本發(fā)明屬于隧洞仿真施工，具體涉及到一種用于隧洞復(fù)合支護(hù)體系的綜合剛度確定方法。

背景技術(shù)：

1、ldp（?圍巖縱向變形曲線）、grc（?位移特征曲線）共同構(gòu)成了隧道收斂約束法的基礎(chǔ)，?通過它們可以分析隧道開挖引起的圍巖變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，?為隧道支護(hù)設(shè)計提供重要的理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。???巖石理論和數(shù)值模擬方法的快速發(fā)展的背景下，數(shù)值仿真計算方法成為了隧洞的計算分析及設(shè)計的重要方法，同時隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)形式的創(chuàng)新與新奧法施工監(jiān)測水平不斷提高，在支護(hù)設(shè)計的發(fā)展中為直觀表達(dá)圍巖與支護(hù)的相關(guān)作用，收斂約束法應(yīng)運(yùn)而生，收斂約束法雖然能夠?qū)Π惭b在隧洞中的簡單支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)的荷載進(jìn)行簡單估算，但對于包含多種支護(hù)結(jié)構(gòu)、不同布置形式的復(fù)雜隧洞支護(hù)體系，同時還需要考慮各支護(hù)的施作時機(jī)不同引起的時間效應(yīng)的影響，其不能反映基于開挖過程的圍巖與結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)理、隧洞-支護(hù)體系的協(xié)同工作特性及支護(hù)結(jié)構(gòu)在體系中發(fā)揮的作用，但這個不足確是設(shè)計人員所迫切需要了解的，為解答上述問題專家學(xué)者使用理論分析及數(shù)值計算方法對圍壓-支護(hù)體系進(jìn)行研究，提取支護(hù)特性曲線表征支護(hù)剛度，因為支護(hù)剛度能直接反應(yīng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)能力。

2、現(xiàn)有針對于支護(hù)體系協(xié)同工作特性及支護(hù)剛度的研究存在較多不足之處：（1）理論研究常假設(shè)支護(hù)結(jié)構(gòu)全斷面環(huán)向均勻鋪設(shè)，但實際工程中，噴層混凝土、錨桿、鋼拱架常常僅在隧洞環(huán)向上一定范圍內(nèi)施作，同時理論假設(shè)不能充分考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)的不均勻受力情況；（2）數(shù)值法能夠較好彌補(bǔ)以上理論法的不足，但數(shù)值研究中復(fù)合支護(hù)剛度相較于單支護(hù)剛度研究較少，同時考慮支護(hù)施作時間效應(yīng)后復(fù)合支護(hù)體系的實際剛度演化過程不明確，復(fù)合支護(hù)體系的實際剛度貢獻(xiàn)值不易計算，未能提出有效可行的計算流程及方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種用于隧洞復(fù)合支護(hù)體系的綜合剛度確定方法，該方案有著定量計算支護(hù)剛度、仿真效果好、施工方便的優(yōu)點(diǎn)。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種用于隧洞復(fù)合支護(hù)體系的綜合剛度確定方法，包括如下步驟：

3、步驟1，建立包含隧洞的大三維模型，選取監(jiān)測面，在監(jiān)測面上選取特征點(diǎn)，在無支護(hù)措施下對模型分步開挖，監(jiān)測選取的特征點(diǎn)，模擬施工過程得到特征點(diǎn)的收斂位移隨開挖掘進(jìn)的演化過程曲線；

4、步驟2，基于虛擬支撐力原理，首先獲取開挖隧洞部分巖體對洞周圍巖的支撐力，然后將模型中的隧洞一次挖穿，在洞壁施加初始虛擬支撐力，隨后按比例逐步減小虛擬支撐力，監(jiān)測選取的特征點(diǎn)，得出特征點(diǎn)的收斂位移和虛擬支撐力的對應(yīng)數(shù)學(xué)關(guān)系曲線；

5、步驟3，將步驟1及步驟2中特征點(diǎn)收斂位移進(jìn)行單位化處理計算位移完成率，進(jìn)而得到掌子面和監(jiān)測面的間距與位移完成率的關(guān)系曲線、位移完成率與虛擬支撐力的關(guān)系曲線，根據(jù)兩條關(guān)系曲線建立掌子面和監(jiān)測面的間距與洞壁虛擬支撐力的對應(yīng)曲線圖；

6、步驟4，確定復(fù)合支護(hù)系統(tǒng)中各支護(hù)結(jié)構(gòu)施作斷面與掌子面的間距，通過掌子面和監(jiān)測面間距與洞壁虛擬支撐力的對應(yīng)圖形關(guān)系可得各位置掌子面提供的虛擬支撐力，通過應(yīng)力釋放來模擬掌子面推進(jìn)過程，施加支護(hù)，在支護(hù)斷面上設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，計算得出各支護(hù)斷面處監(jiān)測點(diǎn)位移完成率，最后繪制出支護(hù)作用下掌子面和監(jiān)測面間距與監(jiān)測點(diǎn)位移完成率關(guān)系曲線；

7、步驟5，使用位移完成率為橫坐標(biāo)，將位移完成率與虛擬支撐力的關(guān)系曲線及支護(hù)作用下掌子面和監(jiān)測面間距與特征點(diǎn)位移完成率關(guān)系曲線結(jié)合起來呈上下分布，連接位移完成率與虛擬支撐力的關(guān)系曲線與位移漸近線的交點(diǎn)、支護(hù)起始點(diǎn)在橫軸上的垂足點(diǎn)，形成線段的斜率與無支護(hù)情況下特征點(diǎn)最終收斂位移的乘積即為復(fù)合支護(hù)體系的實際綜合剛度值。

8、上述方案中，步驟1中通過建立大三維模型模擬施工過程，并監(jiān)測特征點(diǎn)處收斂位移隨開挖掘進(jìn)的演化過程曲線，即掌子面和監(jiān)測面的間距與特征點(diǎn)處收斂位移的關(guān)系曲線；步驟2中通過一次挖穿隧洞，并施加初始虛擬支撐力，隨后按比例減少虛擬支撐力，監(jiān)測選取的特征點(diǎn)的收斂位移，來得到特征點(diǎn)收斂位移與虛擬支撐力的關(guān)系曲線；步驟3中通過將特征點(diǎn)收斂位移單位化處理得到掌子面和監(jiān)測面的間距與位移完成率的關(guān)系曲線、位移完成率與虛擬支撐力的關(guān)系曲線，通過位移完成率來將兩公式合并，得出掌子面和監(jiān)測面的間距與洞壁虛擬支撐力的對應(yīng)曲線圖；步驟4中，根據(jù)復(fù)合支護(hù)系統(tǒng)中支護(hù)結(jié)構(gòu)位置，結(jié)合掌子面和監(jiān)測面間距與洞壁虛擬支撐力的對應(yīng)圖形關(guān)系得出各掌子面處的虛擬支撐力，模擬推進(jìn)過程，計算各支護(hù)斷面監(jiān)測點(diǎn)的位移完成率，并得出支護(hù)作用下，掌子面和監(jiān)測面間距與監(jiān)測點(diǎn)位移完成率關(guān)系曲線；步驟5中，通過位移完成率作為橫坐標(biāo)，將移完成率與虛擬支撐力的關(guān)系曲線、支護(hù)作用下掌子面和監(jiān)測面間距與特征點(diǎn)位移完成率關(guān)系曲線結(jié)合，并通過圖形關(guān)系將線段斜率與無支護(hù)情況下特征點(diǎn)最終收斂位移相乘得到復(fù)合支護(hù)體系的實際綜合剛度值。

9、進(jìn)一步的，步驟3中，模型分步開挖工況中特征點(diǎn)的收斂位移單位化為位移完成率采用公式（1）

10、?（1）

11、式中：為掌子面到達(dá)監(jiān)測面的距離；為特征點(diǎn)在掌子面到達(dá)監(jiān)測面的距離時的收斂位移。

12、通過將掌子面到達(dá)監(jiān)測面的距離時特征點(diǎn)處收斂位移與特征點(diǎn)在模型全縱向開挖完成時的收斂位移相比，來得出位移完成率，來進(jìn)行轉(zhuǎn)換計算。

13、進(jìn)一步的，步驟3中，模型分步開挖工況中位移完成率的擬合過程采用公式（2）

14、?（2）

15、式中：為掌子面與監(jiān)測面重合時特征點(diǎn)的位移完成率；x為掌子面到達(dá)監(jiān)測面的距離，x為待定常數(shù)。

16、通過公式（2）來進(jìn)行位移完成率的ldp曲線擬合計算，方便直觀的了解位移完成率的變化趨勢。

17、進(jìn)一步的，步驟2中，虛擬支撐力采用公式（3）

18、（3）

19、式中：為應(yīng)力釋放系數(shù)，本計算中從0～100%均勻增大，增加步距為10%，f0為初始虛擬支撐力。

20、通過調(diào)節(jié)應(yīng)力釋放系數(shù)來逐步減小虛擬支撐力，從而方便于得出特征點(diǎn)收斂位移與虛擬支撐力的對應(yīng)關(guān)系曲線。

21、進(jìn)一步的，步驟3中，特征點(diǎn)的位移完成率采用公式（4）

22、（4）

23、式中：為特征點(diǎn)p在應(yīng)力釋放系數(shù)為時的收斂位移；為特征點(diǎn)在荷載釋放完成時的收斂位移。

24、通過公式（4）得出各應(yīng)力釋放系數(shù)情況下位移完成率和虛擬支撐力對應(yīng)的計算公式。

25、進(jìn)一步的，步驟4中由復(fù)合支護(hù)系統(tǒng)中各支護(hù)結(jié)構(gòu)施作斷面的間隔距離，確定各支護(hù)結(jié)構(gòu)施作斷面距離掌子面的間距。

26、根據(jù)實際復(fù)合支護(hù)系統(tǒng)中支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作間距來模擬各支護(hù)結(jié)構(gòu)位置，及與掌子面的間距，提高仿真模擬效果，為實際施工提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

27、進(jìn)一步的，所述隧洞的橫截面為馬蹄形或圓形。

28、馬蹄形隧洞截面為馬蹄形或圓形施工方便。

29、進(jìn)一步的，所述監(jiān)測點(diǎn)選自支護(hù)斷面的頂點(diǎn)。

30、監(jiān)測點(diǎn)選自支護(hù)斷面的頂點(diǎn)處，變形顯著，方便檢測。

31、進(jìn)一步的，所述監(jiān)測面位于隧洞的軸向中間位置，所述特征點(diǎn)位于監(jiān)測面的頂點(diǎn)。

32、監(jiān)測面設(shè)置在隧洞的軸線中間位置，該處受力及收斂位移具有代表性，可用來模擬隧洞整體情況，特征點(diǎn)選自監(jiān)測面的頂點(diǎn)，變形顯著，方便檢測。

33、進(jìn)一步的，步驟4中應(yīng)力釋放采用公式（3）計算，本計算中從0～100%均勻增大，增加步距為10%。

34、步驟4中通過應(yīng)力釋放計算，來隨應(yīng)力的釋放逐漸加強(qiáng)支護(hù)，直到應(yīng)力消失，達(dá)到最終支護(hù)強(qiáng)度。

35、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

36、1.通過建立大三維模型，模擬計算無支護(hù)施工過程中特征點(diǎn)的收斂位移曲線，特征點(diǎn)收斂位移、虛擬支撐力關(guān)系曲線，結(jié)合模擬復(fù)合支護(hù)系統(tǒng)施工情況，得出支護(hù)作用下掌子面和監(jiān)測面間距與監(jiān)測點(diǎn)位移完成率關(guān)系曲線，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，最終得出復(fù)合支護(hù)體系的實際綜合剛度值，對支護(hù)剛度值進(jìn)行定量計算，方便于直觀了解復(fù)合支護(hù)系統(tǒng)的剛度情況，定量評估了支護(hù)系統(tǒng)保持圍巖穩(wěn)定的能力；

37、2.在支護(hù)系統(tǒng)的綜合剛度評估中考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)的不均勻性，針對隧洞斷面的頂部選取特征點(diǎn)、監(jiān)測點(diǎn)，能夠反映支護(hù)系統(tǒng)的實際工作特性，仿真效果好；

38、3.通過對支護(hù)系統(tǒng)的綜合剛度值進(jìn)行計算，為支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計過程提供參考，方便于設(shè)計和施工；

39、4.本發(fā)明能夠展現(xiàn)復(fù)合支護(hù)體系的施工過程中圍巖收斂變形歷程與支護(hù)體系剛度演化過程，計算原理明確易被接受。