CN116306154A - 一种高应力软岩隧道变形预测与分级方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高应力软岩隧道变形预测与分级方法，包括获取隧道主要岩体的常规物理力学参数；基于所述主要岩体的常规物理力学参数，采用三维数值模型与多元线性回归的方法获取初始地应力场；综合设计阶段围岩段落的划分与初始应力场分布，获取前述围岩段落的代表性计算断面；基于前述围岩段落BQ平均值，调整代表性计算断面弹塑性参数；获取主要岩体的蠕变力学参数，将之赋予前述代表性计算断面，开展隧道裸洞开挖下的变形计算；汇总前述代表性计算断面的最大位移，结合现行通用变形分级标准对隧道全线进行变形预测与分级。本发明能够实现计算过程中围岩弹塑性参数的调整，并且考虑了高应力作用下软岩蠕变效应对变形的影响。

Description

一种高应力软岩隧道变形预测与分级方法

技术领域

本发明涉及隧道工程建设技术领域，具体涉及一种高应力软岩隧道变形预测与分级方法。

背景技术

深埋长大隧道施工中，高应力软岩引发的围岩大变形问题是工程管控重点。西部山区包括渝(重庆)昆(明)高铁、川藏铁路等在建及拟建的隧道工程总计长度将超过1000km，高应力软岩引发的挤压大变形问题将是主要工程难题。针对软岩隧道挤压大变形的研究，主要有：工程实录、变形机制、变形预测，以及变形控制技术等四大类。其中的变形预测是变形机制的直接体现，更是变形控制技术应用的基础，具有鲜明的“承前启后”作用，对防控变形灾害、提升工程质量、确保结构服役性能等具有尤其重要的作用。

针对高应力软岩隧道变形预测与分级，目前主要的技术手段包括：基于统计分析的多指标预测方法、基于支持向量机、粒子群算法和混沌映射的隧道围岩变形预测方法等等。但已有的变形预测方法中均不能够考虑高应力带来的软岩蠕变效应对围岩变形的影响。而实际上，高应力下的软岩蠕变效应，一直以来就是岩石力学领域研究的重点问题，由蠕变造成的隧道支护结构变形、衬砌开裂、渗漏水等更是极为普遍，如新鹧鸪山隧道、杜家山隧道均应岩体的长期蠕变效应引发过二衬开裂现象。因此，为使得大变形预测更加合理、准确，急需提供一种针对上述不足的改进预测方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中的不足，目的在于提供一种高应力软岩隧道变形预测与分级方法，能够实现计算过程中围岩弹塑性参数的调整，并且考虑了高应力作用下软岩蠕变效应对变形的影响。

本发明通过下述技术方案实现：

一种高应力软岩隧道变形预测与分级方法，包括以下步骤：

S1：获取岩体常规物理力学参数；

S2：通过三维数值仿真模型与多元线性回归的方法获取隧道全线初始地应力场；

S3：将岩体划分为若干计算段落，并根据获取的地应力场将每个计算段落的应力水平的其中两个断面作为代表断面；

S4：获取代表断面相对应的弹塑性参数取值，设定前速每个计算段落内代表断面的弹塑性参数以该段落平均值为基础，采用线性差值进行调整；

S5：获取岩体的蠕变力学参数，在弹塑性参数基础上赋予蠕变力学参数，进行隧道裸洞开挖围岩变形计算；

S6：汇总代表性计算断面的最大位移，取每个段落内两个代表断面最大位移的平均值作为该段落预测位移值，结合现行通用变形分级标准对隧道全线进行变形预测与分级。

进一步地，所述步骤S1中获取的岩体的常规物理力学参数包括变形模量E、泊松比μ、容重γ。

进一步地，所述步骤S2还包括以下步骤：

S201：建立包含主要岩性与构造的三维全尺寸高精度隧数值模型；

S202：计算不同应力边界环境下的初始应力场；

S203：运用多元线性回归方法与地勘资料中的部分钻孔应力数据，得到获取隧道全线地应力回归方程；

S204：运用剩余部分钻孔应力数据对地应力反演的可靠性进行检验；

S205：绘制初始地应力分布。

进一步地，所述步骤S3还包括根据地质勘察资料，其中包括岩性、地质构造、岩体风华程度、围岩级别来划分计算段落。

进一步地，所述步骤S3中各计算段落内选择应力水平最大与最小的两个断面作为代表断面。

进一步地，所述步骤S4中代表断面隧道围岩质量指标值为隧道应力水平最大和最小的两个断面围岩质量指标值。

进一步地，所述步骤S5还包括以下步骤：

S501：数值仿真模型地应力平衡模拟；

S502：隧道裸洞开挖弹塑性分析，得到不考虑蠕变效应的最大围岩位移值；

S503：隧道裸洞开挖蠕变分析，得到考虑蠕变效应的最大围岩位移值。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明能够实现计算过程中围岩弹塑性参数的调整，并且考虑了高应力作用下软岩蠕变效应对变形的影响，从而使得大变形预测更加合理、准确。

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为本发明的流程框图；

图2为本发明实施例中三维全尺寸高精度隧道数值模型；

图3为本发明实施例中隧道初始应力场分布；

图4为本发明实施例中的代表断面考虑蠕变效应和不考虑蠕变效应的最大围岩位移值；

图5为本发明实施例中的考虑蠕变效应和不考虑蠕变效应的变形等级预测结构。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1所示，本发明包括以下步骤：

S1、通过地质勘查资料，得到隧道全线的主要岩体，并获取主要岩体的常规物理力学参数，包括变形模量E、泊松比μ、容重γ；本发明实例中主要的岩体与常规物理力学参数如下：

S2、基于前述主要岩体的常规物理力学参数，通过三维数值仿真模型与多元线性回归的方法获取隧道全线初始地应力场；

S2具体包括以下步骤：

S201、建立包含主要岩性与构造的三维全尺寸高精度隧道数值模型，本发明实例中建立的数值模型如图2所示，其中，图中S-Sk3、S-Sk5、N2为钻孔(测地应力用)编号，无特定含义；

S202、计算不同应力边界环境下的初始应力场；

S203、运用多元线性回归方法与地勘资料中的部分钻孔应力数据，得到获取隧道全线地应力回归方程；

其中，将回归计算值作为因变量，把有限元计算得到的不同应力边界下相应于实测点的应力计算值作为自变量，得到回归方程形式如下：

式中，k为观测点的序号；

为第k个观测点的回归计算值；b₀为自由项、b_i为相应于自变量的多元回归系数；/>

和/>

为相应应力分量计算值的单列矩阵，n为工况数。假定有m个观测点，每个测点有6个观测分量，则最小二乘法的残差平方和为：

式中：σ_jk为第k观测点j应力分量的实测值，

为i工况下k观测点j应力分量的有限元计算值；应力分量j＝1,2,…6。对应6个初始应力分量。

根据最小二乘法原理，使得残差平方和Q为最小即可求出相应回归系数，得到回归方程。

S204、运用剩余部分钻孔应力数据对地应力反演的可靠性进行检验；

其中，由于在步骤S2中用了“部分”实测的地应力值，结合数值模拟，通过多元线性回归的方式，获得了隧道全线地应力回归方程；如此，可以得到““余下”有实测地应力值”处的“回归应力值”；对比该“实测值”和“回归值”就可对“地应力回归方程”的可靠性进行检验；比如相差不多10％就认为精度很高。

S205、绘制初始地应力分布；本发明实例中如图3所示。

S3、根据地质勘查资料，包括岩性、地质构造、岩体风化程度、围岩级别等，划分计算段落；并根据前述地应力场，在每个计算段落内选择应力水平最大与最小的两个断面作为代表断面；本发明实例中代表断面如下：

备注：岩性①为炭质板岩，岩性②为断层压碎岩；里程K212前、及K224后，因垂直应力小，地应力场模拟出现明显偏差，予以剔除。

S4、获取与最大、最小隧道围岩质量指标(BQ)值相对应的弹塑性参数取值，包括变形模量E、黏聚力c、内摩擦角

泊松比μ；设定前述每个计算段落内代表断面的弹塑性参数以该段落BQ平均值为基础，采用线性差值进行调整。本发明实例中最大、最小BQ值相对应的弹塑性参数：

S5、获取主要岩体的蠕变力学参数，根据代表断面的岩性，在弹塑性参数基础上赋予蠕变力学参数，进行隧道裸洞开挖围岩变形计算；

其中，S5具体包括以下步骤：

S501、数值仿真模型地应力平衡模拟；

S502、隧道裸洞开挖弹塑性分析，得到不考虑蠕变效应的最大围岩位移值；

S503、隧道裸洞开挖蠕变分析，得到考虑蠕变效应的最大围岩位移值；

本发明实例中代表断面考虑蠕变效应和不考虑蠕变效应的最大围岩位移值如图4所示。

S6、汇总前述代表性计算断面的最大位移，取每个段落内两个代表断面最大位移的平均值作为该段落预测位移值，结合现行通用变形分级标准对隧道全线进行变形预测与分级。在本实例中，基于国际广泛采用的Hoek方案将隧道挤压变形等级分为4级，即轻微挤压变形(1％≤ε≤2.5％)，中等挤压变形(2.5％＜ε≤5％)，严重挤压变形(5％＜ε≤10％)，极严重挤压变形(ε＞10％)，得到的考虑蠕变效应和不考虑蠕变效应的变形等级预测结果如图5所示。值得注意的是，岩体蠕变特性对围岩变形等级的预测是有明显影响，应是在变形预测中所必须考虑的。

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 (7)

1.一种高应力软岩隧道变形预测与分级方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：获取岩体常规物理力学参数；

S2：通过三维数值仿真模型与多元线性回归的方法获取隧道全线初始地应力场；

S3：将岩体划分为若干计算段落，并根据获取的地应力场将每个计算段落的应力水平的其中两个断面作为代表断面；

S4：获取与代表断面隧道围岩质量指标值相对应的弹塑性参数取值，设定前速每个计算段落内代表断面的弹塑性参数以该段落平均值为基础，采用线性差值进行调整；

S5：获取岩体的蠕变力学参数，在弹塑性参数基础上赋予蠕变力学参数，进行隧道裸洞开挖围岩变形计算；

S6：汇总代表性计算断面的最大位移，取每个段落内两个代表断面最大位移的平均值作为该段落预测位移值，结合现行通用变形分级标准对隧道全线进行变形预测与分级。

2.根据权利要求1所述的一种高应力软岩隧道变形预测与分级方法，其特征在于，所述步骤S1中获取的岩体的常规物理力学参数包括变形模量E、泊松比μ、容重γ。

3.根据权利要求1所述的一种高应力软岩隧道变形预测与分级方法，其特征在于，所述步骤S2还包括以下步骤：

S201：建立包含主要岩性与构造的三维全尺寸高精度隧数值模型；

S202：计算不同应力边界环境下的初始应力场；

S203：运用多元线性回归方法与地勘资料中的部分钻孔应力数据，得到获取隧道全线地应力回归方程；

S204：运用剩余部分钻孔应力数据对地应力反演的可靠性进行检验；

S205：绘制初始地应力分布。

4.根据权利要求1所述的一种高应力软岩隧道变形预测与分级方法，其特征在于，所述步骤S3还包括根据地质勘察资料，其中包括岩性、地质构造、岩体风华程度、围岩级别来划分计算段落。

5.根据权利要求1所述的一种高应力软岩隧道变形预测与分级方法，其特征在于，所述步骤S3中个计算段落内选择应力水平最大与最小的两个断面作为代表断面。

6.根据权利要求1所述的一种高应力软岩隧道变形预测与分级方法，其特征在于，所述步骤S4中代表断面隧道围岩质量指标值为隧道应力水平最大和最小的两个断面围岩质量指标值。

7.根据权利要求1所述的一种高应力软岩隧道变形预测与分级方法，其特征在于，所述步骤S5还包括以下步骤：

S501：数值仿真模型地应力平衡模拟；

S502：隧道裸洞开挖弹塑性分析，得到不考虑蠕变效应的最大围岩位移值；

S503：隧道裸洞开挖蠕变分析，得到考虑蠕变效应的最大围岩位移值。

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