一种考虑碳排放量的隧道初期支护参数优化方法

本发明属于隧道施工，尤其涉及一种考虑碳排放量的隧道初期支护参数优化方法。

背景技术：

1、隧道施工中，混凝土与钢材的碳排放量在隧道建设期碳排放总量中占比较大，导致不能实现绿色施工。

2、因此，在保持施工稳定安全的前提下，需要设计一种考虑碳排放量的隧道初期支护参数优化方法，优化初期支护作业中混凝土与锚杆等支衬材料的投入，从而有效地削弱隧道在建设阶段的碳排放。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种考虑碳排放量的隧道初期支护参数优化方法。

2、本发明提供了一种考虑碳排放量的隧道初期支护参数优化方法，包括以下步骤：

3、步骤1、通过荷载结构法构建隧道初期支护参数与拱顶位移量目标函数，通过碳排放因子法构建隧道初期支护参数与碳排放量目标函数；

4、步骤2、对所述隧道初期支护参数与拱顶位移量目标函数和所述隧道初期支护参数与碳排放量目标函数进行求解，获取最优前沿解集，具体包括：

5、采用多目标遗传算法优化对所述隧道初期支护参数与拱顶位移量目标函数和所述隧道初期支护参数与碳排放量目标函数进行求解，在求解过程中，利用优劣解距离法对所述多目标遗传算法进行优化。

6、进一步，所述步骤1中，基于荷载结构法与结构力学中的矩阵位移法，对隧道岩体与初期支护截面组合支护体系进行参数化建模，构建拱顶位移量目标函数。

7、进一步，根据结构力学，将隧道初期支护截面离散单元化为彼此铰接的梁单元，对梁单元施荷的隧道岩体离散并简化为彼此独立的岩柱及与梁单元中段铰接的弹簧，体系荷载与单元位移之间的关系表达式如下：

8、[k]{δ}＝{f}；

9、其中，{f}对应支护结构所受荷载，包括形变荷载与自重荷载；

10、[k]为支护系统的总体刚度矩阵，集成弹簧单元与梁单元的刚度；{δ}为支护结构位移矩阵。

11、进一步，所述支护系统的总体刚度，具体包括：

12、钢拱架为偏心受压构件，用于在喷射混凝土之前承担围岩形变压力，在喷射混凝土施作后作为加强支护，与混凝土共同作用；采用等效弯曲刚度法，隧道初期支护等效截面抗弯刚度如下：

13、ei＝ecic+eaia；

14、ea＝ecac+eaaa；

15、其中，ei,ea分别为构件截面抗弯刚度与轴向刚度；

16、ecic,ecac分别为喷射混凝土截面抗弯刚度与轴向刚度；

17、eaia,eaaa分别为钢拱架截面抗弯刚度与轴向刚度；

18、锚杆加强的围岩区域为等效增强体，此时围岩弹性模量为：

19、

20、其中，e锚为锚杆弹性模量；

21、r锚为锚杆直径；

22、e为原生岩体的弹性模量；

23、d锚环,d锚纵分别为锚杆的环向间距与纵向间距；

24、围岩的弹性抗力系数通过下式转化：

25、

26、其中，kr为围岩的弹性抗力系数，μ为围岩的泊松比；

27、局部坐标系下弹簧单元刚度矩阵表达式为：

28、

29、其中，l为岩体“弹簧”的作用范围长度，b为矩形单元的宽度，ks'为局部坐标系下弹簧单元刚度；

30、

31、其中，α为杆系与水平面的夹角；

32、整体坐标系下的弹簧单元刚度ks矩阵表达式为：

33、[ks]＝[rs][ks′][rs]t；

34、对单元两端的受力与形变的极限化为梁单元中点位移与内力的映射关系：

35、

36、kl'为局部坐标系下梁单元刚度；

37、

38、其中，α为梁单元与水平面的夹角；

39、整体坐标系下梁单元的刚度kl矩阵表达式为：

40、[kl]＝[rl][kl′][rl]t；

41、支护结构的总体刚度矩阵如下：

42、[k]＝[ks]+[kl]；

43、进一步，所述支护结构所受荷载，具体包括：

44、在梁单元极限化为梁单元中点后，梁单元的自重荷载表相应的荷载关系矩阵表达式调整为梁中点的等效荷载，达式如下：

45、

46、其中，γ为衬砌混凝土材料重度，d为梁单元宽度，l为梁单元长度，h为梁单元厚度，对应喷射混凝土厚度；

47、支护结构的自重荷载表达式如下：

48、

49、隧道的初期支护形变荷载表达式如下：

50、

51、e＝λq；

52、其中，q与e分别为竖向形变荷载与横向形变荷载；α为修正系数，s为围岩级别；b为隧道开挖线跨度；h为隧道平均埋深；λ为水平侧压力系数，按照围岩等级取值；

53、对于梁单元的形变荷载，表达式如下：

54、

55、其中，fxi为水平分力，fyi为垂直分力，mi为力矩，α为单元与水平面的夹角；

56、支护体系的形变荷载表达式如下：

57、

58、其中，{f}i为梁单元的形变荷载分力；

59、支护体系节点等效荷载矩阵表达式为：

60、{f}＝{f}+{g}；

61、其中，{f}为支护体系的形变荷载，{g}为衬砌自重荷载。

62、进一步，所述步骤1中，通过碳排放因子法构建隧道初期支护参数与碳排放量目标函数；具体包括：

63、(1)确定优化参数；

64、根据定额数据与数据库中的碳排放因子确定隧道初期支护稳定目标函数与排放量目标函数优化的项目为：喷射混凝土厚度、锚杆环向间距、锚杆纵向间距、钢拱架纵向间距；

65、(2)基于优化项目构建隧道延米初期支护待优化部件的碳排放量目标函数，表达式如下：

66、e＝s砼×e砼+l锚×s锚×e锚+l拱×s拱×e拱；

67、s砼为隧道断面喷射混凝土截面积，l锚为延米内锚杆总长度，l拱为延米内钢拱架长度；e砼,e锚,e拱分别为喷射混凝土、锚杆与钢拱架的碳排放因子。

68、进一步，步骤2中，采用多目标遗传算法优化对所述隧道初期支护参数与拱顶位移量目标函数和所述隧道初期支护参数与碳排放量目标函数进行求解，在求解过程中，利用优劣解距离法对所述多目标遗传算法进行优化，具体包括：

69、s2.1：设置支护参数，所述支护参数包括地层、结构、待优化部件规格与碳排放因子参数；将所述支护参数中的地层、结构输入拱顶位移量目标函数中获取拱顶位移量，将支护参数中的待优化部件规格与碳排放因子参数输入碳排放量目标函数中获取碳排放量；

70、s2.2：随机生成初始种群，获取父代种群；

71、s2.3：设定最大迭代次数，判断是否满足最大迭代次数，若满足，对拱顶位移量和碳排放量依据加权法赋权，按照单一效用度获取最优解；若不满足，进行下一步s2.4；

72、s2.4：通过对目标函数值拱顶位移量和碳排放量进行排序与可行解判断；获取父代种群；

73、s2.5：对种群通过快速非支配排序算法进行快速进行非支配排序；

74、s2.6：通过拥挤度策略和拥挤度比较算子对种群进行拥挤度选择、交叉、变异生成子种群，消除不可行解；

75、s2.7：合并父子种群进行非支配排序生成新种群，更新迭代次数，返回s2.3继续判断。

76、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

77、(1)本发明采用荷载-结构法与碳排放因子法分别对隧道岩体与初期支护截面进行参数化建模，构造碳排放量目标函数、拱顶位移量目标函数；采用多目标遗传算法进行多目标优化，得到优化结果的最优前沿解集，借助加权优劣解距离法，从最优解集中排序遴选最佳方案作为初期支护的设计参数，从而有效地削弱隧道在建设阶段的碳排放；

78、(2)本发明采用多目标遗传算法进行多目标优化，除了快速非支配排序算法，也采用了拥挤度策略和拥挤度比较算子，使得快速排序后的同级比较能以简洁高效的机制进行；在种群进化层面，多目标遗传算法引入了精英策略，在快速非支配排序融合了父子代双种群前提下，两代的精英种群基因得以保留，提高了算法的优化效能和鲁棒性。