本發(fā)明屬于隧道壓力拱計(jì)算，具體涉及一種基于能量密度理論的深埋隧道圍巖壓力拱范圍確定方法。

背景技術(shù)：

1、毛洞隧道開挖后，上覆地層會(huì)經(jīng)歷變形-松動(dòng)坍塌過程，且在地表以下某個(gè)相對(duì)穩(wěn)定范圍內(nèi)終止，這種現(xiàn)象被稱作地層成拱作用。由于圍巖壓力拱存在，使得毛洞隧道開挖對(duì)圍巖的力學(xué)作用范圍是有限的，處于壓力拱以內(nèi)的巖土體承擔(dān)著自身和其上部的地層荷載，確保其上方地層不會(huì)繼續(xù)坍塌。因此，研究圍巖壓力拱理論對(duì)指導(dǎo)毛洞隧道支護(hù)設(shè)計(jì)和施工有著非常重要的實(shí)踐意義，尤其是圍巖壓力拱范圍的研究更為突出。

2、目前，壓力拱的定義和邊界確定方法均依賴于圍巖應(yīng)力的大小和方向，而較少考慮圍巖的變形。然而，從壓力拱的形成原因上看，壓力拱是圍巖承受不均勻變形的自我調(diào)節(jié)現(xiàn)象，僅依據(jù)隧洞開挖后圍巖應(yīng)力重分布而得出的壓力拱判定指標(biāo)難以反映壓力拱形成的本質(zhì)。盡管壓力拱是從應(yīng)力場(chǎng)的角度推導(dǎo)出來的，但應(yīng)力在判斷宏觀的巖體狀態(tài)方面往往不夠直觀，更難以量化表達(dá)與壓力拱區(qū)的關(guān)系。

3、汪成兵的軟弱破碎隧道圍巖漸進(jìn)性破壞機(jī)理研究、曲世韡的深埋城市地鐵隧道對(duì)地層變形的影響及壓力拱形成規(guī)律研究等文獻(xiàn)，提出壓力拱的形態(tài)為封閉的環(huán)形。而研究證明，壓力拱僅僅在隧道拱頂部分和仰拱圍巖內(nèi)產(chǎn)生，而拱腰圍巖僅僅是壓力拱的“拱腳”和“拱座”。拱腰圍巖承受著壓力拱傳遞過來的圍巖壓力，并形成了壓力集中，因此，拱腰是否穩(wěn)定決定了整個(gè)洞室的穩(wěn)定性。

4、梁曉丹的地下工程壓力拱工體確定與成拱分析文獻(xiàn)，提出不論圍巖破壞與否，最大主應(yīng)力都在壓力拱的內(nèi)邊界上最大，根據(jù)這一特點(diǎn)，可判別壓力拱的內(nèi)邊界，但此判別方法是不完善的，該方法在垂直應(yīng)力增大區(qū)是可行的，但是在水平應(yīng)力增大區(qū)是不可行的。zhuang等.cavern?roof?stability——mechanism?of?arching?and?stabilization?byrockbolting文獻(xiàn)，提出“倒主應(yīng)力錐”概念用于確定壓力拱的位置和厚度。倒主應(yīng)力錐定義為在錐內(nèi)存在最大和最小主應(yīng)力且僅呈垂直和水平方向，在錐頂正下方拱的位置和厚度隨之而定，顯然倒主應(yīng)力錐只能確定壓力拱外邊界點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中壓力拱的定義和邊界確定方法均依賴于圍巖應(yīng)力的大小和方向，難以反映壓力拱形成的本質(zhì)、難以量化表達(dá)應(yīng)力與壓力拱區(qū)的關(guān)系，而提出一種基于能量密度理論的深埋隧道圍巖壓力拱范圍確定方法。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了如下技術(shù)手段：

3、基于能量密度理論的深埋隧道圍巖壓力拱范圍確定方法，包括如下步驟：

4、步驟1、根據(jù)隧道所處位置的地理數(shù)據(jù)，建立隧道計(jì)算模型；

5、步驟2、設(shè)置能量密度計(jì)算公式，并定義“extra3”為開挖前圍巖內(nèi)部能量密度值，“extra2”為開挖后圍巖內(nèi)部能量密度值，“extra1”為開挖前后能量密度差，且extra1＝extra2-extra3；

6、此步驟用fish語言編寫能量密度計(jì)算公式。

7、步驟3、設(shè)置模型開挖過程為全斷面開挖或者分步開挖，并設(shè)置開挖不平衡力精度，當(dāng)循環(huán)計(jì)算不平衡力精度小于該設(shè)置精度時(shí)，程序循環(huán)計(jì)算終止，保存相應(yīng)數(shù)據(jù)；

8、此步驟在gui界面、用fish語言編寫程序。

9、步驟4、編寫數(shù)據(jù)導(dǎo)出代碼，通過接口文件重新打開儲(chǔ)存的模型，導(dǎo)出計(jì)算后的詳細(xì).dat文件；

10、步驟5、將得到的.dat文件導(dǎo)入tecplot軟件中，將模型隧道開挖前、后的能量密度計(jì)算結(jié)果可視化；

11、步驟6、內(nèi)、外邊界曲線確定壓力拱范圍。

12、進(jìn)一步的，所述步驟1具體方法為：測(cè)定隧道具體埋深與相應(yīng)地質(zhì)參數(shù)，根據(jù)上述數(shù)據(jù)通過flac3d或者其他建模軟件建模后導(dǎo)入flac3d中，注意導(dǎo)入時(shí)網(wǎng)格報(bào)錯(cuò)問題及模型分組問題。測(cè)定具體埋深與相應(yīng)地質(zhì)參數(shù)及建模方法都屬于現(xiàn)有技術(shù)。

13、進(jìn)一步的，所述步驟2編入相應(yīng)的能量密度計(jì)算公式時(shí)，用戶可根據(jù)自己所需定義計(jì)算內(nèi)容，例如，本構(gòu)模型為摩爾—庫倫時(shí)，隧道開挖前巖體內(nèi)部能量密度“extra3”為彈性能量密度，計(jì)算公式為：

14、

15、隧道開挖后巖體內(nèi)部能量密度“extra2”包括兩部分：發(fā)生塑性破壞的巖體內(nèi)的塑性能量密度和發(fā)生彈性破壞的巖體內(nèi)的彈性能量密度，

16、若巖體發(fā)生彈性破壞，則彈性能量密度計(jì)算公式為：

17、

18、若巖體發(fā)生塑性破壞，則塑性能量密度計(jì)算公式為：

19、vd＝[(1+μ)/6e]|(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2]???(3)

20、判別圍巖是否發(fā)生破壞采用摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則：

21、

22、式中，σ1、σ2、σ3為三個(gè)主應(yīng)力，μ為泊松比，e為彈性模量，p0為遠(yuǎn)區(qū)垂直應(yīng)力，l為沿工作面走向方向的開挖距離，r為距隧道頂面的垂直距離，為內(nèi)摩擦角，c為粘聚力，υε表示彈性能量密度，vd表示塑性能量密度。隧道圍巖開挖前后能量密度差值“extra1”為：extra1＝extra2-extra3。

23、進(jìn)一步的，所述步驟3中可通過fish自主調(diào)控開挖進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)隧道多樣開挖方式，如臺(tái)階法開挖、分段開挖和全斷面開挖等。控制隧道開挖進(jìn)程，以更好地符合實(shí)際情況。

24、進(jìn)一步的，所述步驟4需要編寫一個(gè)數(shù)據(jù)導(dǎo)出接口文件，該數(shù)據(jù)導(dǎo)出內(nèi)容應(yīng)包括以下部分：模型節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)、網(wǎng)格數(shù)據(jù)、模型x、y、z數(shù)據(jù)及用戶所需數(shù)據(jù)，用戶所需數(shù)據(jù)包括額外定義選項(xiàng)extra、水平應(yīng)力sxx、水平應(yīng)力syy、垂直應(yīng)力szz、孔隙水壓力pore?pressure、土體位移displacement等。

25、進(jìn)一步的，所述步驟5將步驟4中導(dǎo)出結(jié)果導(dǎo)入tecplot中，報(bào)錯(cuò)時(shí)需根據(jù)錯(cuò)誤修改接口文件或模型網(wǎng)格。

26、進(jìn)一步的，所述步驟6通過計(jì)算開挖前后圍巖的能量密度差edd，繪制相應(yīng)的edd等值線圖。將edd為0的等值線定義為壓力拱的內(nèi)邊界，將edd為10％的等值線定義為壓力拱的外邊界，也就是說，開挖后能量密度值與開挖前能量密度值的90％做差值，得出外邊界的結(jié)果。

27、在確定壓力拱外邊界時(shí)，如果單是模型開挖前后能量密度做差值，其做出來的壓力拱外邊界范圍會(huì)略小于實(shí)際情況，在extra1＝extra2-extra3計(jì)算公式中，不斷給extra3乘以一個(gè)系數(shù)，以使extra1的計(jì)算值接近于實(shí)際情況。經(jīng)過很多模型計(jì)算之后，最后得出的結(jié)論是當(dāng)這個(gè)系數(shù)為90％時(shí)，軟件計(jì)算得到的模型壓力拱外邊界最接近于實(shí)際情況。

28、在確定壓力拱內(nèi)邊界時(shí)，模型開挖前后的能量密度差值剛好與實(shí)際情況相一致，就不需要加額外的乘以系數(shù)，確定內(nèi)邊界為edd為0的等值線點(diǎn)。

29、本發(fā)明的有益效果在于：

30、本發(fā)明基于能量密度理論確定深埋隧道圍巖壓力拱的范圍，通過計(jì)算開挖前隧道圍巖內(nèi)部能量密度和開挖后隧道圍巖內(nèi)部能量密度，然后兩者進(jìn)行作差，獲得開挖前后隧道圍巖內(nèi)部能量密度差值，根據(jù)能量密度變化擾動(dòng)范圍來確定圍巖壓力拱內(nèi)、外邊界，避免了現(xiàn)階段壓力拱的定義和邊界確定方法均依賴于圍巖應(yīng)力的大小和方向，同時(shí)該方法可消除主應(yīng)力矢量偏轉(zhuǎn)程度的判定爭(zhēng)議問題，利用本發(fā)明方法可以快速有效的獲得圍巖壓力拱內(nèi)、外邊界范圍，實(shí)現(xiàn)簡單，還可觀察三維壓力拱隨隧道開挖的演化規(guī)律。

31、本發(fā)明通過實(shí)施例證明了，本方法以更高的精度揭示深埋隧道圍巖的壓力拱范圍形態(tài)。通過能量密度的分析，能夠更全面、更準(zhǔn)確地理解地質(zhì)條件對(duì)壓力分布的影響，從而揭示出復(fù)雜地質(zhì)背景下的拱形態(tài)變化。