一种高岭土化蚀变带深埋隧洞围岩压力计算方法及系统与流程

本发明涉及深埋隧洞围岩压力计算领域，特别是一种高岭土化蚀变带深埋隧洞围岩压力计算方法及系统。

背景技术：

1、随着我国地下工程建设的飞速发展，我国已经成为世界上隧道建设规模、数量和难度最大的国家。然而，隧道施工过程中不可避免的遭遇不良地质体，当深埋隧道穿越高岭土化蚀变岩时，蚀变段内围岩物理力学参数明显降低，尤其是蚀变辉绿岩脉和“高岭土化”花岗岩蚀变岩带，构成岩体中的相对软弱带，给隧洞围岩稳定带来重大影响。

2、实践表明，隧道遭遇高岭土化蚀变带，施工过程中极易诱发隧道围岩垮塌灾害，且具有高突发性、强致灾性。围岩压力是导致高岭土化蚀变带隧道围岩垮塌的直接原因，一方面，围岩的初始应力状态、岩体结构构造、岩体力学性质、地下水等均会影响高岭土化蚀变带隧道的围岩压力，另一方面，隧道开挖断面的形状、施工方法、开挖次序、支护类型、支护时机等工程因素都会对高岭土化蚀变带隧道围岩压力的变化造成重大影响。

3、高岭土化蚀变带围岩压力的研究是进行围岩稳定性评价、隧道工程设计和施工的基础，其不仅影响开挖区域的稳定性及高岭土化蚀变带岩体的稳定性，而且会对相关工程的设计和施工造成直接的影响。

4、因此，亟待开展针对高岭土化蚀变带深埋隧洞围岩压力的研究，为高岭土化蚀变带深埋隧道围岩垮塌灾害防控提供依据。

技术实现思路

1、鉴于上述高岭土化蚀变带围岩压力的研究中的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明所要解决的问题在于如何提供一种高岭土化蚀变带深埋隧洞围岩压力计算方法及系统。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

4、第一方面，本发明实施例提供了一种高岭土化蚀变带深埋隧洞围岩压力计算方法，其包括，进行隧道初期支护钢拱架的应力监测，记录监测钢拱架发生最大变形的位置，分析高岭土化蚀变带钢拱架的变形特征；根据高岭土化蚀变带现场架立钢拱架类型，确定钢拱架的物理参数及本构模型；建立高岭土化蚀变带隧道开挖过程中钢拱架与围岩相互作用的有限元计算模型；根据所述应力监测得到钢拱架应力和钢拱架的变形特征，调试建立的所述有限元计算模型，使所述有限元计算模型内的钢拱架变形特征及内部应力同现场监测数据相一致；根据所述有限元计算模型的计算结果，将拱架与围岩的共节点位置的力进行输出，提取隧道周边围岩的节点力，反演分析出高岭土化蚀变带隧道围岩压力。

5、作为本发明所述高岭土化蚀变带深埋隧洞围岩压力计算方法的一种优选方案，其中：所述分析高岭土化蚀变带钢拱架的变形特征包括以下步骤：记录每个测点的应变数据，包括应变值和时间戳，获取完整的变形过程数据；根据振弦式应变计量测数据，计算每个测点的实际变形量，对比所有测点的变形量，找出最大变形位置，并记录最大变形位置的具体坐标和所在钢拱架的位置；绘制变形-时间曲线，观察变形发展趋势，计算变形速率，分析变形是否趋于稳定；对比不同位置的变形数据，分析变形分布特征；根据应变数据计算钢拱架各部位的应力状态，绘制应力分布图，识别应力集中区域，分析应力分布与变形之间的关系。

6、作为本发明所述高岭土化蚀变带深埋隧洞围岩压力计算方法的一种优选方案，其中：所述分析变形分布特征包括：计算变形率，评估整体变形程度，包括以下内容：变形率的计算公式为：

7、

8、拱顶变形指数cdi为：

9、

10、拱腰变形指数sdi为：

11、

12、拱脚变形指数fdi为：

13、

14、变形不均匀性指数dui为：

15、

16、其中，a为所有测点集合，b为变形量大于阈值α的测点集合；c为拱顶测点集合；d为拱腰测点集合；e为拱脚测点集合；如果变形率>预设的变形阈值θi，则进行以下判断：如果cdi>sdi且cdi>fdi，则变形集中在拱顶；如果sdi>cdi且sdi>fdi，则变形集中在拱腰；如果fdi>cdi且fdi>sdi，则变形集中在拱脚；如果dui>2，则认为变形分布不均匀，需进一步分析原因。

17、作为本发明所述高岭土化蚀变带深埋隧洞围岩压力计算方法的一种优选方案，其中：所述评估整体变形程度还包括：根据变形数据和应力分布，判断钢拱架的整体变形模式，分析变形模式与高岭土化蚀变带地质特性的关联，包括以下步骤：设高岭土化程度高的区域集合为g，则高岭土化影响指数kii的计算公式为：

18、

19、高岭土化敏感性指数ksi为：

20、

21、变形非均匀性指数dni为：dni＝σ(d1,d2,...,dn)/μ(d1,d2,...,dn)；其中，d1,d2,...,dn为各测点的变形量，σ为标准差；μ为平均值；

22、综合评估指数为：cei＝ω1.ksi+ω2dni，其中，ω1和ω2分别为权重；对每个时间点t计算变化率：

23、

24、其中，tk表示最新的监测时间；t1表示初始监测时间；如果|δcei|>阈值θt，则启动预警机制。

25、作为本发明所述高岭土化蚀变带深埋隧洞围岩压力计算方法的一种优选方案，其中：所述本构模型的围岩物理力学参数与现场相一致；钢拱架的本构模型应采用符合拱架实际变形的弹塑性模型。

26、作为本发明所述高岭土化蚀变带深埋隧洞围岩压力计算方法的一种优选方案，其中：所述有限元计算模型中的初期支护包含喷射混凝土和钢拱架两部分，初期支护中的钢拱架根据抗压刚度相等原则将弹性模量折算进初期支护：

27、

28、其中，e为折算后的初期支护的弹性模量，单位为gpa；ec为喷射混凝土的弹性模量单位为gpa；eg为钢拱架弹性模量单位为gpa；sc为混凝土截面积单位为m2；sg为工字钢截面积单位为m2。

29、作为本发明所述高岭土化蚀变带深埋隧洞围岩压力计算方法的一种优选方案，其中：所述将钢拱架与围岩的共节点位置的力进行输出包括：在有限元计算模型中识别钢拱架与围岩的共节点，提取每个共节点的力，包括大小和方向。

30、第二方面，本发明为进一步解决高岭土化蚀变带围岩压力的研究中的问题，实施例提供了高岭土化蚀变带深埋隧洞围岩压力计算系统，其包括：应力监测模块，用于进行隧道初期支护钢拱架的应力监测，记录监测钢拱架发生最大变形的位置，分析高岭土化蚀变带钢拱架的变形特征；参数及本构模型确定模块，用于根据高岭土化蚀变带现场架立钢拱架类型，确定钢拱架的物理参数及本构模型；有限元计算模型建立模块，用于建立高岭土化蚀变带隧道开挖过程中钢拱架与围岩相互作用的有限元计算模型；有限元模型调试模块，用于根据所述应力监测得到钢拱架应力和钢拱架的变形特征，调试建立的所述有限元计算模型，使所述有限元计算模型内的钢拱架变形特征及内部应力同现场监测数据相一致；围岩压力反演分析模块，用于根据所述有限元计算模型的计算结果，将拱架与围岩的共节点位置的力进行输出，提取隧道周边围岩的节点力，反演分析出高岭土化蚀变带隧道围岩压力。

31、第三方面，本发明实施例提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其中：所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的高岭土化蚀变带深埋隧洞围岩压力计算方法的任一步骤。

32、第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中：所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的高岭土化蚀变带深埋隧洞围岩压力计算方法的任一步骤。

33、本发明有益效果为，本发明提供了针对高岭土化蚀变带深埋隧道围岩压力的反演分析方法，可实现高岭土化蚀变带深埋隧道围岩压力的确定，可为相关高岭土化蚀变带长大深埋引水隧洞衬砌设计及施工提供科学依据。

技术特征：

1.一种高岭土化蚀变带深埋隧洞围岩压力计算方法，其特征在于：包括：

2.如权利要求1所述的高岭土化蚀变带深埋隧洞围岩压力计算方法，其特征在于：所述分析高岭土化蚀变带钢拱架的变形特征包括以下步骤：

3.如权利要求2所述的高岭土化蚀变带深埋隧洞围岩压力计算方法，其特征在于：所述分析变形分布特征包括：

4.如权利要求3所述的高岭土化蚀变带深埋隧洞围岩压力计算方法，其特征在于：所述评估整体变形程度还包括：

5.如权利要求4所述的高岭土化蚀变带深埋隧洞围岩压力计算方法，其特征在于：所述本构模型的围岩物理力学参数与现场相一致；钢拱架的本构模型应采用符合拱架实际变形的弹塑性模型。

6.如权利要求5所述的高岭土化蚀变带深埋隧洞围岩压力计算方法，其特征在于：所述有限元计算模型中的初期支护包含喷射混凝土和钢拱架两部分，初期支护中的钢拱架根据抗压刚度相等原则将弹性模量折算进初期支护：

7.如权利要求6所述的高岭土化蚀变带深埋隧洞围岩压力计算方法，其特征在于：所述将拱架与围岩的共节点位置的力进行输出包括：

8.一种高岭土化蚀变带深埋隧洞围岩压力计算系统，基于权利要求1～7任一所述的高岭土化蚀变带深埋隧洞围岩压力计算方法，其特征在于：包括：

9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1～7任一所述的高岭土化蚀变带深埋隧洞围岩压力计算方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1～7任一所述的高岭土化蚀变带深埋隧洞围岩压力计算方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种高岭土化蚀变带深埋隧洞围岩压力计算方法及系统，涉及深埋隧洞围岩压力计算领域，包括进行隧道初期支护钢拱架的应力监测，分析高岭土化蚀变带钢拱架的变形特征；根据高岭土化蚀变带现场架立钢拱架类型；建立有限元计算模型；调试建立的所述有限元计算模型，使所述有限元计算模型内的钢拱架变形特征及内部应力同现场监测数据相一致；根据有限元计算模型的计算结果，将拱架与围岩的共节点位置的力进行输出，反演分析出高岭土化蚀变带隧道围岩压力。本发明提供了针对高岭土化蚀变带深埋隧道围岩压力的反演分析方法，可实现高岭土化蚀变带深埋隧道围岩压力的确定。

技术研发人员：罗春,陈涛,闫生存,樊菊平,李萌,蒲平新,魏小令,袁超义,温哲昊
受保护的技术使用者：四川华能泸定水电有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5