一种基于虚拟质心转移矢量的轴对称隧巷道非均称变形表征方法与流程

本发明涉及岩土工程技术领域，特别是涉及一种基于虚拟质心转移矢量的轴对称隧巷道非均称变形表征方法。

背景技术：

矩形、拱形、圆形和椭圆形等轴对称断面在隧道及地下工程领域普遍存在，但是由于地应力不均衡分布、褶曲断层溶洞等岩体结构、不等强支护结构、工程扰动等因素的影响，轴对称隧巷道经常出现非均称变形，进而引发隧巷道围岩系统性失稳破坏。

目前隧巷道非均称变形的表征主要采用统计学方法，如由最大值、上四分位数、中位数、下四分位数、最小值和平均值组成的盒型图，盒型图可以描述出一个断面的表面变形量分布状况，但是与工程现场脱离，仅用统计方法，不能充分表征隧巷道表面收敛的空间分布信息。

技术实现要素：

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于虚拟质心转移矢量的轴对称隧巷道非均称变形表征方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种基于虚拟质心转移矢量的轴对称隧巷道非均称变形表征方法，具体方法如下：

a、安装一根锚索，作为定位坐标系的参照物，沿隧巷道每隔一定距离设置测点，架设激光断面仪，记录激光断面仪的空间坐标，并每隔一定时间，测取隧巷道开挖轮廓线包络图；

b、假设隧巷道开挖轮廓线包络图为均匀薄片，计算不同测点不同时间的隧巷道开挖轮廓线包络图的质心位置，进而得到相同测点不同时间的虚拟质心转移矢量；

c、以虚拟质心转移矢量的方向表征隧巷道非均称变形的主体趋势，以虚拟质心转移矢量的标量表征隧巷道非均称变形的相对强烈程度，建立虚拟质心转移矢量与隧巷道非均称变形的对应关系。

优选的：所述的锚索的长度为开挖洞径的3～5倍，所述的锚索的锚固长度为锚杆长度的1/3以内，不施加预应力。

优选的：所述的隧巷道开挖轮廓线包络图的质心位置的计算方法为离散积分法，其表达方式为：

式中n为离散数据点的个数，xi、yi分别为离散数据点的x、y方向坐标，x0、y0分别为隧巷道开挖轮廓线包络图的质心的x、y方向坐标。

优选的：所述的虚拟质心转移矢量与隧巷道非均称变形的对应关系为：①虚拟质心转移矢量的方向和隧巷道非均称变形的主体趋势方向相同；②虚拟质心转移矢量的标量越大，隧巷道非均称变形的相对强烈程度越大，反之亦然。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明巧妙利用轴对称隧道非均称变形造成开挖轮廓线包络图质心转移特征，提出了一种基于虚拟质心转移矢量的轴对称隧巷道非均称变形表征方法，可以充分描述隧巷道表面收敛的空间分布信息。同时该方法测量精确度高、人工误差小，可以直观的描述随巷道的变形动态及准确的压力情况，为隧巷道工作人员的安全提供了技术保障；

(1)锚索的长度为洞径的3-5倍，并采用端锚锚固方式，可以确定锚索为近似零位移状态。将锚索作为定位坐标系的参照物，测量的隧巷道表面收敛量精度高；

(2)采用激光断面仪对围岩变形进行监测，避免了人工测量产生的比较大的误差；

(3)易于通过电脑编程的方式，自动将激光断面仪数据计算得到虚拟质心转移矢量；

(4)常用的盒型图方法未能考虑隧巷道表面各个位置对变形量的影响信息，虚拟质心转移矢量更加直观表现隧巷道非均称变形的主体趋势方向和相对强烈程度，更能充分描述隧巷道表面收敛的空间分布信息。

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，下面将对实施例或现有技术描述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是本发明所述一种基于虚拟质心转移矢量的轴对称隧巷道非均称变形表征方法的示意图。

附图标记说明如下：

1、锚索；2、隧巷道开挖轮廓线包络图；3、虚拟质心转移矢量。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制，此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，一种基于虚拟质心转移矢量的轴对称隧巷道非均称变形表征方法，具体方法如下：

a、安装一根锚索1，作为定位坐标系的参照物，沿隧巷道每隔一定距离设置测点，架设激光断面仪，记录激光断面仪的空间坐标，并每隔一定时间，测取隧巷道开挖轮廓线包络图；

b、假设隧巷道开挖轮廓线包络图为均匀薄片，计算不同测点不同时间的隧巷道开挖轮廓线包络图的质心位置，进而得到相同测点不同时间的虚拟质心转移矢量3；

c、以虚拟质心转移矢量3的方向表征隧巷道非均称变形的主体趋势，以虚拟质心转移矢量3的标量表征隧巷道非均称变形的相对强烈程度，建立虚拟质心转移矢量3与隧巷道非均称变形的对应关系。

所述的锚索1的长度为开挖洞径的3～5倍，所述的锚索1的锚固长度为锚杆长度的1/3以内，不施加预应力。

所述的隧巷道开挖轮廓线包络图的质心位置的计算方法为离散积分法，其表达方式为：

式中n为离散数据点的个数，xi、yi分别为离散数据点的x、y方向坐标，x0、y0分别为隧巷道开挖轮廓线包络图的质心的x、y方向坐标。

所述的虚拟质心转移矢量3与隧巷道非均称变形的对应关系为：①虚拟质心转移矢量3的方向和隧巷道非均称变形的主体趋势方向相同；②虚拟质心转移矢量3的标量越大，隧巷道非均称变形的相对强烈程度越大，反之亦然。

其中一种实施例为，隧道开挖直径5m，受地应力不均衡分布、褶曲断层溶洞等岩体结构、不等强支护结构、工程扰动等因素的影响，隧道发生大变形，安装一根锚索1，作为定位坐标系的参照物，其中锚索1长度为25m，锚固长度为3m，不施加预应力。沿隧巷道每隔100m设置测点，架设激光断面仪，记录激光断面仪的空间坐标，并每隔30天，测取隧巷道开挖轮廓线包络图，假设隧巷道开挖轮廓线包络图为均匀薄片，计算不同测点不同时间的隧巷道开挖轮廓线包络图的质心位置，进而得到相同测点不同时间的虚拟质心转移矢量3。

具体实施中，在180天，该隧道的虚拟质心转移矢量3为(-0.230387，0.076537)，表明该隧道的非均称变形的主体方向是x方向相反，且相对强烈强度为0.242786。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。