一种台阶法开挖隧道支护结构变形预测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种台阶法开挖隧道支护结构变形预测方法及装置，应用于隧道开挖变形预测技术领域，方法包括：确定基本参数；确定隧道开挖所需要的作业工序以及每一作业工序对应的时间；确定竖向围岩压力与时间的第一对应关系、水平围岩压力与时间的第二对应关系；计算每一施工循环时间内喷层结构的水平变形量和竖向变形量，累计后总变形即为结构的允许变形值，并绘制隧道变形计算值与时间的曲线；获取隧道施工现场实测位移值，绘制隧道变形实测值与时间的曲线；基于允许变形值、隧道变形计算值与时间的曲线和实测结果的对比，确定施工调整措施。应用本发明实施例，可以实现台阶法开挖隧道过程中变形量预测，并有效提高监控量测对施工的指导作用。

Description

一种台阶法开挖隧道支护结构变形预测方法及装置

技术领域

本发明涉及开挖隧道支护结构变形处理技术领域，尤其涉及一种台阶法开挖隧道支护结构变形预测方法及装置。

背景技术

隧道是修建在地下或水下或者在山体中，铺设铁路或修筑公路供机动车辆通行的建筑物。隧道变形监控量测是判断施工和支护安全性的重要手段，因而允许变形值的取值是隧道设计和施工中的一个关键技术参数。

现有技术中，铁路隧道设计规范对预留变形量的要求是：复合式衬砌各级围岩隧道预留变形量值可根据围岩级别、开挖跨度、埋置深度、施工方法和支护条件，采用工程类比法确定。当无类比资料时，大跨隧道(12～14m跨度)的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩的预留变形量分别为30～50mm、50～80mm、80～120mm、120～170mm。且实际应用中，由于地质条件、开挖方法、支护时机、支护强度、支护刚度及支护质量水平等均对支护结构变形值有影响，实际设计中难以给定一个具体的监测控制值，只能通过现场量测数据反馈分析进行调整。

因此，现有的隧道开挖支护过程中，缺少有效的变形监控和处理方案。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种台阶法开挖隧道支护结构变形预测方法及装置，旨在通过台阶法进行隧道开挖过程中变形量计算和基于变形量进行现场监控。

本发明是这样实现的：

一种台阶法开挖隧道支护结构变形预测方法，包括：

确定隧道工程的基本参数；

根据所述基本参数，确定隧道开挖所需要的作业工序以及每一作业工序对应的时间；

根据每一作业工序及对应的时间，确定竖向围岩压力与时间的第一对应关系、水平围岩压力与时间的第二对应关系；

根据所述第一对应关系和所述第二对应关系，计算每一施工循环时间内喷层分担的水平围岩压力和竖向围岩压力；

计算每一开挖工序的喷层参数，其中，所述喷层参数至少包括：喷层强度、弹性模量与刚度；

根据所述水平围岩压力、所述竖向围岩压力、所述喷层参数以及与时间的对应关系，上台阶开挖至下台阶开挖时间内采用上台阶支护结构的荷载结构模型，下台阶开挖后采用全断面支护结构的荷载结构模型计算每一施工循环时间内喷层结构的水平变形量和竖向变形量，累计后所得总变形即为结构的允许变形值，并绘制隧道变形计算值与时间的曲线；

获取隧道施工现场实测位移值，绘制隧道变形实测值与时间的曲线；

基于所述允许变形值、隧道变形计算值与时间的曲线和隧道变形实测值与时间的曲线对比，确定施工调整措施。

一种实现方式中，所述基于所述允许变形值、隧道变形计算值与时间的曲线和隧道变形实测值与时间的曲线，确定施工调整的步骤，包括：

当实测值大于计算允许变形值、且变形能够收敛时，说明支护结构的安全系数大于1.0，措施如下：加大开挖循环长度，以增加支护前的应力释放率；材料强度增长速度过慢，提高喷射混凝土材料的早期强度；计算参数取值大于实际值，且偏差较大，根据内力监测值进行分析调整，调整确定计算参数，重新计算分析；

当实测值大于允许变形值，且出现结构开裂时，加强支护；

当实测值小于计算允许变形值时，包括：弱化支护参数；计算参数取值小于实际值，且偏差较大，结合内力监测值进行分析调整，调整确定计算参数和重新计算分析。

一种实现方式中，所述根据所述水平围岩压力、所述竖向围岩压力、所述喷层参数以及与时间的对应关系，上台阶开挖至下台阶开挖时间内采用上台阶支护结构的荷载结构模型，下台阶开挖后采用全断面支护结构的荷载结构模型计算每一施工循环时间内喷层结构的水平变形量和竖向变形量，累计后所得总变形即为结构的允许变形值，并绘制隧道变形计算值与时间的曲线的步骤，包括：

根据所述水平围岩压力、所述竖向围岩压力、所述喷层参数以及与时间的对应关系，将位移计算分为两个阶段，阶段一：上台阶开挖到下台阶开挖阶段，采用上台阶支护结构的荷载结构模型计算每一施工循环内喷层结构的水平变形量和竖向变形量；阶段二：下台阶开挖到隧道变形稳定阶段，采用全断面支护结构的荷载结构模型计算每一施工循环时间内喷层结构的水平变形量和竖向变形量；

确定累计后所得总变形为结构的允许变形值；

根据每一时间点与所对应的变形值绘制隧道变形计算值与时间的曲线。

一种实现方式中，所述根据每一作业工序及对应的时间，确定竖向围岩压力与时间的第一对应关系、水平围岩压力与时间的第二对应关系的步骤，包括：

根据每一作业工序及对应的时间，确定支护稳定时的围岩压力以及与硬化速率有关的常数；

确定台阶开挖时，上台阶和下台阶的围岩压力释放比例参数；

确定上台阶开挖至下台阶开挖的时间间隔；

根据所述时间间隔、所述比例参数，确定竖向围岩压力与时间的第一对应关系、水平围岩压力与时间的第二对应关系。

一种实现方式中，所述第一对应关系和所述第二对应关系的具体表达式包括：

(1)当0<t<T1时，围岩压力只作用在上台阶断面支护结构上，包括竖向均布荷载和水平均布荷载；在0<t<T1时，竖向围岩压力的增长函数为：P_(t)＝ζ₁·P₀·e^-b/t，水平均布围岩压力的增长函数为：P_(t)＝λ·ζ₁·P₀·e^-b/t；

(2)在t＝T1时刻，竖向均布围岩压力为P_(t＝T1)＝α·ζ₁·P₀，水平均布围岩压力为P_(t＝T1)＝λ·α·ζ₁·P₀；

(3)当t>T1时，围岩压力分为：上台阶继续释放的围岩压力和下台阶开挖阶段释放的围岩压力；

其中，上台阶继续释放的围岩压力，竖向围岩压力的增长函数为：P_(t)＝ζ₁·P₀·e^-b/t，水平围岩压力的增长函数为：P_(t)＝λ·ζ₁·P₀·e^-b/t(t>T1)，围岩压力作用于全断面支护结构上；

下台阶开挖阶段释放的围岩压力，包括：下台阶开挖引起的作用在全断面支护结构上的围岩压力和上台阶开挖对下台阶支护结构产生的局部水平均布围岩压力；

其中，下台阶开挖引起的作用在全断面支护结构上的围岩压力，竖向围岩压力与时间的函数为P_(t)＝ζ₂·P₀·e^-b/(t-T1)，水平均布围岩压力与时间的函数为P_(t)＝λ·ζ₂·P₀·e^-b/(t-T1)，作用于全断面支护结构上；

上台阶开挖对下台阶支护结构产生的局部水平均布围岩压力，围岩压力与时间的函数为：P_(t)＝λ·α·ζ₁·P₀·e^-b/(t-T1)，只作用于下台阶支护结构上；

其中，P_(t)为t时刻所对应的围岩压力；P₀为支护稳定时的围岩压力；b为与硬化速率有关的常数；ζ1为上台阶开挖围时岩压力释放率，ζ2为下台阶开挖时围岩压力释放率，λ是水平围岩压力为竖向围岩压力乘以侧压力系数，α为下台阶开挖至监测断面时，上台阶围岩压力已释放的荷载比例，T1为上台阶开挖至下台阶开挖的间隔时间。

一种实现方式中，所述与硬化速率有关的常数的具体表达为：

其中，D为所述基本参数中监测断面与掌子面的距离，S为所述基本参数中开挖进尺，η为在隧道变形速率小于0.2mm/d时当前时刻围岩压力为围岩变形稳定时的围岩压力之比，△t为隧道每一施工循环时间。

一种实现方式中，所述计算每一开挖工序的喷层参数的步骤，包括：

根据现场测试喷射混凝土弹性模量、混凝土强度随龄期的增长曲线及其与开挖工序的对应关系，计算每一开挖工序的喷层参数。

一种实现方式中，所述上台阶支护结构的荷载结构模型，是喷射混凝土层的计算模型，喷层采用梁单元模拟，结构与地层相互作用采用无拉径向弹簧和切向弹簧模拟，拱脚处采用弹性支撑。梁单元的弹性模量与混凝土的龄期有关，切向弹簧的刚度与混凝土的龄期有关，与喷砼强度正比，当达到设计强度时，切向弹簧的刚度取径向无拉弹簧刚度的1/3；

所述全断面支护结构的荷载结构模型，全断面支护结构的荷载结构模型包括上台阶支护结构和下台阶支护结构两个部分，喷层均采用梁单元模拟，梁单元的弹性模量与混凝土的龄期有关，结构与地层相互作用采用无拉径向弹簧和切向弹簧模拟。

此外，本发明还公开了一种台阶法开挖隧道支护结构变形预测装置，所述装置包括：

第一确定模块，用于确定隧道工程的基本参数；

第二确定模块，用于根据所述基本参数，确定隧道开挖所需要的作业工序以及每一作业工序对应的时间；

第三确定模块，用于根据每一作业工序及对应的时间，确定竖向围岩压力与时间的第一对应关系、水平围岩压力与时间的第二对应关系；

第一计算模块，用于根据所述第一对应关系和所述第二对应关系，计算每一施工循环时间内喷层分担的水平围岩压力和竖向围岩压力；

第二计算模块，用于计算每一开挖工序的喷层参数，其中，所述喷层参数至少包括：喷层强度、弹性模量与刚度；

第三计算模块，用于根据所述水平围岩压力、所述竖向围岩压力、所述喷层参数以及与时间的对应关系，上台阶开挖至下台阶开挖时间内采用上台阶支护结构的荷载结构模型，下台阶开挖后采用全断面支护结构的荷载结构模型计算每一施工循环时间内喷层结构的水平变形量和竖向变形量，累计后所得总变形即为结构的允许变形值，并绘制隧道变形计算值与时间的曲线；

获取模块，用于获取隧道施工现场实测位移值，绘制隧道变形实测值与时间的曲线；

第四确定模块，用于基于所述允许变形值、隧道变形计算值与时间的曲线和隧道变形实测值与时间的曲线对比，确定施工调整措施。

应用本发明的台阶法开挖隧道支护结构变形预测方法及装置，具有以下有益效果：

1、通过获取隧道的参数信息；利用所获取的参数信息得到施工工序与时间的对应关系；计算围岩压力与时间的对应关系；现场测试获取喷射混凝土弹性模量、强度随龄期的增长曲线；将变形计算分为两个阶段，上台阶开挖到下台阶开挖阶段，以及下台阶开挖到隧道变形稳定阶段，通过上台阶支护结构、全断面支护结构的荷载结构模型分别计算两阶段各施工步的位移增量，进而得到隧道变形与时间的关系曲线；对比分析计算值与监测结果确定支护参数与支护时机的调整方法。应用本发明实施例，可以有效提高隧道支护参数设计的合理性，可以有效提高监控量测对施工的指导作用；

2、本发明实施例通过设置监测变形的实质是支护结构的变形值，然后将支护结构的允许变形值作为现场监测的控制值，实现定量的进行现场监控。

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台阶法开挖隧道支护结构变形预测方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的台阶法开挖隧道支护结构变形预测方法一种应用场景示意图；

图3为本发明实施例提供的台阶法开挖隧道支护结构变形预测方法另一种应用场景示意图；

图4为本发明实施例提供的台阶法开挖隧道支护结构变形预测方法再一种应用场景示意图。

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。

参见图1，本发明实施例提供一种台阶法开挖隧道支护结构变形预测方法，包括步骤如下：

S101，确定隧道工程的基本参数。

本发明实施例中，确定隧道工程基本参数，主要包括围岩等级、围岩的基本物理力学参数、隧道的开挖方法、台阶长度、支护参数、隧道的埋深、开挖进尺S、每开挖循环的时间△t、隧道变形速率小于0.2mm/d时监测断面与掌子面的距离D。

S102，根据所述基本参数，确定隧道开挖所需要的作业工序以及每一作业工序对应的时间。

可以理解的是，根据隧道工程的基本参数可以确定隧道的作业工序所对应的时间。示例性的，隧道一个开挖循环所需要的作业工序包括开挖、出渣、施作喷射混凝土。

此外，本发明施例适应于台阶法进行开挖隧道，台阶法开挖隧道包括阶段一：上台阶开挖到下台阶开挖阶段，阶段二：下台阶开挖到隧道变形稳定阶段。

S103，根据每一作业工序及对应的时间，确定竖向围岩压力与时间的第一对应关系、水平围岩压力与时间的第二对应关系。

本发明实施例中，竖向围岩压力增长过程可以采用指数函数表示，具体为：

P_t＝P₀·e^-b/t

其中，P_t为任意时刻t所对应的围岩压力；P₀为支护稳定时的围岩压力；b为与硬化速率有关的常数；t为时间；水平围岩压力为竖向围岩压力乘以侧压力系数λ。

本发明实施例中，当隧道变形速率小于0.2mm/d，此时的围岩压力与围岩变形稳定时的围岩压力之比为η，η可以根据现场埋设的土压力监测数据得到，当无资料时可取95％，因此，计算与硬化速率有关的常数b表达为：

由于本发明实施例应用于台阶开发，所以需要确定各台阶开挖时围岩压力释放的占比。如：可以取上台阶开挖后释放70％的围岩压力，下台阶开挖释放30％；该值可以根据现场围岩压力测试计算得到，也可以通过类比法得出，将上台阶开挖围岩压力释放率计为ζ1，开挖步2的围岩压力释放率计为ζ2，ζ1+ζ2＝1。

在开挖过程中，假设上台阶开挖至下台阶开挖的间隔时间为T1，根据监测可以得到监测断面从上台阶开挖至隧道全断面开挖、支护完成并且位移变化稳定时间段内围岩压力与时间的关系：

(1)当0<t<T1时，围岩压力只作用在上台阶断面支护结构上，包括竖向均布荷载和水平均布荷载。

第一对应关系为竖向围岩压力的时间增长函数，具体表达为：P_(t)＝ζ₁·P₀·e^-b/t；

第二对应关系为水平均布围岩压力的时间增长函数，具体表达为：P_(t)＝λ·ζ₁·P₀·e^-b/t；

(2)在t＝T1时刻，第一对应关系为竖向均布围岩压力，具体表达为P_(t＝T1)＝α·ζ₁·P₀，第二对应关系为水平均布围岩压力，具体表达为：P_(t＝T1)＝λ·α·ζ₁·P₀；

(3)当t>T1时，围岩压力分为两个部分，第一部分为：上台阶继续释放的围岩压力，，该围岩压力作用于全断面支护结构上，具体包括：

第一对应关系为竖向围岩压力的增长函数：P_(t)＝ζ₁·P₀·e^-b/t，第二对应关系为水平围岩压力的增长函数为：P_(t)＝λ·ζ₁·P₀·e^-b/t；

第二部分为：下台阶开挖阶段释放的围岩压力，该部分围岩压力又分为两种情况：

第一种情况为下台阶开挖引起的作用在全断面支护结构上的围岩压力，作用于全断面支护结构上，其中，第一对应关系为竖向围岩压力与时间的函数：P_(t)＝ζ₂·P₀·e^-b/(t-T1)，第二对应关系为水平均布围岩压力与时间的函数：P_(t)＝λ·ζ₂·P₀·e^-b/(t-T1)；

第二种情况为上台阶开挖对下台阶支护结构产生的局部水平均布围岩压力，只作用于下台阶支护结构上，第二对应关系为围岩压力与时间的函数：P_(t)＝λ·α·ζ₁·P₀·e^-b/(t-T1)。

S104，根据所述第一对应关系和所述第二对应关系，计算每一施工循环时间内喷层分担的水平围岩压力和竖向围岩压力。

本发明的具体实现方式中，在任意一时刻，均可以获得第一关系对应中的围岩压力值和第二关系对应中的围岩压力值，在基本参数中，已得知隧道每一施工循环时间△t，然后将围岩压力划分成若干份，按喷层、锚-岩承载拱的刚度比将每一份围岩压力分配给喷射混凝土与锚岩承载拱，每一施工循环时间△t内喷层分担的围岩压力计为△P_i。

因此，本发明实施例中，只要获得喷层、锚-岩承载拱的刚度比就可以获得分配比例，从而将围岩压力进行比例分配。

S105，计算每一开挖工序的喷层参数，其中，所述喷层参数至少包括：喷层强度、弹性模量与刚度。

具体实现中，根据施工现场进行试喷混凝土，获得混凝土凝固与时间的关系，因此，施工现场测试得到了喷混凝土与时间的关系，然后与开挖工序对应起来，即可得到每一开挖工序时的喷层强度、弹性模量与刚度。

具体的，有关混凝土的喷层参数，即喷层强度、弹性模量与刚度，是根据混凝土的喷射进行直接获得的，该过程为现有技术，本发明实施例在此不做赘述。

S106，根据所述水平围岩压力、所述竖向围岩压力、所述喷层参数以及与时间的对应关系，上台阶开挖至下台阶开挖时间内采用上台阶支护结构的荷载结构模型，下台阶开挖后采用全断面支护结构的荷载结构模型计算每一施工循环时间内喷层结构的水平变形量和竖向变形量，累计后所得总变形即为结构的允许变形值，并绘制隧道变形计算值与时间的曲线。

本发明实施例中，如图2所示，上台阶支护结构的荷载结构模型：喷射混凝土层的计算模型为荷载结构模型，喷层采用梁单元进行模拟上台阶支护结构1，结构与地层相互作用采用无拉径向弹簧2和切向弹簧3进行模拟实现，还包括0<t<T1时作用在上台阶支护结构上的竖向均布围岩压力4、0<t<T1时作用在上台阶支护结构上的水平均布围岩压力5。拱脚处采用弹性支撑。梁单元的弹性模量与混凝土的龄期有关，切向弹簧的刚度与混凝土的龄期有关，与喷砼强度正比，当达到设计强度时，切向弹簧的刚度取径向无拉弹簧刚度的1/3。

如图3所示，为全断面支护结构的荷载结构模型：全断面支护结构的荷载结构模型包括上台阶支护结构1和下台阶支护结构6两个部分，喷层均采用梁单元模拟，梁单元的弹性模量与混凝土的龄期有关，结构与地层相互作用采用无拉径向弹簧2和切向弹簧3进行模拟实现，其中，还包括t>T1时下台阶开挖引起的竖向均布围岩压力7，t>T1时下台阶开挖引起的水平均布围岩压力8，t>T1时上台阶开挖引起的竖向均布围岩压力9；t>T1时上台阶开挖引起的水平均布围岩压力10，t>T1时上台阶开挖对下台阶支护结构产生的局部水平均布围岩压力11。

如图2和图3中，可以根据现场测试喷射混凝土弹性模量、混凝土强度随龄期的增长曲线，计算每一开挖工序时的喷层强度、弹性模量与刚度，从而确定弹性模量与混凝土的龄期关系。

如图4所示，通过输入的基本参数能够确定施工工序与时间的关系，然后确定喷射混凝土承担的围岩压力(根据第一对应关系和第二对应关系获得)与时间的关系以及喷射混凝土强度与时间的关系(根据混凝土参数或者现场喷射混凝土进行试验获得)，然后计算上下两个台阶的施工时间间隔T1，开挖分两段，在0-T1时间段内，计算各开挖循环的围岩压力计为△P_i，各开挖循环弹性模量为E_i，然后根据上台阶支护结构的荷载结构模型计算变形增量。

在T1时间段后，计算开挖循环的围岩压力计为△P_i，各开挖循环弹性模量为E_i，然后根据全断面支护结构的荷载结构模型计算变形增量，从而获得各个时间内变形量U与时间t对应的U-t曲线。

S107，获取隧道施工现场实测位移值，绘制隧道变形实测值与时间的曲线。

在实际施工过程中，通过直接测量能够获得隧道变形。如图4所示，根据实际施工测量得到实测值与时间的U-t曲线。

S108，基于所述允许变形值、隧道变形计算值与时间的曲线和隧道变形实测值与时间的曲线对比，确定施工调整措施。

如图4所示，将实测的变形曲线与步骤S106所绘制的理论值变形量与时间的U-t曲线进行对比，从而获得场实测位移值与该点对应的允许变形值之间的关系。

实际应用中，允许变形值与实测位移值之间的关系包括：

当实测值大于计算允许变形值、且变形能够收敛时，说明支护结构的安全系数大于1.0，但已小于设计安全系数，产生原因可能有以下：1、支护过早，可以适当加大开挖循环长度，以增加支护前的应力释放率；2、允许变形值的计算参数取值大于实际值，且偏差较大，需要结合内力监测值进行分析调整；3、其它原因，如支护质量不到位，材料强度增长速度过慢等，需要结合实际情况进行分析。

当实测值大于允许变形值，且出现结构开裂时，说明支护力计算值过小，具体产生原因可能有计算错误或支护过早等，需要加强支护。

当实测值小于计算允许变形值时，说明：1、可以适当弱化支护参数；2、计算参数取值小于实际值，且偏差较大，需要结合内力监测值进行分析调整。

此外，本发明还公开了一种台阶法开挖隧道支护结构变形预测装置，所述装置包括：

第一确定模块，用于确定隧道工程的基本参数；

第二确定模块，用于根据所述基本参数，确定隧道开挖所需要的作业工序以及每一作业工序对应的时间；

第三确定模块，用于根据每一作业工序及对应的时间，确定竖向围岩压力与时间的第一对应关系、水平围岩压力与时间的第二对应关系；

第一计算模块，用于根据所述第一对应关系和所述第二对应关系，计算每一施工循环时间内喷层分担的水平围岩压力和竖向围岩压力；

第二计算模块，用于计算每一开挖工序的喷层参数，其中，所述喷层参数至少包括：喷层强度、弹性模量与刚度；

第三计算模块，用于根据所述水平围岩压力、所述竖向围岩压力、所述喷层参数以及与时间的对应关系，上台阶开挖至下台阶开挖时间内采用上台阶支护结构的荷载结构模型，下台阶开挖后采用全断面支护结构的荷载结构模型计算每一施工循环时间内喷层结构的水平变形量和竖向变形量，累计后所得总变形即为结构的允许变形值，并绘制隧道变形计算值与时间的曲线；

获取模块，用于获取隧道施工现场实测位移值，绘制隧道变形实测值与时间的曲线；

第四确定模块，用于基于所述允许变形值、隧道变形计算值与时间的曲线和隧道变形实测值与时间的曲线对比，确定施工调整措施。

以上所述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 (9)

1.一种台阶法开挖隧道支护结构变形预测方法，其特征在于，所述方法包括：

确定隧道工程的基本参数；

根据所述基本参数，确定隧道开挖所需要的作业工序以及每一作业工序对应的时间；

根据每一作业工序及对应的时间，确定竖向围岩压力与时间的第一对应关系、水平围岩压力与时间的第二对应关系；

根据所述第一对应关系和所述第二对应关系，计算每一施工循环时间内喷层分担的水平围岩压力和竖向围岩压力；

计算每一开挖工序的喷层参数，其中，所述喷层参数至少包括：喷层强度、弹性模量与刚度；

根据所述水平围岩压力、所述竖向围岩压力、所述喷层参数以及与时间的对应关系，上台阶开挖至下台阶开挖时间内采用上台阶支护结构的荷载结构模型，下台阶开挖后采用全断面支护结构的荷载结构模型计算每一施工循环时间内喷层结构的水平变形量和竖向变形量，累计后所得总变形即为结构的允许变形值，并绘制隧道变形计算值与时间的曲线；

获取隧道施工现场实测位移值，绘制隧道变形实测值与时间的曲线；

基于所述允许变形值、隧道变形计算值与时间的曲线和隧道变形实测值与时间的曲线对比，确定施工调整措施。

2.根据权利要求1所述的台阶法开挖隧道支护结构变形预测方法，其特征在于，所述基于所述允许变形值、隧道变形计算值与时间的曲线和隧道变形实测值与时间的曲线，确定施工调整的步骤，包括：

当实测值大于计算允许变形值、且变形能够收敛时，说明支护结构的安全系数大于1.0，措施如下：加大开挖循环长度，以增加支护前的应力释放率；材料强度增长速度过慢，提高喷射混凝土材料的早期强度；计算参数取值大于实际值，且偏差较大，根据内力监测值进行分析调整，调整确定计算参数，重新计算分析；

当实测值大于允许变形值，且出现结构开裂时，加强支护；

当实测值小于计算允许变形值时，包括：弱化支护参数；计算参数取值小于实际值，且偏差较大，结合内力监测值进行分析调整，调整确定计算参数和重新计算分析。

3.根据权利要求1所述的台阶法开挖隧道支护结构变形预测方法，其特征在于，所述根据所述水平围岩压力、所述竖向围岩压力、所述喷层参数以及与时间的对应关系，上台阶开挖至下台阶开挖时间内采用上台阶支护结构的荷载结构模型，下台阶开挖后采用全断面支护结构的荷载结构模型计算每一施工循环时间内喷层结构的水平变形量和竖向变形量，累计后所得总变形即为结构的允许变形值，并绘制隧道变形计算值与时间的曲线的步骤，包括：

根据所述水平围岩压力、所述竖向围岩压力、所述喷层参数以及与时间的对应关系，将位移计算分为两个阶段，阶段一：上台阶开挖到下台阶开挖阶段，采用上台阶支护结构的荷载结构模型计算每一施工循环内喷层结构的水平变形量和竖向变形量；阶段二：下台阶开挖到隧道变形稳定阶段，采用全断面支护结构的荷载结构模型计算每一施工循环时间内喷层结构的水平变形量和竖向变形量；

确定累计后所得总变形为结构的允许变形值；

根据每一时间点与所对应的变形值绘制隧道变形计算值与时间的曲线。

4.根据权利要求3所述的台阶法开挖隧道支护结构变形预测方法，其特征在于，所述根据每一作业工序及对应的时间，确定竖向围岩压力与时间的第一对应关系、水平围岩压力与时间的第二对应关系的步骤，包括：

根据每一作业工序及对应的时间，确定支护稳定时的围岩压力以及与硬化速率有关的常数；

确定台阶开挖时，上台阶和下台阶的围岩压力释放比例参数；

确定上台阶开挖至下台阶开挖的时间间隔；

根据所述时间间隔、所述比例参数，确定竖向围岩压力与时间的第一对应关系、水平围岩压力与时间的第二对应关系。

5.根据权利要求3所述的台阶法开挖隧道支护结构变形预测方法，其特征在于，其中，所述第一对应关系和所述第二对应关系的具体表达式包括：

(1)当0<t<T1时，围岩压力只作用在上台阶断面支护结构上，包括竖向均布荷载和水平均布荷载；在0<t<T1时，竖向围岩压力的增长函数为：P_(t)＝ζ₁·P₀·e^-b/t，水平均布围岩压力的增长函数为：P_(t)＝λ·ζ₁·P₀·e^-b/t；

(2)在t＝T1时刻，竖向均布围岩压力为P_(t＝T1)＝α·ζ₁·P₀，水平均布围岩压力为P_(t＝T1)＝λ·α·ζ₁·P₀；

(3)当t>T1时，围岩压力分为：上台阶继续释放的围岩压力和下台阶开挖阶段释放的围岩压力；

其中，上台阶继续释放的围岩压力，竖向围岩压力的增长函数为：P_(t)＝ζ₁·P₀·e^-b/t，水平围岩压力的增长函数为：P_(t)＝λ·ζ₁·P₀·e^-b/t(t>T1)，围岩压力作用于全断面支护结构上；

下台阶开挖阶段释放的围岩压力，包括：下台阶开挖引起的作用在全断面支护结构上的围岩压力和上台阶开挖对下台阶支护结构产生的局部水平均布围岩压力；

其中，下台阶开挖引起的作用在全断面支护结构上的围岩压力，竖向围岩压力与时间的函数为P_(t)＝ζ₂·P₀·e^-b/(t-T1)，水平均布围岩压力与时间的函数为P_(t)＝λ·ζ₂·P₀·e^-b/(t-T1)，作用于全断面支护结构上；

上台阶开挖对下台阶支护结构产生的局部水平均布围岩压力，围岩压力与时间的函数为：P_(t)＝λ·α·ζ₁·P₀·e^-b/(t-T1)，只作用于下台阶支护结构上；

其中，P_(t)为t时刻所对应的围岩压力；P₀为支护稳定时的围岩压力；b为与硬化速率有关的常数；ζ1为上台阶开挖围时岩压力释放率，ζ2为下台阶开挖时围岩压力释放率，λ是水平围岩压力为竖向围岩压力乘以侧压力系数，α为下台阶开挖至监测断面时，上台阶围岩压力已释放的荷载比例，T1为上台阶开挖至下台阶开挖的间隔时间。

6.根据权利要求1所述的台阶法开挖隧道支护结构变形预测方法，其特征在于，所述与硬化速率有关的常数的具体表达为：

其中，D为所述基本参数中监测断面与掌子面的距离，S为所述基本参数中开挖进尺，η为在隧道变形速率小于0.2mm/d时当前时刻围岩压力为围岩变形稳定时的围岩压力之比，△t为隧道每一施工循环时间。

7.根据权利要求1所述的台阶法开挖隧道支护结构变形预测方法，其特征在于，所述计算每一开挖工序的喷层参数的步骤，包括：

根据现场测试喷射混凝土弹性模量、混凝土强度随龄期的增长曲线及其与开挖工序的对应关系，计算每一开挖工序的喷层参数。

8.根据权利要求5或6所述的台阶法开挖隧道支护结构变形预测方法，其特征在于，所述上台阶支护结构的荷载结构模型，是喷射混凝土层的计算模型，喷层采用梁单元模拟，结构与地层相互作用采用无拉径向弹簧和切向弹簧模拟，拱脚处采用弹性支撑。梁单元的弹性模量与混凝土的龄期有关，切向弹簧的刚度与混凝土的龄期有关，与喷砼强度正比，当达到设计强度时，切向弹簧的刚度取径向无拉弹簧刚度的1/3；

所述全断面支护结构的荷载结构模型，全断面支护结构的荷载结构模型包括上台阶支护结构和下台阶支护结构两个部分，喷层均采用梁单元模拟，梁单元的弹性模量与混凝土的龄期有关，结构与地层相互作用采用无拉径向弹簧和切向弹簧模拟。

9.一种台阶法开挖隧道支护结构变形预测装置，其特征在于，所述装置包括：

第一确定模块，用于确定隧道工程的基本参数；

第二确定模块，用于根据所述基本参数，确定隧道开挖所需要的作业工序以及每一作业工序对应的时间；

第三确定模块，用于根据每一作业工序及对应的时间，确定竖向围岩压力与时间的第一对应关系、水平围岩压力与时间的第二对应关系；

第一计算模块，用于根据所述第一对应关系和所述第二对应关系，计算每一施工循环时间内喷层分担的水平围岩压力和竖向围岩压力；

第二计算模块，用于计算每一开挖工序的喷层参数，其中，所述喷层参数至少包括：喷层强度、弹性模量与刚度；

第三计算模块，用于根据所述水平围岩压力、所述竖向围岩压力、所述喷层参数以及与时间的对应关系，上台阶开挖至下台阶开挖时间内采用上台阶支护结构的荷载结构模型，下台阶开挖后采用全断面支护结构的荷载结构模型计算每一施工循环时间内喷层结构的水平变形量和竖向变形量，累计后所得总变形即为结构的允许变形值，并绘制隧道变形计算值与时间的曲线；

获取模块，用于获取隧道施工现场实测位移值，绘制隧道变形实测值与时间的曲线；

第四确定模块，用于基于所述允许变形值、隧道变形计算值与时间的曲线和隧道变形实测值与时间的曲线对比，确定施工调整措施。