CN113591344B - 一种基于地层结构法的隧道围岩压力确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于地层结构法的隧道围岩压力确定方法，采用了自动迭代算法，首先利用FLAC3D建立隧道的数值模型，并施加支护反力，通过编程实现对支护反力进行自动调整，得到满足安全系数和容许位移的支护反力，最后利用支护反力反算围岩压力，不需要提前确定迭代所需的支护反力的上界和下界，减少分析步骤和计算时间；不需要人为判断计算结果是否收敛，计算结果更加准确；迭代过程可以自动完成，不需要在数值计算和更新支护反力之间来回手动切换。

Description

一种基于地层结构法的隧道围岩压力确定方法

技术领域

本发明涉及隧道工程领域，尤其涉及一种基于地层结构法的隧道围岩压力确定方法。

背景技术

《隧规》中计算深埋隧道围岩压力时并没有考虑隧道埋深对围岩压力的影响，因此，得到的结果并不准确。现有研究提出了两种围岩压力确定方法。

一种方法是基于大量现场实测数据统计分析对隧道围岩压力进行研究，从而拟合得到的围岩压力计算公式。但由于地质条件千变万化，施工水平的差别、支护参数的不同，即使围岩条件相同，围岩压力在时空上也具有变异性。因此，这种方法不能适用于所有隧道围岩压力计算。

另一种方法是建立隧道有限元模型，并施加支护反力，通过手动调节支护反力大小，使模型恰好收敛。最后将支护反力转换为均布荷载，此时的均布荷载作为隧道围岩压力。在理论上，这种方法可以根据具体的地质条件采用各种符合实际工程的本构模型，提高计算结果的准确性。

本申请发明人在实施本发明的过程中，发现现有技术中存在如下技术问题：

1.需要手动调整隧道支护反力，并多次反复地建立数值模型进行计算，计算过程繁琐，耗时较久，效率低。2.需要提前确定用于支护反力的上限和下限，计算工作量大。

由此可知，现有技术中的方法存在计算效率低的技术问题。

发明内容

本发明提出一种基于地层结构法的隧道围岩压力确定方法，用于解决或者至少部分解决现有技术中的方法存在的计算效率低的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于地层结构法的隧道围岩压力确定方法，包括：

S1：预先定义隧道容许位移，并指定竖向均布荷载初始值；

S2：根据竖向均布荷载初始值和侧压力系数计算得到水平均布荷载初始值，根据竖向均布荷载初始值、水平均布荷载初始值以及隧道开挖断面节点坐标计算各个节点的第一支护反力，并对开挖断面节点施加第一支护反力；

S3：计算开挖隧道的安全系数；

S4：判断安全系数是否等于目标值，如果等于，则第一支护反力将不再进行调整，迭代终止，否则根据安全系数与目标值的比值，计算第一阶段荷载调整比例；

S5：根据第一阶段荷载调整比例计算下一个迭代步的竖向均布荷载以及横向均布荷载，并重复执行步骤S2～S4，直到安全系数等于目标值，第一阶段迭代结束；

S6：计算第一阶段迭代结束时的位移结果，并判断第一阶段迭代结束时的位移结果是否小于等于隧道容许位移，如果是，则全部迭代结束，并将此时的竖向均布荷载作为竖向围岩压力，横向均布荷载作为横向围岩压力。

在一种实施方式中，当第一阶段迭代结束时的位移计算结果大于隧道容许位移时，所述方法还包括：

S7：定义容差值，根据第一阶段迭代结束时的位移结果以及隧道容许位移计算第二阶段荷载调整比例，并根据第二阶段荷载调整比例计算下一个迭代步的竖向均布荷载以及横向均布荷载；

S8:根据步骤S7中计算出的竖向均布荷载、横向均布荷载以及开挖断面节点坐标计算各个节点的第二支护反力，并对开挖断面节点施加第二支护反力；

S9：计算第二阶段的位移结果，并判断第二阶段的位移结果与隧道容许位移差值的绝对值是否小于或等于容差值，如果是，则第二阶段的迭代终止，如果不是，则重复执行步骤S7～S8，直到第二阶段的位移结果与隧道容许位移差值的绝对值小于或等于容差值，并将迭代终止时的竖向均布荷载作为竖向围岩压力，横向均布荷载作为横向围岩压力。

在一种实施方式中，步骤S2根据竖向均布荷载初始值、水平均布荷载初始值以及隧道开挖断面节点坐标计算各个节点的第一支护反力，包括：

利用FLAC3D的命令流，得到隧道开挖断面节点坐标；

确定待计算节点；

根据竖向均布荷载初始值、与待计算节点相邻的两个节点之间的距离，计算待计算节点的竖向支护力，根据横向均布荷载初始值、与待计算节点相邻的两个节点之间的距离，计算待计算节点的横向支护力；竖向支护力与横向支护力构成第一支护力。

在一种实施方式中，步骤S3包括：

通过强度折减法计算开挖隧道的安全系数，其定义为：

式中：c和表示样本输入的粘聚力和内摩擦角,c_cr和/>表示隧道处于极限状态时的临界粘聚力和临界内摩擦角。

在一种实施方式中，第一阶段荷载调整比例包括第一阶段第n次迭代中隧道荷载调整比例，用于调整该阶段第n+1次的均布荷载荷载，步骤S5根据第一阶段荷载调整比例计算下一个迭代步的竖向均布荷载以及横向均布荷载，包括：

根据第一阶段荷载调整比例计算下一个迭代步的竖向均布荷载：

其中，表示第一阶段第n次迭代中隧道荷载调整比例，/>表示第一阶段第n次迭代的竖向均布荷载，/>表示第一阶段第n+1次迭代的竖向均布荷载；

根据第一阶段荷载调整比例计算下一个迭代步的横向均布荷载：

其中，表示第一阶段第n次迭代中隧道荷载调整比例，/>表示第一阶段第n次迭代的横向均布荷载，/>表示第一阶段第n+1次迭代的横向均布荷载。

在一种实施方式中，步骤S7包括：

S7.1：根据第一阶段迭代结束时的位移结果以及隧道容许位移计算第二阶段荷载调整比例，

其中，表示第一阶段结束时的位移计算结果，/>表示隧道容许位移，/>表示第二阶段第n次迭代中隧道荷载调整比例；

S7.2：根据第二阶段第n次迭代中隧道荷载调整比例计算下一个迭代步的竖向均布荷载：

其中，表示第二阶段第n次迭代的竖向均布荷载，/>表示第二阶段第n+1次迭代的竖向均布荷载；

S7.3：根据第二阶段第n次迭代中隧道荷载调整比例计算下一个迭代步的横向均布荷载：

其中，表示第二阶段第n次迭代的横向均布荷载，/>表示第二阶段第n+1次迭代的横向均布荷载。

本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：

本发明提出一种基于地层结构法的隧道围岩压力确定方法，采用了隧道围岩压力自动迭代算法，根据竖向均布荷载初始值、水平均布荷载初始值以及隧道开挖断面节点坐标计算各个节点的第一支护反力，并对开挖断面节点施加第一支护反力，通判断安全系数是否等于目标值，设置第一阶段荷载调整比例，用于对迭代过程中的支护反力进行自动调整，得到满足安全系数的支护反力，并利用支护反力反算围岩压力，不需要手动调整隧道支护反力，并多次反复地建立数值模型进行计算，也不需要提前确定用于支护反力的上限和下限，大大提高了计算效率。

进一步地，引入隧道容许位移和容差，根据第一阶段迭代结束时的位移结果以及隧道容许位移计算第二阶段荷载调整比例，进行第二阶段的迭代，并根据第二阶段荷载调整比例计算下一个迭代步的竖向均布荷载以及横向均布荷载，用于对第二迭代过程中的支护反力进行自动调整，最终满足容许位移的支护反力，最后利用第二阶段的支护反力反算围岩压力。考虑了隧道的容许变形量可能导致得到的隧道变形量超过容许值，从而使得计算结果更为准确合理。

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他的附图。

图1为本发明实施例中隧道节点编号示意图；

图2为本发明实施例中基于地层结构法的隧道围岩压力确定方法的流程图。

图3为本发明实施例中函谷关隧道断面示意图；

图4为本发明实施例中利用FLAC3D建立函谷关隧道模型示意图；

图5为本发明实施例中函谷关隧道断面节点示意图；

图6为本发明一种实施例中临界稳定状态隧道监测点位移示意图；

图7为本发明实施例中利用FLAC3D建立的350km/h高速铁路双线隧道模型示意图；

图8为本发明另一种实施例中临界稳定状态隧道监测点位移示意图。

具体实施方式

对于隧道设计，围岩压力是一个非常重要的参数，很多设计参数的确定，包括衬砌厚度、配筋率、施工方法等，都取决于围岩压力的大小。在深埋条件下，当隧道跨度及围岩等级确定时，根据《隧规》计算的围岩压力为定值。但现有研究表明，隧道埋深不同时，围岩压力也不相同。而现阶段，并没有一种可以进行实际应用的围岩压力计算方法。因此，本发明提出一种基于地层结构法的隧道围岩压力确定方法，采用自动迭代算法来进行计算，该方法首先利用FLAC3D建立隧道的数值模型，并施加支护反力，通过编程实现对支护反力进行自动调整，得到满足安全系数和容许位移的支护反力，最后利用支护反力反算围岩压力。。

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。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。

本发明实施例提供了一种基于地层结构法的隧道围岩压力确定方法，包括：

S1：预先定义隧道容许位移，并指定竖向均布荷载初始值；

S2：根据竖向均布荷载初始值和侧压力系数计算得到水平均布荷载初始值，根据竖向均布荷载初始值、水平均布荷载初始值以及隧道开挖断面节点坐标计算各个节点的第一支护反力，并对开挖断面节点施加第一支护反力；

S3：计算开挖隧道的安全系数；

S4：判断安全系数是否等于目标值，如果等于，则第一支护反力将不再进行调整，迭代终止，否则根据安全系数与目标值的比值，计算第一阶段荷载调整比例；

S5：根据第一阶段荷载调整比例计算下一个迭代步的竖向均布荷载以及横向均布荷载，并重复执行步骤S2～S4，直到安全系数等于目标值，第一阶段迭代结束；

S6：计算第一阶段迭代结束时的位移结果，并判断第一阶段迭代结束时的位移结果是否小于等于隧道容许位移，如果是，则全部迭代结束，并将此时的竖向均布荷载作为竖向围岩压力，横向均布荷载作为横向围岩压力。

具体来说，可以利用FLAC3D软件对多心圆铁路隧道进行建模并开挖。第一支护反力表示第一阶段迭代过程中计算得到的支护反力，各个节点的支护反力的计算过程为循环迭代的过程。

在一种实施方式中，当第一阶段迭代结束时的位移计算结果大于隧道容许位移时，所述方法还包括：

S7：定义容差值，根据第一阶段迭代结束时的位移结果以及隧道容许位移计算第二阶段荷载调整比例，并根据第二阶段荷载调整比例计算下一个迭代步的竖向均布荷载以及横向均布荷载；

S8:根据步骤S7中计算出的竖向均布荷载、横向均布荷载以及开挖断面节点坐标计算各个节点的第二支护反力，并对开挖断面节点施加第二支护反力；

S9：计算第二阶段的位移结果，并判断第二阶段的位移结果与隧道容许位移差值的绝对值是否小于或等于容差值，如果是，则第二阶段的迭代终止，如果不是，则重复执行步骤S7～S8，直到第二阶段的位移结果与隧道容许位移差值的绝对值小于或等于容差值，并将迭代终止时的竖向均布荷载作为竖向围岩压力，横向均布荷载作为横向围岩压力。

具体来说，FLAC3D自带强度折减法计算可以直接得到模型的安全系数F_s，但这种方法只考虑了模型的受力特征，并未考虑隧道开挖产生的位移对隧道稳定性的影响。现有的《铁路隧道设计规范》规定了隧道的容许位移，主要是为保证隧道施工过程的安全。为了在隧道围岩压力的计算中考虑位移的影响，可在数值模拟中，对隧道的拱顶和洞周的收敛等代表性位置的位移进行监测，在每一个迭代步结束时，通过命令查看隧道的最大位移。迭代终止时的，如果监测的隧道最大位移(即第一阶段迭代结束时的位移结果)小于容许位移，则此时的竖向均布荷载即为隧道所受竖向围岩压力，水平均布荷载/>为隧道所受横向围岩压力。否则，说明支护反力偏小，不满足隧道稳定条件，需要进一步增支护反力。

基于以上考虑，本申请在第一阶段迭代的基础上增加第二阶段的迭代过程。其中，第一阶段迭代过程，根据安全系数是否等于目标值，来计算第一阶段荷载调整比例，再根据第一阶段荷载调整比例来计算下一个迭代步的竖向均布荷载以及横向均布荷载，当第一阶段迭代结束时的位移结果小于等于隧道容许位移时，则表示第一阶段迭代过程结束。

第二阶段迭代过程，在上述基础上，以容差为目标，进行类似的迭代计算。

在一种实施方式中，步骤S2根据竖向均布荷载初始值、水平均布荷载初始值以及隧道开挖断面节点坐标计算各个节点的第一支护反力，包括：

利用FLAC3D的命令流，得到隧道开挖断面节点坐标；

确定待计算节点；

根据竖向均布荷载初始值、与待计算节点相邻的两个节点之间的距离，计算待计算节点的竖向支护力，根据横向均布荷载初始值、与待计算节点相邻的两个节点之间的距离，计算待计算节点的横向支护力；竖向支护力与横向支护力构成第一支护力。

具体实施过程中，本发明首先对利用FLAC3D软件对多心圆铁路隧道进行建模并开挖，指定竖向均布荷载初始值然后利用竖向均布荷载初始值/>和侧压力系数计算得到水平均布荷载/>根据/>计算竖向支护反力并施加到隧道开挖轮廓面上。其方法为：利用FLAC3D的命令流，得到隧道开挖断面节点坐标，根据竖向均布荷载初始值/>和待计算点的相邻两个节点之间的距离，计算每个节点需要施加的竖向支护反力。例如，计算节点为A7时，其相邻两个节点为A6和A8(图1)。同理，水平支护反力可通过水平均布荷载初始值/>计算得到节点编号如图1所示。

以A₇点为例，施加支护反力的法为：

(1)输出A₆点横坐标为：A_6x，纵坐标为：A_6y；A₈点横坐标为：A_8x；纵坐标为：A_8y；

(2)侧压力系数λ＝μ/(1-μ)，其中μ为泊松比；水平均布荷载

(1)(3)A7点竖向支护反力：水平支护反力：

在一种实施方式中，步骤S3包括：

通过强度折减法计算开挖隧道的安全系数，其定义为：

式中：c和表示样本输入的粘聚力和内摩擦角,c_cr和/>表示隧道处于极限状态时的临界粘聚力和临界内摩擦角。

具体来说，对于建立的数值模型，可以通过强度折减法计算开挖隧道安全系数。对于给定的数值模型和参数，FLAC3D可通过自带的强度折减法计算得到F_s。现有研究表明，当安全系数小于1.15时，模型为失稳状态，当强度折减系数大于等于1.15时，隧道为稳定状态。因此，本发明以F_s＝1.15作为极限状态安全系数，用于判断隧道开挖后围岩是否稳定。

在一种实施方式中，第一阶段荷载调整比例包括第一阶段第n次迭代中隧道荷载调整比例，用于调整该阶段第n+1次的均布荷载荷载，步骤S5根据第一阶段荷载调整比例计算下一个迭代步的竖向均布荷载以及横向均布荷载，包括：

根据第一阶段荷载调整比例计算下一个迭代步的竖向均布荷载：

其中，表示第一阶段第n次迭代中隧道荷载调整比例，/>表示第一阶段第n次迭代的竖向均布荷载，/>表示第一阶段第n+1次迭代的竖向均布荷载；

根据第一阶段荷载调整比例计算下一个迭代步的横向均布荷载：

其中，表示第一阶段第n次迭代中隧道荷载调整比例，/>表示第一阶段第n次迭代的横向均布荷载，/>表示第一阶段第n+1次迭代的横向均布荷载。

具体实施过程中，为了在迭代过程中对隧道的支护反力进行调整，本发明基于计算得到的安全系数，定义一个第一阶段隧道荷载调整比例

其中，表示第n次迭代计算得到的安全系数，/>表示极限状态安全系数(即F_s＝1.15)，/>表示第一阶段第n次迭代中隧道荷载调整比例(用于第n+1次的荷载调整)。

以图1中A₇点为例，到n+1迭代步时，竖向支护反力 水平均布荷载/>水平支护反力/> 第一阶段隧道荷载调整比例计算公式的原理是：当计算安全系数小于目标临界值时，表示隧道支护反力偏小，因此需要将现在的均布荷载除以小于1的数值；当计算安全系数大于目标临界值时，表示隧道支护反力偏大，因此需要将现在的均布荷载除以大于1的数值。通过不断迭代，当计算安全系数达到目标临界值时/>第一阶段隧道荷载调整比例/>第一支护反力将不再进行调整，迭代终止。

在一种实施方式中，步骤S7包括：

S7.1：根据第一阶段迭代结束时的位移结果以及隧道容许位移计算第二阶段荷载调整比例，

其中，表示第一阶段结束时的位移计算结果，/>表示隧道容许位移，/>表示第二阶段第n次迭代中隧道荷载调整比例；

S7.2：根据第二阶段第n次迭代中隧道荷载调整比例计算下一个迭代步的竖向均布荷载：

其中，表示第二阶段第n次迭代中隧道荷载调整比例，/>表示第二阶段第n次迭代的竖向均布荷载，/>表示第二阶段第n+1次迭代的竖向均布荷载；

S7.3：根据第二阶段第n次迭代中隧道荷载调整比例计算下一个迭代步的横向均布荷载：

其中，表示第二阶段第n次迭代的横向均布荷载，/>表示第二阶段第n+1次迭代的横向均布荷载。

具体实施过程中，为了得到满足隧道容许位移的支护反力，将进行第二阶段的迭代，此阶段将重新定义荷载调整比例，即第二阶段荷载调整比例：

表示第n次迭代计算得到的隧道的最大位移，/>表示隧道容许位移，例如为12cm，/>表示第二阶段第n次迭代中隧道荷载调整比例(用于第n+1次的竖向均布荷载调整)

由于计算结果算出的位移值是一个小数，而容许目标值通常都是取为整数，为了满足迭代终止条件，本发明设定一个容差β，该参数决定了迭代结果的精度。容差β的值越小，计算的精度越高，但计算的时间越长。当数值计算结果得到的隧道的最大位移与/>差值的绝对值小于容差β时，即可认为达到迭代终止条件。

第二阶段迭代方法与第一阶段类似，在每一步迭代终止时，如果计算隧道的最大位移大于容许/>时，说明此时隧道支护反力偏小，因此需要将现在均布荷载乘以大于1的数值；如果计算隧道的最大位移/>小于容许/>时，说明此时隧道支护反力偏大，因此需要将现在均布荷载乘以小于1的数值。

通过多次迭代计算，当满足迭代终止条件时(公式6)，计算结束。此时的均布荷载即为隧道围岩压力。

请参见图2，为具体实施过程中基于地层结构法的隧道围岩压力确定方法的流程图。该图中所示的流程包括第一阶段的迭代过程(虚线上方)和第二阶段的迭代过程(虚线下方)。整体流程包括如下步骤：

(1)定义隧道的容许位移和容差β的数值，指定竖向均布荷载初始值/>

(2)根据竖向均布荷载及隧道开挖断面节点坐标计算各个节点的支护反力，并对开挖断面节点施加支护反力。

(3)进行强度折减计算，得到安全系数

(4)判断安全系数是否等于目标值/>如果等于，迭代终止，否则计算第一阶段下一次迭代的荷载调整比例/>

(5)根据荷载调整比例计算下一循环的竖向均布荷载，重复步骤(2)～(4)，直至/>第一阶段迭代结束。

(6)根据第一阶段结束时的位移计算结果判断/>是否小于等于/>如果满足，全部迭代结束，此时的均布荷载即为围岩压力；否则，进入第二阶段迭代，将迭代目标改为隧道容许位移。

(7)根据隧道位移以及隧道位移容许值/>计算新的荷载调整比例(第二阶段荷载调整比例/>)，利用新的荷载调整比例计算下一个迭代步的竖向均布荷载

(8)利用竖向均布荷载和开挖断面节点坐标计算各个节点的第二支护反力，并对开挖断面节点施加第二支护反力。

(9)计算并得到隧道最大位移判断/>是否满足，如果满足，迭代终止；如果不满足，重复步骤(7)～(8)，直到满足收敛条件/>时，迭代终止，此时的均布荷载即为围岩压力。

本发明的优势以及有益技术效果包括：

1)不需要提前确定迭代所需的支护反力的上界和下界，减少分析步骤和计算时间；

2)不需要人为判断计算结果是否收敛，计算结果更加准确；

3)迭代过程可以自动完成，不需要在数值计算和更新支护反力之间来回手动切换；

4)迭代时间大幅缩短，便于计算地层中不同埋深下隧道围岩压力值；

5)荷载调整比例定义简单，迭代过程的控制编程更加方便；

6)同时考虑了隧道的结构受力状态和容许位移，使得计算结果更加合理和安全。

为了更清楚地说明本发明的实施方案，下面通过两个示例来进行详细说明。

实施例一：

以下实例使用的分析软件为FLAC3D，也可使用其他自带强度折减法的数值软件，所涉及的步骤和方法，如无特殊说明，均为常规方法。本实施例以郑西客运专线的函谷关隧道为例，隧道埋深110m，围岩等级为V级，材料参数如表1所示：

表1材料参数

函谷关隧道断面图如图3所示，具体实施步骤如下：

(1)指定隧道初始半径安全系数目标值为F_s ^*＝1.15，参考铁路隧道设计规范规范，确定隧道允许位移为/>容差取值为β＝0.5cm。

(2)利用FLAC3D建立函谷关隧道模型如图4所示，该模型尺寸要满足圣维南定律，隧道与模型边界距离大于3～5倍的隧道跨度。模型四个侧面为法相约束，模型底部为全约束。土体采用摩尔—库伦模型。

(3)隧道开挖后不施加支护反力计算，得到安全系数为1.16，第一阶段结束，最大位移为不满足迭代终止条件：/>进入第二阶段迭代。

(4)指定初始竖向均布荷载根据开挖断面各个节点坐标，计算支护反力(y方向均分为50个网格，共51个节点)。以图5中A₇点为例，施加支护反力的方法为:

1)输出各个节点坐标，其中A₆点横坐标A_6x＝4.72m，(A₆点纵坐标A_6z＝6.15m；A₈点横坐标A_8x＝6.40m，A₈点纵坐标A_8z＝4.37m。侧压力系数λ＝μ/(1-μ)＝0.35/(1-0.35)＝0.538

2)竖向支护反力 水平支护反力/>

(5)施加支护反力后进行强度折减计算，计算隧道的最大位移为

(6)判断该位移不满足迭代终止条件计算荷载调整系数计算第二个迭代步竖向均布荷载/> 水平均布荷载/>

(7)重复步骤(4)～(6)，当迭代6步后，竖向均布荷载水平均布荷载隧道的最大位移为/>满足迭代终止条件：/>迭代结束，此时竖向均布荷载为隧道围岩竖向压力，水平均布荷载为隧道围岩横向压力。

具体迭代过程的数据如表2所示：

表2迭代过程数据

临界稳定状态隧道监测点位移如图6所示。

将铁路隧道规范中围岩压力计算结果及郑西专线的函谷关隧道围岩压力实测结果与本实例计算结果进行对比，如表3所示。

表3极限稳定状态围岩压力值与规范及实测值对比

由表3可见，根据铁路隧道规范公式得到的围岩压力与实测值相差过大，不够准确。而利用本方法方法得到的围岩压力与实测围岩压力结果较为接近，同时计算结果均大于实测结果，可以为隧道围岩提供一定的安全储备，在实际工程更具有参考意义。

实施例二：

为了证明埋深会对深埋隧道围岩压力产生影响，实施例二在实施例一的基础上，计算隧道埋深200m时的围岩压力，具体实施步骤如下：

(1)指定隧道初始半径安全系数目标值为F_s ^*＝1.15，参考铁路隧道设计规范规范，确定隧道允许位移为/>容差取值为β＝0.5cm。

(2)利用FLAC3D建立350km/h高速铁路双线隧道模型如图7所示，该模型尺寸要满足圣维南定律，隧道与模型边界距离大于3～5倍的隧道跨度。模型四个侧面为法相约束，模型底部为全约束。土体采用摩尔—库伦模型。

(3)指定隧道竖向均布荷载初始值根据开挖断面各个节点坐标，计算并施加支护反力。/>

(4)利用FLAC3D对模型进行计算，得到安全系数F_s ¹＝1.10。

(5)判断该完全系数不等于目标值1.15，计算第二迭代步数值计算的隧道荷载调整比例为

(6)计算第二个迭代步的竖向均布荷载， 水平均布荷载/>重复(3)～(5)步，迭代20步后，计算安全系数为1.15，第一阶段迭代结束。此时竖向均布荷载/>水平均布荷载/>隧道的最大位移为/>不满足迭代终止条件：/>进入第二阶段迭代。

(7)计算荷载调整系数计算第二个迭代步竖向均布荷载/>水平均布荷载

(8)施加支护反力后计算隧道最大位移判断该位移不满足迭代终止条件/>

(9)重复步骤(7)～(8)，当迭代4步后，竖向均布荷载横向均布荷载/>隧道的最大位移为/>满足迭代终止条件：迭代结束，此时竖向均布荷载为隧道围岩竖向压力，水平均布荷载为隧道围岩横向压力。

具体迭代过程的数据如表4所示：

表4迭代过程数据

临界稳定状态隧道监测点位移如图8所示。

对比实施例一与实施例二计算结果，函谷关隧道在110m埋深下围岩竖向压力为53.62kPa，横向压力为28.84kPa；在200m埋深下围岩竖向压力为230.9kPa，横向压力为124.22kPa，说明深埋条件下，隧道埋深对隧道围岩压力有较大影响。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于地层结构法的隧道围岩压力确定方法，其特征在于，包括：

S1：预先定义隧道容许位移，并指定竖向均布荷载初始值；

S2：根据竖向均布荷载初始值和侧压力系数计算得到水平均布荷载初始值，根据竖向均布荷载初始值、水平均布荷载初始值以及隧道开挖断面节点坐标计算各个节点的第一支护反力，并对开挖断面节点施加第一支护反力；

S3：计算开挖隧道的安全系数；

S4：判断安全系数是否等于目标值，如果等于，则第一支护反力将不再进行调整，迭代终止，否则根据安全系数与目标值的比值，计算第一阶段荷载调整比例；

S5：根据第一阶段荷载调整比例计算下一个迭代步的竖向均布荷载以及横向均布荷载，并重复执行步骤S2～S4，直到安全系数等于目标值，第一阶段迭代结束；

S6：计算第一阶段迭代结束时的位移结果，并判断第一阶段迭代结束时的位移结果是否小于等于隧道容许位移，如果是，则全部迭代结束，并将此时的竖向均布荷载作为竖向围岩压力，横向均布荷载作为横向围岩压力。

2.如权利要求1所述的隧道围岩压力确定方法，其特征在于，当第一阶段迭代结束时的位移计算结果大于隧道容许位移时，所述方法还包括：

S7：定义容差值，根据第一阶段迭代结束时的位移结果以及隧道容许位移计算第二阶段荷载调整比例，并根据第二阶段荷载调整比例计算下一个迭代步的竖向均布荷载以及横向均布荷载；

S8:根据步骤S7中计算出的竖向均布荷载、横向均布荷载以及开挖断面节点坐标计算各个节点的第二支护反力，并对开挖断面节点施加第二支护反力；

S9：计算第二阶段的位移结果，并判断第二阶段的位移结果与隧道容许位移差值的绝对值是否小于或等于容差值，如果是，则第二阶段的迭代终止，如果不是，则重复执行步骤S7～S8，直到第二阶段的位移结果与隧道容许位移差值的绝对值小于或等于容差值，并将迭代终止时的竖向均布荷载作为竖向围岩压力，横向均布荷载作为横向围岩压力。

3.如权利要求1所述的隧道围岩压力确定方法，其特征在于，步骤S2根据竖向均布荷载初始值、水平均布荷载初始值以及隧道开挖断面节点坐标计算各个节点的第一支护反力，包括：

利用FLAC3D的命令流，得到隧道开挖断面节点坐标；

确定待计算节点；

根据竖向均布荷载初始值、与待计算节点相邻的两个节点之间的距离，计算待计算节点的竖向支护力，根据横向均布荷载初始值、与待计算节点相邻的两个节点之间的距离，计算待计算节点的横向支护力；竖向支护力与横向支护力构成第一支护力。

4.如权利要求1所述的隧道围岩压力确定方法，其特征在于，步骤S3包括：

通过强度折减法计算开挖隧道的安全系数，其定义为：

式中：c和表示样本输入的粘聚力和内摩擦角,c_cr和/>表示隧道处于极限状态时的临界粘聚力和临界内摩擦角。

5.如权利要求1所述的隧道围岩压力确定方法，其特征在于，第一阶段荷载调整比例包括第一阶段第n次迭代中隧道荷载调整比例，用于调整该阶段第n+1次的均布荷载荷载，步骤S5根据第一阶段荷载调整比例计算下一个迭代步的竖向均布荷载以及横向均布荷载，包括：

根据第一阶段荷载调整比例计算下一个迭代步的竖向均布荷载：

其中，表示第一阶段第n次迭代中隧道荷载调整比例，/>表示第一阶段第n次迭代的竖向均布荷载，/>表示第一阶段第n+1次迭代的竖向均布荷载；

根据第一阶段荷载调整比例计算下一个迭代步的横向均布荷载：

其中，表示第一阶段第n次迭代中隧道荷载调整比例，/>表示第一阶段第n次迭代的横向均布荷载，/>表示第一阶段第n+1次迭代的横向均布荷载。

6.如权利要求2所述的隧道围岩压力确定方法，其特征在于，步骤S7包括：

S7.1：根据第一阶段迭代结束时的位移结果以及隧道容许位移计算第二阶段荷载调整比例，

其中，表示第一阶段结束时的位移计算结果，/>表示隧道容许位移，/>表示第二阶段第n次迭代中隧道荷载调整比例；

S7.2：根据第二阶段第n次迭代中隧道荷载调整比例计算下一个迭代步的竖向均布荷载：

其中，表示第二阶段第n次迭代的竖向均布荷载，/>表示第二阶段第n+1次迭代的竖向均布荷载；

S7.3：根据第二阶段第n次迭代中隧道荷载调整比例计算下一个迭代步的横向均布荷载：

其中，表示第二阶段第n次迭代的横向均布荷载，/>表示第二阶段第n+1次迭代的横向均布荷载。