[发明专利]一种深部硬岩隧道围岩稳定性三维动态量化评价方法

说明书

本发明提供了一种深部硬岩隧道围岩稳定性三维动态量化评价方法，涉及深部隧道围岩稳定性评估和智能建造技术领域，该方法包括：基于数字化手段和现场原位测试手段的隧道地质和围岩参数动态确定；基于GZZ三维强度准则和考虑三维复杂高地应力的破坏区应力分布快速计算；基于人工智能算法的破坏区分布形态快速定量求解方法。本发明以应力精确化控制和精细化分析为隧道设计理念，在考虑深部隧道围岩节理、裂隙、开挖扰动与围岩强度特性和力学机理的基础上，利用智能算法强大的全局寻优能力与传统分析方法高效率计算的特性，得到一种程序化流程用于计算围岩破坏区，实现了隧道掘进过程中围岩稳定性的精确化、快速化和动态化分析。

技术领域

本发明属于隧道挖掘工程技术领域，尤其涉及一种深部硬岩隧道围岩稳定性三维动态量化评价方法。

背景技术

隧道(或巷道)是地下工程中最为常见的结构之一，在国家许多超级工程中发挥着至关重要的作用。随着我国铁(公)路网建设重心进一步西移、深部矿产资源的开采和十四五规划“交通强国”战略工程的建设，隧道工程向着深埋长大的趋势快速发展，向深部进军是二十一世纪地下工程的一大主题。由于深部隧道所处的复杂地质条件，使得隧道施工面临着诸多挑战。深部岩体在结构、变形和强度等力学性质方面与浅部岩体存在着显著差异，深部隧道成灾机理也更加复杂，其中硬质岩体在复杂高地应力条件下的破坏所造成的隧道危石垮塌失稳、高强度和高频次岩爆直接关系着隧道工程施工的安全、进度和质量，是深部工程研究的热点和难点。

隧道开挖扰动了原本处于平衡状态的岩体，隧道围岩产生应力重分布，在三维高地应力的作用下围岩极易超出弹性极限进而产生松弛、屈服和破坏，在隧道周围形成所谓破坏区(或松动圈)。破坏区的分布形态将对隧道围岩稳定性评估以及后续施工过程中支护设计起到重要参考作用。破坏区的形成是一个动态过程，随着掌子面的推进其形状和大小都会产生变化。在施工过程中，一般可通过现场原位装置对破坏区的厚度进行量测，从而对支护结构的预设计进行修正和完善以达到动态设计的目的。但对于大断面的隧道，围岩破坏区厚度将远超装置的最大探测距离，因此无法进行准确量测。破坏区的大厚度还导致无法通过布置有限长度的锚杆对围岩进行有效加固补强，往往只能通过(多次)施加钢拱架和混凝土衬砌等措施进行防护。对于硬质围岩，其在破坏前往往没有明显变形产生，传统的位移(率)监测手段难以对这类隧道灾害进行实时预警，隧道安全难于得以保证。因此，发展合理有效的围岩破坏区快速预测手段将对指导深部隧道动态设计具有重要促进意义。

隧道工程往往赋存于隐蔽且复杂的地质环境中，无法通过现有的勘察技术或手段对拟开挖的地质体有全面的认识，这导致了隧道工程具有潜在风险。现行的设计与施工相分离的建设体制割裂了二者之间的关系，在施工过程中难以根据已暴露的地质情况和施工中发生的各种变化对预设计方案进行动态修改和完善。基于数字化的隧道动态设计理念强调在施工过程中及时评判设计的合理性、调整支护参数和施工方案，使支护结构更适应于围岩实际情况，提高隧道工程的投资效益和综合效益。

数字化动态设计一般以数字化平台和数值分析程序为基础进行一体化分析，但现有技术中数字和数值建模的复杂性以及数值计算所带来的巨大时间花费还不足以满足动态设计的即时性要求。传统的经验类比法客观性较弱，难以考虑复杂因素的影响，一般可适用于浅部隧道建设，经验公式无法解释深部隧道围岩的复杂力学行为。大多数情况下，关于较为精确地计算围岩破坏区的分析方法是极难得到的，且对从业人员的专业知识要求较高，不利于方法的拓展。当前，以人工智能为代表的现代信息技术与隧道等传统建造业的结合是一大发展趋势，可以为隧道数字化智能建造基础理论注入新的活力。但智能算法往往通过大量工程实测样本来预测和分析隧道结构和围岩的时序变化趋势，缺乏对力学机理的考虑。综上所述，面对这一难题时既需要在利用新科技与智能化手段来迎接新的挑战，也需要挖掘问题背后的物理机制，抽象出合理的力学模型，才能提出用于分析隧道围岩稳定性分析的准确、高效和便捷的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种深部硬岩隧道围岩稳定性三维动态量化评价方法，其特征在于，包括如下步骤：