CN114329701A - 大变形隧道缓冲层支护设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了大变形隧道缓冲层支护设计方法，用于在考虑让压力、让压量以及吸能特性的情况下，提出大变形隧道缓冲层支护具体的构造方案，为变形隧道缓冲层支护设计提供精确有效的数据支持。方法包括：获取目标大变形隧道缓冲层支护对应的二次衬砌结构极限承受力；筛选出让压阶段终止应力小于二次衬砌结构极限承受力的第二候选充填材料；筛选出弹性阶段的吸能量以及让压阶段的吸能量之和取得最大值的目标候选充填材料作为目标大变形隧道缓冲层支护的充填材料；获取目标大变形隧道缓冲层支护的所需让压变形量；根据所需让压变形量以及目标候选充填材料的让压阶段终止应变，确定目标大变形隧道缓冲层支护的厚度。

Description

大变形隧道缓冲层支护设计方法

技术领域

本申请涉及工程领域，具体涉及大变形隧道缓冲层支护设计方法。

背景技术

近年来隧道我国西部地区交通基础设施的建设，穿越高地应力区的软岩隧道越来越多。高地应力的软岩隧道围岩其变形量值大且持续时间长，不仅容易导致施工期的初支结构破坏，还会导致运营期二次衬砌结构的开裂，影响隧道的安全运营。

为了保证运营期二次衬砌结构安全，提出了在初支和二次衬砌之间设置高压缩缓冲层的支护技术，以吸收隧道运营期围岩变形。

而在现有的相关技术的研究过程中，发明人发现，对于大变形隧道缓冲层支护如何构造和设计，却还停留在依靠人工经验的层面，在后续的工程工作中发现，当时构造的大变形隧道缓冲层支护的支护效果不稳定、效果较差。

发明内容

本申请提供了大变形隧道缓冲层支护设计方法，用于在考虑让压力、让压量以及吸能特性的情况下，提出大变形隧道缓冲层支护具体的构造方案，为变形隧道缓冲层支护设计提供精确有效的数据支持。

第一方面，本申请提供了一种大变形隧道缓冲层支护设计方法，方法包括：

在确定目标大变形隧道缓冲层支护设计任务后，获取目标大变形隧道缓冲层支护对应的二次衬砌结构极限承受力；

获取通过目标大变形隧道缓冲层支护适配的侧限压缩试验得到的目标大变形隧道缓冲层支护的第一候选充填材料的应力-应变关系曲线，并筛选出让压阶段终止应力小于二次衬砌结构极限承受力的第二候选充填材料，应力-应变关系曲线包括弹性阶段、让压阶段以及压密阶段；

获取第二候选充填材料的弹性阶段的吸能量以及让压阶段的吸能量之和，并筛选出弹性阶段的吸能量以及让压阶段的吸能量之和取得最大值的目标候选充填材料作为目标大变形隧道缓冲层支护的充填材料；

获取目标大变形隧道缓冲层支护的所需让压变形量；

根据所需让压变形量以及目标候选充填材料的让压阶段终止应变，确定目标大变形隧道缓冲层支护的厚度。

结合本申请第一方面，在本申请第一方面第一种可能的实现方式中，获取目标大变形隧道缓冲层支护对应的二次衬砌结构极限承受力，包括：

通过下式计算二次衬砌结构极限承受力p_s：

其中，

为二次衬砌混凝土设计抗压强度，t为二次衬砌厚度，R为二次衬砌衬砌外轮廓半径。

结合本申请第一方面，在本申请第一方面第二种可能的实现方式中，获取目标大变形隧道缓冲层支护的所需让压变形量，包括：

通过下式计算所需让压变形量U^F：

U^F＝U^M-U^R

其中，U^M为二次衬砌施工前监测断面隧道最大变形量的平均值，U^R为二次衬砌预留变形空间。

结合本申请第一方面，在本申请第一方面第三种可能的实现方式中，获取通过目标大变形隧道缓冲层支护适配的侧限压缩试验得到的目标大变形隧道缓冲层支护的第一候选充填材料的应力-应变关系曲线之前，方法还包括：

对第一候选充填材料展开侧限压缩试验；

在试验过程中，监测第一候选充填材料的应力-应变关系曲线，应力-应变关系曲线中包括弹性阶段终止应力σ_y、弹性阶段终止应变ε_y、让压阶段终止应力σ_z以及让压阶段终止应变ε_z。

结合本申请第一方面，在本申请第一方面第四种可能的实现方式中，获取第二候选充填材料的弹性阶段的吸能量以及让压阶段的吸能量之和，包括：

通过下式计算第二候选充填材料的弹性阶段的吸能量以及让压阶段的吸能量之和：

其中，E^E为弹性阶段吸能量，E^Y为让压阶段吸能量，σ_y为弹性阶段终止应力，ε_y为弹性阶段终止应变，σ_z为让压阶段终止应力，ε_z为让压阶段终止应变。

结合本申请第一方面，在本申请第一方面第五种可能的实现方式中，根据所需让压变形量以及目标候选充填材料的让压阶段终止应变，确定目标大变形隧道缓冲层支护的厚度，包括：

通过下式计算厚度：

其中，U^F为所需让压变形量，ε_z为让压阶段终止应变。

结合本申请第一方面，在本申请第一方面第六种可能的实现方式中，方法还包括：

输出目标候选充填材料以及厚度的提示信息，为目标大变形隧道缓冲层支护的构造处理提供数据参考。

第二方面，本申请提供了一种大变形隧道缓冲层支护设计装置，装置包括：

获取单元，用于在确定目标大变形隧道缓冲层支护设计任务后，获取目标大变形隧道缓冲层支护对应的二次衬砌结构极限承受力；

第一筛选单元，用于获取通过目标大变形隧道缓冲层支护适配的侧限压缩试验得到的目标大变形隧道缓冲层支护的第一候选充填材料的应力-应变关系曲线，并筛选出让压阶段终止应力小于二次衬砌结构极限承受力的第二候选充填材料，应力-应变关系曲线包括弹性阶段、让压阶段以及压密阶段的关系曲线；

第二筛选单元，用于获取第二候选充填材料的弹性阶段的吸能量以及让压阶段的吸能量之和，并筛选出弹性阶段的吸能量以及让压阶段的吸能量之和取得最大值的目标候选充填材料作为目标大变形隧道缓冲层支护的充填材料；

获取单元，还用于获取目标大变形隧道缓冲层支护的所需让压变形量；

确定单元，用于根据所需让压变形量以及目标候选充填材料的让压阶段终止应变，确定目标大变形隧道缓冲层支护的厚度。

结合本申请第二方面，在本申请第二方面第一种可能的实现方式中，获取单元，具体用于：

通过下式计算二次衬砌结构极限承受力p_s：

其中，

为二次衬砌混凝土设计抗压强度，t为二次衬砌厚度，R为二次衬砌衬砌外轮廓半径。

结合本申请第二方面，在本申请第二方面第二种可能的实现方式中，获取单元，具体用于：

通过下式计算所需让压变形量U^F：

U^F＝U^M-U^R

其中，U^M为二次衬砌施工前监测断面隧道最大变形量的平均值，U^R为二次衬砌预留变形空间。

结合本申请第二方面，在本申请第二方面第三种可能的实现方式中，装置还包括试验单元，用于：

对第一候选充填材料展开侧限压缩试验；

在试验过程中，监测第一候选充填材料的应力-应变关系曲线，应力-应变关系曲线中包括弹性阶段终止应力σ_y、弹性阶段终止应变ε_y、让压阶段终止应力σ_z以及让压阶段终止应变ε_z。

结合本申请第二方面，在本申请第二方面第四种可能的实现方式中，第二筛选单元，用于：

通过下式计算第二候选充填材料的弹性阶段的吸能量以及让压阶段的吸能量之和：

其中，E^E为弹性阶段吸能量，E^Y为让压阶段吸能量，σ_y为弹性阶段终止应力，ε_y为弹性阶段终止应变，σ_z为让压阶段终止应力，ε_z为让压阶段终止应变。

结合本申请第二方面，在本申请第二方面第五种可能的实现方式中，确定单元，具体用于：

通过下式计算厚度：

其中，U^F为所需让压变形量，ε_z为让压阶段终止应变。

结合本申请第二方面，在本申请第二方面第六种可能的实现方式中，装置还包括输出单元，用于：

输出目标候选充填材料以及厚度的提示信息，为目标大变形隧道缓冲层支护的构造处理提供数据参考。

第三方面，本申请提供了一种大变形隧道缓冲层支护设计设备，包括处理器和存储器，存储器中存储有计算机程序，处理器调用存储器中的计算机程序时执行本申请第一方面或者本申请第一方面任一种可能的实现方式提供的方法。

第四方面，本申请提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有多条指令，指令适于处理器进行加载，以执行本申请第一方面或者本申请第一方面任一种可能的实现方式提供的方法。

从以上内容可得出，本申请具有以下的有益效果：

针对于目标大变形隧道缓冲层支护的构建设计，本申请通过获取目标大变形隧道缓冲层支护的第一候选充填材料的应力-应变关系曲线，并筛选出让压阶段终止应力小于本次目标大变形隧道缓冲层支护的二次衬砌结构极限承受力的第二候选充填材料，再获取第二候选充填材料的弹性阶段的吸能量以及让压阶段的吸能量之和，并筛选出弹性阶段的吸能量以及让压阶段的吸能量之和取得最大值的目标候选充填材料作为目标大变形隧道缓冲层支护的充填材料，接着根据本次目标大变形隧道缓冲层支护的所需让压变形量以及目标候选充填材料的让压阶段终止应变，确定目标大变形隧道缓冲层支护的厚度，在这过程中，在考虑让压力(让压阶段终止应力)、让压量(本次目标大变形隧道缓冲层支护的所需让压变形量)以及吸能特性(弹性阶段的吸能量以及让压阶段的吸能量之和)的情况下，提出大变形隧道缓冲层支护具体的设计方案，为变形隧道缓冲层支护设计提供精确有效的数据支持。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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为本申请大变形隧道缓冲层支护设计方法的一种流程示意图；

图2为本申请缓冲层支护的一种场景示意图；

图3为本申请缓冲层候选充填材料的应力-应变关系曲线的一种曲线示意图；

图4为本申请有机缓冲层候选充填材料的应力-应变关系曲线的一种实例示意图；

图5为本申请缓冲层候选充填材料的吸能效果的一种实例示意图；

图6为本申请大变形隧道缓冲层支护设计装置的一种结构示意图；

图7为本申请大变形隧道缓冲层支护设计设备的一种结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域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，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或模块的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或模块，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。在本申请中出现的对步骤进行的命名或者编号，并不意味着必须按照命名或者编号所指示的时间/逻辑先后顺序执行方法流程中的步骤，已经命名或者编号的流程步骤可以根据要实现的技术目的变更执行次序，只要能达到相同或者相类似的技术效果即可。

本申请中所出现的模块的划分，是一种逻辑上的划分，实际应用中实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块可以结合成或集成在另一个系统中，或一些特征可以忽略，或不执行，另外，所显示的或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，模块之间的间接耦合或通信连接可以是电性或其他类似的形式，本申请中均不作限定。并且，作为分离部件说明的模块或子模块可以是也可以不是物理上的分离，可以是也可以不是物理模块，或者可以分布到多个电路模块中，可以根据实际的需要选择其中的部分或全部模块来实现本申请方案的目的。

在介绍本申请提供的大变形隧道缓冲层支护设计方法(又可称为大变形隧道缓冲层支护的构造结果处理方法)之前，首先介绍本申请所涉及的背景内容。

本申请提供的大变形隧道缓冲层支护设计方法、装置以及计算机可读存储介质，可应用于大变形隧道缓冲层支护设计设备，用于在考虑让压力、让压量以及吸能特性的情况下，提出大变形隧道缓冲层支护具体的构造方案，为变形隧道缓冲层支护设计提供精确有效的数据支持。

本申请提及的大变形隧道缓冲层支护设计方法，其执行主体可以为大变形隧道缓冲层支护设计装置，或者集成了该大变形隧道缓冲层支护设计装置的服务器、物理主机或者用户设备(User Equipment，UE)等不同类型的大变形隧道缓冲层支护设计设备。其中，大变形隧道缓冲层支护设计装置可以采用硬件或者软件的方式实现，UE具体可以为智能手机、平板电脑、笔记本电脑、台式电脑或者个人数字助理(Personal Digital Assistant，PDA)等终端设备，大变形隧道缓冲层支护设计设备可以通过设备集群的方式设置。

下面，开始介绍本申请提供的大变形隧道缓冲层支护设计方法。

首先，参阅图1，图1示出了本申请大变形隧道缓冲层支护设计方法的一种流程示意图，本申请提供的大变形隧道缓冲层支护设计方法，具体可包括如下步骤S101至步骤S105：

步骤S101，在确定目标大变形隧道缓冲层支护设计任务后，获取目标大变形隧道缓冲层支护对应的二次衬砌结构极限承受力；

可以理解，在实际应用中，对于大变形隧道缓冲层支护的构建设计，是随着当前目标大变形隧道缓冲层支护设计任务进行触发的。

缓冲支护，其在隧道中的结构，可以参考图2示出的本申请缓冲层支护的一种场景示意图，其处于初期支护和二次衬砌之间，用于吸收围岩变形减小二次衬砌受力。

该设计任务，即可以是由相关的工作人员进行手动触发，也可以是设备自主触发，例如若在系统上监测到出现新的大变形隧道的相关内容，则可自主触发设计其缓冲层支护。

而随着设计任务的触发，则可先获取本次目标大变形隧道缓冲层支护的二次衬砌结构极限承受力，为后续候选充填材料的初步筛选提供具体的、精确的数据依据。

所谓的二次衬砌结构极限承受力，可以理解为目标大变形隧道的二次衬砌结构在极限条件下的承受力，该二次衬砌结构具体为防止目标大变形隧道围岩变形或坍塌，沿隧道洞身周边用钢筋混凝土等材料修建的永久性支护结构。

其中，该本次目标大变形隧道缓冲层支护的二次衬砌结构极限承受力，可以直接携带在上述设计任务的任务数据中，也就是说，可以为预先确定好的数据，后续可直接进行调用。

或者，该本次目标大变形隧道缓冲层支护的二次衬砌结构极限承受力也可通过实时的计算得到，以便确保其数据为精确的最新数据。

作为一种适于实用的实现方式，在实际应用中，本次目标大变形隧道缓冲层支护的二次衬砌结构极限承受力p_s，可以通过下式计算：

其中，

为二次衬砌混凝土设计抗压强度，t为二次衬砌厚度，R为二次衬砌衬砌外轮廓半径。

在该公式中可看出，结合二次衬砌的相关数据，为二次衬砌结构极限承受力p_s提供了具体的、简便的计算方案。

步骤S102，获取通过目标大变形隧道缓冲层支护适配的侧限压缩试验得到的目标大变形隧道缓冲层支护的第一候选充填材料的应力-应变关系曲线，并筛选出让压阶段终止应力小于二次衬砌结构极限承受力的第二候选充填材料，应力-应变关系曲线包括弹性阶段、让压阶段以及压密阶段；

在得到上述的本次目标大变形隧道缓冲层支护的二次衬砌结构极限承受力后，则可用于此处候选充填材料的筛选。

可以理解，大变形隧道缓冲层支护，其采用有充填材料，以实现其支护效果，而采用什么充填材料以及什么厚度的充填材料，则为本申请所针对的目标。

对于不同的大变形隧道，其在设计缓冲层支护时，可以预先设定所使用的材料范围，其中限定的多个种类的充填材料，则为本申请所称的第一候选充填材料。

具体的，对于充填材料的材料特性，本申请在实际应用中，从其应力-应变关系曲线出发，进行充填材料的筛选。

该应力-应变关系曲线，是由本次目标大变形隧道缓冲层支护适配的侧限压缩试验得到的，也可采用载荷-位移关系曲线，参阅图3示出的本申请缓冲层候选充填材料的应力-应变关系曲线的一种曲线示意图，对于应力-应变关系曲线，其主要分为三个部分，一为弹性阶段(图3中的弹性段)，二为让压阶段(图3中的让压段)，三为压密阶段(图3中的压密段)。这三个阶段，对应了大变形隧道缓冲层支护在实际工程开展过程中的主要三个阶段，反应出其应力与应变之间的对应关系。

其中，σ表示应力，ε表示应变。

其中，该候选充填材料的应力-应变关系曲线，可以直接携带在上述设计任务的任务数据中，也就是说，可以为预先确定好的数据，后续可直接进行调用。

或者，该候选充填材料的应力-应变关系曲线也可通过实时的计算得到，以便确保其数据为精确的最新数据。

作为一种适于实用的实现方式，在实际应用中，具体可在现场获取目标大变形隧道缓冲层支护的第一候选充填材料的应力-应变关系曲线，由此在现场确定当前候选充填材料精确无误的应力-应变关系曲线。

作为一种具体实现方式，可以为：

对第一候选充填材料展开侧限压缩试验；

在试验过程中，监测第一候选充填材料的应力-应变关系曲线，应力-应变关系曲线中包括弹性阶段终止应力σ_y、弹性阶段终止应变ε_y、让压阶段终止应力σ_z以及让压阶段终止应变ε_z。

其中，侧限压缩试验，可以理解为对候选充填材料在本次目标大变形隧道缓冲层支护相适配的侧限条件下加压的压缩试验，用于还原本次目标大变形隧道缓冲层支护的应用环境，将候选充填材料的样品侧向变形被约束的情况下，施加轴线应力，测定压力和样品变形的关系，进而确定其应力、应变，并整理得到应力-应变关系曲线。

本申请认为，当让压阶段终止应力σ_z≥二次衬砌结构极限承受力p_s时，备选充填材料因让压力过大无法采用；当让压阶段终止应力σ_z＜二次衬砌结构极限承受力p_s时，充填材料满足缓冲层的应力需求，可作为备选材料，并通过后续的再次筛选来确定最终可采用的充填材料。

步骤S103，获取第二候选充填材料的弹性阶段的吸能量以及让压阶段的吸能量之和，并筛选出弹性阶段的吸能量以及让压阶段的吸能量之和取得最大值的目标候选充填材料作为目标大变形隧道缓冲层支护的充填材料；

可以理解，充填材料，其在实现缓冲层支护的过程中，还可反映出吸能特性，具体通过吸能量进行数据的量化，其可以理解在提供缓冲层支护效果的过程中吸收围岩传递过来的能量的程度，从而达到缓冲作用。

本申请认为，充填材料的吸能特性，具体是从上述提及的弹性阶段以及让压阶段两个阶段所反映出的，这也对应了大变形隧道缓冲层支护实际中的应用。

此时，若只需选择一种充填材料，则可选择出弹性阶段的吸能量以及让压阶段的吸能量之和取得最大值的目标候选充填材料作为最终采用的充填材料。

其中，该弹性阶段的吸能量以及让压阶段的吸能量之和，可以直接携带在上述设计任务的任务数据中，也就是说，可以为预先确定好的数据，后续可直接进行调用。

或者，该弹性阶段的吸能量以及让压阶段的吸能量之和也可通过实时的计算得到，以便确保其数据为精确的最新数据。

作为又一种适于实用的实现方式，此处第二候选充填材料的弹性阶段的吸能量以及让压阶段的吸能量之和的获取，可参考下面内容。

通过下式计算第二候选充填材料的弹性阶段的吸能量以及让压阶段的吸能量之和：

其中，E^E为弹性阶段吸能量，E^Y为让压阶段吸能量，σ_y为弹性阶段终止应力，ε_y为弹性阶段终止应变，σ_z为让压阶段终止应力，ε_z为让压阶段终止应变。

在该公式中可看出，结合了上面内容涉及的应力-应变关系曲线在不同位置点的数据，为弹性阶段的吸能量以及让压阶段的吸能量之和提供了具体的、简便的计算方案。

步骤S104，获取目标大变形隧道缓冲层支护的所需让压变形量；

在确定了具体采用的目标充填材料后，还可确定其实现的缓冲层厚度，即目标大变形隧道缓冲层支护的厚度。

本申请认为，该厚度，与本次目标大变形隧道缓冲层支护的所需让压变形量相关，该所需让压变形量可通过监测目标大变形隧道的变形监测得到，因此，可获取该目标大变形隧道缓冲层支护的所需让压变形量，为后续的厚度确定提供数据依据。

类似的，该目标大变形隧道缓冲层支护的所需让压变形量，可以直接携带在上述设计任务的任务数据中，也就是说，可以为预先确定好的数据，后续可直接进行调用。

或者，该目标大变形隧道缓冲层支护的所需让压变形量也可通过实时的计算得到，以便确保其数据为精确的最新数据。

作为又一种适于实用的实现方式，可以参考下面内容。

通过下式计算所需让压变形量U^F：

U^F＝U^M-U^R

其中，U^M为二次衬砌施工前监测断面隧道最大变形量的平均值，U^R为二次衬砌预留变形空间。

在该公式中可看出，结合二次衬砌的相关数据，为所需让压变形量U^F提供了具体的、简便的计算方案。

步骤S105，根据所需让压变形量以及目标候选充填材料的让压阶段终止应变，获取目标大变形隧道缓冲层支护的厚度。

而在确定了具体采用的目标候选充填材料以及本次目标大变形隧道缓冲层支护的所需让压变形量后，则可结合两者，从材料特性以及目标大变形隧道缓冲层支护本身特性两个层面进行考虑，确定可以采用的、适配的厚度。

作为又一种适于实用的实现方式，该目标大变形隧道缓冲层支护的厚度，具体可以通过下式计算：

其中，U^F为所需让压变形量，ε_z为让压阶段终止应变。

在该公式中，为目标大变形隧道缓冲层支护的厚度提供了具体的、简便的计算方案。

如此，确定了本次目标大变形隧道缓冲层支护所选用的充填材料以及适配的厚度，此时，还可进行输出，以供决策实用。

示例性的，可输出目标候选充填材料以及厚度的提示信息，为目标大变形隧道缓冲层支护的构造处理提供数据参考。

该提示信息的具体输出方式，即提示方式，具体可以根据预设的策略执行，例如图像展示、语音、短信、邮件等，具体在此不做限定。

作为上述内容的一种实例，某大变形隧道拟选取聚氨酯和聚乙烯材料作为缓冲层的填充材料，基于本申请的上述处理开展填充材料的选取，整个过程如下：

(1)开展聚氨酯(密度70～100kg/m³)和聚乙烯(密度90～135kg/m³)的侧限压缩试验，得到的应力-应变关系如下图4示出的本申请有机缓冲层候选充填材料的应力-应变关系曲线的一种实例示意图。

(2)隧道开挖半径6.5m，二次衬砌采用C30混凝土(设计抗压强度14.3MPa)，厚度为50cm，由此计算出二次衬砌结构极限承受力p_s为：

(3)根据应力-应变关系曲线，密度为70～80kg/m³的聚氨酯和密度为90～135kg/m³的聚乙烯均满足让压阶段终止应力σ_z(让压力)小于二次衬砌结构极限承受力p_s的需求。

(4)根据应力-应变关系，计算得到不同密度的缓冲层的单位体积吸能效果，如图5示出的本申请缓冲层候选充填材料的吸能效果的一种实例示意图。从图5中可以看出，密度为80kg/m³聚氨酯材料的吸能效果最好，选取其作为缓冲层充填材料。

(5)隧道大变形段实测最大变形量的均值为354mm，为二次衬砌的预留空间为300mm，密度为80kg/m³的聚氨酯材料的让压段终止应变为ε_z为0.55，计算得到缓冲层的厚度为98mm。

对于上述内容，整体来说，针对于目标大变形隧道缓冲层支护的构建设计，本申请通过获取目标大变形隧道缓冲层支护的第一候选充填材料的应力-应变关系曲线，并筛选出弹性阶段终止应力小于本次目标大变形隧道缓冲层支护的二次衬砌结构极限承受力的第二候选充填材料，再获取第二候选充填材料的弹性阶段的吸能量以及让压阶段的吸能量之和，并筛选出弹性阶段的吸能量以及让压阶段的吸能量之和取得最大值的目标候选充填材料作为目标大变形隧道缓冲层支护的充填材料，接着根据本次目标大变形隧道缓冲层支护的所需让压变形量以及目标候选充填材料的让压阶段终止应变，确定目标大变形隧道缓冲层支护的厚度，在这过程中，在考虑让压力(让压阶段终止应力)、让压量(本次目标大变形隧道缓冲层支护的所需让压变形量)以及吸能特性(弹性阶段的吸能量以及让压阶段的吸能量之和)的情况下，提出大变形隧道缓冲层支护具体的构造方案，为变形隧道缓冲层支护涉及提供精确有效的数据支持。

以上是本申请提供大变形隧道缓冲层支护设计方法的介绍，为便于更好的实施本申请提供的大变形隧道缓冲层支护设计方法，本申请还从功能模块角度提供了一种大变形隧道缓冲层支护设计装置。

参阅图6，图6为本申请大变形隧道缓冲层支护设计装置的一种结构示意图，在本申请中，大变形隧道缓冲层支护设计装置600具体可包括如下结构：

获取单元601，用于在确定目标大变形隧道缓冲层支护设计任务后，获取目标大变形隧道缓冲层支护对应的二次衬砌结构极限承受力；

第一筛选单元602，用于获取通过目标大变形隧道缓冲层支护适配的侧限压缩试验得到的目标大变形隧道缓冲层支护的第一候选充填材料的应力-应变关系曲线，并筛选出让压阶段终止应力小于二次衬砌结构极限承受力的第二候选充填材料，应力-应变关系曲线包括弹性阶段、让压阶段以及压密阶段的关系曲线；

第二筛选单元603，用于获取第二候选充填材料的弹性阶段的吸能量以及让压阶段的吸能量之和，并筛选出弹性阶段的吸能量以及让压阶段的吸能量之和取得最大值的目标候选充填材料作为目标大变形隧道缓冲层支护的充填材料；

获取单元601，还用于获取目标大变形隧道缓冲层支护的所需让压变形量；

确定单元604，用于根据所需让压变形量以及目标候选充填材料的让压阶段终止应变，确定目标大变形隧道缓冲层支护的厚度。

在一种示例性的实现方式中，获取单元601，具体用于：

通过下式计算二次衬砌结构极限承受力p_s：

其中，

为二次衬砌混凝土设计抗压强度，t为二次衬砌厚度，R为二次衬砌衬砌外轮廓半径。

在又一种示例性的实现方式中，获取单元501，具体用于：

通过下式计算所需让压变形量U^F：

U^F＝U^M-U^R

其中，U^M为二次衬砌施工前监测断面隧道最大变形量的平均值，U^R为二次衬砌预留变形空间。

在又一种示例性的实现方式中，装置还包括试验单元605，用于：

对第一候选充填材料展开侧限压缩试验；

在试验过程中，监测第一候选充填材料的应力-应变关系曲线，应力-应变关系曲线中包括弹性阶段终止应力σ_y、弹性阶段终止应变ε_y、让压阶段终止应力σ_z以及让压阶段终止应变ε_z。

在又一种示例性的实现方式中，第二筛选单元603，用于：

通过下式计算第二候选充填材料的弹性阶段的吸能量以及让压阶段的吸能量之和：

其中，E^E为弹性阶段吸能量，E^Y为让压阶段吸能量，σ_y为弹性阶段终止应力，ε_y为弹性阶段终止应变，σ_z为让压阶段终止应力，ε_z为让压阶段终止应变。

在又一种示例性的实现方式中，确定单元604，具体用于：

通过下式计算厚度：

其中，U^F为所需让压变形量，ε_z为让压阶段终止应变。

在又一种示例性的实现方式中，装置还包括输出单元606，用于：

输出目标候选充填材料以及厚度的提示信息，为目标大变形隧道缓冲层支护的构造处理提供数据参考。

本申请还从硬件结构角度提供了一种大变形隧道缓冲层支护设计处理设备，参阅图7，图7示出了本申请大变形隧道缓冲层支护设计设备的一种结构示意图，具体的，本申请大变形隧道缓冲层支护设计设备可包括处理器701、存储器702以及输入输出设备703，处理器601用于执行存储器702中存储的计算机程序时实现如图1对应实施例中大变形隧道缓冲层支护设计方法的各步骤；或者，处理器701用于执行存储器702中存储的计算机程序时实现如图6对应实施例中各单元的功能，存储器702用于存储处理器701执行上述图1对应实施例中大变形隧道缓冲层支护设计方法所需的计算机程序。

示例性的，计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，一个或者多个模块/单元被存储在存储器702中，并由处理器701执行，以完成本申请。一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述计算机程序在计算机装置中的执行过程。

大变形隧道缓冲层支护设计设备可包括，但不仅限于处理器701、存储器702、输入输出设备703。本领域技术人员可以理解，示意仅仅是大变形隧道缓冲层支护设计设备的示例，并不构成对大变形隧道缓冲层支护设计设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如大变形隧道缓冲层支护设计设备还可以包括网络接入设备、总线等，处理器701、存储器702、输入输出设备703等通过总线相连。

处理器701可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，处理器是大变形隧道缓冲层支护设计设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个设备的各个部分。

存储器702可用于存储计算机程序和/或模块，处理器701通过运行或执行存储在存储器702内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器702内的数据，实现计算机装置的各种功能。存储器702可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序等；存储数据区可存储根据大变形隧道缓冲层支护设计设备的使用所创建的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

处理器701用于执行存储器702中存储的计算机程序时，具体可实现以下功能：

在确定目标大变形隧道缓冲层支护设计任务后，获取目标大变形隧道缓冲层支护对应的二次衬砌结构极限承受力；

获取通过目标大变形隧道缓冲层支护适配的侧限压缩试验得到的目标大变形隧道缓冲层支护的第一候选充填材料的应力-应变关系曲线，并筛选出让压阶段终止应力小于二次衬砌结构极限承受力的第二候选充填材料，应力-应变关系曲线包括弹性阶段、让压阶段以及压密阶段；

获取第二候选充填材料的弹性阶段的吸能量以及让压阶段的吸能量之和，并筛选出弹性阶段的吸能量以及让压阶段的吸能量之和取得最大值的目标候选充填材料作为目标大变形隧道缓冲层支护的充填材料；

获取目标大变形隧道缓冲层支护的所需让压变形量；

根据所需让压变形量以及目标候选充填材料的让压阶段终止应变，获取目标大变形隧道缓冲层支护的厚度。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的大变形隧道缓冲层支护设计装置、设备及其相应单元的具体工作过程，可以参考如图1对应实施例中大变形隧道缓冲层支护设计方法的说明，具体在此不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解，上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤可以通过指令来完成，或通过指令控制相关的硬件来完成，该指令可以存储于一计算机可读存储介质中，并由处理器进行加载和执行。

为此，本申请提供一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，该指令能够被处理器进行加载，以执行本申请如图1对应实施例中大变形隧道缓冲层支护设计方法的步骤，具体操作可参考如图1对应实施例中大变形隧道缓冲层支护设计方法的说明，在此不再赘述。

其中，该计算机可读存储介质可以包括：只读存储器(Read Only Memory，ROM)、随机存取记忆体(Random Access Memory，RAM)、磁盘或光盘等。

由于该计算机可读存储介质中所存储的指令，可以执行本申请如图1对应实施例中大变形隧道缓冲层支护设计方法的步骤，因此，可以实现本申请如图1对应实施例中大变形隧道缓冲层支护设计方法所能实现的有益效果，详见前面的说明，在此不再赘述。

以上对本申请提供的大变形隧道缓冲层支护设计方法、装置、设备以及计算机可读存储介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种大变形隧道缓冲层支护设计方法，其特征在于，所述方法包括：

在确定目标大变形隧道缓冲层支护设计任务后，获取所述目标大变形隧道缓冲层支护对应的二次衬砌结构极限承受力；

获取通过所述目标大变形隧道缓冲层支护适配的侧限压缩试验得到的所述目标大变形隧道缓冲层支护的第一候选充填材料的应力-应变关系曲线，并筛选出让压阶段终止应力小于所述二次衬砌结构极限承受力的第二候选充填材料，所述应力-应变关系曲线包括弹性阶段、让压阶段以及压密阶段；

获取所述第二候选充填材料的弹性阶段的吸能量以及让压阶段的吸能量之和，并筛选出所述弹性阶段的吸能量以及让压阶段的吸能量之和取得最大值的目标候选充填材料作为所述目标大变形隧道缓冲层支护的充填材料；

获取所述目标大变形隧道缓冲层支护的所需让压变形量；

根据所述所需让压变形量以及所述目标候选充填材料的让压阶段终止应变，确定所述目标大变形隧道缓冲层支护的厚度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取所述目标大变形隧道缓冲层支护对应的二次衬砌结构极限承受力，包括：

通过下式计算所述二次衬砌结构极限承受力p_s：

其中，

为二次衬砌混凝土设计抗压强度，t为二次衬砌厚度，R为二次衬砌衬砌外轮廓半径。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取所述目标大变形隧道缓冲层支护的所需让压变形量，包括：

通过下式计算所述所需让压变形量U^F：

U^F＝U^M-U^R

其中，U^M为二次衬砌施工前监测断面隧道最大变形量的平均值，U^R为二次衬砌预留变形空间。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取通过所述目标大变形隧道缓冲层支护适配的侧限压缩试验得到的所述目标大变形隧道缓冲层支护的第一候选充填材料的应力-应变关系曲线之前，所述方法还包括：

对所述第一候选充填材料展开侧限压缩试验；

在试验过程中，监测所述第一候选充填材料的应力-应变关系曲线，应力-应变关系曲线中包括弹性阶段终止应力σ_y、弹性阶段终止应变ε_y、让压阶段终止应力σ_z以及让压阶段终止应变ε_z。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取所述第二候选充填材料的弹性阶段的吸能量以及让压阶段的吸能量之和，包括：

通过下式计算所述第二候选充填材料的弹性阶段的吸能量以及让压阶段的吸能量之和：

其中，E^E为所述弹性阶段吸能量，E^Y为所述让压阶段吸能量，σ_y为弹性阶段终止应力，ε_y为弹性阶段终止应变，σ_z为让压阶段终止应力，ε_z为让压阶段终止应变。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述所需让压变形量以及所述目标候选充填材料的让压阶段终止应变，确定所述目标大变形隧道缓冲层支护的厚度，包括：

通过下式计算所述厚度：

其中，U^F为所述所需让压变形量，ε_z为所述让压阶段终止应变。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

输出所述目标候选充填材料以及所述厚度的提示信息，为所述目标大变形隧道缓冲层支护的构造处理提供数据参考。

8.一种大变形隧道缓冲层支护设计装置，其特征在于，所述装置包括：

获取单元，用于在确定目标大变形隧道缓冲层支护设计任务后，获取所述目标大变形隧道缓冲层支护对应的二次衬砌结构极限承受力；

第一筛选单元，用于获取通过所述目标大变形隧道缓冲层支护适配的侧限压缩试验得到的所述目标大变形隧道缓冲层支护的第一候选充填材料的应力-应变关系曲线，并筛选出让压阶段终止应力小于所述二次衬砌结构极限承受力的第二候选充填材料，所述应力-应变关系曲线包括弹性阶段、让压阶段以及压密阶段的关系曲线；

第二筛选单元，用于获取所述第二候选充填材料的弹性阶段的吸能量以及让压阶段的吸能量之和，并筛选出所述弹性阶段的吸能量以及让压阶段的吸能量之和取得最大值的目标候选充填材料作为所述目标大变形隧道缓冲层支护的充填材料；

所述获取单元，还用于获取所述目标大变形隧道缓冲层支护的所需让压变形量；

确定单元，用于根据所述所需让压变形量以及所述目标候选充填材料的让压阶段终止应变，确定所述目标大变形隧道缓冲层支护的厚度。

9.一种变形隧道缓冲层支护设计设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时执行如权利要求1至7任一项所述的方法。

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存储有多条指令，所述指令适于处理器进行加载，以执行权利要求1至7任一项所述的方法。

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