基于多源实测信息的地下工程初始应力场动态反演方法与流程
本发明涉及地下工程技术领域，具体涉及一种基于多源实测信息的地下工程初始应力场动态反演方法。
背景技术：
目前隧道主要以natm为理念进行设计和施工，为了安全高效地进行施工，需要对隧道进行必要的监控和量测，如断面的位移信息。大埋深硬岩隧道中，常常也把洞壁二次应力作为主要测试项目，施工中有着大量的现场实测信息。大埋深隧道受地形地貌的限制，通常无法对初始地应力场进行实测，而初始应力场又是影响长、大隧道的主要控制性因素。因此，如何有效利用现场实测信息，反演得出初始地应力场等重要参数指标具有极高的研究价值与工程指导意义。
地下工程中，因地下洞室开挖打破了原有的围岩地应力平衡关系，洞壁切向应力σθ急剧增大，径向应力σr急剧降低(基本为零)，此时，洞壁围岩由原始的三维应力状态转变为二维应力状态，也即径向约束得到了解除。
在这种受力状态下，当岩体强度较高时，隧道周边围岩将有可能处于弹性状态；当岩体强度低时，洞室周边围岩进入塑性甚至松动状态的可能较大。因此，对于软岩和硬岩隧道而言，因周边围岩受力状态的不同，利用现场实测信息进行应力场反演分析时的主要控制指标也应有所差异。
由岩体自重和构造作用为主要因素形成的岩体初始地应力场，是隧道开挖后研究岩体力学属性的重要基础。而初始地应力可通过原位地应力现场测试较为准确地获得，但是大部分的测试因场地、经费等因素不能进行，且测试结果较难反映整个隧址区初始地应力场的分布规律，一次反演得到的初始地应力场因受原位地应力数据少、反演区域大等因素影响与现场实际情况往往存在一定的误差，为此，为获得更为准确的初始地应力场分布规律，需要依据工程施工过程中的位移、应力等相关信息，以一次反演得到的初始地应力场为基础，采取某种计算模式或者数学理论开展二次地应力场的反演分析，但是，目前国内外的二次反演方法，在测量原位地应力的钻孔较少且计算区域较大时，反演的到的地应力场与现场实际情况会存在一定误差。
技术实现要素：
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种一种反演过程更加简单、反演结果更加精确的基于多源实测信息的地下工程初始应力场动态反演方法。
为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
提供一种基于多源实测信息的地下硬岩工程初始应力场动态反演方法，其包括以下步骤：
s1：在地下工程的施工期测量硬岩工程上若干位置的实测应力值，实测应力值包括切向应力σy、轴向应力σx和最大主应力；
s2：通过实际硬岩工程的数据，建立模拟硬岩工程的数值模型；
s3：在平面应变假设的基础上，采用平面四边形等参单元对模拟硬岩工程附近的围岩进行弹塑性有限元分析，得到拟合的切向应力σy计算；
s4：根据硬岩工程的实测应力值拟定初始应力边界值σy1；
s5：比较模拟硬岩工程上与现场测试点位置相一致点的切向应力σy计算和实测的切向应力σy；若切向应力σy计算与实测的切向应力σy的差值大于设定值，则初始应力边界值σy1不合理，返回步骤s4重新拟定初始应力边界值σy1；若切向应力σy计算与切向应力σy的差值小于设定值，则初始应力边界值σy1合理；
s6：将合理的初始应力边界值σy1设定为额定应力并作为一组工况；将额定应力代入步骤s2中的数值模型中，并重复步骤s3，计算出新的切向应力值σy计算，并将工况组数量累加一次；
s7：当工况组数量小于设定数量的工况组时，将额定应力按设定增量进行叠加，并返回步骤s6；
s8：当工况组数量大于等于设定数量的工况组时，画出工况组内所有的切向应力σy计算和实测的切向应力σy的关系图，并进行对比；若反演计算的切向应力σy计算的图线与实测的切向应力σy的图线没有交点，则说明不存在满足现场工程的数据的工况；若反演计算的切向应力σy计算的图线与实测的切向应力σy有交点，则距离此交点最近的工况下的应力边界条件为初始应力场。
进一步地，步骤s1包括以下步骤：
s11：选定实际工程中若干岩体完整、受爆破震动影响小的岩体处作为应力的测量点，并对选定的测量点进行切平和打磨；
s12：向测量点上粘贴应变计，并通过半桥接法使应变计与静态电阻仪连接，读取静态电阻仪上应变计检测的初始应变值；
s13：解除应变计上的应力，并读取应力解除后的解除应变值；
s14：运用初始应变值和解除应变值的差值，计算洞壁的实测应力值。
进一步地，测量点上粘贴有三个方向的应变计，三个方向分别为水平的x方向、垂直的y方向和沿着45°的xy方向。
进一步地，步骤s13中解除应变计上的应力的方法为：采用手持式工程钻，并以测量点为中心钻取长度为50mm的岩芯。
进一步地，实际硬岩工程的数据包括纵断面图、横断面图、岩体类型、隧道壁的弹性模量、泊松比、容重、粘聚力以及内摩擦角。
一种基于多源实测信息的地下软岩工程初始应力场动态反演方法，其包括以下步骤：
a1：在地下工程的施工期测量出软岩工程的实测应力值和洞周位移，实测应力值包括切向应力σy*、轴向应力σx*和最大主应力，洞周位移包括拱顶沉降
a2：通过实际软岩工程的数据，建立模拟软岩工程的数值模型；
a3：在平面应变假设的基础上，采用平面四边形等参单元对模拟软岩工程附近的围岩进行弹塑性有限元分析，得到拟合的切向应力σy′、周边收敛d1计算与拱顶沉降d2计算；
a4：根据软岩工程实测的拱顶沉降
a5：比较模拟软岩工程上与现场测试点位置相一致点的切向应力σy计算′和实测的切向应力σy*；若切向应力σy计算′与实测的切向应力σy*的差值大于设定值，则初始应力边界值σy1′不合理，返回步骤a4重新拟定初始应力边界值σy1′；若切向应力σy计算′与实测的切向应力σy*的差值小于设定值，则初始应力边界值σy1′合理，并将合理的初始应力边界值σy1′设定为额定应力；
a6：将额定应力以及额定应力对应的侧压力系数λ作为一组工况，并将该工况代入软岩工程的数值模型中，重复步骤a3，计算出新的切向应力σy计算′、周边收敛d1计算与拱顶沉降d2计算；
a7：将额定应力以及额定应力对应的侧压力系数λ按设定的增量进行叠加，并且工况组数量叠加一次；
a8：重复步骤a6、a7，直到工况组数量大于等于设定数量的工况组，并拟出预设数量的工况组；
a9：画出工况组内所有的周边收敛d1计算与实测的周边收敛
进一步地，步骤a1包括以下步骤：
a11：选定软岩工程内若干岩体完整、受爆破震动影响小处作为应力测量点；并对选定的测量点进行切平和打磨；
a12：向测量点上粘贴应变计，并通过半桥接法使应变计与静态电阻仪连接，读取静态电阻仪上应变计检测的初始应变值；
a13：解除应变计上的应力，并读取应力解除后的解除应变值；
a14：运用初始应变值和解除应变值的差值，计算洞壁的实测应力值。
进一步地，步骤a12中的测量点上粘贴有三个方向的应变计，三个方向分别为沿着水平的x方向、垂直的y方向和沿着45°xy方向。
进一步地，步骤a13中解除应变计上的应力的方法为：采用手持式工程钻，并以测量点为中心钻取长度为50mm的岩芯。
进一步地，实际软岩工程的数据包括纵断面和横断面图、岩体类型、软岩工程的弹性模量、泊松比、容重、粘聚力以及内摩擦角。
本发明的有益效果为：本方案从软、硬岩的工程特性出发，通过利用现场实测信息，主要是实际工程的二次应力以及位移的现场监测，对不同岩性的地下工程地应力进行反演分析。二次应力测量以及工程周围的位移监测成本较低，可以随着地下工程的掘进，不断地对掌子面前方的围岩进行测量获得大量的实测应力数据以及位移监测数据。
本发明对于不同岩性的地下工程采用不同的现场实测数据作为主控指标来对初始应力场进行反演，可以得到比常规反演方法更加准确的应力场反演结果。在计算区域较大且测量原位地应力的钻孔较少甚至没有原位地应力测试时，能够很好地发挥出这种方法的优势。快速地得到准确的应力场信息，能更好的配合现场岩爆或者大变形的预测工作，保障软、硬岩爆或大变形条件下洞室稳定与施工安全。此外，本发明还具有概念清晰、实施简单易行、成本较低等优点。
附图说明
图1为基于多源实测信息的地下硬岩工程初始应力场动态反演方法的流程图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
本发明的实施例以地下工程的地下隧道为例，详细讲解地下硬岩隧道和软岩隧道的初始应力场动态反演方法，以便理解。
如图1所示，一种基于多源实测信息的地下硬岩隧道工程初始应力场动态反演方法，其包括以下步骤：
s1：在隧道施工期测量出洞壁上若干位置的实测应力值，实测应力值包括切向应力σy、轴向应力σx和最大主应力；
步骤s1具体包括以下步骤：
s11：选定隧洞内若干岩体完整、受爆破震动影响小的洞壁处作为应力测量点；并对选定的测量点进行切平和打磨；
s12：向选定的测量点上粘贴应变计，并通过半桥接法使应变计与静态电阻仪连接，读取静态电阻仪上应变计检测的初始应变值；测量点上粘贴有三个方向的应变计，三个方向包括沿着洞轴的x方向、垂直洞轴的y方向和沿着45°xy方向。
s13：解除应变计上的应力，并读取应力解除后的解除应变值；解除应变计上的应力的方法为：采用手持式工程钻，并以测量点为中心钻取长度为50mm的岩芯。
s14：运用初始应变值和解除应变值的差值，计算洞壁的实测应力值。
s2：通过实际硬岩隧道工程的数据，建立模拟隧道的数值模型；硬岩隧道工程的数据主要包括纵断面和横断面图、包含的岩体类型、弹性模量、泊松比、容重、粘聚力以及内摩擦角，并可通过ansys软件建立模拟隧道的数值模型；
s3：在平面应变假设的基础上，采用平面四边形等参单元对模拟隧道的附近围岩进行弹塑性有限元分析，并计算出拟合的切向应力σy计算；
s4：根据洞壁的实测应力值拟定初始应力边界值σy1；若实测值σx＞σy，则初步判断初始应力场的侧压力系数λ<1，反之则λ>1，依据隧道力学理论，初始应力边界值σy1可按照下列公式计算：
σy＝σy1[(1+λ)-2(1-λ)cos2θ]
σx为洞周轴向应力，σy为实测洞周切向应力，θ为计算位置与竖直方向的夹角，λ为隧道洞壁的侧压力系数；
s5：分析反演结果，比较模拟隧道上与现场测试点位置相一致点的切向应力σy计算和实测的切向应力σy；若切向应力σy计算与实测的切向应力σy的差值大于5mpa，则初始应力边界值σy1是不合理的，需返回步骤s4重新拟定初始应力边界值σy1；若切向应力σy计算与实测的切向应力σy的差值小于5mpa，则初始应力边界值σy1是合理的；
s6：将合理的初始应力边界值σy1设定为额定应力并作为一组工况；将额定应力代入步骤s2中的数值模型中，并重复步骤s3，计算出新的切向应力值σy计算，并将工况组数量累加一次；
s7：当工况组数量小于设定数量的工况组时，将额定应力按设定增量进行叠加，并返回步骤s6；
s8：当工况组数量大于等于设定数量的工况组时，画出工况组内所有的切向应力σy计算和实测的切向应力σy的关系图，并进行对比；若反演计算的切向应力σy计算的图线与实测的切向应力σy的图线没有交点，则说明不存在满足现场硬岩隧道工程的数据的工况；若反演计算的切向应力σy计算的图线与实测的切向应力σy有交点，则距离此交点最近的工况下的应力边界条件为初始应力场。
一种基于多源实测信息的地下软岩隧道工程初始应力场动态反演方法，其包括以下步骤：
a1：在隧道施工期测量出洞壁的实测应力值和洞周位移，实测应力值包括切向应力σy*、轴向应力σx*和最大主应力，洞周位移包括拱顶沉降
步骤a1具体包括以下步骤：
a11：选定隧洞内若干岩体完整、受爆破震动影响小的洞壁处作为应力测量点；并对选定的测量点进行切平和打磨；
a12：向选定的测量点上粘贴应变计，并通过半桥接法使应变计与静态电阻仪连接，读取静态电阻仪上应变计检测的初始应变值；测量点上粘贴有三个方向的应变计，三个方向分别为沿着洞轴的x方向、垂直洞轴的y方向和沿着45°xy方向；
a13：解除应变计上的应力，并读取应力解除后的解除应变值；解除应变计上的应力的方法为：采用手持式工程钻，并以测量点为中心钻取长度为50mm的岩芯；
a14：运用初始应变值和解除应变值的差值，计算洞壁的实测应力值，洞周位移在施工期进行测量。
a2：通过实际软岩隧道工程的数据，建立模拟软岩隧道的数值模型；实际软岩隧道工程的数据包括纵断面和横断面图、岩体类型、隧道壁的弹性模量、泊松比、容重、粘聚力以及内摩擦角；
a3：在平面应变假设的基础上，采用平面四边形等参单元对模拟隧道的附近围岩进行弹塑性有限元分析，并计算出拟合的切向应力σy计算′、周边收敛d1计算与拱顶沉降d2计算；
a4：根据软岩隧道实际测量洞壁的拱顶沉降
a5：分析反演结果，比较模拟软岩工程上与现场测试点位置相一致点的切向应力σy计算′和实测的切向应力σy*；若切向应力σy计算′与实测的切向应力σy*的差值大于设定值，则初始应力边界值σy1′不合理，返回步骤a4重新拟定初始应力边界值σy1′；若切向应力σy计算′与实测的切向应力σy*的差值小于设定值，则初始应力边界值σy1′合理，并将合理的初始应力边界值σy1′设定为额定应力；
a6：将额定应力以及额定应力对应的侧压力系数λ作为一组工况，并将该工况代入软岩工程的数值模型中，重复步骤a3，计算出新的切向应力σy计算′、周边收敛d1计算与拱顶沉降d2计算；
a7：将额定应力以及额定应力对应的侧压力系数λ按设定的增量进行叠加，并且工况组数量叠加一次；
a8：重复步骤a6、a7，直到工况组数量大于等于设定数量的工况组，并拟出预设数量的工况组；
a9：画出工况组内所有的周边收敛d1计算与实测的周边收敛
本方案从软、硬岩的工程特性出发，通过利用现场实测信息，主要是洞壁二次应力以及洞周的位移的现场监测，对不同岩性的地下工程地应力进行反演分析。洞壁二次应力测量以及洞周位移监测成本较低，可以随着隧道的掘进，不断地对掌子面前方的围岩进行测量获得大量的实测应力数据以及位移监测数据。
本发明对于不同岩性的隧道采用不同的现场实测数据作为主控指标来对初始应力场进行反演，可以得到比常规反演方法更加准确的应力场反演结果。在计算区域较大且测量原位地应力的钻孔较少甚至没有原位地应力测试时，能够很好地发挥出这种方法的优势。快速地得到准确的应力场信息，能更好的配合现场岩爆或者大变形的预测工作，保障隧道岩爆或大变形条件下洞室稳定与施工安全。此外，本发明还具有概念清晰、实施简单易行、成本较低等优点。
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