CN116956420A - 一种基于三维地质模型的隧道结构一体化分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三维地质模型的隧道结构一体化分析方法，属于隧道工程技术领域，主要解决目前隧道数值计算分析计算三维数据模型大，难以准确获取隧道断面计算分析结果的问题。本发明通过建立三维地质、隧道模型，根据隧道里程提取对应的地质剖面，并获取地质信息。分析判断当前断面地质信息，以隧道埋深、地下水位、地层变化为判断条件，确定隧道危险断面，提取危险断面对应的地质剖面信息，并建立隧道计算分析模型，采用地层结构法进行二维有限元分析得到隧道断面内力、变形等结果。
Description
技术领域
本发明涉及隧道结构的数值分析方法，尤其是公开一种基于三维地质模型的隧道结构一体化分析方法，属于隧道工程技术领域。
背景技术
对交通的需求促使了隧道的修建和发展，使得穿山越岭成为可能。隧道结构设计计算是工程重点问题，隧道结构与地层之间的相互作用方式是计算的关键所在。随着隧道工程快速发展，隧道结构计算理论逐渐形成体系，包括荷载结构法和地层结构法两种基本的计算模型。在荷载结构法将地层对隧道结构的约束视为施加在隧道结构上不同分布形式的弹性抗力，建立隧道结构计算模型，并分析结构变形、内力。地层结构法将地层和隧道隧道结构结构视为受力整体，利用连续介质力学方法进行整体结构计算分析。荷载结构法计算的荷载往往偏大，经济性较差，同时也不能准确反映地层和隧道结构之间真实的相互作用关系及共同作用。
隧道建设、安全运营离不开隧道结构计算分析，地层结构法在反映真实地层和结构作用上具有很大优势，然而建立整体三维地质、三维隧道模型，存在模型复杂、计算效率低等问题。如何通过地质模型数据判断隧道结构危险断面，进行相应断面的隧道结构分析方法的研究具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于，针对隧道结构计算分析提供一种基于三维地质模型的隧道结构一体化分析方法，主要解决现有分析方法存在模型复杂、计算效率低等技术问题；采用地质剖切的方式获取对应里程的地层信息，根据隧道埋深、地下水位和隧道断面地层变化进行危险断面判断，建立危险断面的地层结构法数值分析模型，创建有限元分析模型计算隧道结构内力，实现基于地质数据判断危险断面判断、并进行隧道结构分析。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于三维地质模型的隧道结构一体化分析方法，包括以下步骤：
S1：基于地质勘察、工程设计资料建立三维地质、隧道模型；
S2：将隧道设计信息(埋深、里程)与三维地质模型关联，通过设定的判断条件自动计算分析，获取危险断面里程；
S3：根据三维地质数据，自动获取危险断面的边界计算条件，分析计算当前隧道断面的位移、应力等。
所述S1具体步骤如下：
(1)统一地质、隧道模型坐标系，根据设计资料确定建模范围，地质模型宽度一般为8D(D为隧道直径)，轴线左右各4D，深度为隧道底部以下2D；
(2)根据地层、钻孔、地下水位等地质勘察数据建立三维地质模型，地层数据包括各地层重度γ、泊松比υ、水平基床系数K、弹性模量E；钻孔数据包括孔口标高、平面位置坐标、平面位置坐标、各地层标高；
(3)根据隧道轴线、隧道断面尺寸信息在三维地质模型中创建隧道三维模型。
所述S2包括根据隧道埋深(隧道拱顶至地面的距离)判断危险断面、根据地下水位判断危险断面、根据地层变化判断危险断面；提取剖面的方法为沿隧道轴线，根据隧道里程每Bm提取地质剖面Geoi，盾构法隧道中B取管片环宽，矿山法隧道B取隧道开挖进尺。
所述根据隧道埋深判断危险断面的步骤如下：
(1)遍历Geoi计算隧道埋深Depthi；
(2)根据Depthi计算求得隧道最大埋深Depthmax，记录对应的隧道里程MDmax、地质剖面GeoDmax；
(3)根据Depthi计算求得隧道最小埋深Depthmin，记录对应的隧道里程MDmin、地质剖面GeoDmin。
所述根据地下水位判断危险断面的步骤如下：
(1)遍历Geoi计算地下水位高度WaterHj；
(2)根据WaterHj计算求得最高地下水位WaterHmax，记录对应的隧道里程MWmax、地质剖面GeoWmax；
(3)根据WaterHj计算求得最低地下水位WaterHmin，记录对应的隧道里程MWmin、地质剖面GeoWmin。
所述根据地层变化判断危险断面的步骤如下：
(1)从提取的Geoi中每x个断面进行一次地层变化判断，一般x取1～10之间的整数；
(2)第k个剖面对应的隧道里程为Milek＝Miles+k×x×B，k＝x,2x,3x…；
(3)逐个分析S1提取剖面地层参数，采用以下方法进行危险断面判断：
①当第k-1个剖面的地层中有地层a，第k个剖面的地层中无地层a，则第k个剖面对应的隧道断面为危险断面；
②当第k-1个剖面的地层中无地层b，第k个剖面的地层中出现了地层b，则第k个剖面对应的隧道断面为危险断面；
③第k个剖面Depthk～(Depthk+D)的深度范围存在软土、杂填土或软硬岩交替地层时，则k个剖面对应的隧道断面为危险断面；
④第k个剖面对应的隧道顶部埋深Depthk，在Depthk～(Depthk+D)的深度范围内地层数量超过nmax时(一般取nmax＝3)，则第j个剖面对应的隧道断面为危险断面。
所述S3具体步骤如下：
(1)以危险断面地质剖面GeoDmax、GeoDmin、GeoWmax、GeoWmin、Geok为基础；
(2)根据地质剖面图提取各地层边界线，并将地质剖面数据转换为边界荷载；
(3)将地层面作为平面单元，盾构管片作为梁单元，根据地质模型获取各地层γ、υ、K、E，赋值给相应的平面单元材料参数；
(4)施加荷载：考虑自重，采用均布荷载施加地面超载，地层底部约束刚体位移，进行网格划分得到有限元分析模型；
(5)采用地层结构法做二维有限元分析。
附图说明
图1本发明提供的基于地质数据的隧道结构分析方法流程图。
图2实施例中的地质模型和隧道示意图。
图3实施例中的地质剖面示意图。
具体实施方式
下面结合图1～3和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示为本发明中所述的一种基于地质数据的隧道结构分析方法的计算流程。以图2所示的某盾构工法隧道及三维地质模型为例阐述本发明所述的分析方法的计算过程。图中line_geo为地层线，隧道起始里程为Miles＝K1+100，管片环宽B＝2m，外径D＝6.2m，内径d＝5.5m。
根据钻孔、地层、隧道信息建立三维地质、隧道模型。地质模型上表面为勘察得到的实际地表面，模型宽度设置为49.6m，深度为隧道底部以下12.4m；根据隧道轴线、隧道尺寸、隧道环宽在三维地质模型中创建隧道模型。本实施例中地质模型各地层面如图2所示，隧道轴线终止里程为Milet＝K1+500，地质模型的长度为Milet-Miles+2B，隧道起始、终止位置分别延伸一个环宽。
通过隧道埋深、地下水位、地层变化3种方法自动获取隧道全长中的危险断面，从起始里程开始，每2m提取地质模型剖面Geoi，共计提取100个地质剖面。
根据隧道埋深获取危险断面：遍历100个地质剖面，得到埋深最大的隧道里程为MDmax、埋深最小的隧道里程为MDmin。在本实施例中隧道埋深最深为24m，里程为K1+170，埋深最浅处为16m，里程为K1+420，提取K1+170、K1+420处地质剖面Geo1070、Geo1420。
根据地下水位获取危险断面：遍历100个地质剖面，得到地下水位最高的隧道里程为MWmax、地下水位最低的隧道里程为MWmin。在本实施例中地下水位最高为-14.5，里程为K1+242，地下水位最低为-22m，里程为K1+320，提取K1+242、K1+320处地质剖面Geo1242、Geo1320。
根据地层变化获取危险断面：本实施例采用地层变化判断条件作为危险断面的选取方式，从上述的100个地质剖面中每5个断面进行一次地层变化判断，地质剖面编号为k＝5,10,15…100。
(1)将第k个地质剖面中的地层信息和第k-1环进行对比，k环地质剖切得到的地层中没有a地层，则该环断面作为危险断面之一，并提取该环的地质剖面。
(2)判断第k+1环是否比k环是否多出了一个地层，是则将该环作为危险断面之一。
(3)判断第k环管片位置处竖向Depthj～(Depthj+D)的深度范围内地层数量超过3时，将该环作为危险断面之一。
(4)判断第j环管片埋深处是否处于软岩，是则作为危险断面处理。
按照上述方式进行分析得到危险断面列表。在本实施例提取的20个断面中，编号90断面比编号89断面多一个地层a，提取该环的地质剖面Geo1280。
根据地质模型获取管片环和地质剖面计算模型的边界条件：
将上一步中提取得到的地质剖面Geo1170、Geo1242、Geo1280、Geo1320、Geo1420进行地层边界线提取，得到该地质剖面中每一个地层的边界线和地层参数。如图3所示为Geo1280的地质剖面，图中linek表示地层线，对应地层的重度γk、泊松比υk、弹性模量Ek。
将地质剖面处理为平面单元、管片作为梁单元，根据地层、管片参数设置计算参数，建立有限元分析模型。
所选的地质剖面中地面有超载为20kN/m2，将地面超载作为均布荷载施加在分析模型的地表线上，约束分析模型的刚体位移，进行网格划分，得到地层结构法的二维有限元分析模型，进行分析计算可得地层和管片结构的内力和位移。
上述具体实施方式是用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，并不能用于限制本发明的范围。应当理解，凡在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都应属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于三维地质模型的隧道结构一体化分析方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：基于地质勘察、工程设计资料建立三维地质、隧道模型；
S2：将隧道设计信息与三维地质模型关联，通过设定的判断条件自动计算分析，获取危险断面里程；
S3：根据三维地质数据，自动获取危险断面的边界计算条件，分析计算当前隧道断面的位移、应力。
2.根据权利要求1所述的一种基于三维地质模型的隧道结构一体化分析方法，其特征在于：所述S1具体步骤如下：
(1)统一地质、隧道模型坐标系，根据设计资料确定建模范围，地质模型宽度为8D，D为隧道直径，轴线左右各4D，深度为隧道底部以下2D；
(2)根据地层、钻孔、地下水位等地质勘察数据建立三维地质模型，地层数据包括各地层重度γ、泊松比v、水平基床系数K、弹性模量E；钻孔数据包括孔口标高、平面位置坐标、平面位置坐标、各地层标高；
(3)根据隧道轴线、隧道断面尺寸信息在三维地质模型中创建隧道模型。
3.根据权利要求1所述的一种基于三维地质模型的隧道结构一体化分析方法，其特征在于：所述S2包括根据隧道埋深判断危险断面、根据地下水位判断危险断面、根据地层变化判断危险断面；提取剖面的方法为沿隧道轴线，根据隧道里程每Bm提取地质剖面Geoi，盾构法隧道中B取管片环宽，矿山法隧道B取隧道开挖进尺。
4.根据权利要求3所述的一种基于三维地质模型的隧道结构一体化分析方法，其特征在于：所述根据隧道埋深判断危险断面的步骤如下：
(1)遍历Geoi计算隧道埋深Depthi；
(2)根据Depthi计算求得隧道最大埋深Depthmax，记录对应的隧道里程MDmax、地质剖面GeoDmax；
(3)根据Depthi计算求得隧道最小埋深Depthmin，记录对应的隧道里程MDmin、地质剖面GeoDmin。
5.根据权利要求3所述的一种基于三维地质模型的隧道结构一体化分析方法，其特征在于：所述根据地下水位判断危险断面的步骤如下：
(1)遍历Geoi计算地下水位高度WaterHj；
(2)根据WaterHj计算求得最高地下水位WaterHmax，记录对应的隧道里程MWmax、地质剖面GeoWmax；
(3)根据WaterHj计算求得最低地下水位WaterHmin；记录对应的隧道里程MWmin、地质剖面GeoWmin。
6.根据权利要求3所述的一种基于三维地质模型的隧道结构一体化分析方法，其特征在于：所述根据地层变化判断危险断面的步骤如下：
(1)从提取的Geoi中每x个断面进行一次地层变化判断，一般x取1～10之间的整数；
(2)第k个剖面对应的隧道里程为Milek＝Miles+k×x×B，k＝x，2x，3x…；
(3)逐个分析S1提取剖面地层参数，采用以下方法进行危险断面判断：
①当第k-1个剖面的地层中有地层a，第k个剖面的地层中无地层a，则第k个剖面对应的隧道断面为危险断面；
②当第k-1个剖面的地层中无地层b，第k个剖面的地层中出现了地层b，则第k个剖面对应的隧道断面为危险断面；
③第k个剖面Depthk～(Depthk+D)的深度范围存在软土、杂填土或软硬岩交替地层时，则k个剖面对应的隧道断面为危险断面；
④第k个剖面对应的隧道顶部埋深Depthk，在Depthk～(Depthk+D)的深度范围内地层数量超过nmax时，则第j个剖面对应的隧道断面为危险断面。
7.根据权利要求1所述的一种基于三维地质模型的隧道结构一体化分析方法，其特征在于：所述S3具体步骤如下：
(1)以危险断面地质剖面GeoDmax、GeoDmin、GeoWmax、GeoWmin、Geok为基础；
(2)根据地质剖面图提取各地层边界线，并将地质剖面数据转换为边界荷载；
(3)将地层面作为平面单元，盾构管片作为梁单元，根据地质模型获取各地层γ、υ、K、E，赋值给相应的平面单元材料参数；
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Cited By (1)
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| CN117540937A (zh) * | 2024-01-10 | 2024-02-09 | 深圳市云图华祥科技有限公司 | 一种基于bim的中风化膨胀性泥岩盾构隧道施工分析方法 |
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2023
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN117540937A (zh) * | 2024-01-10 | 2024-02-09 | 深圳市云图华祥科技有限公司 | 一种基于bim的中风化膨胀性泥岩盾构隧道施工分析方法 |
| CN117540937B (zh) * | 2024-01-10 | 2024-03-22 | 深圳市云图华祥科技有限公司 | 一种基于bim的中风化膨胀性泥岩盾构隧道施工分析方法 |
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