一种适用于软岩隧道不均匀大变形的分级方法及系统与流程

本公开涉及软岩隧道技术领域，特别是涉及一种适用于软岩隧道不均匀大变形的分级方法及系统。

背景技术：

随着我国经济的持续发展，为了满足人们日益增长的交通需求，越来越多的高速公路、铁路被投入建设之中。高速公路、铁路在穿越山岭地区时多采用隧道施工方案。当遇到地质环境较差，围岩强度低，岩体破碎，特别是岩体节理、层理较发育的软岩地区，极易产生局部塑性变形，隧道整体产生不均匀大变形，导致隧道支护结构局部破坏，对施工安全性造成严重威胁。

发明人在研究中发现，隧道变形分级可对变形进行定性评价，为隧道变形破坏的防治提供依据，但以往的变形分级方法主要根据隧道断面局部位置的变形特征值，包括拱顶下沉变形、下导收敛变形和上导收敛变形，而未考虑隧道整体的变形情况，且对隧道变形不均匀程度的研究也很少见。

对于软岩不均匀大变形隧道，首先需要获得基础变形等级，从而确定并优化隧道整体的基础支护强度，其次，还需得到异常变形程度，从而确定对异常变形区域的支护方法和支护强度。很明显，传统的变形分级方法，对软岩隧道不均匀大变形难以提供针对性的施工参考。

因此，如何利用隧道施工中获得变形监控量测数据对软岩隧道不均匀大变形进行准确的分级和定性评价，并为软岩隧道施工和支护提供针对性方案是急需解决的问题。

技术实现要素：

本说明书实施方式的目的是提供一种适用于软岩隧道不均匀大变形的分级方法，根据隧道整体真实、完整的变形数据，进行软岩隧道不均匀大变形分级，结果准确可靠，对软岩隧道不均匀大变形破坏问题的处理，具有针对性和科学性。

本说明书实施方式提供一种适用于软岩隧道不均匀大变形的分级方法，通过以下技术方案实现：

包括：

对隧道初期支护前的断面和初期支护变形稳定后的断面进行尺寸扫描，根据断面前后的尺寸差确定隧道断面整体变形量；

基于隧道断面整体变形量，定义异常变形和异常变形区段，进一步对断面划分变形区段；

对于变形区段计算隧道平均相对变形量和变形不均匀系数，并根据隧道平均相对变形量和变形不均匀系数对将软岩隧道不均匀大变形分级为基础变形等级和变形不均匀等级。

进一步的技术方案，基于隧道断面整体变形量确定变形曲线函数，该变形曲线函数以隧道环向长度为自变量，以对应位置的变形值为因变量，利用该变形曲线函数求得隧道整体的平均变形量。

进一步的技术方案，利用公式求得隧道整体的平均变形量，其中为隧道整体的平均变形量，l为隧道环向总长度，q(l)为以隧道环向长度为自变量，以对应位置的变形值为因变量，确定的变形曲线函数。

进一步的技术方案，隧道断面实际的整体变形量超过隧道整体平均变形量的设定百分比时，即为异常变形，其所在的区段为异常变形区段。

进一步的技术方案，根据是否为异常变形，将隧道断面分为多个具有代表性的变形区段，划分区段的数量根据具体情况确定。

进一步的技术方案，对于各隧道区段，计算各区段的平均变形量，基于各区段的平均变形量再求得隧道平均相对变形量，根据平均相对变形量将基础变形分为多个等级。

进一步的技术方案，各区段的平均变形量计算公式：其中为第i区段的平均变形量，li为第i区段的环向长度，qi(l)为以第i区段环向长度为自变量，以对应位置的变形值为因变量，确定的变形曲线函数。

进一步的技术方案，隧道平均相对变形量计算公式为：

其中为隧道平均相对变形量，d为隧道跨度即隧道断面的最大宽度，l为隧道环向总长度，为第i区段的平均变形量，li为第i区段的环向长度。

进一步的技术方案，利用公式计算变形不均匀系数，其中ξ为变形不均匀系数，为第i个异常变形区段的平均变形量，为第i区段的平均变形量，li为第i区段的环向长度，为第i个异常变形区段的环向长度；

根据变形不均匀系数，将变形不均匀程度分为多个等级。

本说明书实施方式提供一种适用于软岩隧道不均匀大变形的分级系统，通过以下技术方案实现：

包括隧道断面仪及数据处理设备，隧道断面仪对隧道初期支护前的断面和初期支护变形稳定后的断面进行尺寸扫描，并将扫描后的数据传输至数据处理设备，数据处理设备被配置为：

根据断面前后的尺寸差确定隧道断面整体变形量；

基于隧道断面整体变形量，定义异常变形和异常变形区段，进一步对断面划分变形区段；

对于变形区段计算隧道平均相对变形量和变形不均匀系数，并根据隧道平均相对变形量和变形不均匀系数对将软岩隧道不均匀大变形分级为基础变形等级和变形不均匀等级。

显示设备，将数据处理设备的分级结果进行显示。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

1、本方法针对软岩隧道不均匀大变形分级问题，利用隧道断面仪，对隧道初期支护前的断面和初期支护变形稳定后的断面进行尺寸扫描，通过对扫描数据的数学统计和数值计算，获得软岩隧道断面整体变形量，定义异常变形和异常变形区段，进一步对断面划分变形区段，计算隧道平均相对变形量和变形不均匀系数，并根据隧道平均相对变形量和变形不均匀系数对将软岩隧道不均匀大变形分级为基础变形等级和变形不均匀等级，从而对软岩隧道不均匀变形程度进行定性评价。本方法依据隧道整体真实、完整的变形数据，进行软岩隧道不均匀大变形分级，结果准确可靠，对软岩隧道不均匀大变形破坏问题的研究，具有针对性和科学性。

2、本分级方法可用于软岩隧道不均匀大变形的支护优化。如果基础变形等级过大，根据等级大小，相应的加大基础支护强度，如果不均匀等级过大，根据等级大小，对异常变形区域进行相应程度的支护，更好地控制变形，提高施工安全和效率。因此，本方法对软岩不均匀大变形隧道的设计和施工具有很大的实用价值。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是本公开实施例子的评价步骤流程图；

图2是本公开实施例子的初期支护前，隧道断面仪工作示意图；

图3是本公开实施例子的初期支护变形稳定后隧道断面仪工作示意图；

图4是本公开实施例子的隧道变形区段分区示意图；

其中，1-隧道断面仪，2-初期支护前的断面，3-初期支护变形稳定后的断面，4-隧道正常变形界限(变形超过此界限即为异常变形，不超过即为正常变形)，5-正常变形区段(一)，6-异常变形区段(一)，7-正常变形区段(二)，8-异常变形区段(二)，9-正常变形区段(三)。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例子一

正如背景技术所描述的，软岩隧道产生不均匀大变形，导致隧道支护结构局部破坏，对施工安全性造成严重威胁。隧道变形分级可对变形进行定性分析，为隧道变形破坏的防治提供依据。因此，如何利用隧道施工中获得变形监控量测数据对软岩隧道不均匀大变形进行准确的分级和定性评价，并为软岩隧道施工和支护提供针对性方案是急需解决的问题。

该实施例公开了一种适用于软岩隧道不均匀大变形的分级方法，利用隧道断面仪，对隧道初期支护前的断面和初期支护变形稳定后的断面进行尺寸扫描，通过对扫描数据的数学统计和数值计算，获得软岩隧道断面整体变形量，定义异常变形和异常变形区段，进一步对断面划分变形区段，计算隧道平均相对变形量和变形不均匀系数，并根据隧道平均相对变形量和变形不均匀系数对将软岩隧道不均匀大变形分级为基础变形等级和变形不均匀等级，从而对软岩隧道不均匀变形程度进行定性评价，提出了一种适用于软岩隧道不均匀大变形的分级方法。本方法根据隧道整体真实、完整的变形数据，进行软岩隧道不均匀大变形分级，结果准确可靠，对软岩隧道不均匀大变形破坏问题的处理，具有针对性和科学性。

具体参见如图1和图2-3所示，具体包括：

(1)利用隧道断面仪1，对隧道初期支护前的断面2和初期支护变形稳定后的断面3进行尺寸扫描，根据断面前后的尺寸差确定隧道断面整体变形量；

(2)根据隧道实际变形值，利用公式：求得隧道整体的平均变形量。其中为隧道整体的平均变形量，l为隧道环向总长度，q(l)为以隧道环向长度为自变量，以对应位置的变形值为因变量，确定的变形曲线函数。变形量超过隧道整体平均变形量的20％时，即为异常变形，其所在的区段为异常变形区段。

具体参见附图4所示，隧道正常变形界限4，变形超过此界限即为异常变形，不超过即为正常变形，通过该隧道正常变形界限4，可以得出隧道存在正常变形区段(一)5，异常变形区段(一)6，正常变形区段(二)7，异常变形区段(二)8，正常变形区段(三)9。

(3)根据是否为异常变形，将隧道断面分为多个具有代表性的变形区段，划分区段的数量根据具体情况确定。各区段的平均变形量计算公式：其中为第i区段的平均变形量，li为第i区段的环向长度，qi(l)为以第i区段环向长度为自变量，以对应位置的变形值为因变量，确定的变形曲线函数。

(4)根据各隧道区段求得的平均变形量，用公式求得隧道平均相对变形量。其中为隧道平均相对变形量，d为隧道跨度(隧道断面的最大宽度)。

(5)根据平均相对变形量，将基础变形分为ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ、ⅴ五个等级，如表1所示。

表1基础变形分级表

(6)利用公式计算变形不均匀系数，其中ξ为变形不均匀系数，为第i个异常变形区段的平均变形量，为第i个异常变形区段的环向长度。

(7)根据变形不均匀系数，将变形不均匀程度分为ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ四个等级，如表2所示。

表2变形不均匀分级表

本分级方法适用于软岩隧道不均匀大变形的分级，包括软岩隧道断面整体变形量的获取，软岩隧道断面异常变形的定义，软岩隧道断面变形区段的划分，平均相对变形量的计算，基础变形等级的划分，变形不均匀系数的计算，变形不均匀等级的划分。可用于软岩隧道不均匀大变形的支护优化，根据预测变形等级的大小，采取相应的等级的支护优化措施。如果基础变形等级过大，根据等级大小，相应的加大隧道基础支护强度，如果不均匀等级过大，根据等级大小，对隧道异常变形区域进行相应程度的支护，更好地控制变形，提高施工安全和效率。因此，本方法对软岩不均匀大变形隧道的设计和施工具有很大的实用价值。

实施例子二

本说明书实施方式提供一种适用于软岩隧道不均匀大变形的分级系统，通过以下技术方案实现：

包括隧道断面仪及数据处理设备，隧道断面仪对隧道初期支护前的断面和初期支护变形稳定后的断面进行尺寸扫描，并将扫描后的数据传输至数据处理设备，数据处理设备被配置为：

根据断面前后的尺寸差确定隧道断面整体变形量；

基于隧道断面整体变形量，定义异常变形和异常变形区段，进一步对断面划分变形区段；

对于变形区段计算隧道平均相对变形量和变形不均匀系数，并根据隧道平均相对变形量和变形不均匀系数对将软岩隧道不均匀大变形分级为基础变形等级和变形不均匀等级。

显示设备，将数据处理设备的分级结果进行显示。

该数据处理设备可为计算机、服务器、处理器等能够实现对数据的计算处理的电子相关的设备。

该数据处理设备在进行分级的过程中所涉及的计算参见实施例子一中的一种适用于软岩隧道不均匀大变形的分级方法，此处不再进行具体说明。

可以理解的是，在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“另一实施例”、“其他实施例”、或“第一实施例～第n实施例”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发明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一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。