CN112883617B - 隧道衬砌监测范围计算方法、装置、设备及可读存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了隧道衬砌监测范围计算方法、装置、设备及可读存储介质，涉及隧道衬砌分析技术领域，包括获取断层破裂带、围岩和衬砌材料特性参数、实际勘察数据；通过建立三维有限元走滑断层隧道模型，得到隧道衬砌塑性区随着断层破裂带倾角变化的范围变化值和隧道衬砌的塑性区随着断层错动量变化的范围变化值，进而建立隧道衬砌塑性区范围计算函数，使得在实际运用中只需将工程勘察的断层破裂带倾角角度和断层错动量带入求得的计算函数中，即可得到隧道衬砌的塑性区范围并在本方法中得到的衬砌塑性区发展范围内安装监控设备能有效提升人力物力财力的使用效率。

Description

隧道衬砌监测范围计算方法、装置、设备及可读存储介质
技术领域
本发明涉及隧道衬砌分析技术领域，具体而言，涉及隧道衬砌监测范围计算方法、装置、设备及可读存储介质。
背景技术
地下结构受到周围土体的约束相较于地面建筑有更好的抗震效果，然而当隧道位于近场区域甚至穿越断层破裂带时，断层错动将对隧道产生巨大的破坏，因此在修建隧道及其他地下构筑物时应尽量避免穿越断层破裂带，但随着我国交通运输发展隧道建设将不可避免地穿越断层破裂带。对于穿越断层破裂带区域的隧道，一旦断层发生错动会对隧道衬砌产生巨大的影响。但是现有技术中并没有可以有效估计隧道衬砌塑性区范围的方法，因此只能在整个隧道中或者没有重点布置监测点，造成大量浪费人力物力财力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种隧道衬砌监测范围计算方法、装置、设备及可读存储介质，以改善上述问题。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
第一方面，本申请提供了一种隧道衬砌监测范围计算方法，包括：获取第一信息，所述第一信息包括断层破裂带材料特性参数、围岩材料特性参数和衬砌材料特性参数；获取第二信息，所述第二信息包括勘察数据，所述勘察数据包括断层破裂带倾角角度和断层错动量；根据第一信息建立三维有限元走滑断层隧道模型，求解所述三维有限元走滑断层隧道模型得到第三信息，所述第三信息包括隧道衬砌塑性区随着断层破裂带倾角变化的范围变化值和隧道衬砌塑性区随着断层错动量变化的范围变化值；根据所述第三信息建立隧道衬砌塑性区范围计算函数，将所述第二信息作为所述隧道衬砌塑性区范围计算函数的输入信息，求解所述隧道衬砌塑性区范围计算函数得到第四信息，所述第四信息包括隧道衬砌塑性区的发展长度。
进一步地，所述根据第一信息建立三维有限元走滑断层隧道模型，求解所述三维有限元走滑断层隧道模型得到第三信息,包括，调用ABAQUS/CAE并根据第一信息绘制围岩断层计算模型；对所述围岩断层计算模型进行地应力平衡得到第一地应力预定义场；调用ABAQUS/CAE，根据第一信息在所述围岩断层计算模型的基础上绘制衬砌计算模型得到三维计算模型；根据第一地应力预定义场，对所述三维计算模型进行地应力平衡得到第二地应力预定义场；根据第二地应力预定义场，对所述三维计算模型设置断层错动位移，并求解三维计算模型得到第三信息。
进一步地，所述对所述围岩断层计算模型进行地应力平衡得到第一地应力预定义场，包括设置所述围岩断层计算模型的上下盘计算模型与所述围岩断层计算模型的断裂带计算模型的连接方式为绑定接触；对所述围岩断层计算模型的各个面均设置法向位移约束，并施加重力模拟；对所述围岩断层计算模型进行模型网格划分；采用静力通用分析步对所述围岩断层计算模型进行计算，得到第一地应力预定义场。
进一步地，所述根据第一地应力预定义场，对所述三维计算模型进行地应力平衡得到第二地应力预定义场，包括设置所述围岩断层计算模型的上下盘计算模型与所述围岩断层计算模型的断裂带计算模型的连接方式为绑定接触；设置所述衬砌计算模型为自接触；对所述围岩断层计算模型所有的面均设置法向位移约束，对所述衬砌计算模型的边界设置三向约束，对所述三维计算模型施加重力和第一地应力预定义场；对所述三维计算模型进行模型网格划分；采用静力通用分析步对所述三维计算模型进行计算第二地应力预定义场。
第二方面，本申请还提供了一种隧道衬砌监测范围计算装置，其特征在于，包括第一信息获取单元、第二信息获取单元、隧道模型计算单元和塑性区计算单元，第一信息获取单元用于获取第一信息，所述第一信息包括断层破裂带材料特性参数、围岩材料特性参数和衬砌材料特性参数；第二信息获取单元用于获取第二信息，所述第二信息包括勘察数据，所述勘察数据包括断层破裂带倾角角度和断层错动量；隧道模型计算单元用于根据第一信息建立三维有限元走滑断层隧道模型，求解所述三维有限元走滑断层隧道模型得到第三信息，所述第三信息包括隧道衬砌塑性区随着断层破裂带倾角变化的范围变化值和隧道衬砌塑性区随着断层错动量变化的范围变化值；塑性区计算单元用于根据所述第三信息建立隧道衬砌塑性区范围计算函数，将所述第二信息作为所述隧道衬砌塑性区范围计算函数的输入信息，求解所述隧道衬砌塑性区范围计算函数得到第四信息，所述第四信息包括隧道衬砌塑性区的发展长度。
进一步地，所述隧道模型计算单元包括第一绘制单元、第一地应力计算单元、第二绘制单元、第二地应力计算单元和三维计算单元，第一绘制单元用于调用ABAQUS/CAE并根据第一信息绘制围岩断层计算模型；第一地应力计算单元用于对所述围岩断层计算模型进行地应力平衡得到第一地应力预定义场；第二绘制单元用于调用ABAQUS/CAE，根据第一信息在所述围岩断层计算模型的基础上绘制衬砌计算模型得到三维计算模型；第二地应力计算单元用于根据第一地应力预定义场，对所述三维计算模型进行地应力平衡得到第二地应力预定义场；三维计算单元用于根据第二地应力预定义场，对所述三维计算模型设置断层错动位移，并求解三维计算模型得到第三信息。
进一步地，所述第一地应力计算单元包括第一定义单元、第一边界条件单元和第一计算单元，第一定义单元用于设置所述围岩断层计算模型的上下盘计算模型与所述围岩断层计算模型的断裂带计算模型的连接方式为绑定接触；第一边界条件单元用于对所述围岩断层计算模型的各个面均设置法向位移约束，并施加重力模拟；第一计算单元用于对所述围岩断层计算模型进行模型网格划分，采用静力通用分析步对所述围岩断层计算模型进行计算，得到第一地应力预定义场。
进一步地，所述第二地应力计算单元包括第二定义单元、第二边界条件单元和第二计算单元，第二定义单元用于设置所述围岩断层计算模型的上下盘计算模型与所述围岩断层计算模型的断裂带计算模型的连接方式为绑定接触，设置所述衬砌计算模型为自接触；第二边界条件单元用于对所述围岩断层计算模型所有的面均设置法向位移约束，对所述衬砌计算模型的边界设置三向约束，对所述三维计算模型施加重力和第一地应力预定义场；第二计算单元用于对所述三维计算模型进行模型网格划分，采用静力通用分析步对所述三维计算模型进行计算第二地应力预定义场。
第三方面，本申请还提供了一种隧道衬砌监测范围计算设备，包括:
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现所述隧道衬砌监测范围计算方法的步骤。
第四方面，本申请还提供了一种计算机可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述基于隧道衬砌监测范围计算方法的步骤。
本发明的有益效果为：
本发明通过建立三维有限元走滑断层隧道模型，得到隧道衬砌塑性区随着断层破裂带倾角变化的范围变化值和隧道衬砌的塑性区随着断层错动量变化的范围变化值，并建立隧道衬砌的塑性区发展范围、断层破裂带倾角和断层错动量三者之间的函数关系，使得在实际运用中只需将工程勘察的断层破裂带倾角角度和断层错动量带入求得的函数关系，即可得到隧道衬砌的塑性区范围，与现有技术中采用模型试验及现场试验方法而言，本发明的计算方式其简单便捷并能适应于不同的实际勘察结果，并在本方法中得到的衬砌塑性区发展范围内安装监控设备能有效提升人力物力财力的使用效率。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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他相关的附图。
图1为本发明实施例中所述的隧道衬砌监测范围计算方法流程示意图；
图2为本发明实施例中所述的隧道衬砌监测范围计算装置结构示意图；
图3为本发明实施例中所述的隧道衬砌监测范围计算设备结构示意图。
图中标记：1、第一信息获取单元；2、第二信息获取单元；3、隧道模型计算单元；31、第一绘制单元；32、第一地应力计算单元；321、第一定义单元；322、第一边界条件单元；323、第一计算单元；33、第二绘制单元；34、第二地应力计算单元；341、第二定义单元；342、第二边界条件单元；343、第二计算单元；35、三维计算单元；351、第三定义单元；352、第三边界条件单元；353、第三计算单元；4、塑性区计算单元；41、第一拟合计算单元；42、第二拟合计算单元；43、第三拟合计算单元；801、处理器；802、存储器；803、多媒体组件；804、输入/输出(I/O)接口；805、通信组件。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
地下结构受到周围土体的约束相较于地面建筑有更好的抗震效果，然而当隧道位于近场区域甚至穿越断层破裂带时，断层的错动将对隧道产生巨大的破坏，因此在修建隧道及其他地下构筑物时应尽量避免穿越断层破裂带，但随着我国近年来日益增长的交通运输要求及西部大开发战略的进一步实施，隧道建设将不可避免地穿越断层破裂带。对于穿越断层破裂带区域的隧道，一旦断层发生错动会对隧道衬砌产生巨大的影响。国内外学者主要通过数值模拟、模型试验以及理论分析对于断层错动作用下隧道的损伤机理进行研究，而鲜有人对穿越断层破裂带的隧道衬砌塑性区进行研究。
现有的断层错动下隧道衬砌变形及破坏理论研究方法主要有弹性位错理论和三角剪切模型，可利用弹性力学理论导出地表位移，现有的理论主要对于断层引发土体的位错进行研究；通过数值模拟方法分析断层错动下衬砌的整体变形以及应力分布情况研究隧道衬砌破坏情况，以上方法均对于单一角度及断层错动下的隧道衬砌整体破坏情况进行研究，未从定量角度对于隧道衬砌的具体破坏情况分析，即未对隧道衬砌塑性区发展范围进行研究，进而无法有效估计穿越断裂的隧道衬砌塑性区监测范围，因此只能在整个隧道中或者没有重点布置监测点，造成大量浪费人力物力财力。
针对以上问题，本申请中提出了如下实施例以改善上述问题。
实施例1：
本实施例提供了一种隧道衬砌监测范围计算方法。
参见图1，图中示出了本方法包括步骤S100、步骤S200、步骤S300和步骤S400。
S100、获取第一信息，第一信息包括断层破裂带材料特性参数、围岩材料特性参数和衬砌材料特性参数；
可以理解的是，在本步骤中获得的断层破裂带材料特性参数、围岩材料特性参数和衬砌材料特性参数，优选为与实际中对隧道周围环境相同的勘察数据。本步骤中虽然已经剔除了不同环境对本方法的计算影响，但是在实际中不同人群对输入信息的不同而计算出的结果抱有一定的质疑性，所以本步骤中对于断层破裂带材料特性参数、围岩材料特性参数和衬砌材料特性参数优选为实际勘察数据。具体而言步骤中获取断层破裂带材料特性参数包括断层破裂带的密度、断层破裂带的杨氏模量、断层破裂带的泊松比、断层破裂带的内摩擦角和断层破裂带的粘聚力。获取的围岩材料特性参数包括围岩的密度、围岩的杨氏模量、围岩的泊松比、围岩的内摩擦角和围岩的粘聚力。获取的衬砌材料特性参数包括衬砌的密度、衬砌的杨氏模量、衬砌的泊松比、衬砌的受压屈服应力和衬砌的受拉屈服应力。
S200、获取第二信息，第二信息包括勘察数据，勘察数据包括断层破裂带倾角角度和断层错动量；
可以理解的是，在本步骤是为了获取实际的断层破裂带倾角角度数据和断层错动量数据，将本步骤获取的信息作为接来的步骤S400中的输入信息，进而得到隧道衬砌塑性区的发展长度，从而得到隧道衬砌监测范围。
S300、根据第一信息建立三维有限元走滑断层隧道模型，求解三维有限元走滑断层隧道模型得到第三信息，第三信息包括隧道衬砌塑性区随着断层破裂带倾角变化的范围变化值和隧道衬砌塑性区随着断层错动量变化的范围变化值；
可以理解的是，在本步骤中是根据第一信息建立三维有限元走滑断层隧道模型，通过对三维有限元走滑断层隧道模型计算求解进而得到第三信息，需要说明的是为了后文的描述简单，其中倾角表示为断层破裂带倾角角度，错动量表示为断层错动量。
需要说明的是，在本步骤中对于建立的三维有限元走滑断隧道模型中，实际包含了多个子模型，即本步骤中建立的三维有限元走滑断隧道模型包括建立四个子模型，其中每个子模型都为固定倾角并设置不同的错动量下而进行计算求解得到第三信息中的一部分信息。具体而言，其四个子模型的倾角分别为45°(π/4)、60°(π/3)、75°(5π/12)和90°(π/2)，在不同角度下走滑断层上盘错动量为0.8m，1.0m，1.2m，1.4m，1.6m，2.0m，2.5m，3.5m。即在本步骤中得到的第三信息包括在8个上盘错动量下隧道衬砌塑性区发展长度随断层破裂带倾角变化的变化值，以及4个断层破裂带倾角下隧道衬砌塑性区发展长度随断层错动量变化的变化值。需要说明的是，为了达到在模拟断层错动下隧道衬砌塑性区发展范围符合真实情况的目的，所以在本步骤中，考虑以下三点因素进行：
(1)由于大多岩土材料受力过程具有非线性特性，本实施例中均采用增量分析，使得计算的总应力等于初始应力加上应力增量，因此在错动过程中所受到的应力相对接近实际情况，同时，岩土材料的刚度也在非线性条件下与应力状态有一定相关性。
(2)模拟围岩断层的初始应力状态，这是由于活动断层发生位错之后，内部的岩土层应力会发生重新分布，本实施例中将模拟的岩土层从原始状态到应力重新分布的过程，通过数值模拟取得因重力产生的第一地应力预定义场，然后把计算出的节点力设为初始条件，以平衡土层因自重而产生的内部应力，这样处理后的实际作用是克服岩土层因自身重力而产生的变形，逼近土层的原始应力、位移状况。使得计算结果更加准确，使得本实施例最后计算出的结果更加准确。
(3)对模型施加位移荷载之前模型进行地应力平衡，其原因是由于围岩、断层、衬砌的材料相差很大，所以普通的地应力平衡方式会出现不收敛的情况，造成计算结果误差大不符合实际情况。因此，在步骤中将考虑地应力再次平衡后的第二地应力预定义场，使得最后计算结果更加准确。
具体而言在本步骤中对于建立并求解模型包括步骤S310、步骤S320、步骤S330、步骤S340和步骤S350，并且不同倾角的建立求解过程均相同，下面步骤S310、步骤S320、步骤S330、步骤S340和步骤S350将详细说明一个子模型建立求解过程。
S310、调用ABAQUS/CAE并根据第一信息绘制围岩断层计算模型；
其中需要说明的是，本步骤中所调用的ABAQUS/CAE软件为本领域的公知常识，其中对于本领域的技术人员而言三维有限元建模软件还可以选用其他软件，本申请中不在此赘述。其中在本步骤中所建立的围岩断层计算模型基于S100获取的信息建立，具体而言将选用Mohr-Coulomb塑性模型作为材料本构模型。本实施例中将依托某山岭隧道，为了建立合理地、符合实际工程情况的计算模型举例说明。为了考虑计算效率，由于在断层破裂带附近一定范围内，隧道衬砌不再发生变化或变化范围很小，所以本模型的合理计算长度设置为400m。模型的横断面尺寸以去地下结构宽度的5～10倍作为计算区域，由于超过5倍之后人工边界对于计算结果影响甚微，所以本步骤中隧道整体模型结构长400m，宽70m，高70m，围岩材料为薄层～中厚层状结构的较硬岩；断层破裂带为一倾斜的层状碎裂结构的软弱岩层，断层破裂带宽度为40m。其中，本步骤中包括了将围岩断层计算模型中材料根据第一信息赋予材料属性，并且围岩断层计算模型中包含上下盘计算模型和断裂带计算模型，而上下盘计算模型包括上盘计算模型和下盘计算模型；其中，由于断裂带的强度较低，按照实际工程勘察得到的数据将其按0.8的安全因子进行折减，以提升计算准确性。
S320、对围岩断层计算模型进行地应力平衡得到第一地应力预定义场；
具体而言，本步骤中包括步骤S321、步骤S322、步骤S323和骤S324以实现第一地应力预定义场的计算。
S321、设置围岩断层计算模型的上下盘计算模型与围岩断层计算模型的断裂带计算模型的连接方式为绑定接触；
可以理解的是，本步骤中考虑到断层破裂带与围岩(或者称上下盘)虽然材料性质差别较大，但由于其共为岩土体存在长期的固结沉积，故两者之间的连接方式采用绑定约束。
S322、对围岩断层计算模型的各个面均设置法向位移约束，并施加重力模拟；
可以理解是，本步骤的定义边界条件原因是由于岩土体长期的固结沉积使得围岩基本不发生位移，因此在岩土的各个面进行法向位移的约束，并施加重力。
S323、对围岩断层计算模型进行模型网格划分；
需要说明的是，在本步骤中所采用的模型网格划分为八节点线性六面体单元划分方式，其原因是六面体单元具有更好的计算精度。并且，在S300步骤中的所有模型网格划分方式均采用八节点线性六面体单元划分方式，其效果将不再后文中具体展开说明。
S324、采用静力通用分析步对围岩断层计算模型进行计算，得到第一地应力预定义场。
需要说明的是，本步骤中所采用的静力通用分析步为ABAQUS中自带的一种计算方法，其用来求解静力问题的，解一个刚度矩阵的线性方程组，是区别于解决动力问题采用的NEWMARK积分法，静力通用分析步的具体原理就是有限单元法的内容并且为本领域的公知常识，即本步骤不再赘述。
S330、调用ABAQUS/CAE，根据第一信息在围岩断层计算模型的基础上绘制衬砌计算模型得到三维计算模型；
其中需要说明的是，本步骤为在S310的基础上做进一步的绘制，对隧道衬砌采用混凝土损伤塑性。本步骤也可以采用调用ABAQUS/CAE，根据第一信息重新绘制围岩断层计算模型并在围岩断层计算模型的基础上绘制衬砌计算模型得到三维计算模型，其中具体细节与S310相同以此达到减少S320步骤的影响，在本步骤中仍是采用Mohr-Coulomb塑性模型作为材料本构模型。同时，隧道衬砌距围岩底部32m，距围岩顶部28m，即上覆土层厚度为28m。
S340、根据第一地应力预定义场，对三维计算模型进行地应力平衡得到第二地应力预定义场；
具体而言，本步骤中包括步骤S341、步骤S342、步骤S343和骤S344以实现第二地应力预定义场的计算获取。
S341、设置围岩断层计算模型的上下盘计算模型与围岩断层计算模型的断裂带计算模型的连接方式为绑定接触，设置衬砌计算模型为自接触；
可以理解的是，在本步骤中考虑到断层破裂带与围岩(或者称上下盘)虽然材料性质差别较大，但由于共为岩土体，存在长期的固结沉积，故之间的连接方式采用绑定约束，而隧道衬砌材料与断层破裂带、隧道衬砌材料与围岩(或者称上下盘)差异很大，故设置隧道衬砌接触形式为自接触使其自身不发生位移变形。以此达到模拟计算的结果符合真实情况。
S342、对围岩断层计算模型所有的面均设置法向位移约束，对衬砌计算模型的边界设置三向约束，对三维计算模型施加重力和第一地应力预定义场；
需要说明的是，通过本步骤的定义边界条件的原因是为了限制隧道位移使其不出现任何方向的变形所以采用三向约束，减少出现平衡不收敛的情况发生概率，其中本步骤中的三向约束为本领域的技术人员所熟知的公知常识，步骤中不再赘述。
S343、对三维计算模型进行模型网格划分；
需要说明的是，在本步骤中所采用的模型网格划分为八节点线性六面体单元划分方式。
S344、采用静力通用分析步对三维计算模型进行计算第二地应力预定义场。
S350、根据第二地应力预定义场，对三维计算模型设置断层错动位移，并求解三维计算模型得到第三信息；
具体而言，本步骤中是包括步骤S351、步骤S352、步骤S353和骤S354以实现设置断层错动得到相应的计算结果。
S351、设置围岩断层计算模型的上下盘计算模型与围岩断层计算模型的断裂带计算模型的连接方式为绑定接触，设置衬砌计算模型与围岩断层计算模型的连接方式为摩擦接触；
可以理解的是，在本步骤之前还可以采用调用ABAQUS/CAE，根据第一信息重新绘制围岩断层计算模型并在围岩断层计算模型的基础上绘制衬砌计算模型得到三维计算模型，其中具体细节与S310和S330相同，减少重新绘制带来的误差，通过重新绘制以此达到减少步骤S320和步骤S340影响的技术效果，其中仍是采用Mohr-Coulomb塑性模型作为材料本构模型。
在本步骤中，采用上述定义三者之间的接触形式的原因为断层破裂带与围岩(或者称上下盘)虽然材料性质差别较大，但由于共为岩土体且存在长期的固结沉积，故两者之间的连接方式采用绑定约束，而隧道衬砌材料性质与二者差异较大，故衬砌与断层破裂带、围岩(或者称上下盘)之间的接触采用系数为0.4的摩擦接触。
S352、对上下盘计算模型中的上盘计算模型设置位移载荷，对上下盘计算模型中的下盘计算模型设置的各个面均设置法向约束，对衬砌计算模型的边界设置三向约束，对三维计算模型施加第二初始地应力预定义场；
需要说明的是，通过本步骤的定义边界条件的原因是由于断层破裂带是规模巨大的平移断层。其主要特征为断面平直光滑、近于直立，剪切性质突出，断层破裂带作用的应力是来自两旁的剪切力作用，其上下盘顺断层面走向相对移动，而无上下垂直移动，换而言之，断层错动的动力来源主要来自上下盘与断层破裂带之间的剪切作用，由剪切力产生两者之间的相互滑动，所以在载荷设置时需要充分考虑走滑断层剪切力的产生。即本步骤在上盘施加均匀的位移荷载产生剪切作用来模拟真实的断层错动效果，具体而言在本实施例中位移速率设置为0.1m/s。
S353、对三维计算模型进行模型网格划分；
需要说明的是，在本步骤中所采用的模型网格划分为八节点线性六面体单元划分方式。
S354、使用显示分析法对三维计算模型进行计算得到第三信息；
需要说明的是，在本步骤中所采用的显示分析法是一种模型计算中一种方式，其具体步骤是假定0，t1，t2，…，tn时刻的节点位移，速度与加速度均为已知，求解tn(t+△t)时刻的结构响应。其具体分析方式为公知常识，即本申请中不在对此赘述。并且在本步骤中的计算模型之间材料差别较大且断层错动为一个位移逐渐增大的过程，采用动力显式分析进行模型的计算能有效提升计算效率和精度。
同时，第三信息包括隧道衬砌塑性区发展长度随着断层破裂带倾角变化的范围变化值和隧道衬砌塑性区发展长度随着断层错动量变化的范围变化值，以及隧道衬砌塑性区开始的发展位置为断层破裂带与隧道衬砌接触部位的中间位置。即在本实施例的接下来确定的隧道衬砌塑性区范围计算函数，将中间位置作为参考点，从而确定塑性区的发展长度，最终可得到不同走滑断层断裂带角度下及不同走滑断层错动量下的隧道衬砌监测范围。
S400、根据第三信息建立隧道衬砌塑性区范围计算函数，将第二信息作为隧道衬砌塑性区范围计算函数的输入信息，求解隧道衬砌塑性区范围计算函数得到第四信息，第四信息包括隧道衬砌塑性区的发展长度。
具体而言，本步骤中根据第三信息建立隧道衬砌塑性区范围计算函数包括步骤S351、步骤S352、步骤S353和骤S354以实现隧道衬砌塑性区范围计算函数建造过程。
S410、基于最小二乘法使用第三信息建立衬砌塑性区范围与走滑断层断裂带倾角的第一关系函数；
需要说明的是，本步骤基于8个上盘错动量下隧道衬砌塑性区发展长度随断层破裂带倾角变化的变化值，对隧道衬砌塑性区发展长度随断层破裂带倾角变化的变化值得到第一关系函数，具体而言在本步骤中得到为8个二元一次函数即均为线性函数，并且拟合的R2(拟合优度)最小为0.95235，最大为0.99995，均大于0.8，曲线对于样本点的拟合程度较好。
S420、基于最小二乘法使用第三信息建立衬砌塑性区范围与走滑断层错动量的第二关系函数；
需要说明的是，本步骤基于4个断层破裂带倾角下隧道衬砌塑性区发展长度随断层错动量变化的变化值，对隧道衬砌塑性区发展长度随断层错动量变化的变化值得到第一关系函数，具体而言在本步骤中得到四个呈对数关系的函数，并且拟合的R2(拟合优度)最小为0.90018，最大为0.91122，大于0.8，曲线对于样本点的拟合程度较好。
S430、根据第三信息、第一关系函数和第二关系函数建立隧道衬砌塑性区范围函数。
需要说明的是，本步骤基于第一函数以及第二函数可以得知隧道塑性区发展长度、断层破裂带倾角和断层错动量之间存在可以求解的函数关系。即在本步骤中基于第三信息建立隧道塑性区发展长度、断层破裂带倾角和断层错动量之间的三维曲面拟合，即换而言之，基于第三信息拟合三维曲面函数关系式满足隧道塑性区发展长度、断层破裂带倾角和断层错动量的散点曲面。根据第一关系函数以及第二关系函数建立初始隧道衬砌塑性区范围计算函数，即通过第一关系函数以及第二关系函数确定如下关系式：
z＝ax+blny+c
式中，z为隧道衬砌塑性区发展长度，隧道衬砌塑性区开始的发展位置为断层破裂带与隧道衬砌接触部位的中间位置，单位m；
x为断层破裂带倾角，单位rad；
y为断层错动量，单位m；
a，b，c为函数相关参数；
调用函数拟合数学模型，将第三信息以及初始隧道衬砌塑性区范围计算函数输入到函数拟合数学模型中，求解函数拟合数学模型得到隧道衬砌塑性区范围计算函数关系中的a，b，c的值。在本这步骤中对于函数拟合数学模型并无具体限制，其具有函数拟合功能即可，本实施例中不做出具体的限制。
经过拟合得到a＝1.69088，b＝7.46629，c＝92.93146，即隧道衬砌塑性区范围计算函数具体如下：
z＝1.69088x+7.46629lny+92.93146
式中，z为隧道衬砌塑性区发展长度，隧道衬砌塑性区开始的发展位置为断层破裂带与隧道衬砌接触部位的中间位置，单位m；
x为断层破裂带倾角，单位rad；
y为断层错动量，单位m；
本实施例中通过建立三维有限元断层隧道模型，计算得出随倾角和错动量而发展的隧道衬砌塑性区发展长度，并根据计算的第三信息首先做出在相同错动下隧道衬砌塑性区发展长度随断裂带倾角发展的散点拟合曲线，确定隧道衬砌塑性区范围与断裂带倾角存在线性关系；然后第三信息做出在相同倾角下隧道衬砌塑性区长度随走滑断层错动量发展的散点拟合曲线，确定隧道衬砌塑性区范围与走滑断层的错动量之间存在对数关系；通过单一断层破裂带倾角以及断层错动下隧道衬砌塑性区长度进而对于断层破裂带倾角、断层错动量以及塑性区长度三者之间的关系进行研究，在三维坐标系中做出数据散点图，并根据计算公式推导散点曲面，进而得出隧道衬砌塑性区发展长度、断层破裂带倾角以及断层错动量之间的函数关系，最后通过代入实际勘察数据中断层破裂带倾角角度和断层错动量计算得出实际的隧道衬砌发展长度，进而确定隧道衬砌监测范围，并在衬砌塑性区发展范围内安装监控设备能有效提升人力物力财力的使用效率。
实施例2：
如图2所示，本实施例提供了一种隧道衬砌监测范围计算装置，隧道衬砌监测范围计算装置包括第一信息获取单元1、第二信息获取单元2、隧道模型计算单元3和塑性区计算单元4：
第一信息获取单元1，用于获取第一信息，第一信息包括断层破裂带材料特性参数、围岩材料特性参数和衬砌材料特性参数；
第二信息获取单元2，用于获取第二信息，第二信息包括勘察数据，勘察数据包括断层破裂带倾角角度和断层错动量；
隧道模型计算单元3，用于根据第一信息建立三维有限元走滑断层隧道模型，求解三维有限元走滑断层隧道模型得到第三信息，第三信息包括隧道衬砌塑性区随着断层破裂带倾角变化的范围变化值和隧道衬砌塑性区随着断层错动量变化的范围变化值；
其中，隧道模型计算单元3包括第一绘制单元31、第一地应力计算单元32、第二绘制单元33、第二地应力计算单元34和三维计算单元35：
第一绘制单元31，用于调用ABAQUS/CAE并根据第一信息绘制围岩断层计算模型；
第一地应力计算单元32，用于对围岩断层计算模型进行地应力平衡得到第一地应力预定义场；
其中，第一地应力计算单元32包括第一定义单元321、第一边界条件单元322和第一计算单元323：
第一定义单元321，用于设置围岩断层计算模型的上下盘计算模型与围岩断层计算模型的断裂带计算模型的连接方式为绑定接触；
第一边界条件单元322，用于对围岩断层计算模型的各个面均设置法向位移约束，并施加重力模拟；
第一计算单元323，用于对围岩断层计算模型进行模型网格划分，采用静力通用分析步对围岩断层计算模型进行计算，得到第一地应力预定义场。
第二绘制单元33，用于调用ABAQUS/CAE，根据第一信息在围岩断层计算模型的基础上绘制衬砌计算模型得到三维计算模型；
第二地应力计算单元34，用于根据第一地应力预定义场，对三维计算模型进行地应力平衡得到第二地应力预定义场；
其中，第二地应力计算单元34包括第二定义单元341、第二边界条件单元342和第二计算单元343。
第二定义单元341，用于设置围岩断层计算模型的上下盘计算模型与围岩断层计算模型的断裂带计算模型的连接方式为绑定接触，设置衬砌计算模型为自接触；
第二边界条件单元342，用于对围岩断层计算模型所有的面均设置法向位移约束，对衬砌计算模型的边界设置三向约束，对三维计算模型施加重力和第一地应力预定义场；
第二计算单元343，用于对三维计算模型进行模型网格划分，采用静力通用分析步对三维计算模型进行计算第一地应力预定义场。
三维计算单元35，用于根据第二地应力预定义场，对三维计算模型设置断层错动位移，并求解三维计算模型得到第三信息。
其中，三维计算单元35包括第三定义单元351、第三边界条件单元352和第三计算单元353：
第三定义单元351，用于设置围岩断层计算模型的上下盘计算模型与围岩断层计算模型的断裂带计算模型的连接方式为绑定接触，设置衬砌计算模型与围岩断层计算模型的连接方式为摩擦接触；
第三边界条件单元352，用于对上下盘计算模型中的上盘计算模型设置位移载荷，对上下盘计算模型中的下盘计算模型设置的各个面均设置法向约束，对衬砌计算模型的边界设置三向约束，对三维计算模型施加第二初始地应力预定义场；
第三计算单元353，用于对三维计算模型进行模型网格划分，使用显示分析法对三维计算模型进行计算得到第三信息。
塑性区计算单元4，用于根据第三信息建立隧道衬砌塑性区范围计算函数，将第二信息作为隧道衬砌塑性区范围计算函数的输入信息，求解隧道衬砌塑性区范围计算函数得到第四信息，第四信息包括隧道衬砌塑性区的发展长度。
其中，塑性区计算单元4包括第一拟合计算单元41、第二拟合计算单元42和第三拟合计算单元43：
第一拟合计算单元41，用于基于最小二乘法使用第三信息建立衬砌塑性区范围与走滑断层断裂带倾角的第一关系函数；
第二拟合计算单元42，用于基于最小二乘法使用第三信息建立衬砌塑性区范围与走滑断层错动量的第二关系函数；
第三拟合计算单元43，用于根据第三信息、第一关系函数和第二关系函数建立隧道衬砌塑性区范围函数。
需要说明的是，关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
实施例3：
相应于上面的方法实施例，本实施例中还提供了一种隧道衬砌监测范围计算设备，下文描述的一种隧道衬砌监测范围计算设备与上文描述的一种隧道衬砌监测范围计算方法可相互对应参照。
图3是根据示例性实施例示出的一种隧道衬砌监测范围计算设备800的框图。如图3所示，该隧道衬砌监测范围计算设备800可以包括：处理器801，存储器802。该隧道衬砌监测范围计算设备800还可以包括多媒体组件803，输入/输出(I/O)接口804，以及通信组件805中的一者或多者。
其中，处理器801用于控制该隧道衬砌监测范围计算设备800的整体操作，以完成上述的隧道衬砌监测范围计算方法中的全部或部分步骤。存储器402用于存储各种类型的数据以支持在该隧道衬砌监测范围计算设备800的操作，这些数据例如可以包括用于在该隧道衬砌监测范围计算设备800上操作的任何应用程序或方法的指令，以及应用程序相关的数据，例如联系人数据、收发的消息、图片、音频、视频等等。该存储器802可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，例如静态随机存取存储器(StaticRandom Access Memory，简称SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(Electrically ErasableProgrammable Read-Only Memory，简称EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(ErasableProgrammable Read-Only Memory，简称EPROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory，简称PROM)，只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。多媒体组件803可以包括屏幕和音频组件。其中屏幕例如可以是触摸屏，音频组件用于输出和/或输入音频信号。例如，音频组件可以包括一个麦克风，麦克风用于接收外部音频信号。所接收的音频信号可以被进一步存储在存储器802或通过通信组件805发送。音频组件还包括至少一个扬声器，用于输出音频信号。I/O接口804为处理器801和其他接口模块之间提供接口，上述其他接口模块可以是键盘，鼠标，按钮等。这些按钮可以是虚拟按钮或者实体按钮。通信组件805用于该隧道衬砌监测范围计算设备800与其他设备之间进行有线或无线通信。无线通信，例如Wi-Fi，蓝牙，近场通信(Near FieldCommunication，简称NFC)，2G、3G或4G，或它们中的一种或几种的组合，因此相应的该通信组件805可以包括：Wi-Fi模块，蓝牙模块，NFC模块。
在一示例性实施例中，隧道衬砌监测范围计算设备800可以被一个或多个应用专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、数字信号处理器(DigitalSignal Processor，简称DSP)、数字信号处理设备(Digital Signal ProcessingDevice，简称DSPD)、可编程逻辑器件(Programmable Logic Device，简称PLD)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行上述的隧道衬砌监测范围计算方法。
在另一示例性实施例中，还提供了一种包括程序指令的计算机可读存储介质，该程序指令被处理器执行时实现上述的隧道衬砌监测范围计算方法的步骤。例如，该计算机可读存储介质可以为上述包括程序指令的存储器802，上述程序指令可由隧道衬砌监测范围计算设备800的处理器801执行以完成上述的隧道衬砌监测范围计算方法。
实施例4：
相应于上面的方法实施例，本实施例中还提供了一种计算机可读存储介质，下文描述的一种计算机可读存储介质与上文描述的一种隧道衬砌监测范围计算方法可相互对应参照。
一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述方法实施例的隧道衬砌监测范围计算方法的步骤。
该计算机可读存储介质具体可以为U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可存储程序代码的可读存储介质。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。
以上，仅为本发明的具体实施方式，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以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种隧道衬砌监测范围计算方法，其特征在于，包括：
获取第一信息，所述第一信息包括断层破裂带材料特性参数、围岩材料特性参数和衬砌材料特性参数；
获取第二信息，所述第二信息包括勘察数据，所述勘察数据包括断层破裂带倾角角度和断层错动量；
根据第一信息建立三维有限元走滑断层隧道模型，求解所述三维有限元走滑断层隧道模型得到第三信息，所述第三信息包括隧道衬砌塑性区随着断层破裂带倾角变化的范围变化值和隧道衬砌塑性区随着断层错动量变化的范围变化值；
根据所述第三信息建立隧道衬砌塑性区范围计算函数，将所述第二信息作为所述隧道衬砌塑性区范围计算函数的输入信息，求解所述隧道衬砌塑性区范围计算函数得到第四信息，所述第四信息包括隧道衬砌塑性区的发展长度；其中，所述隧道衬砌塑性区范围计算函数，为：
z＝ax+blny+c
式中，z为隧道衬砌塑性区发展长度，隧道衬砌塑性区开始的发展位置为断层破裂带与隧道衬砌接触部位的中间位置，单位m；x为断层破裂带倾角，单位rad；y为断层错动量，单位m；a，b，c为函数相关参数。
2.根据权利要求1所述的隧道衬砌监测范围计算方法，其特征在于，所述根据第一信息建立三维有限元走滑断层隧道模型，求解所述三维有限元走滑断层隧道模型得到第三信息,包括：
调用ABAQUS/CAE并根据第一信息绘制围岩断层计算模型；
对所述围岩断层计算模型进行地应力平衡得到第一地应力预定义场；
调用ABAQUS/CAE，根据第一信息在所述围岩断层计算模型的基础上绘制衬砌计算模型得到三维计算模型；
根据第一地应力预定义场，对所述三维计算模型进行地应力平衡得到第二地应力预定义场；
根据第二地应力预定义场，对所述三维计算模型设置断层错动位移，并求解三维计算模型得到第三信息。
3.根据权利要求2所述的隧道衬砌监测范围计算方法，其特征在于，所述对所述围岩断层计算模型进行地应力平衡得到第一地应力预定义场，包括：
设置所述围岩断层计算模型的上下盘计算模型与所述围岩断层计算模型的断裂带计算模型的连接方式为绑定接触；
对所述围岩断层计算模型的各个面均设置法向位移约束，并施加重力模拟；
对所述围岩断层计算模型进行模型网格划分；
采用静力通用分析步对所述围岩断层计算模型进行计算，得到第一地应力预定义场。
4.根据权利要求2所述的隧道衬砌监测范围计算方法，其特征在于：所述根据第一地应力预定义场，对所述三维计算模型进行地应力平衡得到第二地应力预定义场，包括：
设置所述围岩断层计算模型的上下盘计算模型与所述围岩断层计算模型的断裂带计算模型的连接方式为绑定接触；
设置所述衬砌计算模型为自接触；
对所述围岩断层计算模型所有的面均设置法向位移约束，对所述衬砌计算模型的边界设置三向约束，对所述三维计算模型施加重力和所述第一地应力预定义场；
对所述三维计算模型进行模型网格划分；
采用静力通用分析步对所述三维计算模型进行计算第二地应力预定义场。
5.一种隧道衬砌监测范围计算装置，其特征在于，包括：
第一信息获取单元，用于获取第一信息，所述第一信息包括断层破裂带材料特性参数、围岩材料特性参数和衬砌材料特性参数；
第二信息获取单元，用于获取第二信息，所述第二信息包括勘察数据，所述勘察数据包括断层破裂带倾角角度和断层错动量；
隧道模型计算单元，用于根据第一信息建立三维有限元走滑断层隧道模型，求解所述三维有限元走滑断层隧道模型得到第三信息，所述第三信息包括隧道衬砌塑性区随着断层破裂带倾角变化的范围变化值和隧道衬砌塑性区随着断层错动量变化的范围变化值；
塑性区计算单元，用于根据所述第三信息建立隧道衬砌塑性区范围计算函数，将所述第二信息作为所述隧道衬砌塑性区范围计算函数的输入信息，求解所述隧道衬砌塑性区范围计算函数得到第四信息，所述第四信息包括隧道衬砌塑性区的发展长度；其中，所述隧道衬砌塑性区范围计算函数，为：
z＝ax+blny+c
式中，z为隧道衬砌塑性区发展长度，隧道衬砌塑性区开始的发展位置为断层破裂带与隧道衬砌接触部位的中间位置，单位m；x为断层破裂带倾角，单位rad；y为断层错动量，单位m；a，b，c为函数相关参数。
6.根据权利要求5所述的隧道衬砌监测范围计算装置，其特征在于，所述隧道模型计算单元包括：
第一绘制单元，用于调用ABAQUS/CAE并根据第一信息绘制围岩断层计算模型；
第一地应力计算单元，用于对所述围岩断层计算模型进行地应力平衡得到第一地应力预定义场；
第二绘制单元，用于调用ABAQUS/CAE，根据第一信息在所述围岩断层计算模型的基础上绘制衬砌计算模型得到三维计算模型；
第二地应力计算单元，用于根据第一地应力预定义场，对所述三维计算模型进行地应力平衡得到第二地应力预定义场；
三维计算单元，用于根据第二地应力预定义场，对所述三维计算模型设置断层错动位移，并求解三维计算模型得到第三信息。
7.根据权利要求6所述的隧道衬砌监测范围计算装置，其特征在于，所述第一地应力计算单元包括：
第一定义单元，用于设置所述围岩断层计算模型的上下盘计算模型与所述围岩断层计算模型的断裂带计算模型的连接方式为绑定接触；
第一边界条件单元，用于对所述围岩断层计算模型的各个面均设置法向位移约束，并施加重力模拟；
第一计算单元，用于对所述围岩断层计算模型进行模型网格划分，采用静力通用分析步对所述围岩断层计算模型进行计算，得到第一地应力预定义场。
8.根据权利要求6所述的隧道衬砌监测范围计算装置，其特征在于，所述第二地应力计算单元包括：
第二定义单元，用于设置所述围岩断层计算模型的上下盘计算模型与所述围岩断层计算模型的断裂带计算模型的连接方式为绑定接触，设置所述衬砌计算模型为自接触；
第二边界条件单元，用于对所述围岩断层计算模型所有的面均设置法向位移约束，对所述衬砌计算模型的边界设置三向约束，对所述三维计算模型施加重力和所述第一地应力预定义场；
第二计算单元，用于对所述三维计算模型进行模型网格划分，采用静力通用分析步对所述三维计算模型进行计算第二地应力预定义场。
9.一种隧道衬砌监测范围计算设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至4任一项所述方法隧道衬砌监测范围计算方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4任一项所述隧道衬砌监测范围计算方法的步骤。
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