一种高地应力软岩隧道谱系化设计方法、终端及存储介质与流程

本发明涉及隧道及地下工程，具体涉及一种高地应力软岩隧道谱系化设计方法、终端及存储介质。

背景技术：

1、高地应力软岩隧道由于其开挖后变形量值大，变形持续时间长，容易出现支护结构侵限或者开裂现象，因此，在设计阶段通过地质参数预估可能出现的变形量值，并采用合理的支护参数就显得尤为重要，但就目前而言，针对高地应力软岩隧道的适应性设计方法并未出现。

2、常规地段的隧道设计主要根据工程经验类比，根据围岩级别参考已经形成的通用图，并在通用图的基础上做出针对性的修改即可，必要通过理论公式或数值计算方法验证特殊地段或特殊结构的稳定性，从而得到最终的支护体系设计参数。

3、由于高地应力软岩隧道目前仍未有相应的设计方法，因此也是目前的研究热点，《一种高原铁路高地应力软岩隧道超前支护设计方法》(申请号:cn202210509009.x)提出了基于软岩隧道无加固掌子面挤出变形计算模型的高原铁路高地应力软岩隧道超前支护设计方法；《高地应力软岩隧道支护结构设计方法、计算机装置及产品》(申请号:cn202111325772.9)设计了一种同时考虑了围岩的形变压力和松动压力的支护方法，并将计算模块写入计算机程序中；《一种用于高地应力软岩隧道大变形控制的初支纵连体系》(申请号:cn202211164047.2)设计了由初支拱架、纵向连接型钢及纵向连接筋组成的初支纵连体系来控制大变形；《高地应力软岩隧道钢拱架支撑结构》(申请号:cn202110875639.4)提出可将多个支撑架以托架相连来增强支撑结构稳定性；《一种抑制高地应力软岩隧道底部变形的支撑结构》(申请号:cn202011642536.5)也设计出了一种控制底部变形的支撑结构；《一种具有让压功能的可接式长锚杆》(专利号:zl202011642536.5)构想了一种用于高地应力软岩隧道中具有分级让压模式的可接式长锚杆；《一种用于高地应力节理软岩隧道的支护体系及施工方法》(申请号:cn202210064687.x)针对高地应力节理软岩提出了利用超前注浆小导管、中空锚杆和锚锁等形成支护体系，并给出了相应施工方法；《一种岭脊段极高地应力软岩隧道施工变形控制的支护方法》(专利号:zl201610359277.2)阐述了控制极高地应力软岩隧道施工变形的支护方式，以每步一支护的施工方法可有效减少施工过程中隧道产生的变形。因此，上述设计方法虽然针对某一构件或某一特定条件进行了设计，但缺乏全面适用于高地应力软岩隧道的系统性设计方法，并不能满足现有的设计需求。

技术实现思路

1、本发明为解决现有技术的不足，目的在于提供一种高地应力软岩隧道谱系化设计方法、终端及存储介质，采用本方案，通过现场获得的地质参数，结合工程特性，能够较为快速的选择出需要的设计参数，并可根据现场揭示的地质情况，快速调整和修正设计参数，实现快速、动态设计的目的。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种高地应力软岩隧道谱系化设计方法，包括以下步骤：

4、s1：确定高地应力软岩隧道围岩所涉及的地质参数的取值范围；

5、s2：选取每个地质参数取值范围内的参数进行一一组合，并按照单双线路隧道尺寸，建立数值计算模型；基于所述数值计算模型，提取不同支护总刚度下隧道的最终变形值；

6、s3：根据地勘阶段测量的地质参数，确定容许的变形值ur，将所述变形值ur带入所述数值计算模型，得到对应的总刚度kr；

7、s4：拟定隧道内相应的结构形式及其支护参数；

8、s5：通过理论计算公式，计算每个支护参数的刚度值；

9、s6：将所有支护参数刚度值之和拟定为设计参数的总刚度kdes，当kdes≥kr，则支护刚度满足需求；

10、s7：隧道开挖后，判断掌子面揭示的围岩和地勘阶段的围岩之间是否存在差异，若存在差异，则重新调整地勘阶段测量的地质参数，并重复步骤s3～s6，直至得到最终的支护参数。

11、相对于现有技术中的设计方法虽然针对某一构件或某一特定条件进行了设计，但缺乏全面适用于高地应力软岩隧道的系统性设计方法，并不能满足现有的设计需求的问题，本方案提供了一种高地应力软岩隧道谱系化设计方法，具体方案中，通过统计分析得到高地应力软岩隧道的围岩参数及地质环境参数的范围，在此基础上进行有限穷举组合，针对每一种组合工况，预先通过数值模拟计算，得到每个工况下，隧道单双线支护刚度与变形的关系表，作为谱系化设计的基础。此后针对具体的工程参数，只需要在谱系化计算表格的基础上，根据工程容许变形量查找对应的支护总刚度需求，并拟定相应的支护参数，通过理论公司计算各支护参数的刚度并求和，判断是否满足总刚度的需求。以上方案通过高地应力软岩隧道全范围覆盖的数值计算模拟，将所有模拟结果形成谱系化表格，后续设计只需要参考表格确定总刚度，并进一步开展各个参数的刚度计算，既避免了设计中繁琐的计算过程，又可以快速的查表和通过公式验算，计算简便可靠，尤其是根据开挖后的围岩参数情况动态设计时，时效性非常显著，有利于现场动态设计调整支护参数。

12、进一步优化，所述地质参数包括有弹性模量e、黏聚力c、内摩擦角泊松比μ、地应力参数δ和侧压力系数λ。

13、进一步优化，所述步骤s3还包括以下子步骤：

14、将所述变形值ur带入所述数值计算模型时，若没有完全相同的计算工况，则根据和所述变形值ur相邻的两组工况，得到变形值ur对应的总刚度kr1和kr2，并取两者的平均值作为总刚度值kr。

15、进一步优化，所述步骤s6包括以下子步骤：

16、若kdes＜kr，则支护刚度不满足需求，需重新调整支护参数，并重复步骤s5和s6，直至支护刚度满足需求。

17、进一步优化，所述隧道内的结构形式包括锚杆锚固，所述锚杆锚固的刚度理论计算公式为：

18、

19、其中：eb为锚杆的弹性模量/gpa，db为锚杆直径/mm，l为锚杆长度/m，sa和sp为锚杆纵向、环向间距/m,r为隧道半径/m。

20、进一步优化，所述隧道内的结构形式包括喷射混凝土，所述喷射混凝土的刚度理论计算公式为：

21、

22、其中：e(t)为考虑混凝土硬化作用的弹性模量/gpa，μ为混凝土泊松比，r为隧道半径/m，t为喷射混凝土厚度/cm。

23、进一步优化，所述隧道内的结构形式包括钢架，所述钢架的刚度理论计算公式为：

24、

25、其中：e为钢拱架材料的弹性模量/gpa，as为钢拱架横截面积/㎡，d为钢拱架排列间距/m，h为钢拱架横截面高度/cm。

26、进一步优化，所述隧道内的结构形式包括二次衬砌，所述二次衬砌的刚度理论计算公式为：

27、elin＝econ(1-ρ)+esecρ；

28、

29、其中：econ为衬砌混凝土的弹性模量/gpa，esec为衬砌钢筋的弹性模量/gpa，elin为衬砌综合弹性模量/gpa，μlin为混凝土泊松比，r为隧道半径/m，tlin为喷射混凝土厚度/cm。

30、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

31、1.本发明提供的一种高地应力软岩隧道谱系化设计方法，通过统计分析得到高地应力软岩隧道的围岩参数及地质环境参数的范围，在此基础上进行有限穷举组合，针对每一种组合工况，预先通过数值模拟计算，得到每个工况下，隧道单双线支护刚度与变形的关系表，作为谱系化设计的基础。此后针对具体的工程参数，只需要在谱系化计算表格的基础上，根据工程容许变形量查找对应的支护总刚度需求，并拟定相应的支护参数，通过理论公司计算各支护参数的刚度并求和，判断是否满足总刚度的需求。

32、2.本发明提供的一种高地应力软岩隧道谱系化设计方法，开展了高地应力软岩隧道全范围覆盖的数值计算模拟，将所有模拟结果形成谱系化表格，后续设计只需要参考表格确定总刚度，并进一步开展各个参数的刚度计算，既避免了设计中繁琐的计算过程，又可以快速的查表和通过公式验算，计算简便可靠，尤其是根据开挖后的围岩参数情况动态设计时，时效性非常显著，有利于现场动态设计调整支护参数。

33、3.本发明提供的一种高地应力软岩隧道谱系化设计方法，同时具有开放性，可在步骤s1形成的谱系化表格中增加新的计算参数，扩大计算覆盖范围，可在步骤s5中增加高性能支护以及新型支护，支护的组合形式也可以不限于上述4项内容，只需要将各种类型的支护刚度计算并求和即可，极大的提高了方法的适用性。