CN117077244B - 穿越采空塌陷区弯曲带隧道结构优化方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种穿越采空塌陷区弯曲带隧道结构优化方法及装置，其中，方法包括：采集待研究隧道场地研究区残余变形情况，得到研究区域在隧道建设完成后长期变形的位移场与隧道建设运营期间隧道沿线残余变形情况，以分析隧道沿线长期变形情况，并对隧道残余变形模式进行归纳，提取隧道位置最大残余沉降量、最大残余水平变形量与隧道沿线倾斜及曲率变形量，以针对采空塌陷区弯曲带拟建隧道，并建立扩大洞径的结构优化方案，并根据隧道沿线残余变形情况，对于不同区段计算沉降缝设置间距和隧道沿线衬砌应力大小，综合确定沉降缝设置方式。由此，解决了相关技术中，未能合理利用隧道穿越采空塌陷区的结构，使得处治方式的经济性较差的技术问题。
Description
技术领域
本申请涉及岩土工程技术领域，特别涉及一种穿越采空塌陷区弯曲带隧道结构优化方法及装置。
背景技术
采空塌陷区在我国分部较广，有的基础设施建设不得不在采空塌陷区上进行。由于隧道结构类工程对变形的要求均十分严格，采空塌陷区场地的稳定性和隧道灾变处治问题具有重要的科学研究意义及工程应用价值。
高速公路隧道选线区域，常经过山岭等存在先前矿产开发利用的地区。目前在高速公路隧道穿越采空塌陷区弯曲带时，在采空塌陷区长期变形影响下隧道沿线会产生一定的变形，若不进行一定的处治，则无法保证隧道建设及运营期间的安全性。
相关技术中，隧道穿越采空塌陷区时处治措施可以为采空塌陷区注浆配合隧道结构处治，但由于注浆成本较大，且隧道穿越采空塌陷区弯曲带时的变形相对较小，使得注浆处治方式的经济性较差，有待改进。
发明内容
本申请提供一种穿越采空塌陷区弯曲带隧道结构优化方法及装置，以解决相关技术中，利用采空塌陷区注浆配合隧道结构处治的方法，注浆成本较高，且未能合理利用隧道穿越采空塌陷区的结构，使得经济性较差的技术问题。
本申请第一方面实施例提供一种穿越采空塌陷区弯曲带隧道结构优化方法，包括以下步骤：采集待研究隧道场地研究区残余变形情况，得到研究区域在隧道建设完成后长期变形的位移场与隧道建设运营期间隧道沿线残余变形情况；根据所述位移场与所述隧道建设运营期间隧道沿线残余变形情况分析隧道沿线长期变形情况，并对隧道残余变形模式进行归纳，提取隧道位置最大残余沉降量、最大残余水平变形量与隧道沿线倾斜及曲率变形量；基于所述隧道位置最大残余沉降量、最大残余水平变形量与隧道沿线倾斜及曲率变形量，针对采空塌陷区弯曲带拟建隧道，根据隧道沿线残余沉降与残余水平位移情况建立扩大洞径的结构优化方案；根据所述隧道沿线残余变形情况，按照残余倾斜变形大小对隧道进行分段，对于不同区段计算沉降缝设置间距，并计算隧道沿线衬砌应力大小，综合确定沉降缝设置方式。
可选地，在本申请的一个实施例中，还包括：基于预设精细化数值模型模拟隧道综合处治效果，计算针对隧道结构优化下的处治效果，验证结构优化方法合理性，直至得到最终结构优化结果。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述根据隧道沿线残余沉降与残余水平位移情况建立扩大洞径的结构优化方案，包括：基于拟建隧道公路等级、车道数量及设计速度，按照预设规范要求确定隧道断面的所属类别；基于所述类别，分析建筑界限中当遇到隧道产生沉降及水平移动时易发生侵入的计算控制点；保持建筑限界尺寸不变，在洞径计算中引入隧道受采空塌陷区影响下长期变形过程中所述最大残余沉降量与所述最大残余水平变形量，生成保证建筑限界不被侵入条件下洞径尺寸优化方案。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述所属类别为单圆心隧道断面或者双圆心隧道断面，其中，所述单圆心隧道断面的计算方式为：
其中，W为隧道最大残余沉降量，u为隧道最大水平位移量，R1为隧道洞径设计半径，l1为第一控制点与第一圆心的水平距离，h1、h2、h3、h4分别为第一控制点、第二控制点、第三控制点、第四控制点与第一圆心的垂直距离；
所述双圆心隧道断面的计算方式为：
其中，R2为双圆心情况下隧道洞径第二设计半径，h5为第四控制点与第二圆心的垂直距离。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述根据所述隧道沿线残余变形情况，按照残余倾斜变形大小对隧道进行分段，对于不同区段计算沉降缝设置间距，并计算隧道沿线衬砌应力大小，综合确定沉降缝设置方式，包括：计算隧道的长期倾斜变形情况，得到隧道在建设及运营期间的累积倾斜变形最大值，并设置隧道沉降缝错动变形阈值，对隧道不同区段的沉降缝布置间距进行计算；计算隧道沿线衬砌应力的大小，以在超出衬砌设计使用混凝土承载力极限的位置布设沉降缝；分析对比加入沉降缝措施前后隧道沿线支护结构的变形、受力、破坏情况，评价设置沉降缝的结构优化效果。
本申请第二方面实施例提供一种穿越采空塌陷区弯曲带隧道结构优化装置，包括：采集模块，用于采集待研究隧道场地研究区残余变形情况，得到研究区域在隧道建设完成后长期变形的位移场与隧道建设运营期间隧道沿线残余变形情况；提取模块，用于根据所述位移场与所述隧道建设运营期间隧道沿线残余变形情况分析隧道沿线长期变形情况，并对隧道残余变形模式进行归纳，提取隧道位置最大残余沉降量、最大残余水平变形量与隧道沿线倾斜及曲率变形量；构建模块，用于基于所述隧道位置最大残余沉降量、最大残余水平变形量与隧道沿线倾斜及曲率变形量，针对采空塌陷区弯曲带拟建隧道，根据隧道沿线残余沉降与残余水平位移情况建立扩大洞径的结构优化方案；计算模块，用于根据所述隧道沿线残余变形情况，按照残余倾斜变形大小对隧道进行分段，对于不同区段计算沉降缝设置间距，并计算隧道沿线衬砌应力大小，综合确定沉降缝设置方式。
可选地，在本申请的一个实施例中，还包括：验证模块，用于基于预设精细化数值模型模拟隧道综合处治效果，计算针对隧道结构优化下的处治效果，验证结构优化方法合理性，直至得到最终结构优化结果。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述构建模块包括：确定单元，用于基于拟建隧道公路等级、车道数量及设计速度，按照预设规范要求确定隧道断面的所属类别；第一分析单元，用于基于所述类别，分析建筑界限中当遇到隧道产生沉降及水平移动时易发生侵入的计算控制点；生成单元，用于保持建筑限界尺寸不变，在洞径计算中引入隧道受采空塌陷区影响下长期变形过程中所述最大残余沉降量与所述最大残余水平变形量，生成保证建筑限界不被侵入条件下洞径尺寸优化方案。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述所属类别为单圆心隧道断面或者双圆心隧道断面，其中，所述单圆心隧道断面的计算方式为：
其中，W为隧道最大残余沉降量，u为隧道最大水平位移量，R1为隧道洞径设计半径，l1为第一控制点与第一圆心的水平距离，h1、h2、h3、h4分别为第一控制点、第二控制点、第三控制点、第四控制点与第一圆心的垂直距离；
所述双圆心隧道断面的计算方式为：
其中，R2为双圆心情况下隧道洞径第二设计半径，h5为第四控制点与第二圆心的垂直距离。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述计算模块包括：第一计算单元，用于计算隧道的长期倾斜变形情况，得到隧道在建设及运营期间的累积倾斜变形最大值，并设置隧道沉降缝错动变形阈值，对隧道不同区段的沉降缝布置间距进行计算；第二计算单元，用于计算隧道沿线衬砌应力的大小，以在超出衬砌设计使用混凝土承载力极限的位置布设沉降缝；第二分析单元，用于分析对比加入沉降缝措施前后隧道沿线支护结构的变形、受力、破坏情况，评价设置沉降缝的结构优化效果。
本申请第三方面实施例提供一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如上述实施例所述的穿越采空塌陷区弯曲带隧道结构优化方法。
本申请第四方面实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上的穿越采空塌陷区弯曲带隧道结构优化方法。
本申请实施例可以采集待研究隧道场地研究区残余变形情况，得到研究区域在隧道建设完成后长期变形的位移场与隧道建设运营期间隧道沿线残余变形情况，以分析隧道沿线长期变形情况，并对隧道残余变形模式进行归纳，提取隧道位置最大残余沉降量、最大残余水平变形量与隧道沿线倾斜及曲率变形量，以针对采空塌陷区弯曲带拟建隧道，并建立扩大洞径的结构优化方案，并根据隧道沿线残余变形情况，对于不同区段计算沉降缝设置间距和隧道沿线衬砌应力大小，综合确定沉降缝设置方式，充分利用隧道场地的结构特点，成本低廉、操作方便，且处治效果好，可以有效保证隧道建设及运营期间的安全性和经济性。由此，解决了相关技术中，利用采空塌陷区注浆配合隧道结构处治的方法，注浆成本较高，且未能合理利用隧道穿越采空塌陷区的结构和力学特点，使得经济性较差的技术问题。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本申请实施例提供的一种穿越采空塌陷区弯曲带隧道结构优化方法的流程图；
图2为根据本申请一个实施例的单圆心隧道断面扩大洞径优化示意图；
图3为根据本申请一个实施例的双圆心隧道断面情况扩大洞径优化示意图；
图4为根据本申请另一个实施例的双圆心隧道断面情况扩大洞径优化示意图；
图5为根据本申请一个实施例的穿越采空塌陷区弯曲带隧道结构优化方法的流程图；
图6为根据本申请一个实施例的桑掌隧道研究区场地残余变形预测结果示意图；
图7为根据本申请一个实施例的桑掌隧道沿线残余变形预测结果示意图；
图8为根据本申请一个实施例的桑掌隧道建筑限界及轮廓设计图；
图9为根据本申请一个实施例的桑掌隧道沉降缝设置示意图；
图10为根据本申请实施例提供的一种穿越采空塌陷区弯曲带隧道结构优化装置的结构示意图；
图11为根据本申请实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
下面参考附图描述本申请实施例的穿越采空塌陷区弯曲带隧道结构优化方法及装置。针对上述背景技术中提到的相关技术中，利用采空塌陷区注浆配合隧道结构处治的方法，注浆成本较高，且未能合理利用隧道穿越采空塌陷区的结构和力学特点，使得经济性较差的技术问题，本申请提供了一种穿越采空塌陷区弯曲带隧道结构优化方法，在该方法中，可以采集待研究隧道场地研究区残余变形情况，得到研究区域在隧道建设完成后长期变形的位移场与隧道建设运营期间隧道沿线残余变形情况，以分析隧道沿线长期变形情况，并对隧道残余变形模式进行归纳，提取隧道位置最大残余沉降量、最大残余水平变形量与隧道沿线倾斜及曲率变形量，以针对采空塌陷区弯曲带拟建隧道，并建立扩大洞径的结构优化方案，并根据隧道沿线残余变形情况，对于不同区段计算沉降缝设置间距和隧道沿线衬砌应力大小，综合确定沉降缝设置方式，充分利用隧道场地的结构特点，成本低廉、操作方便，且处治效果好，可以有效保证隧道建设及运营期间的安全性和经济性。由此，解决了相关技术中，利用采空塌陷区注浆配合隧道结构处治的方法，注浆成本较高，且未能合理利用隧道穿越采空塌陷区的结构和力学特点，使得经济性较差的技术问题。
具体而言，图1为本申请实施例所提供的一种穿越采空塌陷区弯曲带隧道结构优化方法的流程示意图。
如图1所示，该穿越采空塌陷区弯曲带隧道结构优化方法包括以下步骤：
在步骤S101中，采集待研究隧道场地研究区残余变形情况，得到研究区域在隧道建设完成后长期变形的位移场与隧道建设运营期间隧道沿线残余变形情况。
在实际执行过程中，本申请实施例可以收集待研究隧道场地研究区残余变形情况，得到研究区域在隧道建设完成后长期变形的位移场与隧道建设运营期间隧道沿线残余变形情况，以合理利用隧道穿越采空塌陷区的结构和力学特点，进行穿越采空塌陷区弯曲带隧道的结构优化，处治效果好，可以有效保证隧道建设及运营期间的安全性和经济性。
举例而言，本申请实施例可以考虑影响隧道建设场地的采空塌陷区，在影响范围内有多个工作面，获取得到利用数值模拟方法计算的场地范围长期变形预测结果，同时采用网格尺寸更小、剖分精度更高的计算模型来获取残余变形作用下隧道建设场地及隧道结构的长期变形情况。
在步骤S102中，根据位移场与隧道建设运营期间隧道沿线残余变形情况分析隧道沿线长期变形情况，并对隧道残余变形模式进行归纳，提取隧道位置最大残余沉降量、最大残余水平变形量与隧道沿线倾斜及曲率变形量。
作为一种可能实现的方式，本申请实施例可以分析隧道沿线长期变形情况，对隧道残余变形模式进行归纳，即分析隧道长期变形计算结果，提取隧道位置最大残余沉降量、最大残余水平变形量与隧道沿线倾斜变形量，以便合理利用隧道穿越采空塌陷区的结构和力学特点，进行穿越采空塌陷区弯曲带隧道的结构优化，处治效果好，可以有效保证隧道建设及运营期间的安全性和经济性。
在步骤S103中，基于隧道位置最大残余沉降量、最大残余水平变形量与隧道沿线倾斜及曲率变形量，针对采空塌陷区弯曲带拟建隧道，根据隧道沿线残余沉降与残余水平位移情况建立扩大洞径的结构优化方案。
在一些实施例中，本申请实施例可以针对采空塌陷区弯曲带拟建隧道，基于隧道断面的所述类别，如为双圆心断面还是单圆心断面等，根据隧道沿线残余沉降与残余水平位移情况建立保证建筑限界不被侵入条件下扩大洞径的结构优化方案。
可选地，在本申请的一个实施例中，根据隧道沿线残余沉降与残余水平位移情况建立扩大洞径的结构优化方案，包括：基于拟建隧道公路等级、车道数量及设计速度，按照预设规范要求确定隧道断面的所属类别；基于类别，分析建筑界限中当遇到隧道产生沉降及水平移动时易发生侵入的计算控制点；保持建筑限界尺寸不变，在洞径计算中引入隧道受采空塌陷区影响下长期变形过程中最大残余沉降量与最大残余水平变形量，生成保证建筑限界不被侵入条件下洞径尺寸优化方案。
具体地，本申请实施例的隧道扩大洞径的优化方案可以包括：
(1)如图2-图4所示，按照拟建隧道公路等级、车道数量及设计速度，按照规范要求将隧道断面设计分为三类，即单圆心的一种情况和双圆心的两种情况；
(2)分析建筑界限中当遇到隧道洞径产生沉降及水平移动时易发生侵入的计算控制点，在沉降变化中为图2-图4中的第一控制点A，在水平移动变化中为图2-图4中的第一控制点A、第二控制点B、第三控制点C和第四控制点D；
(3)保持建筑限界尺寸不变，在洞径计算中引入隧道受采空塌陷区影响下长期变形过程中最大残余沉降量W与最大残余水平位移量u，提出保证建筑限界不被侵入条件下洞径尺寸优化方案。
可选地，在本申请的一个实施例中，所属类别为单圆心隧道断面或者双圆心隧道断面，其中，单圆心隧道断面的计算方式为：
其中，W为隧道最大残余沉降量，u为隧道最大水平位移量，R1为隧道洞径设计半径，l1为第一控制点与第一圆心的水平距离，h1、h2、h3、h4分别为第一控制点、第二控制点、第三控制点、第四控制点与第一圆心的垂直距离；
双圆心隧道断面的计算方式为：
其中，R2为双圆心情况下隧道洞径第二设计半径，h5为第四控制点与第二圆心的垂直距离。
进一步地，本申请实施例保持建筑限界尺寸不变，在洞径计算中引入隧道受采空塌陷区影响下长期变形过程中最大残余沉降量W与最大残余水平位移量u，提出保证建筑限界不被侵入条件下洞径尺寸优化方案，计算方法如下：
a.对于单圆心隧道断面(如图2所示)
b.对于双圆心隧道断面(如图3、图4所示)
其中，W为隧道最大残余沉降量，u为隧道最大水平位移量，R1为隧道洞径设计半径，l1为第一控制点与第一圆心的水平距离，h1、h2、h3、h4分别为第一控制点、第二控制点、第三控制点、第四控制点与第一圆心的垂直距离，R2为双圆心情况下隧道洞径第二设计半径，h5为第四控制点与第二圆心的垂直距离。
按照上述计算方法，本申请实施例通过代入实际工程参数便可达到在采空塌陷区残余变形影响下隧道断面扩大洞径的优化方案，以保证在长期变形过程中不侵入规范要求下的隧道建筑限界。
在步骤S104中，根据隧道沿线残余变形情况，按照残余倾斜变形大小对隧道进行分段，对于不同区段计算沉降缝设置间距，并计算隧道沿线衬砌应力大小，综合确定沉降缝设置方式。
在实际执行过程中，本申请实施例可以根据隧道沿线残余变形情况，按照残余倾斜变形大小对隧道进行分段，对于不同区段计算沉降缝设置间距，提取隧道中变形较大部分，构建含有沉降缝的数值计算模型，计算残余变形作用下隧道支护结构变形、受力情况，并与设置沉降缝之前的隧道支护结构受残余变形影响下的模拟结果进行对比，确定沉降缝设置方式。
可选地，在本申请的一个实施例中，根据隧道沿线残余变形情况，按照残余倾斜变形大小对隧道进行分段，对于不同区段计算沉降缝设置间距，并计算隧道沿线衬砌应力大小，综合确定沉降缝设置方式，包括：计算隧道的长期倾斜变形情况，得到隧道在建设及运营期间的累积倾斜变形最大值，并设置隧道沉降缝错动变形阈值，对隧道不同区段的沉降缝布置间距进行计算；计算隧道沿线衬砌应力的大小，以在超出衬砌设计使用混凝土承载力极限的位置布设沉降缝；分析对比加入沉降缝措施前后隧道沿线支护结构的变形、受力、破坏情况，评价设置沉降缝的结构优化效果。
可以理解的是，穿越采空塌陷区弯曲带隧道因受采空塌陷区残余变形影响，在隧道沿线可能出现因不均匀沉降带来的较大倾斜变形。本申请实施例可以根据隧道长期变形计算结果，对于隧道沿线设置沉降缝，并在倾斜变形较大位置进行部分加密。
首先，本申请实施例可以计算隧道的长期倾斜变形情况，得到隧道在建设及运营期间的累积倾斜变形最大值；
其次，本申请实施例可以设置隧道沉降缝错动变形阈值，对隧道不同区段的沉降缝布置间距进行计算，计算方法如下：
a≤b/i(x)max，
其中，a为区段内沉降缝布置间距，b为沉降缝错动变形阈值，i(x)max为区段内隧道倾斜变形最大值；
然后，本申请实施例可以计算隧道沿线衬砌应力的大小，在超出衬砌设计使用混凝土承载力极限的位置布设沉降缝，衬砌应力计算方法如下：
σx＝Ekxy，
其中，σx为隧道沿线衬砌应力，E为衬砌弹性模量，kx为隧道沿线曲率变形，y为计算点与中性轴距离；
最后，本申请实施例可以分析对比加入沉降缝措施前后隧道沿线支护结构的变形、受力、破坏情况，评价设置沉降缝的结构优化效果。
可选地，在本申请的一个实施例中，还包括：基于预设精细化数值模型模拟隧道综合处治效果，计算针对隧道结构优化下的处治效果，验证结构优化方法合理性，直至得到最终结构优化结果。
进一步地，在综合确定沉降缝设置方式之后，本申请实施例还可以验证结构优化方法合理性。
本申请实施例可以通过建立精细化数值模型在采空塌陷区长期变形影响下对隧道结构处治进行模拟，建立隧道灾变处治体系并进行处治后隧道变形及应力计算，以验证优化结果，从而使得通过验证的本申请实施例可以应用于岩土工程、交通工程领域的隧道抗灾变处治。
结合图5至图9所示，以一个实施例对本申请实施例的穿越采空塌陷区弯曲带隧道结构优化方法的工作原理进行详细阐述。
以国道307、207线阳泉绕城改线工程设置桑掌隧道为例。
桑掌隧道全长986m，为分离式隧道，单洞跨度12m，高度10m。隧道下伏三层采空塌陷区，隧道建设场地位于采空塌陷区弯曲带内，初步判断会受到采空塌陷区影响。
如图5所示，本申请实施例可以包括以下步骤：
步骤S501：收集隧道所在研究区内场地长期变形情况与隧道建设运营期内隧道沿线残余变形情况。考虑影响隧道建设场地的采空塌陷区，在影响范围内有多个工作面，本申请实施例可以获取得到利用数值模拟方法计算的场地范围长期变形预测结果，场地残余变形可以如图6所示。同时采用网格尺寸更小、剖分精度更高的计算模型来获取残余变形作用下隧道建设场地及隧道结构的长期变形情况，隧道建设后100年内残余变形结果可以如图7所示。
步骤S502：分析隧道受长期变形的影响，归纳隧道残余变形模式。本申请实施例可以分析隧道长期变形计算结果，提取隧道位置最大残余沉降量、最大残余水平变形量与隧道沿线倾斜变形量。如图7所示，隧道位置最大残余沉降最大值为251mm，最大残余水平位移为48mm。
步骤S503：提取隧道位置最大残余沉降量、最大残余水平变形量与倾斜变形情况。基于计算结果，本申请实施例可以拟建桑掌隧道建筑限界及轮廓设计如图8所示，在本例中，隧道设计属于双圆心断面设计情况，本申请实施例可以将残余沉降最大量与残余水平位移最大量乘以1.2的安全系数，则扩大洞径计算参数为：W＝0.3012m，u＝0.0576m，R1＝5.43m，R2＝7.93m，l1＝4.75m，h1＝3.40m，h2＝2.40m，h3＝1.30m，h5＝1.20m。本申请实施例可以将计算参数带入单圆心隧道断面计算公式及双圆心隧道断面计算公式，可得到扩大洞径计算结果为R1’≥5.58m，R2’≥7.99m。同时，在数值模拟计算结果中，隧道纵向坡度值为2.4％～2.6％，处于规范要求的0.3％-3％范围内，横向坡度值为2.0％～2.2％，建筑界限横坡旋转角度为-0.01°～0.07°，隧道横断面不均匀沉降对隧道的建筑限界影响较小，可不考虑此影响。
步骤S504：扩大洞泾优化、沉降缝优化。本申请实施例可以根据获取到的隧道残余变形结果，桑掌隧道在洞口段残余倾斜较大，沉降缝模拟设置在为宽度3cm，沉降缝错动阈值设置为15mm，对隧道不同区段的沉降缝布置间距进行计算，洞口段沉降缝间距设置10m，其余位置设置30m-100m；并对衬砌应力进行计算，对于应力较大位置布置沉降缝，最终沉降缝设置可以如图9所示。
步骤S505：建立性细化数值模型模拟处置结果。建立桑掌隧道处治体系后，模拟结果为：①隧道垂直应力stress-zz值从2.8MPa减小到0.51MPa，stress-xx应力值从1.2MPa减小到0.41MPa，stress-yy应力值从0.5MPa减小到0.07MPa；stress-xy应力值从0.6MPa减小到0.13MPa；stress-xz应力值从1.3MPa减小到0.26MPa,stress-yz应力值从0.9MPa减小到0.1MPa。表明添加伸缩缝、进行扩大洞径的结构优化方案能使二次衬砌支护的受力状态得到很好的改善，可控制桑掌隧道处于安全稳定状态。
根据本申请实施例提出的穿越采空塌陷区弯曲带隧道结构优化方法，可以采集待研究隧道场地研究区残余变形情况，得到研究区域在隧道建设完成后长期变形的位移场与隧道建设运营期间隧道沿线残余变形情况，以分析隧道沿线长期变形情况，并对隧道残余变形模式进行归纳，提取隧道位置最大残余沉降量、最大残余水平变形量与隧道沿线倾斜及曲率变形量，以针对采空塌陷区弯曲带拟建隧道，并建立扩大洞径的结构优化方案，并根据隧道沿线残余变形情况，对于不同区段计算沉降缝设置间距和隧道沿线衬砌应力大小，综合确定沉降缝设置方式，充分利用隧道场地的结构特点，成本低廉、操作方便，且处治效果好，可以有效保证隧道建设及运营期间的安全性和经济性。由此，解决了相关技术中，利用采空塌陷区注浆配合隧道结构处治的方法，注浆成本较高，且未能合理利用隧道穿越采空塌陷区的结构和力学特点，使得经济性较差的技术问题。
其次参照附图描述根据本申请实施例提出的穿越采空塌陷区弯曲带隧道结构优化装置。
图10是本申请实施例的穿越采空塌陷区弯曲带隧道结构优化装置的方框示意图。
如图10所示，该穿越采空塌陷区弯曲带隧道结构优化装置10包括：采集模块100、提取模块200、构建模块300和计算模块400。
具体地，采集模块100，用于采集待研究隧道场地研究区残余变形情况，得到研究区域在隧道建设完成后长期变形的位移场与隧道建设运营期间隧道沿线残余变形情况。
提取模块200，用于根据位移场与隧道建设运营期间隧道沿线残余变形情况分析隧道沿线长期变形情况，并对隧道残余变形模式进行归纳，提取隧道位置最大残余沉降量、最大残余水平变形量与隧道沿线倾斜及曲率变形量。
构建模块300，用于基于隧道位置最大残余沉降量、最大残余水平变形量与隧道沿线倾斜及曲率变形量，针对采空塌陷区弯曲带拟建隧道，根据隧道沿线残余沉降与残余水平位移情况建立扩大洞径的结构优化方案。
计算模块400，用于根据隧道沿线残余变形情况，按照残余倾斜变形大小对隧道进行分段，对于不同区段计算沉降缝设置间距，并计算隧道沿线衬砌应力大小，综合确定沉降缝设置方式。
可选地，在本申请的一个实施例中，穿越采空塌陷区弯曲带隧道结构优化装置10还包括：验证模块。
其中，验证模块，用于基于预设精细化数值模型模拟隧道综合处治效果，计算针对隧道结构优化下的处治效果，验证结构优化方法合理性，直至得到最终结构优化结果。
可选地，在本申请的一个实施例中，构建模块300包括：确定单元、第一分析单元和生成单元。
其中，确定单元，用于基于拟建隧道公路等级、车道数量及设计速度，按照预设规范要求确定隧道断面的所属类别。
第一分析单元，用于基于类别，分析建筑界限中当遇到隧道产生沉降及水平移动时易发生侵入的计算控制点。
生成单元，用于保持建筑限界尺寸不变，在洞径计算中引入隧道受采空塌陷区影响下长期变形过程中最大残余沉降量与最大残余水平变形量，生成保证建筑限界不被侵入条件下洞径尺寸优化方案。
可选地，在本申请的一个实施例中，所属类别为单圆心隧道断面或者双圆心隧道断面，其中，单圆心隧道断面的计算方式为：
其中，W为隧道最大残余沉降量，u为隧道最大水平位移量，R1为隧道洞径设计半径，l1为第一控制点与第一圆心的水平距离，h1、h2、h3、h4分别为第一控制点、第二控制点、第三控制点、第四控制点与第一圆心的垂直距离；
双圆心隧道断面的计算方式为：
其中，R2为双圆心情况下隧道洞径第二设计半径，h5为第四控制点与第二圆心的垂直距离。
可选地，在本申请的一个实施例中，计算模块400包括：第一计算单元、第二计算单元和第二分析单元。
其中，第一计算单元，用于计算隧道的长期倾斜变形情况，得到隧道在建设及运营期间的累积倾斜变形最大值，并设置隧道沉降缝错动变形阈值，对隧道不同区段的沉降缝布置间距进行计算。
第二计算单元，用于计算隧道沿线衬砌应力的大小，以在超出衬砌设计使用混凝土承载力极限的位置布设沉降缝。
第二分析单元，用于分析对比加入沉降缝措施前后隧道沿线支护结构的变形、受力、破坏情况，评价设置沉降缝的结构优化效果。
需要说明的是，前述对穿越采空塌陷区弯曲带隧道结构优化方法实施例的解释说明也适用于该实施例的穿越采空塌陷区弯曲带隧道结构优化装置，此处不再赘述。
根据本申请实施例提出的穿越采空塌陷区弯曲带隧道结构优化装置，可以采集待研究隧道场地研究区残余变形情况，得到研究区域在隧道建设完成后长期变形的位移场与隧道建设运营期间隧道沿线残余变形情况，以分析隧道沿线长期变形情况，并对隧道残余变形模式进行归纳，提取隧道位置最大残余沉降量、最大残余水平变形量与隧道沿线倾斜及曲率变形量，以针对采空塌陷区弯曲带拟建隧道，并建立扩大洞径的结构优化方案，并根据隧道沿线残余变形情况，对于不同区段计算沉降缝设置间距和隧道沿线衬砌应力大小，综合确定沉降缝设置方式，充分利用隧道场地的结构特点，成本低廉、操作方便，且处治效果好，可以有效保证隧道建设及运营期间的安全性和经济性。由此，解决了相关技术中，利用采空塌陷区注浆配合隧道结构处治的方法，注浆成本较高，且未能合理利用隧道穿越采空塌陷区的结构和力学特点，使得经济性较差的技术问题。
图11为本申请实施例提供的电子设备的结构示意图。该电子设备可以包括：
存储器1101、处理器1102及存储在存储器1101上并可在处理器1102上运行的计算机程序。
处理器1102执行程序时实现上述实施例中提供的穿越采空塌陷区弯曲带隧道结构优化方法。
进一步地，电子设备还包括：
通信接口1103，用于存储器1101和处理器1102之间的通信。
存储器1101，用于存放可在处理器1102上运行的计算机程序。
存储器1101可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
如果存储器1101、处理器1102和通信接口1103独立实现，则通信接口1103、存储器1101和处理器1102可以通过总线相互连接并完成相互间的通信。总线可以是工业标准体系结构(Industry Standard Architecture，简称为ISA)总线、外部设备互连(PeripheralComponent，简称为PCI)总线或扩展工业标准体系结构(Extended Industry StandardArchitecture，简称为EISA)总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图11中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
可选地，在具体实现上，如果存储器1101、处理器1102及通信接口1103，集成在一块芯片上实现，则存储器1101、处理器1102及通信接口1103可以通过内部接口完成相互间的通信。
处理器1102可能是一个中央处理器(Central Processing Unit，简称为CPU)，或者是特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称为ASIC)，或者是被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。
本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上的穿越采空塌陷区弯曲带隧道结构优化方法。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或N个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，N个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种穿越采空塌陷区弯曲带隧道结构优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
采集待研究隧道场地研究区残余变形情况，得到研究区域在隧道建设完成后长期变形的位移场与隧道建设运营期间隧道沿线残余变形情况；
根据所述位移场与所述隧道建设运营期间隧道沿线残余变形情况分析隧道沿线长期变形情况，并对隧道残余变形模式进行归纳，提取隧道位置最大残余沉降量、最大残余水平变形量与隧道沿线倾斜及曲率变形量；
基于所述隧道位置最大残余沉降量、最大残余水平变形量与隧道沿线倾斜及曲率变形量，针对采空塌陷区弯曲带拟建隧道，根据隧道沿线残余沉降与残余水平位移情况建立扩大洞径的结构优化方案；
根据所述隧道沿线残余变形情况，按照残余倾斜变形大小对隧道进行分段，对于不同区段计算沉降缝设置间距，并计算隧道沿线衬砌应力大小，综合确定沉降缝设置方式；
其中，所述根据隧道沿线残余沉降与残余水平位移情况建立扩大洞径的结构优化方案，包括：基于拟建隧道公路等级、车道数量及设计速度，按照预设规范要求确定隧道断面的所属类别；基于所述类别，分析建筑界限中当遇到隧道产生沉降及水平移动时易发生侵入的计算控制点；保持建筑限界尺寸不变，在洞径计算中引入隧道受采空塌陷区影响下长期变形过程中所述最大残余沉降量与所述最大残余水平变形量，生成保证建筑限界不被侵入条件下洞径尺寸优化方案；
其中，所述所属类别为单圆心隧道断面或者双圆心隧道断面，其中，
所述单圆心隧道断面的计算方式为：
其中，W为隧道最大残余沉降量，u为隧道最大水平位移量，R1为隧道洞径设计半径，l1为第一控制点与第一圆心的水平距离，h1、h2、h3、h4分别为第一控制点、第二控制点、第三控制点、第四控制点与第一圆心的垂直距离；
所述双圆心隧道断面的计算方式为：
其中，R2为双圆心情况下隧道洞径第二设计半径，h5为第四控制点与第二圆心的垂直距离。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
基于预设精细化数值模型模拟隧道综合处治效果，计算针对隧道结构优化下的处治效果，验证结构优化方法合理性，直至得到最终结构优化结果。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述隧道沿线残余变形情况，按照残余倾斜变形大小对隧道进行分段，对于不同区段计算沉降缝设置间距，并计算隧道沿线衬砌应力大小，综合确定沉降缝设置方式，包括：
计算隧道的长期倾斜变形情况，得到隧道在建设及运营期间的累积倾斜变形最大值，并设置隧道沉降缝错动变形阈值，对隧道不同区段的沉降缝布置间距进行计算；
计算隧道沿线衬砌应力的大小，以在超出衬砌设计使用混凝土承载力极限的位置布设沉降缝；
分析对比加入沉降缝措施前后隧道沿线支护结构的变形、受力、破坏情况，评价设置沉降缝的结构优化效果。
4.一种穿越采空塌陷区弯曲带隧道结构优化装置，其特征在于，包括：
采集模块，用于采集待研究隧道场地研究区残余变形情况，得到研究区域在隧道建设完成后长期变形的位移场与隧道建设运营期间隧道沿线残余变形情况；
提取模块，用于根据所述位移场与所述隧道建设运营期间隧道沿线残余变形情况分析隧道沿线长期变形情况，并对隧道残余变形模式进行归纳，提取隧道位置最大残余沉降量、最大残余水平变形量与隧道沿线倾斜及曲率变形量；
构建模块，用于基于所述隧道位置最大残余沉降量、最大残余水平变形量与隧道沿线倾斜及曲率变形量，针对采空塌陷区弯曲带拟建隧道，根据隧道沿线残余沉降与残余水平位移情况建立扩大洞径的结构优化方案；
计算模块，用于根据所述隧道沿线残余变形情况，按照残余倾斜变形大小对隧道进行分段，对于不同区段计算沉降缝设置间距，并计算隧道沿线衬砌应力大小，综合确定沉降缝设置方式；
其中，所述构建模块包括：确定单元，用于基于拟建隧道公路等级、车道数量及设计速度，按照预设规范要求确定隧道断面的所属类别；第一分析单元，用于基于所述类别，分析建筑界限中当遇到隧道产生沉降及水平移动时易发生侵入的计算控制点；生成单元，用于保持建筑限界尺寸不变，在洞径计算中引入隧道受采空塌陷区影响下长期变形过程中所述最大残余沉降量与所述最大残余水平变形量，生成保证建筑限界不被侵入条件下洞径尺寸优化方案；
其中，所述所属类别为单圆心隧道断面或者双圆心隧道断面，其中，
所述单圆心隧道断面的计算方式为：
其中，W为隧道最大残余沉降量，u为隧道最大水平位移量，R1为隧道洞径设计半径，l1为第一控制点与第一圆心的水平距离，h1、h2、h3、h4分别为第一控制点、第二控制点、第三控制点、第四控制点与第一圆心的垂直距离；
所述双圆心隧道断面的计算方式为：
其中，R2为双圆心情况下隧道洞径第二设计半径，h5为第四控制点与第二圆心的垂直距离。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括：
验证模块，用于基于预设精细化数值模型模拟隧道综合处治效果，计算针对隧道结构优化下的处治效果，验证结构优化方法合理性，直至得到最终结构优化结果。
6.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如权利要求1-3任一项所述的穿越采空塌陷区弯曲带隧道结构优化方法。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行，以用于实现如权利要求1-3任一项所述的穿越采空塌陷区弯曲带隧道结构优化方法。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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