[發明專利]一種深部硬巖隧道圍巖穩定性三維動態量化評價方法

在審

• 申請號: 202310099494.2
• 申請日: 2023-02-08
• 公開（公告）號: CN116306245A
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發明（設計）人: 馬耀財;朱合華;蔡武強;衛向陽;蘇辰龍
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G06F30/27
• 分類號: G06F30/27;G06N3/126;G06F119/14
• 代理公司: 上海邦德專利代理事務所(普通合伙) 31312
• 代理人: 劉旭章

本發明提供了一種深部硬巖隧道圍巖穩定性三維動態量化評價方法，涉及深部隧道圍巖穩定性評估和智能建造技術領域，該方法包括：基于數字化手段和現場原位測試手段的隧道地質和圍巖參數動態確定；基于GZZ三維強度準則和考慮三維復雜高地應力的破壞區應力分布快速計算；基于人工智能算法的破壞區分布形態快速定量求解方法。本發明以應力精確化控制和精細化分析為隧道設計理念，在考慮深部隧道圍巖節理、裂隙、開挖擾動與圍巖強度特性和力學機理的基礎上，利用智能算法強大的全局尋優能力與傳統分析方法高效率計算的特性，得到一種程序化流程用于計算圍巖破壞區，實現了隧道掘進過程中圍巖穩定性的精確化、快速化和動態化分析。

技術領域

本發明屬于隧道挖掘工程技術領域，尤其涉及一種深部硬巖隧道圍巖穩定性三維動態量化評價方法。

背景技術

隧道(或巷道)是地下工程中最為常見的結構之一，在國家許多超級工程中發揮著至關重要的作用。隨著我國鐵(公)路網建設重心進一步西移、深部礦產資源的開采和十四五規劃“交通強國”戰略工程的建設，隧道工程向著深埋長大的趨勢快速發展，向深部進軍是二十一世紀地下工程的一大主題。由于深部隧道所處的復雜地質條件，使得隧道施工面臨著諸多挑戰。深部巖體在結構、變形和強度等力學性質方面與淺部巖體存在著顯著差異，深部隧道成災機理也更加復雜，其中硬質巖體在復雜高地應力條件下的破壞所造成的隧道危石垮塌失穩、高強度和高頻次巖爆直接關系著隧道工程施工的安全、進度和質量，是深部工程研究的熱點和難點。

隧道開挖擾動了原本處于平衡狀態的巖體，隧道圍巖產生應力重分布，在三維高地應力的作用下圍巖極易超出彈性極限進而產生松弛、屈服和破壞，在隧道周圍形成所謂破壞區(或松動圈)。破壞區的分布形態將對隧道圍巖穩定性評估以及后續施工過程中支護設計起到重要參考作用。破壞區的形成是一個動態過程，隨著掌子面的推進其形狀和大小都會產生變化。在施工過程中，一般可通過現場原位裝置對破壞區的厚度進行量測，從而對支護結構的預設計進行修正和完善以達到動態設計的目的。但對于大斷面的隧道，圍巖破壞區厚度將遠超裝置的最大探測距離，因此無法進行準確量測。破壞區的大厚度還導致無法通過布置有限長度的錨桿對圍巖進行有效加固補強，往往只能通過(多次)施加鋼拱架和混凝土襯砌等措施進行防護。對于硬質圍巖，其在破壞前往往沒有明顯變形產生，傳統的位移(率)監測手段難以對這類隧道災害進行實時預警，隧道安全難于得以保證。因此，發展合理有效的圍巖破壞區快速預測手段將對指導深部隧道動態設計具有重要促進意義。

隧道工程往往賦存于隱蔽且復雜的地質環境中，無法通過現有的勘察技術或手段對擬開挖的地質體有全面的認識，這導致了隧道工程具有潛在風險。現行的設計與施工相分離的建設體制割裂了二者之間的關系，在施工過程中難以根據已暴露的地質情況和施工中發生的各種變化對預設計方案進行動態修改和完善。基于數字化的隧道動態設計理念強調在施工過程中及時評判設計的合理性、調整支護參數和施工方案，使支護結構更適應于圍巖實際情況，提高隧道工程的投資效益和綜合效益。

數字化動態設計一般以數字化平臺和數值分析程序為基礎進行一體化分析，但現有技術中數字和數值建模的復雜性以及數值計算所帶來的巨大時間花費還不足以滿足動態設計的即時性要求。傳統的經驗類比法客觀性較弱，難以考慮復雜因素的影響，一般可適用于淺部隧道建設，經驗公式無法解釋深部隧道圍巖的復雜力學行為。大多數情況下，關于較為精確地計算圍巖破壞區的分析方法是極難得到的，且對從業人員的專業知識要求較高，不利于方法的拓展。當前，以人工智能為代表的現代信息技術與隧道等傳統建造業的結合是一大發展趨勢，可以為隧道數字化智能建造基礎理論注入新的活力。但智能算法往往通過大量工程實測樣本來預測和分析隧道結構和圍巖的時序變化趨勢，缺乏對力學機理的考慮。綜上所述，面對這一難題時既需要在利用新科技與智能化手段來迎接新的挑戰，也需要挖掘問題背后的物理機制，抽象出合理的力學模型，才能提出用于分析隧道圍巖穩定性分析的準確、高效和便捷的方法。

發明內容

本發明的目的在于提供一種深部硬巖隧道圍巖穩定性三維動態量化評價方法，其特征在于，包括如下步驟：