CN115829121B - 一种深埋隧洞稳定性预测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深埋隧洞稳定性预测方法及系统，涉及深埋隧洞稳定性评定技术领域，基于已施工段深埋隧洞基础数据，对当前施工面前方深埋隧洞的稳定性进行预测，具体的，首先获取已施工段深埋隧洞及其附近的地质信息；确定地质条件的演化规律，并确定已施工段深埋隧洞的收敛变形，对当前施工面前方深埋隧洞围岩的收敛变形进行预测；基于已施工段深埋隧洞及其附近的地质信息、地质条件的演化规律、当前施工面前方深埋隧洞围岩的收敛变形预测结果，构建深埋隧洞虚拟模型；基于所述深埋隧洞虚拟模型，确定当前施工面前方深埋隧洞的稳定性。本发明方案高效易操作、稳定可靠、适用范围广，可为深埋隧洞稳定性进行超前预测，进而为施工进程提供借鉴。

Description

一种深埋隧洞稳定性预测方法及系统

技术领域

本发明涉及深埋隧洞稳定性评定技术领域，更具体的说是涉及一种深埋隧洞稳定性预测方法及系统。

背景技术

在一些山岭隧道的修建中，隧洞的埋置深度大，隧道穿越富水区，水头高。在隧洞施工过程中，对掌子面前方的地质条件和可能的地质灾害开展超前稳定性预测，将对隧洞的正常施工和顺利贯通发挥举足轻重的作用。成功的预测促使施工及时采取应对措施，防范于未然；反之，则往往在突发的地质灾害面前束手无策，使施工遭受重大挫折。

超前稳定性预测对隧洞安全施工具有重要意义，然而由于实际现场中的围岩条件千变万化，难以预测施工过程中围岩稳定性的变化情况，往往导致隧道的建设进度大大受限。

因此如何科学、准确地预测施工过程中深埋隧洞围岩稳定性的变化情况，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种深埋隧洞稳定性预测方法及系统。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种深埋隧洞稳定性预测方法，基于已施工段深埋隧洞基础数据，对当前施工面前方深埋隧洞的稳定性进行预测，具体方法为：

步骤1、地质勘察，获取已施工段深埋隧洞及其附近的地质信息；

步骤2、基于已施工段深埋隧洞附近的地质信息，确定地质条件的演化规律；

步骤3、基于所述已施工段深埋隧洞及其附近的地质信息，确定已施工段深埋隧洞的收敛变形，并对当前施工面前方深埋隧洞围岩的收敛变形进行预测；

步骤4、基于所述已施工段深埋隧洞及其附近的地质信息、所述地质条件的演化规律、当前施工面前方深埋隧洞围岩的收敛变形预测结果，构建深埋隧洞虚拟模型；

步骤5、基于所述深埋隧洞虚拟模型，确定当前施工面前方深埋隧洞的稳定性。

可选的，所述预测方法还包括步骤6，对当前施工面前方深埋隧洞的潜在破坏面进行位置预测。

可选的，所述步骤1中，进行地质勘察获取的已施工段深埋隧洞及其附近的地质信息包括有：围岩等级、地质构造、地应力等级、岩溶发育程度及类型、地下水状态、放射性及有害气体含量。

可选的，所述步骤2中，基于已施工段深埋隧洞附近的地质信息，通过反演确定地质条件在空间上的演化规律。

可选的，所述步骤3中，通过已施工段深埋隧洞，确定围岩地质信息与收敛变形，通过数值模拟构建两者之间的映射关系，通过对当前施工面围岩地质信息的采集，当前施工面前方深埋隧洞围岩的收敛变形进行预测。

可选的，已施工段深埋隧洞围岩收敛变形的检测方法为：

设置若干个待检测的深埋隧洞断面，针对每个待检测的断面，拍摄所述隧洞断面的初始断面图像，依据所述初始断面图像得到所述隧洞断面的标准收敛参数；

拍摄所述隧洞断面的实时断面图像；

根据所述实时断面图像和所述标准收敛参数，得到实时的收敛变形检测结果。

可选的，所述步骤4中，使用蒙特卡罗模拟方法，构建深埋隧洞虚拟模型。

可选的，所述步骤5中，基于所述深埋隧洞虚拟模型，确定当前施工面前方深埋隧洞待测位置处各项稳定性影响因素的值，稳定性影响因素包括当前施工面前方深埋隧洞及其附近的地质信息以及当前施工面前方深埋隧洞围岩的收敛变形预测结果，所述当前施工面前方深埋隧洞及其附近的地质信息包括围岩等级、地质构造、地应力等级、岩溶发育程度及类型、地下水状态、放射性及有害气体含量；

基于预先建立的影响因素层次表，使用模糊数学法确定各项稳定性影响因素的权值；

依据各项稳定性影响因素的权值以及各项稳定性影响因素的值，计算得到当前施工面前方深埋隧洞待测位置处的稳定性评估值；

基于所述稳定性评估值，以及预先建立的稳定性评级表，确定当前施工面前方深埋隧洞待测位置处的稳定等级。

一种深埋隧洞稳定性预测系统，包括：

信息采集模块，用于通过地质勘察获取已施工段深埋隧洞及其附近的地质信息；

地质演化推演模块，用于基于已施工段深埋隧洞附近的地质信息，确定地质条件的演化规律；

收敛变形预测模块，用于基于所述已施工段深埋隧洞及其附近的地质信息，确定已施工段深埋隧洞的收敛变形，并对当前施工面前方深埋隧洞围岩的收敛变形进行预测；

模型建立模块，用于基于所述已施工段深埋隧洞及其附近的地质信息、所述地质条件的演化规律、当前施工面前方深埋隧洞围岩的收敛变形预测结果，构建深埋隧洞虚拟模型；

稳定性计算模块，用于基于所述深埋隧洞虚拟模型，确定当前施工面前方深埋隧洞的稳定性。

可选的，所述系统还包括潜在破坏面位置预测模块，用于对当前施工面前方深埋隧洞的潜在破坏面进行位置预测。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种深埋隧洞稳定性预测方法及系统，仅需要采集已施工段的相关施工信息，就能够有效地进行深埋隧洞稳定性超前预测，提高了工作效率，且避免了过分依赖基础资料和经验，或单凭现场围岩等级对隧洞围岩稳定性进行评估与方案决策。

本发明方案高效易操作、稳定可靠、适用范围广，可为深埋隧洞稳定性进行超前预测，进而为施工进程提供借鉴。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明的方法步骤示意图；

图2为本发明的系统模块示意图。

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他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种深埋隧洞稳定性预测方法，基于已施工段深埋隧洞基础数据，对当前施工面前方深埋隧洞的稳定性进行预测，具体方法参见图1：

步骤1、地质勘察，获取已施工段深埋隧洞及其附近的地质信息，包括有围岩等级、地质构造、地应力等级、岩溶发育程度及类型、地下水状态、放射性及有害气体含量等。

在本实施例中，所述围岩等级有若干个不同的标准，例如可依据《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》将围岩等级划分为五个级别。所述地应力等级也可分为五个等级，五个等级的阈值可分别设置为一级15～20MPa，二级20～30MPa，三级30～45MPa，四级45～60MPa，五级>60MPa。对于岩溶发育程度及类型、地下水状态、放射性及有害气体含量，同样可根据本领域常规设置进行参数设定，本发明对此不做限制。

步骤2、基于已施工段深埋隧洞附近的地质信息，通过反演确定地质条件在空间上的演化规律。

步骤3、基于所述已施工段深埋隧洞及其附近的地质信息，确定已施工段深埋隧洞的收敛变形，并对当前施工面前方深埋隧洞围岩的收敛变形进行预测。

具体的，通过已施工段深埋隧洞，确定围岩地质信息与收敛变形，通过数值模拟构建两者之间的映射关系，通过对当前施工面围岩地质信息的采集，当前施工面前方深埋隧洞围岩的收敛变形进行预测。

其中，已施工段深埋隧洞围岩收敛变形的检测方法为：

设置若干个待检测的深埋隧洞断面，针对每个待检测的断面，拍摄所述隧洞断面的初始断面图像，依据所述初始断面图像得到所述隧洞断面的标准收敛参数；

拍摄所述隧洞断面的实时断面图像；

根据所述实时断面图像和所述标准收敛参数，得到实时的收敛变形检测结果。

步骤4、基于所述已施工段深埋隧洞及其附近的地质信息、所述地质条件的演化规律、当前施工面前方深埋隧洞围岩的收敛变形预测结果，使用蒙特卡罗模拟方法，构建深埋隧洞虚拟模型。

步骤5、基于所述深埋隧洞虚拟模型，确定当前施工面前方深埋隧洞的稳定性。

具体的，步骤5中确定深埋隧洞稳定性的方法为：

步骤5.1、基于所述深埋隧洞虚拟模型，确定当前施工面前方深埋隧洞待测位置处各项稳定性影响因素的值，稳定性影响因素包括当前施工面前方深埋隧洞及其附近的地质信息以及当前施工面前方深埋隧洞围岩的收敛变形预测结果，所述当前施工面前方深埋隧洞及其附近的地质信息包括围岩等级、地质构造、地应力等级、岩溶发育程度及类型、地下水状态、放射性及有害气体含量；

步骤5.2、基于预先建立的影响因素层次表，使用模糊数学法确定各项稳定性影响因素的权值；所述影响因素层次表是按照各项稳定性影响因素对深埋隧洞稳定性影响的大小进行排序后形成的层次表；

步骤5.3、依据各项稳定性影响因素的权值以及各项稳定性影响因素的值，计算得到当前施工面前方深埋隧洞待测位置处的稳定性评估值；

步骤5.4、基于所述稳定性评估值，以及预先建立的稳定性评级表，确定当前施工面前方深埋隧洞待测位置处的稳定等级。所述稳定性评级表是指将稳定性划分为若干个区段，在具体实施过程中，可以将稳定性评级表设置为三个区段，分别为稳定、较稳定、不稳定，具体的区段设置阈值，可由专家根据经验进行划分。

在另一种实施例中，所述预测方法还包括步骤6，对当前施工面前方深埋隧洞的潜在破坏面进行位置预测。所述潜在破坏面是指隧洞围岩周边出现塑性区的分布和贯通路径的围岩面。

本发明实施例还公开一种深埋隧洞稳定性预测系统，参见图2，包括：

信息采集模块，用于通过地质勘察获取已施工段深埋隧洞及其附近的地质信息；

地质演化推演模块，用于基于已施工段深埋隧洞附近的地质信息，确定地质条件的演化规律；

收敛变形预测模块，用于基于所述已施工段深埋隧洞及其附近的地质信息，确定已施工段深埋隧洞的收敛变形，并对当前施工面前方深埋隧洞围岩的收敛变形进行预测；

模型建立模块，用于基于所述已施工段深埋隧洞及其附近的地质信息、所述地质条件的演化规律、当前施工面前方深埋隧洞围岩的收敛变形预测结果，构建深埋隧洞虚拟模型；

稳定性计算模块，用于基于所述深埋隧洞虚拟模型，确定当前施工面前方深埋隧洞的稳定性。

在另一实施例中，所述系统还包括潜在破坏面位置预测模块，用于对当前施工面前方深埋隧洞的潜在破坏面进行位置预测。

对于实施例公开的系统模块而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

通过上述实施例中的方法或系统，得到当前施工面前方深埋隧洞的稳定性预测结果之后，若评定为不稳定，则建议变更施工计划，将结果及时反馈于施工单位、监理单位，上报变更需求；结合现场实际工况，通过专家论证以及设计单位、业主审批，及时对开挖工法、支护参数或施工工序等进行变更，并加强该变更段的后续监控量测，实时掌握变更后围岩的变形情况。若评定为较稳定，则将其反馈于相关单位，结合现场实际情况，通过专家论证及审批，对支护参数、施工工序乃至开挖工法进行相应调整。若评定为稳定，则说明目前开挖方式、支护方案以及施工技术与管理水平可满足其稳定性要求，设计施工方案均安全、经济、合理，无需变更，可继续施工。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种深埋隧洞稳定性预测方法，其特征在于，基于已施工段深埋隧洞基础数据，对当前施工面前方深埋隧洞的稳定性进行预测，具体方法为：

步骤1、地质勘察，获取已施工段深埋隧洞及其附近的地质信息；

步骤2、基于已施工段深埋隧洞附近的地质信息，确定地质条件的演化规律；

步骤3、基于所述已施工段深埋隧洞及其附近的地质信息，确定已施工段深埋隧洞的收敛变形，并对当前施工面前方深埋隧洞围岩的收敛变形进行预测；

已施工段深埋隧洞围岩收敛变形的检测方法为：

设置若干个待检测的深埋隧洞断面，针对每个待检测的断面，拍摄所述隧洞断面的初始断面图像，依据所述初始断面图像得到所述隧洞断面的标准收敛参数；

拍摄所述隧洞断面的实时断面图像；

根据所述实时断面图像和所述标准收敛参数，得到实时的收敛变形检测结果；

步骤4、基于所述已施工段深埋隧洞及其附近的地质信息、所述地质条件的演化规律、当前施工面前方深埋隧洞围岩的收敛变形预测结果，构建深埋隧洞虚拟模型；

步骤5、基于所述深埋隧洞虚拟模型，确定当前施工面前方深埋隧洞的稳定性，具体为：

基于所述深埋隧洞虚拟模型，确定当前施工面前方深埋隧洞待测位置处各项稳定性影响因素的值，稳定性影响因素包括当前施工面前方深埋隧洞及其附近的地质信息以及当前施工面前方深埋隧洞围岩的收敛变形预测结果，所述当前施工面前方深埋隧洞及其附近的地质信息包括围岩等级、地质构造、地应力等级、岩溶发育程度及类型、地下水状态、放射性及有害气体含量；

基于预先建立的影响因素层次表，使用模糊数学法确定各项稳定性影响因素的权值；

依据各项稳定性影响因素的权值以及各项稳定性影响因素的值，计算得到当前施工面前方深埋隧洞待测位置处的稳定性评估值；

基于所述稳定性评估值，以及预先建立的稳定性评级表，确定当前施工面前方深埋隧洞待测位置处的稳定等级。

2.根据权利要求1所述的一种深埋隧洞稳定性预测方法，其特征在于，还包括步骤6，对当前施工面前方深埋隧洞的潜在破坏面进行位置预测。

3.根据权利要求1所述的一种深埋隧洞稳定性预测方法，其特征在于，所述步骤1中，进行地质勘察获取的已施工段深埋隧洞及其附近的地质信息包括有：围岩等级、地质构造、地应力等级、岩溶发育程度及类型、地下水状态、放射性及有害气体含量。

4.根据权利要求1所述的一种深埋隧洞稳定性预测方法，其特征在于，所述步骤2中，基于已施工段深埋隧洞附近的地质信息，通过反演确定地质条件在空间上的演化规律。

5.根据权利要求1所述的一种深埋隧洞稳定性预测方法，其特征在于，所述步骤3中，通过已施工段深埋隧洞，确定围岩地质信息与收敛变形，通过数值模拟构建两者之间的映射关系，通过对当前施工面围岩地质信息的采集，对当前施工面前方深埋隧洞围岩的收敛变形进行预测。

6.根据权利要求1所述的一种深埋隧洞稳定性预测方法，其特征在于，所述步骤4中，使用蒙特卡罗模拟方法，构建深埋隧洞虚拟模型。

7.一种深埋隧洞稳定性预测系统，其特征在于，包括：

信息采集模块，用于通过地质勘察获取已施工段深埋隧洞及其附近的地质信息；

地质演化推演模块，用于基于已施工段深埋隧洞附近的地质信息，确定地质条件的演化规律；

收敛变形预测模块，用于基于所述已施工段深埋隧洞及其附近的地质信息，确定已施工段深埋隧洞的收敛变形，并对当前施工面前方深埋隧洞围岩的收敛变形进行预测；已施工段深埋隧洞围岩收敛变形的检测方法为：

设置若干个待检测的深埋隧洞断面，针对每个待检测的断面，拍摄所述隧洞断面的初始断面图像，依据所述初始断面图像得到所述隧洞断面的标准收敛参数；

拍摄所述隧洞断面的实时断面图像；

根据所述实时断面图像和所述标准收敛参数，得到实时的收敛变形检测结果；

模型建立模块，用于基于所述已施工段深埋隧洞及其附近的地质信息、所述地质条件的演化规律、当前施工面前方深埋隧洞围岩的收敛变形预测结果，构建深埋隧洞虚拟模型；

稳定性计算模块，用于基于所述深埋隧洞虚拟模型，确定当前施工面前方深埋隧洞的稳定性，具体为：

基于所述深埋隧洞虚拟模型，确定当前施工面前方深埋隧洞待测位置处各项稳定性影响因素的值，稳定性影响因素包括当前施工面前方深埋隧洞及其附近的地质信息以及当前施工面前方深埋隧洞围岩的收敛变形预测结果，所述当前施工面前方深埋隧洞及其附近的地质信息包括围岩等级、地质构造、地应力等级、岩溶发育程度及类型、地下水状态、放射性及有害气体含量；

基于预先建立的影响因素层次表，使用模糊数学法确定各项稳定性影响因素的权值；

依据各项稳定性影响因素的权值以及各项稳定性影响因素的值，计算得到当前施工面前方深埋隧洞待测位置处的稳定性评估值；

基于所述稳定性评估值，以及预先建立的稳定性评级表，确定当前施工面前方深埋隧洞待测位置处的稳定等级。

8.根据权利要求7所述的一种深埋隧洞稳定性预测系统，其特征在于，还包括：

潜在破坏面位置预测模块，用于对当前施工面前方深埋隧洞的潜在破坏面进行位置预测。