CN116205139B - 基于围岩和支护结构力学特性的支护选型方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于围岩和支护结构力学特性的支护选型方法及系统，包括：将参数输入第一判断模型，并接收输出结果；如果输出结果为失效，则将参数输入第二判断模型，并输出结果；如果输出结果为延伸率过大，则计算主动让压支护的参数。本发明基于围岩和支护结构力学特性的支护选型方法及系统，通过引入挤压因子对不同的被动支护强度进行考核，实现了对支护体系的遴选，并通过锚杆和锚索延伸率作为判据，有效的提高了锚杆和锚索在主动支护体系中所发挥的作用，同时有利于让压支护参数的计算，具有极其的适应性，可以应用在各种环境的隧道设计施工中。

Description

基于围岩和支护结构力学特性的支护选型方法及系统

技术领域

本发明涉及地下工程技术，具体涉及基于围岩和支护结构力学特性的支护选型方法及系统。

背景技术

目前穿越以千枚岩、炭质板岩与泥岩等为代表的长大深埋软岩隧道大量涌现，高地应力环境所引发的隧道建设过程中软岩大变形问题日益凸显，由此带来的变形侵限、喷射砼剥落、拱架扭曲、二衬开裂甚至塌方等工程灾害现象屡见不鲜，严重危及了隧道正常施工。

针对上述问题，有学者提出了在软岩大变形地下工程中，通过提高支护结构的刚度和强度来阻止围岩变形的思路是行不通的，“强力支护”的基本理念应当改变，进而在该基础上从软岩岩体的非线性流变特性出发，提出了针对软岩大变形的让压支护理念，即在围岩协同支护发生一定变形之后，支护结构在提供支护力的同时，让“围岩形变能”得以在该支护抗力持续伴随作用下适当释放，从而实现支护体系“抗让结合、边抗边让、抗中有让”的承载特性，进而达到充分发挥围岩自承能力、优化结构受力，保障隧道稳定、安全的目的。但截止目前，让压支护体系在软岩大变形隧道中尚处于初步试验阶段，其适用性与可靠性均有待进一步研究。

发明内容

为了至少克服现有技术中的上述不足，本申请的目的在于提供基于围岩和支护结构力学特性的支护选型方法及系统。

第一方面，本申请实施例提供了基于围岩和支护结构力学特性的支护选型方法，包括：

将目标隧道的围岩参数、挤压因子和内壁被动衬砌支护数据输入到预设的第一判断模型中，并接收所述第一判断模型根据极限挤压因子计算的输出结果；所述极限挤压因子为所述内壁被动衬砌支护失效临界对应的挤压因子；

如果所述第一判断模型的输出结果为内壁被动衬砌支失效，则将所述目标隧道的围岩参数和主动支护参数输入到预设的第二判断模型中，并接收所述第二判断模型根据锚杆(索)延伸率安全裕度计算的输出结果；

如果所述第二判断模型的输出结果为预应力锚杆(索)的杆体延伸率大于或等于所述锚杆(索)延伸率安全裕度，则根据所述预应力锚杆(索)的杆体延伸率和所述锚杆(索)延伸率安全裕度计算主动让压支护的参数。

现有技术中，申请号为CN202211447656.9的中国专利公开了一种隧道变形主动控制支护结构体系及参数求解方法，其包括以下步骤：建立不同隧道变形等级对应的结构安全变形控制基准；建立主动支护构件和被动支护构件协同承载的变形协调方程；以隧道的主动支护构件的变形控制效应确定主动支护参数；在被动支护参数取值区间内拟定若干被动支护参数；利用变形协调方程中，输出隧道变形量；将隧道变形量与变形控制基准进行比较：若隧道变形量在变形控制基准内，则输出对应的被动支护参数和主动支护参数；若隧道变形量不在变形控制基准内，返回从新拟定被动支护参数。其基于变形协调方程来依次确定主动支护构件和被动支护构件的参数，但是未将让压考虑进软岩隧道的支护计算；同时，不同的隧道围岩体系会对应不同的变形协调方程，从工程实际方面考虑，理论方程往往很难很好的适应不同的围岩环境，所以其适应性也会大打折扣。

为了解决上述问题，本申请实施例实施时，采用了基于挤压因子和锚杆(索)延伸率作为判据的新的计算方法；其中的第一判断模型和第二判断模型均是决策模型，可以使用现有技术中任意一种模型进行训练生成，包括神经网络模型、支持向量机、决策树等模型，也可以采用多种模型的结合进行生成，本实施例在此不多做限定。无论第一判断模型和第二判断模型采用哪种模型生成，第一判断模型都需要在判据中加入挤压因子，挤压因子是岩体强度和地应力的比值，发明人发现挤压因子与被动支护增益效果具有非常强的关联性，主要体现在对于被动支护的拱形结构来说，不同的挤压因子对不同的被动支护强度所带来的围岩位移规律会有较大差异，例如对挤压因子小于2的围岩来说，随被动支护强度增加，围岩位移呈指数型减小，但当被动支护强度增至一定程度时，支护对围岩变形的控制效果明显下降；而对挤压因子大于2的围岩来说，增加被动支护强度将可取得理想的位移控制效果，现行的强力支护模式能够实现对围岩的有效支护。基于此机理，将挤压因子引入被动支护参数的选择是可以有效的提高计算精准度的，并且可以将第一判断模型适用于在各种围岩中。

同时在第二判断模型中，以锚杆(索)延伸率作为判据，对于软岩隧道来说，由于软岩隧道围岩变形较大，为有效发挥锚索系统支护作用，应允许锚杆(索)工作于塑性阶段；所以通过锚杆(索)延伸率安全裕度对锚索系统进行计算。通过第一判断模型和第二判断模型的判断结果，本申请实施例可以判断出目标隧道是否需要应用到主动让压支护，并且通过第二判断模型所获取的预应力锚杆(索)的杆体延伸率也可以用于进行主动让压支护的参数计算的。本申请实施例通过引入挤压因子对不同的被动支护强度进行考核，实现了对支护体系的遴选，并通过锚杆和锚索延伸率作为判据，有效的提高了锚杆和锚索在主动支护体系中所发挥的作用，同时有利于让压支护参数的计算，具有极其的适应性，可以应用在各种环境的隧道设计施工中。

在一种可能的实现方式中，所述第一判断模型的生成包括：

建立不同的第一工况下被动支护体系下的第一仿真模型；所述第一工况为不同的围岩参数、挤压因子和内壁被动衬砌支护数据的组合；

对所有第一仿真模型进行计算获取第一计算结果，所述第一计算结果包括洞壁位移和被动衬砌支护变形量；

根据所述洞壁位移和所述被动衬砌支护变形量的超限情况确定对应所述内壁被动衬砌支护数据的所述极限挤压因子；

将所述第一计算结果和所述第一工况进行匹配形成第一样本库，并以所述极限挤压因子作为约束，通过所述第一样本库对神经网络模型进行训练生成第一判断模型；所述第一判断模型的输入数据为围岩参数、挤压因子和内壁被动衬砌支护数据，输出数据为内壁被动衬砌支护是否失效。

在一种可能的实现方式中，所述第二判断模型的生成包括：

建立不同的第二工况下主动支护体系下的第二仿真模型；所述第二工况为不同的围岩参数和主动支护参数的组合；所述第二工况中的主动支护参数包括预应力锚杆(索)的长度；

对所有第二仿真模型进行计算获取第二计算结果，所述第二计算结果包括预应力锚杆(索)的杆体延伸率；

将所述第二计算结果和所述第二工况进行匹配形成第二样本库，并以预设的所述锚杆(索)延伸率安全裕度作为约束，通过所述第二样本库对神经网络模型进行训练生成第二判断模型；所述第二判断模型的输入数据为围岩参数和主动支护参数，输出数据为预应力锚杆(索)的杆体延伸率是否超过了所述锚杆(索)延伸率安全裕度。

在一种可能的实现方式中，根据所述预应力锚杆(索)的杆体延伸率和所述锚杆(索)延伸率安全裕度计算主动让压支护的参数包括：

根据所述预应力锚杆(索)的杆体延伸率与所述锚杆(索)延伸率安全裕度的差异计算差异余量；

根据所述差异余量计算让压参数，并通过所述差异余量修正所述锚杆(索)延伸率安全裕度生成修正安全裕度；

将所述修正安全裕度替换所述第二判断模型的锚杆(索)延伸率安全裕度形成第三判断模型；

将所述目标隧道的围岩参数和主动支护参数输入到预设的第三判断模型中；

如果所述第三判断模型的输出结果为预应力锚杆(索)的杆体延伸率大于或等于所述修正安全裕度，则调整所述差异余量并重复计算所述让压参数和所述修正安全裕度直至所述第三判断模型的输出结果为预应力锚杆(索)的杆体延伸率小于所述修正安全裕度；

如果所述第三判断模型的输出结果为预应力锚杆(索)的杆体延伸率小于所述修正安全裕度，则将所述主动支护参数和所述让压参数作为主动让压支护的参数。

在一种可能的实现方式中，目标隧道的围岩参数包括地应力、岩体强度、埋深、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角和重度；

所述主动支护参数包括锚杆锚索的选型、长度、弹性模量、截面积、纵向间距、切向间距和预应力量值、弹性极限强度及对应延伸率、强度极限及对应延伸率。

第二方面，本申请实施例提供了基于围岩和支护结构力学特性的支护选型系统，包括：

第一判断单元，被配置为将目标隧道的围岩参数、挤压因子和内壁被动衬砌支护数据输入到预设的第一判断模型中，并接收所述第一判断模型根据极限挤压因子计算的输出结果；所述极限挤压因子为所述内壁被动衬砌支护失效临界对应的挤压因子；

第二判断单元，如果所述第一判断模型的输出结果为内壁被动衬砌支失效，则将所述目标隧道的围岩参数和主动支护参数输入到预设的第二判断模型中，并接收所述第二判断模型根据锚杆(索)延伸率安全裕度计算的输出结果；

第三判断单元，如果所述第二判断模型的输出结果为预应力锚杆(索)的杆体延伸率大于或等于所述锚杆(索)延伸率安全裕度，则根据所述预应力锚杆(索)的杆体延伸率和所述锚杆(索)延伸率安全裕度计算主动让压支护的参数。

在一种可能的实现方式中，还包括第一训练单元，被配置为：

建立不同的第一工况下被动支护体系下的第一仿真模型；所述第一工况为不同的围岩参数、挤压因子和内壁被动衬砌支护数据的组合；

对所有第一仿真模型进行计算获取第一计算结果，所述第一计算结果包括洞壁位移和被动衬砌支护变形量；

根据所述洞壁位移和所述被动衬砌支护变形量的超限情况确定对应所述内壁被动衬砌支护数据的所述极限挤压因子；

将所述第一计算结果和所述第一工况进行匹配形成第一样本库，并以所述极限挤压因子作为约束，通过所述第一样本库对神经网络模型进行训练生成第一判断模型；所述第一判断模型的输入数据为围岩参数、挤压因子和内壁被动衬砌支护数据，输出数据为内壁被动衬砌支护是否失效。

在一种可能的实现方式中，还包括第二训练单元，被配置为：

建立不同的第二工况下主动支护体系下的第二仿真模型；所述第二工况为不同的围岩参数和主动支护参数的组合；所述第二工况中的主动支护参数包括预应力锚杆(索)的长度；

对所有第二仿真模型进行计算获取第二计算结果，所述第二计算结果包括预应力锚杆(索)的杆体延伸率；

将所述第二计算结果和所述第二工况进行匹配形成第二样本库，并以预设的所述锚杆(索)延伸率安全裕度作为约束，通过所述第二样本库对神经网络模型进行训练生成第二判断模型；所述第二判断模型的输入数据为围岩参数和主动支护参数，输出数据为预应力锚杆(索)的杆体延伸率是否超过了所述锚杆(索)延伸率安全裕度。

在一种可能的实现方式中，所述第三判断单元还被配置为：

根据所述预应力锚杆(索)的杆体延伸率与所述锚杆(索)延伸率安全裕度的差异计算差异余量；

根据所述差异余量计算让压参数，并通过所述差异余量修正所述锚杆(索)延伸率安全裕度生成修正安全裕度；

将所述修正安全裕度替换所述第二判断模型的锚杆(索)延伸率安全裕度形成第三判断模型；

将所述目标隧道的围岩参数和主动支护参数输入到预设的第三判断模型中；

如果所述第三判断模型的输出结果为预应力锚杆(索)的杆体延伸率大于或等于所述修正安全裕度，则调整所述差异余量并重复计算所述让压参数和所述修正安全裕度直至所述第三判断模型的输出结果为预应力锚杆(索)的杆体延伸率小于所述修正安全裕度；

如果所述第三判断模型的输出结果为预应力锚杆(索)的杆体延伸率小于所述修正安全裕度，则将所述主动支护参数和所述让压参数作为主动让压支护的参数。

在一种可能的实现方式中，目标隧道的围岩参数包括地应力、岩体强度、埋深、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角和重度；

所述主动支护参数包括锚杆锚索的选型、长度、弹性模量、截面积、纵向间距、切向间距和预应力量值。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明基于围岩和支护结构力学特性的支护选型方法及系统，通过引入挤压因子对不同的被动支护强度进行考核，实现了对支护体系的遴选，并通过锚杆和锚索延伸率作为判据，有效的提高了锚杆和锚索在主动支护体系中所发挥的作用，同时有利于让压支护参数的计算，具有极其的适应性，可以应用在各种环境的隧道设计施工中。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本申请实施例方法步骤示意图；

图2为本申请实施例仿真模型示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，应当理解，本申请中附图仅起到说明和描述的目的，并不用于限定本申请的保护范围。另外，应当理解，示意性的附图并未按实物比例绘制。本申请中使用的流程图示出了根据本申请实施例的一些实施例实现的操作。应该理解，流程图的操作可以不按顺序实现，没有逻辑的上下文关系的步骤可以反转顺序或者同时实施。此外，本领域技术人员在本申请内容的指引下，可以向流程图添加一个或多个其它操作，也可以从流程图中移除一个或多个操作。

另外，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。通常在此处附图中描述和示出的本申请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申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

请结合参阅图1，为本发明实施例所提供的基于围岩和支护结构力学特性的支护选型方法的流程示意图，进一步地，所述基于围岩和支护结构力学特性的支护选型方法具体可以包括以下步骤S1-步骤S3所描述的内容。

S1：将目标隧道的围岩参数、挤压因子和内壁被动衬砌支护数据输入到预设的第一判断模型中，并接收所述第一判断模型根据极限挤压因子计算的输出结果；所述极限挤压因子为所述内壁被动衬砌支护失效临界对应的挤压因子；

S2：如果所述第一判断模型的输出结果为内壁被动衬砌支失效，则将所述目标隧道的围岩参数和主动支护参数输入到预设的第二判断模型中，并接收所述第二判断模型根据锚杆(索)延伸率安全裕度计算的输出结果；

S3：如果所述第二判断模型的输出结果为预应力锚杆(索)的杆体延伸率大于或等于所述锚杆(索)延伸率安全裕度，则根据所述预应力锚杆(索)的杆体延伸率和所述锚杆(索)延伸率安全裕度计算主动让压支护的参数。

本申请实施例实施时，采用了基于挤压因子和锚杆(索)延伸率作为判据的新的计算方法；其中的第一判断模型和第二判断模型均是决策模型，可以使用现有技术中任意一种模型进行训练生成，包括神经网络模型、支持向量机、决策树等模型，也可以采用多种模型的结合进行生成，本实施例在此不多做限定。无论第一判断模型和第二判断模型采用哪种模型生成，第一判断模型都需要在判据中加入挤压因子，挤压因子是岩体强度和地应力的比值，发明人发现挤压因子与被动支护增益效果具有非常强的关联性，主要体现在对于被动支护的拱形结构来说，不同的挤压因子对不同的被动支护强度所带来的围岩位移规律会有较大差异，例如对挤压因子小于2的围岩来说，随被动支护强度增加，围岩位移呈指数型减小，但当被动支护强度增至一定程度时，支护对围岩变形的控制效果明显下降；而对挤压因子大于2的围岩来说，增加被动支护强度将可取得理想的位移控制效果，现行的强力支护模式能够实现对围岩的有效支护。基于此机理，将挤压因子引入被动支护参数的选择是可以有效的提高计算精准度的，并且可以将第一判断模型适用于在各种围岩中。

同时在第二判断模型中，以锚杆(索)延伸率作为判据，对于软岩隧道来说，由于软岩隧道围岩变形较大，为有效发挥锚索系统支护作用，应允许锚杆(索)工作于塑性阶段；所以通过锚杆(索)延伸率安全裕度对锚索系统进行计算。通过第一判断模型和第二判断模型的判断结果，本申请实施例可以判断出目标隧道是否需要应用到主动让压支护，并且通过第二判断模型所获取的预应力锚杆(索)的杆体延伸率也可以用于进行主动让压支护的参数计算的。本申请实施例通过引入挤压因子对不同的被动支护强度进行考核，实现了对支护体系的遴选，并通过锚杆和锚索延伸率作为判据，有效的提高了锚杆和锚索在主动支护体系中所发挥的作用，同时有利于让压支护参数的计算，具有极其的适应性，可以应用在各种环境的隧道设计施工中。

在一种可能的实现方式中，所述第一判断模型的生成包括：

建立不同的第一工况下被动支护体系下的第一仿真模型；所述第一工况为不同的围岩参数、挤压因子和内壁被动衬砌支护数据的组合；

对所有第一仿真模型进行计算获取第一计算结果，所述第一计算结果包括洞壁位移和被动衬砌支护变形量；

根据所述洞壁位移和所述被动衬砌支护变形量的超限情况确定对应所述内壁被动衬砌支护数据的所述极限挤压因子；

将所述第一计算结果和所述第一工况进行匹配形成第一样本库，并以所述极限挤压因子作为约束，通过所述第一样本库对神经网络模型进行训练生成第一判断模型；所述第一判断模型的输入数据为围岩参数、挤压因子和内壁被动衬砌支护数据，输出数据为内壁被动衬砌支护是否失效。

本申请实施例实施时，第一判断模型优选为神经网络模型，神经网络模型的训练需要大量的样本，所以在本申请实施例中采用了数值仿真模型的方式进行样本库的获取；其中第一工况采用正交选取的方式获取不同的围岩参数、挤压因子和内壁被动衬砌支护数据，并进行上述三者的组合形成多个不同的第一工况。其中围岩参数可能会包括多种数据，例如围岩参数可以包括地应力、岩体强度、埋深、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角和重度等；由于挤压因子是由地应力和岩体强度计算而来，所以在进行样本选取的时候围岩参数和挤压因子在这方面应当保持一致。

同时，所有的第一仿真模型一般也应当在建模和单元划分上保持一致，在计算过程中可以找出对应不同工况的极限挤压因子，一般认为洞壁位移和/或被动衬砌支护变形量超限临界的情况下的挤压因子为对应当前工况的极限挤压因子；完成第一样本库的生成后可以进行神经网络模型的训练，其中所指的极限挤压因子作为约束是指以以极限挤压因子作为相应的判断条件，应当理解的是，作为神经网络模型结果的约束条件，最终用于判断的极限挤压因子也是由神经网络模型结果生成的，即将目标隧道的围岩参数、挤压因子和内壁被动衬砌支护数据输入到预设的第一判断模型中后，第一判断模型会先根据输入数据计算对应的极限挤压因子，再通过计算出的极限挤压因子与当前工况的挤压因子进行比对最终得出输出结果，当前工况的挤压因子超过极限挤压因子则认为被动内壁被动衬砌支失效；当前工况的挤压因子未超过极限挤压因子则认为被动内壁被动衬砌支未失效。

作为第一仿真模型的示例，请参阅图2，示出了第二仿真模型的计算方案：模型为半径为6.75m的隧道洞室，考虑为平面应变，尺寸为8R×8R，左右边界设水平约束，下边界设竖向约束；模型上边界施加均匀竖向荷载P0以模拟埋深；在开挖洞室表面施加力Pi模拟被动衬砌支护效果。根据挤压因子(Nc＝σcm/P0)设计跨度为0.063-0.25的计算工况，具体来说Nc＝0.063、0.1、0.15、0.20和0.25，Pi＝0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0、3.0和4.0MPa。通过分析不同挤压因子工况下的被动支护力增加对围岩位移的控制效果，结合计算结果中洞壁位移以及衬砌支护力变形量是否超限，从而确定适用被动衬砌支护结构的极限挤压因子Nc_limit。

在一种可能的实现方式中，所述第二判断模型的生成包括：

建立不同的第二工况下主动支护体系下的第二仿真模型；所述第二工况为不同的围岩参数和主动支护参数的组合；所述第二工况中的主动支护参数包括预应力锚杆(索)的长度；

对所有第二仿真模型进行计算获取第二计算结果，所述第二计算结果包括预应力锚杆(索)的杆体延伸率；

将所述第二计算结果和所述第二工况进行匹配形成第二样本库，并以预设的所述锚杆(索)延伸率安全裕度作为约束，通过所述第二样本库对神经网络模型进行训练生成第二判断模型；所述第二判断模型的输入数据为围岩参数和主动支护参数，输出数据为预应力锚杆(索)的杆体延伸率是否超过了所述锚杆(索)延伸率安全裕度。

本申请实施例实施时，第二判断模型优选为神经网络模型，同理于第一判断模型，在本申请实施例中采用了数值仿真模型的方式进行样本库的获取；其中第二工况也采用正交选取的方式获取不同的围岩参数和主动支护参数的组合，并进行上述三者的组合形成多个不同的第二工况。其中主动支护参数也可能会包括多种数据，例如主动支护参数可以包括锚杆锚索选型、长度、弹性模量、截面积、纵向间距、切向间距、预应力量值等；其中主要用于判据的是预应力锚杆(索)的长度在仿真模型中的变化。所有的第二仿真模型一般也应当在建模和单元划分上除了预应力锚杆(索)的部分保持大致一致。在本申请实施例中锚杆(索)延伸率安全裕度作为约束也是作为判例计算的，不同于第一判断模型，第二判断模型是根据输入数据计算出预应力锚杆(索)的杆体延伸率并与对应预设的锚杆(索)延伸率安全裕度进行比较。

示例的，在建立第二仿真模型时，采用与上述第一仿真模型相同尺寸的模型，并计算平衡后的锚杆(索)变形量，通过变形量可以计算预应力锚杆(索)的杆体延伸率。

在一种可能的实现方式中，根据所述预应力锚杆(索)的杆体延伸率和所述锚杆(索)延伸率安全裕度计算主动让压支护的参数包括：

根据所述预应力锚杆(索)的杆体延伸率与所述锚杆(索)延伸率安全裕度的差异计算差异余量；

根据所述差异余量计算让压参数，并通过所述差异余量修正所述锚杆(索)延伸率安全裕度生成修正安全裕度；

将所述修正安全裕度替换所述第二判断模型的锚杆(索)延伸率安全裕度形成第三判断模型；

将所述目标隧道的围岩参数和主动支护参数输入到预设的第三判断模型中；

如果所述第三判断模型的输出结果为预应力锚杆(索)的杆体延伸率大于或等于所述修正安全裕度，则调整所述差异余量并重复计算所述让压参数和所述修正安全裕度直至所述第三判断模型的输出结果为预应力锚杆(索)的杆体延伸率小于所述修正安全裕度；

如果所述第三判断模型的输出结果为预应力锚杆(索)的杆体延伸率小于所述修正安全裕度，则将所述主动支护参数和所述让压参数作为主动让压支护的参数。

本申请实施例实施时，为了提供相应的让压参考数据，在预应力锚杆(索)的杆体延伸率超过了锚杆(索)延伸率安全裕度时计算差异余量，并将这部份差异余量通过让压进行消除，即根据差异余量计算让压参数；完成让压计算后，将这部分差异余量叠加到锚杆(索)延伸率安全裕度形成新的安全裕度，即修正安全裕度，并以此替换掉第二判断模型中的延伸率安全裕度并再次进行计算验证，如果未通过，说明让压幅度不够，则调整差异余量进行迭代计算，直至通过第三判断模型验证，形成最终的计算结果，其优点在于可以很快捷的生成所需要的让压参数。

在一种可能的实现方式中，目标隧道的围岩参数包括地应力、岩体强度、埋深、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角和重度；

所述主动支护参数包括锚杆锚索的选型、长度、弹性模量、截面积、纵向间距、切向间距和预应力量值。

第二方面，本申请实施例提供了基于围岩和支护结构力学特性的支护选型系统，包括：

第一判断单元，被配置为将目标隧道的围岩参数、挤压因子和内壁被动衬砌支护数据输入到预设的第一判断模型中，并接收所述第一判断模型根据极限挤压因子计算的输出结果；所述极限挤压因子为所述内壁被动衬砌支护失效临界对应的挤压因子；

第二判断单元，如果所述第一判断模型的输出结果为内壁被动衬砌支失效，则将所述目标隧道的围岩参数和主动支护参数输入到预设的第二判断模型中，并接收所述第二判断模型根据锚杆(索)延伸率安全裕度计算的输出结果；

第三判断单元，如果所述第二判断模型的输出结果为预应力锚杆(索)的杆体延伸率大于或等于所述锚杆(索)延伸率安全裕度，则根据所述预应力锚杆(索)的杆体延伸率和所述锚杆(索)延伸率安全裕度计算主动让压支护的参数。

在一种可能的实现方式中，还包括第一训练单元，被配置为：

建立不同的第一工况下被动支护体系下的第一仿真模型；所述第一工况为不同的围岩参数、挤压因子和内壁被动衬砌支护数据的组合；

对所有第一仿真模型进行计算获取第一计算结果，所述第一计算结果包括洞壁位移和被动衬砌支护变形量；

根据所述洞壁位移和所述被动衬砌支护变形量的超限情况确定对应所述内壁被动衬砌支护数据的所述极限挤压因子；

将所述第一计算结果和所述第一工况进行匹配形成第一样本库，并以所述极限挤压因子作为约束，通过所述第一样本库对神经网络模型进行训练生成第一判断模型；所述第一判断模型的输入数据为围岩参数、挤压因子和内壁被动衬砌支护数据，输出数据为内壁被动衬砌支护是否失效。

在一种可能的实现方式中，还包括第二训练单元，被配置为：

建立不同的第二工况下主动支护体系下的第二仿真模型；所述第二工况为不同的围岩参数和主动支护参数的组合；所述第二工况中的主动支护参数包括预应力锚杆(索)的长度；

对所有第二仿真模型进行计算获取第二计算结果，所述第二计算结果包括预应力锚杆(索)的杆体延伸率；

将所述第二计算结果和所述第二工况进行匹配形成第二样本库，并以预设的所述锚杆(索)延伸率安全裕度作为约束，通过所述第二样本库对神经网络模型进行训练生成第二判断模型；所述第二判断模型的输入数据为围岩参数和主动支护参数，输出数据为预应力锚杆(索)的杆体延伸率是否超过了所述锚杆(索)延伸率安全裕度。

在一种可能的实现方式中，所述第三判断单元还被配置为：

根据所述预应力锚杆(索)的杆体延伸率与所述锚杆(索)延伸率安全裕度的差异计算差异余量；

根据所述差异余量计算让压参数，并通过所述差异余量修正所述锚杆(索)延伸率安全裕度生成修正安全裕度；

将所述修正安全裕度替换所述第二判断模型的锚杆(索)延伸率安全裕度形成第三判断模型；

将所述目标隧道的围岩参数和主动支护参数输入到预设的第三判断模型中；

如果所述第三判断模型的输出结果为预应力锚杆(索)的杆体延伸率大于或等于所述修正安全裕度，则调整所述差异余量并重复计算所述让压参数和所述修正安全裕度直至所述第三判断模型的输出结果为预应力锚杆(索)的杆体延伸率小于所述修正安全裕度；

如果所述第三判断模型的输出结果为预应力锚杆(索)的杆体延伸率小于所述修正安全裕度，则将所述主动支护参数和所述让压参数作为主动让压支护的参数。

在一种可能的实现方式中，目标隧道的围岩参数包括地应力、岩体强度、埋深、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角和重度；

所述主动支护参数包括锚杆锚索的选型、长度、弹性模量、截面积、纵向间距、切向间距和预应力量值。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示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、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显然本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网格设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于围岩和支护结构力学特性的支护选型方法，其特征在于，包括：

将目标隧道的围岩参数、挤压因子和内壁被动衬砌支护数据输入到预设的第一判断模型中，并接收所述第一判断模型根据极限挤压因子计算的输出结果；所述极限挤压因子为所述内壁被动衬砌支护失效临界对应的挤压因子；

如果所述第一判断模型的输出结果为内壁被动衬砌支护失效，则将所述目标隧道的围岩参数和主动支护参数输入到预设的第二判断模型中，并接收所述第二判断模型根据锚杆（索）延伸率安全裕度计算的输出结果；

如果所述第二判断模型的输出结果为预应力锚杆（索）的杆体延伸率大于或等于所述锚杆（索）延伸率安全裕度，则根据所述预应力锚杆（索）的杆体延伸率和所述锚杆（索）延伸率安全裕度计算主动让压支护的参数；

根据所述预应力锚杆（索）的杆体延伸率和所述锚杆（索）延伸率安全裕度计算主动让压支护的参数包括：

根据所述预应力锚杆（索）的杆体延伸率与所述锚杆（索）延伸率安全裕度的差异计算差异余量；

根据所述差异余量计算让压参数，并通过所述差异余量修正所述锚杆（索）延伸率安全裕度生成修正安全裕度；

将所述修正安全裕度替换所述第二判断模型的锚杆（索）延伸率安全裕度形成第三判断模型；

将所述目标隧道的围岩参数和主动支护参数输入到预设的第三判断模型中；

如果所述第三判断模型的输出结果为预应力锚杆（索）的杆体延伸率大于或等于所述修正安全裕度，则调整所述差异余量并重复计算所述让压参数和所述修正安全裕度直至所述第三判断模型的输出结果为预应力锚杆（索）的杆体延伸率小于所述修正安全裕度；

如果所述第三判断模型的输出结果为预应力锚杆（索）的杆体延伸率小于所述修正安全裕度，则将所述主动支护参数和所述让压参数作为主动让压支护的参数。

2.根据权利要求1所述的基于围岩和支护结构力学特性的支护选型方法，其特征在于，所述第一判断模型的生成包括：

建立不同的第一工况下被动支护体系下的第一仿真模型；所述第一工况为不同的围岩参数、挤压因子和内壁被动衬砌支护数据的组合；

对所有第一仿真模型进行计算获取第一计算结果，所述第一计算结果包括洞壁位移和被动衬砌支护变形量；

根据所述洞壁位移和所述被动衬砌支护变形量的超限情况确定对应所述内壁被动衬砌支护数据的所述极限挤压因子；

将所述第一计算结果和所述第一工况进行匹配形成第一样本库，并以所述极限挤压因子作为约束，通过所述第一样本库对神经网络模型进行训练生成第一判断模型；所述第一判断模型的输入数据为围岩参数、挤压因子和内壁被动衬砌支护数据，输出数据为内壁被动衬砌支护是否失效。

3.根据权利要求1所述的基于围岩和支护结构力学特性的支护选型方法，其特征在于，所述第二判断模型的生成包括：

建立不同的第二工况下主动支护体系下的第二仿真模型；所述第二工况为不同的围岩参数和主动支护参数的组合；所述第二工况中的主动支护参数包括预应力锚杆（索）的长度；

对所有第二仿真模型进行计算获取第二计算结果，所述第二计算结果包括预应力锚杆（索）的杆体延伸率；

将所述第二计算结果和所述第二工况进行匹配形成第二样本库，并以预设的所述锚杆（索）延伸率安全裕度作为约束，通过所述第二样本库对神经网络模型进行训练生成第二判断模型；所述第二判断模型的输入数据为围岩参数和主动支护参数，输出数据为预应力锚杆（索）的杆体延伸率是否超过了所述锚杆（索）延伸率安全裕度。

4.根据权利要求1所述的基于围岩和支护结构力学特性的支护选型方法，其特征在于，目标隧道的围岩参数包括地应力、岩体强度、埋深、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角和重度；

所述主动支护参数包括锚杆锚索的选型、长度、弹性模量、截面积、纵向间距、切向间距和预应力量值、弹性极限强度及对应延伸率、强度极限及对应延伸率。

5.使用权利要求1~4任意一项所述方法的基于围岩和支护结构力学特性的支护选型系统，其特征在于，包括：

第一判断单元，被配置为将目标隧道的围岩参数、挤压因子和内壁被动衬砌支护数据输入到预设的第一判断模型中，并接收所述第一判断模型根据极限挤压因子计算的输出结果；所述极限挤压因子为所述内壁被动衬砌支护失效临界对应的挤压因子；

第二判断单元，如果所述第一判断模型的输出结果为内壁被动衬砌支失效，则将所述目标隧道的围岩参数和主动支护参数输入到预设的第二判断模型中，并接收所述第二判断模型根据锚杆（索）延伸率安全裕度计算的输出结果；

第三判断单元，如果所述第二判断模型的输出结果为预应力锚杆（索）的杆体延伸率大于或等于所述锚杆（索）延伸率安全裕度，则根据所述预应力锚杆（索）的杆体延伸率和所述锚杆（索）延伸率安全裕度计算主动让压支护的参数。

6.根据权利要求5所述的基于围岩和支护结构力学特性的支护选型系统，其特征在于，还包括第一训练单元，被配置为：

建立不同的第一工况下被动支护体系下的第一仿真模型；所述第一工况为不同的围岩参数、挤压因子和内壁被动衬砌支护数据的组合；

对所有第一仿真模型进行计算获取第一计算结果，所述第一计算结果包括洞壁位移和被动衬砌支护变形量；

根据所述洞壁位移和所述被动衬砌支护变形量的超限情况确定对应所述内壁被动衬砌支护数据的所述极限挤压因子；

将所述第一计算结果和所述第一工况进行匹配形成第一样本库，并以所述极限挤压因子作为约束，通过所述第一样本库对神经网络模型进行训练生成第一判断模型；所述第一判断模型的输入数据为围岩参数、挤压因子和内壁被动衬砌支护数据，输出数据为内壁被动衬砌支护是否失效。

7.根据权利要求5所述的基于围岩和支护结构力学特性的支护选型系统，其特征在于，还包括第二训练单元，被配置为：

建立不同的第二工况下主动支护体系下的第二仿真模型；所述第二工况为不同的围岩参数和主动支护参数的组合；所述第二工况中的主动支护参数包括预应力锚杆（索）的长度；

对所有第二仿真模型进行计算获取第二计算结果，所述第二计算结果包括预应力锚杆（索）的杆体延伸率；

将所述第二计算结果和所述第二工况进行匹配形成第二样本库，并以预设的所述锚杆（索）延伸率安全裕度作为约束，通过所述第二样本库对神经网络模型进行训练生成第二判断模型；所述第二判断模型的输入数据为围岩参数和主动支护参数，输出数据为预应力锚杆（索）的杆体延伸率是否超过了所述锚杆（索）延伸率安全裕度。

8.根据权利要求7所述的基于围岩和支护结构力学特性的支护选型系统，其特征在于，所述第三判断单元还被配置为：

根据所述预应力锚杆（索）的杆体延伸率与所述锚杆（索）延伸率安全裕度的差异计算差异余量；

根据所述差异余量计算让压参数，并通过所述差异余量修正所述锚杆（索）延伸率安全裕度生成修正安全裕度；

将所述修正安全裕度替换所述第二判断模型的锚杆（索）延伸率安全裕度形成第三判断模型；

将所述目标隧道的围岩参数和主动支护参数输入到预设的第三判断模型中；

如果所述第三判断模型的输出结果为预应力锚杆（索）的杆体延伸率大于或等于所述修正安全裕度，则调整所述差异余量并重复计算所述让压参数和所述修正安全裕度直至所述第三判断模型的输出结果为预应力锚杆（索）的杆体延伸率小于所述修正安全裕度；

如果所述第三判断模型的输出结果为预应力锚杆（索）的杆体延伸率小于所述修正安全裕度，则将所述主动支护参数和所述让压参数作为主动让压支护的参数。

9.根据权利要求5所述的基于围岩和支护结构力学特性的支护选型系统，其特征在于，目标隧道的围岩参数包括地应力、岩体强度、埋深、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角和重度；

所述主动支护参数包括锚杆锚索的选型、长度、弹性模量、截面积、纵向间距、切向间距和预应力量值。