[發明專利]一種隧道軟弱圍巖力學參數的非線性反演分析方法

在審

• 申請號: 201710779350.6
• 申請日: 2017-09-01
• 公開（公告）號: CN107506557A
• 公開（公告）日: 2017-12-22
• 發明（設計）人: 陳孟沖;孫鈞;朱漢華;欽亞洲
• 申請（專利權）人: 寧波市交通規劃設計研究院有限公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司33200
• 代理人: 張法高,傅朝棟

技術領域

本發明屬于隧道及地下建筑工程領域，具體涉及一種隧道軟弱圍巖力學參數非線性反演分析方法。

背景技術

幾十年來，新奧地利隧道工法(NATM)信息化設計施工在國內外隧道及各類地下建筑工程中已得到了廣泛應用，然而，基于隧道施工期實測數據對具有一定“未確知、未確定性”的圍巖諸力學參數進行非線性位移反演分析，在其解答的非唯一性問題、而無法收斂于圍巖諸力學參數的全局最優解方面，當前業界仍迄未有很好解決。

軟弱巖土體其時已進入彈塑性變形階段，其應力-應變關系表現為材料/物理非線性，致使采用一般的圍巖力學參數非線性反演程序的計算結果得不到唯一的真實值，即無法收斂于圍巖力學參數的全局最優解。此外，待反演參數的個數多少對反演效率及反演結果的精度也有重要影響：待反演參數的個數越多、其反演計算效率和反演精度將越低。故此，按現時采用通用方法作非線性反演計算時、待反演參數的個數一般局限于2個，最多不能超過3個。

發明內容

本發明的目的在于解決現有技術中存在的問題，并提供一種隧道軟弱圍巖(Ⅴ級及以下)力學參數非線性反演分析方法。

本發明所采用的具體技術方案如下：

隧道軟弱圍巖力學參數非線性反演分析方法，其步驟如下：

S1：針對目標隧道在ABAQUS軟件中建立有限元模型，并按預設模型初始設定模型參數，按照該隧道的實際開挖施工工序進行模擬；

S2：根據目標隧道待反演斷面處圍巖位移增量的非線性表達式，在UCODE軟件內建立該斷面處圍巖參數的反演目標函數，并將待反演力學參數的初始值分別讀入UCODE軟件和ABAQUS軟件中，待反演力學參數包括隧道圍巖彈性參數(彈性模量E、泊松比ν)和塑性參數(粘聚力/內聚力c、內摩擦角φ)；

S3：調用ABAQUS軟件進行對待反演斷面監測點的位移作模擬計算，模擬計算完成后將位移模擬計算結果讀入UCODE軟件，UCODE軟件同時讀入待反演斷面處監測點實測位移的變化值，并使其與所述的位移模擬計算結果進行比較，通過迭代優化，獲得一組使所述的目標函數值達到最小的待反演力學參數的解；

S4：根據預設的收斂條件，判斷待反演力學參數的解是否達到最優值；若已達到最優值，則終止下一輪迭代，并調用ABAQUS軟件進行最后一次有限元計算；若反演參數仍未達到最優值，則更新待反演力學參數的初始值后，重新返回S3進行下一輪迭代計算。

從先行小跨導洞收斂量測各相應監測點的變形位移，采用按本發明作上述非線性反演得到的隧道圍巖參數諸收斂量測的各個等代值，對大跨主隧洞洞室再作正演，就能得到主洞圍巖在初期支護前分別已釋放了的、真實的變形收斂值。

作為優選，在ABAQUS軟件和UCODE軟件之間設置接口程序，使兩者的結果數據能夠被相互調用。

作為優選，所述的S1具體為：

S101：在ABAQUS軟件中，建立目標隧道待反演斷面的有限元模型，并依據該隧道斷面處圍巖變形位移實際監測點的布設位置，在模型中對應位置設置模擬監測點；

S102：在ABAQUS軟件內設置包括模型的材料屬性、邊界條件、開挖工序在內的參數，其中材料屬性中的相關力學參數設置為圍巖待反演參數的初始值，模型邊界條件為底部限制x、y兩方向位移，兩側限制x方向位移；開挖工序為先挖上臺階，再挖下臺階。

作為優選，所述的S2具體為：

S201：建立待反演斷面處圍巖位移增量的非線性表達式，形式如式(1)所示：

Y＝f(a,b)+e(1)

式中，Y為隧道圍巖位移實測真實值增量；a為模型的已知參數向量；b為模型的待反演參數向量；e為誤差向量；f(a,b)為數值模擬計算得到圍巖各測點的位移增量，為關于a、b的非線性函數；

S202：基于式(1)，在UCODE軟件內建立待反演斷面處圍巖參數的反演目標函數s(b)，形式如式(2)所示：

s(b)＝(Y-f(a,b))^Tω(Y-f(a,b))(2)

式中，ω為各監測點對應的權重矩陣；

S203：將待反演斷面處圍巖的待反演力學參數E、v、c、的初始值讀入UCODE軟件，并通過接口程序將各參數的初始值讀入有限元模型，供ABAQUS軟件調用。

作為優選，所述的S3具體為：

S301：調用ABAQUS軟件進行對待反演斷面監測點的位移作模擬計算，計算完成后再次通過接口程序，將計算結果讀入UCODE軟件中；