一种用于隧洞复合支护体系的综合刚度确定方法

本发明属于隧洞仿真施工，具体涉及到一种用于隧洞复合支护体系的综合刚度确定方法。

背景技术：

1、ldp（‌围岩纵向变形曲线）、grc（‌位移特征曲线）共同构成了隧道收敛约束法的基础，‌通过它们可以分析隧道开挖引起的围岩变形和支护结构的响应，‌为隧道支护设计提供重要的理论依据和实践指导。‌‌‌岩石理论和数值模拟方法的快速发展的背景下，数值仿真计算方法成为了隧洞的计算分析及设计的重要方法，同时随着支护结构形式的创新与新奥法施工监测水平不断提高，在支护设计的发展中为直观表达围岩与支护的相关作用，收敛约束法应运而生，收敛约束法虽然能够对安装在隧洞中的简单支护结构承担的荷载进行简单估算，但对于包含多种支护结构、不同布置形式的复杂隧洞支护体系，同时还需要考虑各支护的施作时机不同引起的时间效应的影响，其不能反映基于开挖过程的围岩与结构相互作用机理、隧洞-支护体系的协同工作特性及支护结构在体系中发挥的作用，但这个不足确是设计人员所迫切需要了解的，为解答上述问题专家学者使用理论分析及数值计算方法对围压-支护体系进行研究，提取支护特性曲线表征支护刚度，因为支护刚度能直接反应支护结构的支护能力。

2、现有针对于支护体系协同工作特性及支护刚度的研究存在较多不足之处：（1）理论研究常假设支护结构全断面环向均匀铺设，但实际工程中，喷层混凝土、锚杆、钢拱架常常仅在隧洞环向上一定范围内施作，同时理论假设不能充分考虑支护结构的不均匀受力情况；（2）数值法能够较好弥补以上理论法的不足，但数值研究中复合支护刚度相较于单支护刚度研究较少，同时考虑支护施作时间效应后复合支护体系的实际刚度演化过程不明确，复合支护体系的实际刚度贡献值不易计算，未能提出有效可行的计算流程及方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种用于隧洞复合支护体系的综合刚度确定方法，该方案有着定量计算支护刚度、仿真效果好、施工方便的优点。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于隧洞复合支护体系的综合刚度确定方法，包括如下步骤：

3、步骤1，建立包含隧洞的大三维模型，选取监测面，在监测面上选取特征点，在无支护措施下对模型分步开挖，监测选取的特征点，模拟施工过程得到特征点的收敛位移随开挖掘进的演化过程曲线；

4、步骤2，基于虚拟支撑力原理，首先获取开挖隧洞部分岩体对洞周围岩的支撑力，然后将模型中的隧洞一次挖穿，在洞壁施加初始虚拟支撑力，随后按比例逐步减小虚拟支撑力，监测选取的特征点，得出特征点的收敛位移和虚拟支撑力的对应数学关系曲线；

5、步骤3，将步骤1及步骤2中特征点收敛位移进行单位化处理计算位移完成率，进而得到掌子面和监测面的间距与位移完成率的关系曲线、位移完成率与虚拟支撑力的关系曲线，根据两条关系曲线建立掌子面和监测面的间距与洞壁虚拟支撑力的对应曲线图；

6、步骤4，确定复合支护系统中各支护结构施作断面与掌子面的间距，通过掌子面和监测面间距与洞壁虚拟支撑力的对应图形关系可得各位置掌子面提供的虚拟支撑力，通过应力释放来模拟掌子面推进过程，施加支护，在支护断面上设置监测点，计算得出各支护断面处监测点位移完成率，最后绘制出支护作用下掌子面和监测面间距与监测点位移完成率关系曲线；

7、步骤5，使用位移完成率为横坐标，将位移完成率与虚拟支撑力的关系曲线及支护作用下掌子面和监测面间距与特征点位移完成率关系曲线结合起来呈上下分布，连接位移完成率与虚拟支撑力的关系曲线与位移渐近线的交点、支护起始点在横轴上的垂足点，形成线段的斜率与无支护情况下特征点最终收敛位移的乘积即为复合支护体系的实际综合刚度值。

8、上述方案中，步骤1中通过建立大三维模型模拟施工过程，并监测特征点处收敛位移随开挖掘进的演化过程曲线，即掌子面和监测面的间距与特征点处收敛位移的关系曲线；步骤2中通过一次挖穿隧洞，并施加初始虚拟支撑力，随后按比例减少虚拟支撑力，监测选取的特征点的收敛位移，来得到特征点收敛位移与虚拟支撑力的关系曲线；步骤3中通过将特征点收敛位移单位化处理得到掌子面和监测面的间距与位移完成率的关系曲线、位移完成率与虚拟支撑力的关系曲线，通过位移完成率来将两公式合并，得出掌子面和监测面的间距与洞壁虚拟支撑力的对应曲线图；步骤4中，根据复合支护系统中支护结构位置，结合掌子面和监测面间距与洞壁虚拟支撑力的对应图形关系得出各掌子面处的虚拟支撑力，模拟推进过程，计算各支护断面监测点的位移完成率，并得出支护作用下，掌子面和监测面间距与监测点位移完成率关系曲线；步骤5中，通过位移完成率作为横坐标，将移完成率与虚拟支撑力的关系曲线、支护作用下掌子面和监测面间距与特征点位移完成率关系曲线结合，并通过图形关系将线段斜率与无支护情况下特征点最终收敛位移相乘得到复合支护体系的实际综合刚度值。

9、进一步的，步骤3中，模型分步开挖工况中特征点的收敛位移单位化为位移完成率采用公式（1）

10、 （1）

11、式中：为掌子面到达监测面的距离；为特征点在掌子面到达监测面的距离时的收敛位移。

12、通过将掌子面到达监测面的距离时特征点处收敛位移与特征点在模型全纵向开挖完成时的收敛位移相比，来得出位移完成率，来进行转换计算。

13、进一步的，步骤3中，模型分步开挖工况中位移完成率的拟合过程采用公式（2）

14、 （2）

15、式中：为掌子面与监测面重合时特征点的位移完成率；x为掌子面到达监测面的距离，x为待定常数。

16、通过公式（2）来进行位移完成率的ldp曲线拟合计算，方便直观的了解位移完成率的变化趋势。

17、进一步的，步骤2中，虚拟支撑力采用公式（3）

18、（3）

19、式中：为应力释放系数，本计算中从0～100%均匀增大，增加步距为10%，f0为初始虚拟支撑力。

20、通过调节应力释放系数来逐步减小虚拟支撑力，从而方便于得出特征点收敛位移与虚拟支撑力的对应关系曲线。

21、进一步的，步骤3中，特征点的位移完成率采用公式（4）

22、（4）

23、式中：为特征点p在应力释放系数为时的收敛位移；为特征点在荷载释放完成时的收敛位移。

24、通过公式（4）得出各应力释放系数情况下位移完成率和虚拟支撑力对应的计算公式。

25、进一步的，步骤4中由复合支护系统中各支护结构施作断面的间隔距离，确定各支护结构施作断面距离掌子面的间距。

26、根据实际复合支护系统中支护结构的施作间距来模拟各支护结构位置，及与掌子面的间距，提高仿真模拟效果，为实际施工提供更准确的数据。

27、进一步的，所述隧洞的横截面为马蹄形或圆形。

28、马蹄形隧洞截面为马蹄形或圆形施工方便。

29、进一步的，所述监测点选自支护断面的顶点。

30、监测点选自支护断面的顶点处，变形显著，方便检测。

31、进一步的，所述监测面位于隧洞的轴向中间位置，所述特征点位于监测面的顶点。

32、监测面设置在隧洞的轴线中间位置，该处受力及收敛位移具有代表性，可用来模拟隧洞整体情况，特征点选自监测面的顶点，变形显著，方便检测。

33、进一步的，步骤4中应力释放采用公式（3）计算，本计算中从0～100%均匀增大，增加步距为10%。

34、步骤4中通过应力释放计算，来随应力的释放逐渐加强支护，直到应力消失，达到最终支护强度。

35、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

36、1.通过建立大三维模型，模拟计算无支护施工过程中特征点的收敛位移曲线，特征点收敛位移、虚拟支撑力关系曲线，结合模拟复合支护系统施工情况，得出支护作用下掌子面和监测面间距与监测点位移完成率关系曲线，进行数据处理后，最终得出复合支护体系的实际综合刚度值，对支护刚度值进行定量计算，方便于直观了解复合支护系统的刚度情况，定量评估了支护系统保持围岩稳定的能力；

37、2.在支护系统的综合刚度评估中考虑支护结构的不均匀性，针对隧洞断面的顶部选取特征点、监测点，能够反映支护系统的实际工作特性，仿真效果好；

38、3.通过对支护系统的综合刚度值进行计算，为支护系统设计过程提供参考，方便于设计和施工；

39、4.本发明能够展现复合支护体系的施工过程中围岩收敛变形历程与支护体系刚度演化过程，计算原理明确易被接受。