CN111898187B - 隧洞开挖渗流模拟分析的纵向模型范围取值的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明为隧洞开挖渗流模拟分析的纵向模型范围取值的确定方法，提供了一种深埋隧洞施工开挖渗流数值模拟的模型纵向范围取值方法，包括如下步骤：建立纵向范围足够大的计算模型，并进行隧洞开挖渗流数值模拟；提出量化掌子面开挖向前向后孔压扰动范围的指标；结合上述指标，采用曲线拟合方法，确定稳定的掌子面开挖的向前和向后孔压扰动范围；以构建检测断面上完整的孔压演变曲线为目标，确定最小的模型纵向计算范围。本发明提出了确定掌子面向前向后孔压扰动范围的方法，排除了模型边界的影响，可以以最小的模型纵向范围得到完整的孔压演变曲线，节约计算成本，可广泛应用于深埋隧洞施工开挖渗流数值模拟中，为深埋隧洞渗流数值模型的建立提供指导。

Description

隧洞开挖渗流模拟分析的纵向模型范围取值的确定方法

技术领域

本发明涉及深埋隧洞施工开挖渗流数值模拟分析的技术领域，具体涉及一种可以以最小的纵向模型范围获取监测断面上完整孔压演化曲线的模型纵向范围取值方法。

背景技术

数值计算方法在渗流场的数值模拟时与渗流物理试验相比具有极大节省资源的优越性。其中三维有限单元法对于诸多地下水渗流问题，都能有效地进行模拟分析，并得到较为满意的结果，得到了较为广泛的应用。在深埋隧洞渗流数值模拟分析中，由于隧洞开挖推进过程中，地下水通过隧洞临空面以及掌子面向隧洞内部渗流，导致岩体孔压发生变化，临空面和掌子面不断变化导致渗流模型的边界条件动态变化，体现出强烈的空间效应和时间效应。计算时纵向过大的模型范围将导致庞大的计算量，影响计算效率，而过小的模型范围除了会产生较大的边界效应，影响数值模拟的精度，也将导致检测断面距离模型前后端面太近，由于渗流的空间效应，检测断面在模型前端面刚开挖即受强烈扰动，以及掌子面推进到模型后端面时，检测断面仍受强烈扰动，不能考虑模型边界效应，不能取得完整的孔压演变曲线，得不到最终的渗流稳定状态。因此建立渗流数值计算模型时，在纵向上截取合适范围的岩体为研究对象，具有重要的实践价值。

但目前三维渗流计算模型的纵向范围取值尚不统一，取值完全依靠个人经验，缺少明确的取值原则。不能考虑模型边界效应，未量化掌子面的前后扰动范围，难以用较小的纵向模型范围得到完整的检测断面孔压演变曲线，以及最终的渗流稳定状态。

发明内容

本发明的目的在于提供一种隧洞开挖渗流模拟分析的纵向模型范围取值的确定方法，该方法可以在保证计算精度的前提下，很方便地确定较小的计算模型范围，提高计算效率，避免人为选取的主观性。

本发明解决上述技术问题所采用的方案是：

一种隧洞开挖渗流模拟分析的纵向模型范围取值的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，建立数值计算模型，选取范围足够大的纵向模型，纵向模型的范围包括模型纵向长度L、监测断面到模型前端面距离L₁、隧洞开挖距离L_t以及隧洞未开挖距离L_w；

步骤2，提出量化掌子面向前和向后扰动范围的指标，采用隧洞正上方地下水位线下降高度来确定掌子面向前扰动范围L_e，以稳定地下水位下降高度来确定掌子面向后扰动范围L_s；

步骤3，根据步骤2确定的指标，取不同开挖距离L_t对应的掌子面向前扰动范围以及对应的掌子面向后扰动范围，分别采用曲线拟合方法，确定稳定的掌子面开挖向前和向后孔压扰动范围；

步骤4，考虑模型边界效应及掌子面开挖的向前和向后的孔压扰动范围，以构建检测断面上完整的孔压演变曲线为目标，确定最小的模型纵向计算范围。

进一步地，步骤2中提出量化掌子面向前扰动范围的指标的方法为：

以地下水位的变化反映掌子面对孔压的扰动作用，采用隧洞正上方地下水位线下降高度来确定L_e，初始地下水位为h，地下水位线的允许下降率取为δ₀，即要求隧洞正上方地下水位线下降高度Δh≤δ₀h，当某处隧洞正上方地下水位下降超过δ₀h时认为该处位于掌子面向前影响的范围内，反之则在范围外。

进一步地，步骤2中量化掌子面的向后扰动范围的指标的方法为：

以地下水位下降高度的稳定范围来确定L_s，计算稳定地下水位为h₁，地下水位的允许相对稳定率取为δ₀，即要求自由水面线高度与稳定地下水位间的高度差Δh'≤δ₀h₁，当某处自由水面线高度下降超过δ₀h₁时认为该处位于掌子面向后影响范围内，反之则在范围外。

进一步地，步骤3中确定稳定的掌子面开挖向前孔压扰动范围的方法为：

取不同的开挖距离L_t，计算各位置处隧洞正上方地下水位下降高度，确定隧洞正上方地下水位下降高度为Δh＝δ₀h的位置，该位置与掌子面的水平距离即为掌子面向前扰动范围L_e，将L_t与L_e对应的数据点进行拟合，得到如下曲线表达式：

式中：a，b，c，d均为拟合所得常数，A＝L_t/D，B＝L_e/D，D为隧洞直径；

随着L_t的不断增大，该曲线最终趋近于y，即[L_e]＝yD，通过设定误差估算因子δ₀，可求得对应式中L_e逼近[L_e]时对应的开挖距离临界值[L_t1]：

取δ＝δ₀时，联立式(1)和(2)可得A解值为A₀，即[L_t1]＝A₀D，此时，L₁满足条件：L₁≥[Le]+[Lt₁]，即L₁取值须不小于(y+A₀)D，从而保证监测断面的监测数据初始状态不受掌子面推进和模型范围的影响。

进一步地，步骤3中确定稳定的掌子面开挖向后孔压扰动范围的方法为：

取不同的开挖距离L_t，计算各位置自由水面线高度，确定自由水面线高度与稳定地下水位间的高度差为Δh'＝δ₀h₁的位置，该位置与掌子面的水平距离即为掌子面向后扰动范围L_s；

将L_t与L_s对应数据点进行拟合，可得曲线表达式(3)：

式中：C＝L_s/D，D为隧洞直径；

随着L_t的不断增大，该曲线最终趋近于m，而此时对应的临界[L_t2]由式(4) 求得；

取δ＝δ₀，联立式(3)、(4)可求得A解值为A₁，即对应的临界开挖距离 [L_t2]＝A₁D。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

1、采用上述纵向模型范围选取方法，可以在保证计算精度的前提下，很方便的确定较小的计算模型范围，提高计算效率，解决了现阶段依靠经验进行模型范围选取的问题，避免了人为选取的主观性；

2、引入数学方法，可以定量的评价采用某计算模型时，边界效应的影响范围，掌子面的前后扰动范围，用最小的纵向模型范围得到完整的检测断面孔压演变曲线，以及最终的渗流稳定状态。

附图说明

图1为本发明实施例模型范围取值方法的流程图；

图2为本发明实施例的三维模型示意图，其中，图中，1为模型纵向长度L， 2为检测断面到模型前端面的距离L₁，3为隧洞开挖距离L_t，4为隧洞未开挖距离L_w，5为模型下边界范围，6为模型左边界范围，7为模型前端面，8为模型后端面；

图3为本发明实施例掌子面向前扰动范围L_e的临界模型；

图4为本发明实施例掌子面向后扰动范围L_s的临界模型。

具体实施方式

为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

鉴于现有技术中深埋隧洞开挖渗流数值模拟分析中纵向范围取值的不足，本发明提供一种隧洞开挖渗流模拟分析的纵向模型范围取值的确定方法，其制作流程如图1所示，包括如下步骤：

如图1所示，本发明提供一种深埋隧洞施工开挖数值模拟分析的模型范围取值方法，具体步骤如下：

步骤1，建立数值计算模型。选取纵向模型范围足够大的模型，见图2，纵向模型范围分为模型纵向长度L，监测断面到模型前端面距离L₁，隧洞开挖距离L_t，隧洞未开挖距离L_w。以隧洞中心为坐标原点，以隧洞开挖方向为Y轴正方向，以竖直向上为Z轴正向，X方向按照右手法则确定，建立三维坐标轴。

步骤2，提出量化掌子面的向前后扰动范围的指标。掌子面进入对监测断面的扰动范围以内，直至穿过监测断面，并最终远离监测断面，进而对监测断面不再产生影响。当掌子面前方的地下水渗流对监测断面上孔压分布产生的影响可以忽略不计时，则认为监测断面渗流达到稳定状态。

1、提出量化掌子面的向前扰动范围的指标。

以地下水位的变化反映掌子面对孔压的扰动作用，采用隧洞正上方地下水位线下降高度来确定掌子面向前扰动范围L_e(取X＝0m剖面位置)。初始地下水位为h，隧洞正上方地下水位线允许的下降率取为δ₀＝1％，即要求隧洞正上方地下水位线下降高度Δh≤δ₀h(原水头h的1％)，当某处隧洞正上方地下水位线下降超过δ₀h时认为该处位于掌子面向前影响范围内，反之则在范围外。

2、提出量化掌子面的向后扰动范围的指标。

以地下水位下降高度的稳定范围来确定掌子面向后扰动范围L_s(取X＝0m 剖面位置)。计算稳定地下水位为h₁，地下水位的允许相对稳定率取为δ₀＝1％，即要求自由水面线高度与稳定地下水位间的高度差Δh'≤δ₀h₁(稳定水位h₁的1％)，当某处自由水面线高度与稳定地下水位间的高度差超过δ₀h₁时认为该处位于掌子面向后影响范围内，反之则在范围外。

步骤3，根据步骤2确定的指标，取不同开挖距离L_t对应的掌子面向前扰动范围以及对应的掌子面向后扰动范围，分别采用曲线拟合方法，确定稳定的掌子面开挖向前和向后孔压扰动范围。

见图3，掌子面向前扰动范围的确定。在X＝0m剖面中，取不同的开挖距离 L_t，计算各位置隧洞正上方地下水位下降高度，确定隧洞正上方地下水位下降高度为Δh＝δ₀h的位置，该位置与掌子面的水平距离即为掌子面向前扰动范围L_e。将L_t与L_e对应的数据点进行拟合，可得拟合曲线表达式(1)：

式中：a，b，c，d均为拟合所得常数，A＝L_t/D，B＝L_e/D，D为隧洞直径。

随着L_t的不断增大，该曲线最终趋近于y，即[L_e]＝yD，通过设定误差估算因子δ₀，可求得对应式(2)中L_e逼近[L_e]时对应的开挖距离临界值[L_t1]。

取δ＝δ₀＝1％时，联立(1)、(2)可得A解值为A₀，即[L_t1]＝A₀D，说明L₁应满足条件：L₁≥[Le]+[Lt₁]，即L₁取值应不小于(y+A₀)D，方可保证监测断面的监测数据初始状态不受掌子面推进和模型范围的影响。

见图4，掌子面向后扰动范围的确定。在X＝0m剖面，取不同的开挖距离 L_t(L_t≥L₁)，计算各位置处自由水面线高度，确定自由水面线高度与稳定地下水位间的高度差为Δh'＝δ₀h₁的位置，该位置与掌子面的水平距离即为掌子面向后扰动范围L_s。

将L_t与L_s对应的数据点进行拟合，可得曲线表达式(3)：

式中：C＝L_s/D，D为隧洞直径。

可以看出：随着L_t的不断增大，该曲线最终趋近于m，而此时对应的临界 [L_t2]由式(4)求得。

取δ＝δ₀＝1％，联立式(3)、(4)可求得A解值为A₁，即对应的临界开挖距离[L_t2]＝A₁D。

步骤4，考虑模型边界效应及掌子面开挖的向前和向后的孔压扰动范围，以构建检测断面上完整的孔压演变曲线为目标，确定最小的模型纵向计算范围。在以上计算过程中，均假定从模型前端面开挖隧洞，即掌子面从Y＝0开始往右移动，逐步完成开挖。

a、从步骤3计算结果可以看出，掌子面推进到Y＝A₀D时，计算结果方能稳定，且需要将监测断面布置于距离掌子面yD位置，说明在监测断面左侧的模型纵向范围需要不小于(y+A₀)D。

b、从步骤3的计算结果还可以看出，在掌子面越过监测断面后，当掌子面达到Y＝A₁D的时候，计算结果方能稳定，且要求掌子面距离监测断面的距离不小于mD，说明模型位于监测断面右侧的纵向范围要求不小于mD。

c、综合1、2可以看出，监测断面左侧的模型纵向范围不小于(y+A₀)D，右侧的模型纵向范围不小于mD，即模型纵向范围要求不小于 L＝max((y+A₀+m)D，A₁D)，可以满足掌子面通过监测断面后，其距离模型前端断面达A₁D时方能计算稳定的要求。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种隧洞开挖渗流模拟分析的纵向模型范围取值的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，建立数值计算模型，选取范围足够大的纵向模型，纵向模型的范围包括模型纵向长度L、监测断面到模型前端面距离L₁、隧洞开挖距离L_t以及隧洞未开挖距离L_w；

步骤2，提出量化掌子面向前和向后扰动范围的指标，采用隧洞正上方地下水位线下降高度来确定掌子面向前扰动范围L_e，以稳定地下水位下降高度来确定掌子面向后扰动范围L_s；

步骤3，根据步骤2确定的指标，取不同开挖距离L_t对应的掌子面向前扰动范围以及对应的掌子面向后扰动范围，分别采用曲线拟合方法，确定稳定的掌子面开挖向前和向后孔压扰动范围；

步骤4，考虑模型边界效应及掌子面开挖的向前和向后的孔压扰动范围，以构建检测断面上完整的孔压演变曲线为目标，确定最小的模型纵向计算范围；

其中，步骤3中确定稳定的掌子面开挖向前孔压扰动范围的方法为：

取不同的开挖距离L_t，计算各位置处隧洞正上方地下水位下降高度，确定隧洞正上方地下水位下降高度为Δh＝δ₀h的位置，该位置与掌子面的水平距离即为掌子面向前扰动范围L_e，将L_t与L_e对应的数据点进行拟合，得到如下曲线表达式：

式中：a，b，c，d均为拟合所得常数，A＝L_t/D，B＝L_e/D，D为隧洞直径；

随着L_t的不断增大，该曲线最终趋近于y，即[L_e]＝yD，通过设定误差估算因子δ₀，可求得对应式中L_e逼近[L_e]时对应的开挖距离临界值[L_t1]：

取δ＝δ₀时，联立式(1)和(2)可得A解值为A₀，即[L_t1]＝A₀D，此时，L₁满足条件：L₁≥[Le]+[Lt₁]，即L₁取值须不小于(y+A₀)D，从而保证监测断面的监测数据初始状态不受掌子面推进和模型范围的影响；

步骤3中确定稳定的掌子面开挖向后孔压扰动范围的方法为：

取不同的开挖距离L_t，计算各位置自由水面线高度，确定自由水面线高度与稳定地下水位间的高度差为Δh'＝δ₀h₁的位置，该位置与掌子面的水平距离即为掌子面向后扰动范围L_s；

将L_t与L_s对应数据点进行拟合，可得曲线表达式(3)：

式中：C＝L_s/D，D为隧洞直径；

随着L_t的不断增大，该曲线最终趋近于m，而此时对应的临界[L_t2]由式(4)求得；

取δ＝δ₀，联立式(3)、(4)可求得A解值为A₁，即对应的临界开挖距离[L_t2]＝A₁D。

2.如权利要求1所述的隧洞开挖渗流模拟分析的纵向模型范围取值的确定方法，其特征在于，步骤2中提出量化掌子面向前扰动范围的指标的方法为：

以地下水位的变化反映掌子面对孔压的扰动作用，采用隧洞正上方地下水位线下降高度来确定L_e，初始地下水位为h，地下水位线的允许下降率取为δ₀，即要求隧洞正上方地下水位线下降高度Δh≤δ₀h，当某处隧洞正上方地下水位下降超过δ₀h时认为该处位于掌子面向前影响的范围内，反之则在范围外。

3.如权利要求1所述的隧洞开挖渗流模拟分析的纵向模型范围取值的确定方法，其特征在于，步骤2中量化掌子面的向后扰动范围的指标的方法为：

以地下水位下降高度的稳定范围来确定L_s，计算稳定地下水位为h₁，地下水位的允许相对稳定率取为δ₀，即要求自由水面线高度与稳定地下水位间的高度差Δh'≤δ₀h₁，当某处自由水面线高度下降超过δ₀h₁时认为该处位于掌子面向后影响范围内，反之则在范围外。

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