一种基于围岩结构性的隧道锚固体系设计方法及系统与流程

本发明涉及隧道设计领域，特别是涉及一种基于围岩结构性的隧道锚固体系设计方法及系统。

背景技术

隧道穿越复杂围岩进行施工时，为了维持隧道围岩稳定性，锚固体系得到了广泛应用。隧道锚固体系由锚杆支护和锚索支护组成，工程实践表明，其可有效改善隧道围岩的受力状态，控制围岩变形能力较强，且适用于多种工程地质条件，其应用前景十分可观。而现有设计方法忽略了隧道围岩本身的结构性，不能很好地体现隧道围岩的渐进破坏行为对锚固体系作用及受力特性的影响，且缺乏对于锚固体系协同作用的评价方法，因此目前多基于工程经验确定锚固体系支护参数。而由于隧道工程的复杂性和围岩条件的多变性，基于工程经验的隧道锚固体系设计方案往往造成在某些条件下过于强调安全性造成材料浪费，而在另外一些条件下又由于过分强调经济性而存在较大的安全隐患，为隧道工程施工和运营带来较大的安全风险。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于围岩结构性的隧道锚固体系设计方法及系统，能够实现隧道设计的科学化和精细化。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于围岩结构性的隧道锚固体系设计方法，所述方法包括：

获取隧道围岩最大变形量和隧道围岩极限变形量；

判断所述隧道围岩最大变形量是否小于所述隧道围岩极限变形量；

若所述隧道围岩最大变形量小于所述隧道围岩极限变形量，则对隧道正常施工；

若所述隧道围岩最大变形量大于或等于所述隧道围岩极限变形量，则获取围岩松动范围和锚杆支护范围；

判断所述围岩松动范围是否小于所述锚杆支护范围；

若所述围岩松动范围小于所述锚杆支护范围，则仅采用锚杆支护；

若所述围岩松动范围大于或等于所述锚杆支护范围，则采用锚杆和锚索协同支护。

可选的，所述采用锚杆支护，具体包括：

获取锚杆支护参数范围；

采用参数敏感性分析法优化所述参数范围，得到锚杆支护参数最优解集；

根据所述锚杆支护参数最优解集确定锚杆作用下隧道围岩变形量；

判断所述隧道围岩变形量是否小于所述隧道极限变形量；

若是，则所述锚杆支护参数最优解集作为锚杆支护参数；

若否，则调整锚杆支护参数范围，并返回至采用参数敏感性分析法优化所述参数范围，得到锚杆支护参数最优解集。

可选的，所述采用锚杆和锚索协同支护，具体包括：

通过工程类比、现场实测和模型试验的方法初步拟定组合方案；

获取所述组合方案中的围岩变形量和协同度；

根据各所述组合方案中的围岩变形量和协同度确定最优的组合支护方案。

可选的，所述获取隧道围岩最大变形量，具体包括：

通过数值模拟方法确定隧道围岩最大变形量。

可选的，所述获取隧道围岩极限变形量，具体包括:

获取隧道预留变形量；

根据所述隧道预留变形量确定隧道围岩极限变形量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于围岩结构性的隧道锚固体系支护系统，所述系统包括：

第一获取模块，用于获取隧道围岩最大变形量；

第二获取模块，用于获取隧道围岩极限变形量；

第一判断模块，用于判断所述隧道围岩最大变形量是否小于所述隧道围岩极限变形量；

正常施工模块，用于若所述隧道围岩最大变形量小于所述隧道围岩极限变形量，则对隧道正常施工；

第三获取模块，若所述隧道围岩最大变形量大于或等于所述隧道围岩极限变形量，则用于获取围岩松动范围和锚杆支护范围；

第二判断模块，用于判断所述围岩松动范围是否小于所述锚杆支护范围；

锚杆支护确定模块，用于若所述围岩松动范围小于所述锚杆支护范围，则仅采用锚杆支护；

锚杆和锚索协同支护确定模块，用于若所述围岩松动范围大于或等于所述锚杆支护范围，则采用锚杆和锚索协同支护。

可选的，所述锚杆支护确定模块，具体包括：

获取单元，用于获取锚杆支护参数范围；

优化单元，用于采用参数敏感性分析法优化所述参数范围，得到锚杆支护参数最优解集；

变形量确定单元，用于根据所述锚杆支护参数最优解集确定锚杆作用下隧道围岩变形量；

判断单元，用于判断所述隧道围岩变形量是否小于所述隧道极限变形量；

参数确定单元，用于若判断所述隧道围岩变形量小于所述隧道极限变形量，则所述锚杆支护参数最优解集作为锚杆支护参数；

调整单元，用于若判断所述隧道围岩变形量大于或等于所述隧道极限变形量，则调整锚杆支护参数范围，并返回至采用参数敏感性分析法优化所述参数范围，得到锚杆支护参数最优解集。

可选的，所述锚杆和锚索协同支护确定模块，具体包括：

方案拟合单元，用于通过工程类比、现场实测和模型试验的方法初步拟定组合方案；

获取单元，用于获取所述组合方案中的围岩变形量和协同度；

最优方案确定单元，用于根据各所述组合方案中的围岩变形量和协同度确定最优的组合支护方案。

可选的，所述第一获取模块，具体包括：

最大变形量确定单元，用于通过数值模拟方法确定隧道围岩最大变形量。

可选的，所述第二获取模块，具体包括:

预留变形量获取单元，用于获取隧道预留变形量；

极限变形量确定单元，用于根据所述隧道预留变形量确定隧道围岩极限变形量。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供一种基于围岩结构性的隧道锚固体系设计方法，所述方法包括：获取隧道围岩最大变形量和隧道围岩极限变形量；判断所述隧道围岩最大变形量是否小于所述隧道围岩极限变形量；若所述隧道围岩最大变形量小于所述隧道围岩极限变形量，则对隧道正常施工；若所述隧道围岩最大变形量大于或等于所述隧道围岩极限变形量，则获取围岩松动范围和锚杆支护范围；判断所述围岩松动范围是否小于所述锚杆支护范围；若所述围岩松动范围小于所述锚杆支护范围，则仅采用锚杆支护；若所述围岩松动范围大于或等于所述锚杆支护范围，则采用锚杆和锚索协同支护。本发明基于隧道围岩的结构性特点，可实现隧道锚固体系的协同优化设计，从而降低隧道锚固体系设计的主观性，提高其科学性。同时可在保证隧道安全的前提下尽可能降低支护成本，使其同时满足经济性和安全性要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于围岩结构性的隧道锚固体系设计方法流程图；

图2为本发明实施例1锚杆与围岩结构相对位置关系图；

图3为本发明实施例1锚杆参数对围岩特性曲线的影响；

图4为本发明实施例2锚固体系与围岩相对位置关系图；

图5为本发明实施例2各方案隧道围岩变形量；

图6为本发明实施例2各方案锚固体系协同度；

图7为本发明基于围岩结构性的隧道锚固体系支护系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明基于围岩结构性的隧道锚固体系设计方法流程图。如图1所示，一种基于围岩结构性的隧道锚固体系设计方法，所述方法包括：

步骤101：获取隧道围岩最大变形量和隧道围岩极限变形量；

步骤102：判断所述隧道围岩最大变形量是否小于所述隧道围岩极限变形量；

步骤103：若所述隧道围岩最大变形量小于所述隧道围岩极限变形量，则对隧道正常施工；

步骤104：若所述隧道围岩最大变形量大于或等于所述隧道围岩极限变形量，则获取围岩松动范围和锚杆支护范围；

步骤105：判断所述围岩松动范围是否小于所述锚杆支护范围；

步骤106：若所述围岩松动范围小于所述锚杆支护范围，则仅采用锚杆支护；

步骤107：若所述围岩松动范围大于或等于所述锚杆支护范围，则采用锚杆和锚索协同支护。

步骤106，具体包括：

获取锚杆支护参数范围；

采用参数敏感性分析法优化所述参数范围，得到锚杆支护参数最优解集；

根据所述锚杆支护参数最优解集确定锚杆作用下隧道围岩变形量；

判断所述隧道围岩变形量是否小于所述隧道极限变形量；

若是，则所述锚杆支护参数最优解集作为锚杆支护参数；

若否，则调整锚杆支护参数范围，并返回至采用参数敏感性分析法优化所述参数范围，得到锚杆支护参数最优解集。

步骤107，具体包括：

通过工程类比、现场实测和模型试验的方法初步拟定组合方案；

获取所述组合方案中的围岩变形量和协同度；

根据各所述组合方案中的围岩变形量和协同度确定最优的组合支护方案。

通过数值模拟方法确定隧道围岩最大变形量。

获取隧道围岩极限变形量的方法，具体包括:

获取隧道预留变形量；

根据所述隧道预留变形量确定隧道围岩极限变形量。

采用本发明的方法，具有下列优点：

1.根据隧道工程地质参数，对围岩结构性进行预测，结合现有技术标准初步确定隧道锚固体系支护方案(即是否需要锚索支护)。

2.根据隧道设计规范中对预留变形量的规定确定变形控制标准，将锚杆、锚索与围岩结构性的相对位置关系分为不同工况，通过数值模拟对不同工况下锚固体系的受力和变形进行计算。

3.通过协同度的比较可综合判断各支护方案，从而实现了隧道锚固体系的协同优化设计。

具体实施例1：

锚杆支护设计

某深埋隧道可等效为半径r0＝6m的圆形隧道，隧道埋深240m，围岩级别为iv级。隧道处于软岩中，围岩弹性阶段力学参数为弹性模量e＝1.5gpa，泊松比μ＝0.3；软化阶段参数为软化模量e′＝0.5gpa，软化阶段粘聚力为c＝0.7mpa，内摩擦角为软化区扩容系数f＝2；残余阶段粘聚力为cr＝0.3mpa，内摩擦角为扩容系数为h＝3。

通过数值分析计算可得隧道开挖后围岩位移最大值为127mm，松动区范围为2.36m，结合规范中对预留变形量的规定，取隧道围岩变形控制标准为60mm，由于松动区范围较小，可仅采用锚杆支护对围岩进行控制。为了研究锚杆参数对隧道围岩特性曲线的影响，参考规范提出的预应力锚杆支护的建议参数范围，锚杆直径(d)、布置密度(c)、锚杆长度(ls)以及预应力(fs)分别取7种工况进行分析，计算工况如表1所示。

表1锚杆参数波动范围

在研究某一个参数变化(es除外)对围岩特性曲线影响时，锚杆弹性模量(es)取200gpa，其他参数取7种情况中的最小值。图2为本发明实施例1锚杆与围岩结构相对位置关系图。图3为本发明实施例1锚杆参数对围岩特性曲线的影响。将表1中各工况代入图2所示相对位置关系图对应的数值模型中可得到如图3所示的锚杆参数对围岩特性曲线影响规律。

可见，随着锚杆长度、直径、布置密度和预应力值的增加，围岩位移均呈减小趋势，但当超过一定值后，随着参数的变化锚杆对围岩位移的控制效果不再明显，将此变化不明显点称为拐点，则此拐点即为该参数最优解，从而可得锚杆参数最优解集如表2所示。

表2隧道锚杆参数最优解集

代入数值模型中计算可得隧道围岩变形量为38mm，小于围岩变形量控制标准[u]＝60mm，满足施工要求。

具体实施例2：

锚固体系协同优化设计

计算选取的围岩参数与具体实施例1相同，不同的是隧道等效半径r0取为10m，埋深为320m，计算可得围岩最大变形为216mm，松动圈厚度为8.35m，超出了岩石隧道中锚杆支护的锚固范围，因此需采用锚杆与锚索组合支护，参考相关工程案例，初步选择6组支护方案如表3所示。

表3计算支护方案

需要指出，由于锚杆(索)支护的直径对其作用效果影响并不明显，因此主要对二者的布置密度、长度以及预应力的协同作用进行分析，计算时锚杆直径取为db＝22mm，锚索体截面积取为ac＝560mm²，锚杆弹性模量eb＝200gpa，锚索弹性模量ec＝195gpa。

为了定量描述锚杆、锚索协同效应的范围、条件及其影响因素，定义协同度为η，可用下式表示

η＝ξbwb+ξcwc

式中，wb、wc分别为锚杆和锚索的权重，可通过工程类比法或层次分析法等手段得到，参考相关工程案例，wb和wc可分别取为0.6和0.4；ξb、ξc分别为锚杆和锚索的平均利用率，定义为材料的最大轴力与其极限强度的比值，即

式中，为锚杆(索)极限抗拉强度。

图4为本发明实施例2锚杆、锚索与围岩相对位置关系图。图5为本发明实施例2各方案隧道围岩变形量。图6为本发明实施例2各方案锚杆、锚索协同度。

将表3各方案参数代入图4锚杆、锚索与围岩相对位置关系图对应的数值模型中计算可得到隧道洞壁最大位移。

协同效果最好的计算方案为方案1，协同效果较差的为方案6，这说明围岩变形控制效果好时锚固体系协同度并不一定大，综合以上分析可知，本算例中最优组合方案为方案1，围岩变形量为53mm，满足施工要求。

本发明基于现有隧道设计规范制定控制标准，容易被设计人员理解和接受，该方法可考虑隧道围岩结构性与锚固体系的相对位置关系，更符合工程实际情况，提高了隧道支护设计的科学性，有利于避免浪费、消除施工安全风险。

图7为本发明基于围岩结构性的隧道锚固体系支护系统结构图。如图7所示，一种基于围岩结构性的隧道锚固体系支护系统，所述系统包括：

第一获取模块201，用于获取隧道围岩最大变形量；

第二获取模块202，用于获取隧道围岩极限变形量；

第一判断模块203，用于判断所述隧道围岩最大变形量是否小于所述隧道围岩极限变形量；

正常施工模块204，用于若所述隧道围岩最大变形量小于所述隧道围岩极限变形量，则对隧道正常施工；

第三获取模块205，若所述隧道围岩最大变形量大于或等于所述隧道围岩极限变形量，则用于获取围岩松动范围和锚杆支护范围；

第二判断模块206，用于判断所述围岩松动范围是否小于所述锚杆支护范围；

锚杆支护确定模块207，用于若所述围岩松动范围小于所述锚杆支护范围，则仅采用锚杆支护；

锚杆和锚索协同支护确定模块208，用于若所述围岩松动范围大于或等于所述锚杆支护范围，则采用锚杆和锚索协同支护。

锚杆支护确定模块207，具体包括：

获取单元，用于获取锚杆支护参数范围；

优化单元，用于采用参数敏感性分析法优化所述参数范围，得到锚杆支护参数最优解集；

变形量确定单元，用于根据所述锚杆支护参数最优解集确定锚杆作用下隧道围岩变形量；

判断单元，用于判断所述隧道围岩变形量是否小于所述隧道极限变形量；

参数确定单元，用于若判断所述隧道围岩变形量小于所述隧道极限变形量，则所述锚杆支护参数最优解集作为锚杆支护参数；

调整单元，用于若判断所述隧道围岩变形量大于或等于所述隧道极限变形量，则调整锚杆支护参数范围，并返回至采用参数敏感性分析法优化所述参数范围，得到锚杆支护参数最优解集。

锚杆和锚索协同支护确定模块208，具体包括：

方案拟合单元，用于通过工程类比、现场实测和模型试验的方法初步拟定组合方案；

获取单元，用于获取所述组合方案中的围岩变形量和协同度；

最优方案确定单元，用于根据各所述组合方案中的围岩变形量和协同度确定最优的组合支护方案。

所述第一获取模块201，具体包括：

最大变形量确定单元，用于通过数值模拟方法确定隧道围岩最大变形量。

所述第二获取模块202，具体包括:

预留变形量获取单元，用于获取隧道预留变形量；

极限变形量确定单元，用于根据所述隧道预留变形量确定隧道围岩极限变形量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。