一种隧道围岩变形监测及预测的方法

本发明涉及隧道监测，尤其涉及一种隧道围岩变形监测及预测的方法。

背景技术：

1、隧道建设过程中，隧道变形是影响隧道稳定性的关键因素。由于隧道的开挖，岩土体的原始应力状态发生改变，应力发生重分布，开挖形成的空腔引起应力释放，导致隧道围岩发生变形。通常情况下，会在隧道横断面安装监测仪器，监测一个断面的变形情况。每个横断面的变形特征只能反映这个横断面及其周围有限范围内的变形情况，难以反映隧道的整体变形规律。因此，确定隧道整体变形特征以及根据已开挖隧道的变形规律来预测后续开挖隧道的变形规律是一个亟需解决的问题。

2、对于隧道变形监测而言，目前主要的监测方法是在隧道内设置横向监测断面，在隧道横断面上布置监测点，每一个监测断面只能反映断面本身以及断面附近有限范围内的变形特征，隧道的整体变形特征主要由各个监测断面综合反映。多数情况下，由于隧道各个断面的变形差异较大，且导致原因不同，各个横断面间并不联合分析，都是进行独立分析，变形分析结果缺少监测断面间的关联性，难以准确反映出隧道的整体变形特征。单个断面的变形特征具有单一性和偶然性，难以为隧道后续变形提供指导依据。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种隧道围岩变形监测及预测的方法，以解决现有技术中仅靠单独断面分析变形特征导致缺乏变形关联性，无法监测隧道整体变形量及无法为后续变形预测提供指导依据的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、本发明提供一种隧道围岩变形监测及预测的方法，具体包括以下步骤：

4、步骤s1.在隧道的各个横断面布置监测仪器采集横断面监测数据，布置监测仪器时，沿横断面轮廓周向布置多个监测仪器，每一个监测仪器对应为一个监测点；

5、步骤s2.对监测点进行位置坐标采集，记录不同时间周期内监测点的变化位移；

6、步骤s3.针对单个横断面的每个监测点，重复所述步骤s2，获得基于单个横断面的第一形变特征；

7、步骤s4.记录相邻横断面之间监测点的变化位移及转角，所述相邻横断面之间监测点的变化位移及转角是指当前横断面监测点的初始位置与相邻横断面监测点不同时间周期内的位置之间的变化位移及转角；

8、步骤s5.重复步骤s4，获得整个隧道所有横断面之间的第二形变特征；

9、步骤s6.根据所述第一形变特征和第二形变特征得到隧道的横向变形曲线和纵向变形曲线；

10、步骤s7.根据所述步骤s2单个监测点的位移获取每个监测点的形变加速度，利用形变加速度结合所述横向变形曲线和纵向变形曲线划分变形区，其中：

11、超高变形区：加速度>0；高变形区：加速度＝0，中变形区：加速度<0；低变形区：监测点变形量较小，变形量处于可控状态；

12、s8.由步骤s7得到的变形区进行数值模拟反演得到变形预测模型，用于预测待开挖区的隧道变形特征。

13、进一步的，所述步骤s1中，每个所述横断面上布置10个监测仪器，监测仪器分别布置于拱顶、拱腰、拱脚、墙角、仰拱侧翼、仰拱底。

14、进一步的，所述步骤s2中记录不同时间周期内监测点之间的变化位移具体为，将每个监测点不同时间的位置坐标连接拟合，形成单个监测点的变形轨迹，获取单个监测点的变化位移。

15、进一步的，在所述步骤s2中，还获取单个监测点的初始位置与其相邻的两个监测点不同时间周期位置的变化位移及转角，相邻两个监测点采用相同方法获取其所述变化位移及转角，进而构成基于3个监测点局部范围变化量。

16、进一步的，所述步骤s4中，具体的，记录监测点1与不同时间周期内监测点1`的变化位移及转角，其中监测点1为当前横断面的其中一个监测点，监测点1`为相邻横断面上对应位置的监测点。

17、进一步的，所述步骤s4中，还获取所述监测点1与不同时间周期内监测点2`和监测点3`的变化位移及转角，其中所述监测点2`和监测点3`为与所述监测点1`在同一横断面上相邻的两个监测点。

18、进一步的，所述横断面之间的间隔距离根据围岩等级划分确定：

19、当围岩等级为ⅰ级时，监测断面间隔距离为20m～25m；

20、当围岩等级为ⅱ级时，监测断面间隔距离为15m～20m；

21、当围岩等级为ⅲ级时，监测断面间隔距离为10m～15m；

22、当围岩等级为ⅳ级时，监测断面间隔距离为8m～10m；

23、当围岩等级为ⅴ级和ⅵ级时，监测断面间隔距离不超过8m。

24、进一步的，所述变形预测模型中加入待开挖区岩土体的物理力学参数和变形影响因素以修正预测模型，其中：

25、根据现场勘验确定变形影响因素各自的影响程度占比，进而确定主导变形因素，所述主导变形因素包括地下水、节理裂隙、偏压、高地应力以及地震作用；

26、根据不同的所述主导变形因素，确定修正系数进而修正所述物理学参数：

27、k修＝γk计

28、其中，k修为修正后的物理力学参数；k计为数值模拟反演所获得的物理力学参数；γ是修正系数。

29、进一步的，所述待开挖区岩土体的物理力学参数包括重度、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角。

30、进一步的，在待开挖后，将测量所得的围岩变形量与所述变形预测模型对比所得到的误差值重新加入模型进行多次迭代修正。

31、本发明的有益效果在于：

32、收集隧道每一个横断面的监测数据，通过对历史位移数据的叠加，获取隧道横断面变形演化过程，再将每一个断面所对应位置的监测点连接起来，形成一条纵向的变形曲线，由隧道壁面上的若干条变形曲线构成隧道的纵向变形曲面，变形曲面即为隧道纵向变形形态。整个过程由单点形变-局部形变-横断面形变-横断面间-整体形变，层层相扣，消除现有技术中单点监测以及单个横断面监测时的单一性和局限性，并且获取形变量时还获取每个监测点与其相邻的监测点的形变量，宏观地反映出隧道内的整体变形特征，同时也能反映出各断面间的相互作用关系，揭示出影响隧道变形规律的深层因素，为隧道变形控制提供更为全面可靠的依据。根据所获得的隧道纵向变形特征，结合地质勘查资料和横向断面监测数据，采用数值模拟方法对后续开挖的变形规律作出预测，预测结果可以为隧道中的变形控制和灾害防治提供指导，预测模型中加入物理力学参数和变形影响因素以修正预测模型，再将预测模型得出的结果与开挖后实际形变结果的误差加入预测模型，进行多次迭代修正，使得模型预测值更加接近真实值。

技术特征：

1.一种隧道围岩变形监测及预测的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种隧道围岩变形监测及预测的方法，其特征在于，所述步骤s1中，每个所述横断面上布置10个监测仪器，监测仪器分别布置于拱顶、拱腰、拱脚、墙角、仰拱侧翼、仰拱底。

3.根据权利要求1所述的一种隧道围岩变形监测及计算方法，其特征在于，所述步骤s2中记录不同时间周期内监测点之间的变化位移具体为，将每个监测点不同时间的位置坐标连接拟合，形成单个监测点的变形轨迹，获取单个监测点的变化位移。

4.根据权利要求3所述的一种隧道围岩变形监测及计算方法，其特征在于，在所述步骤s2中，还获取单个监测点的初始位置与其相邻的两个监测点不同时间周期位置的变化位移及转角，相邻两个监测点采用相同方法获取其所述变化位移及转角，进而构成基于3个监测点局部范围变化量。

5.根据权利要求1所述的一种隧道围岩变形监测及计算方法，其特征在于，所述步骤s4中，具体的，记录监测点1与不同时间周期内监测点1`的变化位移及转角，其中所述监测点1为当前横断面的其中一个监测点，所述监测点1`为相邻横断面上对应位置的监测点。

6.根据权利要求4所述的一种隧道围岩变形监测及计算方法，其特征在于，所述步骤s4中，还获取所述监测点1与不同时间周期内监测点2`和监测点3`的变化位移及转角，其中所述监测点2`和所述监测点3`为与所述监测点1`在同一横断面上相邻的两个监测点。

7.根据权利要求1所述的一种隧道围岩变形监测及预测的方法，其特征在于，所述横断面之间的间隔距离根据围岩等级划分确定：

8.根据权利要求1所述的一种隧道围岩变形监测及预测的方法，其特征在于：所述变形预测模型中加入待开挖区岩土体的物理力学参数和变形影响因素以修正预测模型，其中：

9.根据权利要求8所述的一种隧道围岩变形监测及预测的方法，其特征在于：所述待开挖区岩土体的物理力学参数包括重度、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角。

10.根据权利要求8所述的一种隧道围岩变形监测及预测的方法，其特征在于，在待开挖后，将测量所得的围岩变形量与所述变形预测模型对比所得到的误差值重新加入模型进行多次迭代修正。

技术总结
本发明提供一种隧道围岩变形监测及预测的方法，根据纵向变形特征及规律来预测隧道后续变形。收集隧道每一个横断面的监测数据，通过对历史位移数据的叠加，获取隧道横断面变形演化过程，再将每一个断面所对应位置的监测点连接起来，形成一条纵向的变形曲线，由隧道壁面上的若干条变形曲线构成隧道的纵向变形曲面，变形曲面即为隧道纵向变形形态。根据已获得的监测数据和纵向变形特征，采用数值模拟的方法对既有变形进行反演计算，获得适用于该隧道的模拟方法和对应的物理力学参数，再根据这种模拟方法和参数对隧道后续变形进行预测。

技术研发人员：张岩,高要辉,胡一滔,何智浩,高美奔,蒙凯
受保护的技术使用者：成都理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19