隧道主动支护体系设计方法、装置、设备及存储介质与流程

本发明涉及隧道工程，尤其涉及一种隧道主动支护体系设计方法、装置、设备及存储介质。

背景技术：

1、隧道工程界逐渐认识到保护和充分利用围岩的自承载能力是隧道建造的核心思想。主动支护设计理念是以超前支护、预应力锚杆（索）及早高强喷射混凝土等为主要支护手段，及时有效地提供主动支护力，提高围岩力学参数，改善围岩应力状态，强调充分调动和发挥围岩的自承载能力。

2、目前，在主动支护系统研究与设计方面，一般研究主动支护与被动支护的内涵，对软岩大变形隧道分别采用强力支护、预应力支护、让压支护三种支护体系的承载特性与适宜性进行了研究，对实际工程应用效果进行试验研究。或是对采用锚杆、喷射混凝土、二次衬砌的常规复合式衬砌支护体系的安全系数计算方法进行研究，同时提出采用预应力锚杆（索）主动支护与常规复合式衬砌支护体系组合支护时的结构计算模型，但缺少此种组合支护体系的具体设计方法。还有大量文献对主动支护体系的机理、承载与变形特性、支护构件、工程案例等进行研究，为主动支护体系应用以及解决软弱大变形隧道施工难题提供有效的理论与技术支持，但工程应用中支护参数的设计仍以工程类比或经验为主，缺少可以指导设计的具体计算方法。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种隧道主动支护体系设计方法、装置、设备及存储介质，旨在解决现有工程应用中传统支护设计以工程类比或经验为主造成支护结构设计繁琐、不准确等问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种隧道主动支护体系设计方法，包括：

3、拟定隧道断面和支护参数，并根据所述隧道断面的参数和所述支护参数确定围岩变形量和锚杆的可变形量；

4、根据总安全系数法确定隧道的围岩压力设计值；

5、根据所述围岩变形量和所述锚杆的可变形量判定预应力锚杆系统是否适应变形，以获得判定结果；

6、根据所述判定结果确定对应的支护措施，并基于所述围岩压力设计值构建的模型确定所述支护措施的总安全系数和总变形；

7、判断所述总安全系数和所述总变形是否满足预设安全系数控制值的设计要求。

8、在一些实施例中，所述拟定隧道断面和支护参数，并根据所述隧道断面的参数和所述支护参数确定围岩变形量和锚杆的可变形量，包括：

9、拟定隧道断面；

10、根据所述隧道断面的隧道工程参数拟定锚杆的支护参数；其中，所述支护参数包括锚杆的长度、环纵向间距、预应力设计值以及锚索的承载能力设计值；

11、根据所述隧道断面的围岩参数、所述隧道工程参数以及所述支护参数确定围岩变形量和锚杆的可变形量。

12、在一些实施例中，所述根据所述隧道断面的围岩参数、所述隧道工程参数以及所述支护参数确定围岩变形量和锚杆的可变形量，包括：

13、根据所述隧道工程参数和所述隧道断面的围岩参数建立数值模型；

14、基于所述数值模型确定预应力作用下的围岩变形量；

15、获取锚杆的截面面积和弹性模量；

16、根据所述支护参数确定锚杆的长度、预应力设计值以及锚索的承载能力设计值；

17、根据所述截面面积、所述弹性模量、所述锚杆的长度、所述预应力设计值以及所述锚索的承载能力设计值确定锚杆的可变形量。

18、在一些实施例中，所述基于所述数值模型确定预应力作用下的围岩变形量，包括：

19、基于所述数值模型获得预应力作用下的锚杆内侧径向变形和外侧径向变形；其中，所述预应力作用包括将锚杆施加的预应力等效于均布荷载并施加在洞周；

20、根据所述锚杆内侧径向变和所述外侧径向变形的差值确定锚杆的内外端相对位移；

21、将所述内外端相对位移作为预应力作用下的围岩变形量。

22、在一些实施例中，所述根据所述围岩变形量和所述锚杆的可变形量判定预应力锚杆系统是否适应变形，以获得判定结果，包括：

23、在所述围岩变形量小于或等于所述锚杆的可变形量时，判定预应力锚杆系统适应变形；

24、在所述围岩变形量大于所述锚杆的可变形量时，判定预应力锚杆系统不适应变形。

25、在一些实施例中，所述根据所述判定结果确定对应的支护措施，并基于所述围岩压力设计值构建的模型确定所述支护措施的总安全系数和总变形，包括：

26、在判定出预应力锚杆系统适应变形时，采用预应力锚杆作为对应的支护措施；

27、根据支护结构组成和特征将预应力锚杆的支护过程划分为第一阶段、第二阶段、第三阶段以及第四阶段；

28、分别确定所述第一阶段、所述第二阶段、所述第三阶段以及所述第四阶段产生的变形；

29、根据所述第一阶段、所述第二阶段、所述第三阶段和所述第四阶段的变形之和确定总变形；

30、分别确定所述第二阶段、所述第三阶段以及所述第四阶段的安全系数；

31、基于所述围岩压力设计值构建荷载结构模型；

32、根据所述荷载结构模型分别计算得到锚岩承载拱安全系数、喷层安全系数以及二衬单独承载安全系数；

33、根据所述第二阶段、所述第三阶段和所述第四阶段的安全系数以及所述喷层安全系数和所述二衬单独承载安全系数确定总安全系数。

34、在一些实施例中，所述根据所述判定结果确定对应的支护措施，并基于所述围岩压力设计值构建的模型确定所述支护措施的总安全系数和总变形，包括：

35、在判定出预应力锚杆系统不适应变形时，采用在变形末期补充喷射混凝土内支撑的支护措施，或采用让压锚索适应变形的支护措施，或采用让压锚索适应变形和补充喷射混凝土内支撑的支护措施；

36、基于所述围岩压力设计值和所述支护措施构建荷载结构模型；

37、根据所述荷载结构模型确定总安全系数和总变形。

38、此外，为实现上述目的，本发明还提出一种隧道主动支护体系设计装置，包括：

39、拟定模块，用于拟定隧道断面和支护参数，并根据所述隧道断面的参数和所述支护参数确定围岩变形量和锚杆的可变形量；

40、确定模块，用于根据总安全系数法确定隧道的围岩压力设计值；

41、判定模块，用于根据所述围岩变形量和所述锚杆的可变形量判定预应力锚杆系统是否适应变形，以获得判定结果；

42、计算模块，用于根据所述判定结果确定对应的支护措施，并基于所述围岩压力设计值构建的模型确定所述支护措施的总安全系数和总变形；

43、判断模块，用于判断所述总安全系数和所述总变形是否满足预设安全系数控制值的设计要求。

44、此外，为实现上述目的，本发明还提出一种电子设备，所述电子设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的隧道主动支护体系设计程序，所述隧道主动支护体系设计程序配置为实现如上文所述的隧道主动支护体系设计方法。

45、此外，为实现上述目的，本发明还提出一种存储介质，所述存储介质存储有隧道主动支护体系设计程序，所述隧道主动支护体系设计程序用于使处理器执行时实现如上文所述的隧道主动支护体系设计方法。

46、本发明通过拟定隧道断面和支护参数，并根据所述隧道断面的参数和所述支护参数确定围岩变形量和锚杆的可变形量；根据总安全系数法确定隧道的围岩压力设计值；根据所述围岩变形量和所述锚杆的可变形量判定预应力锚杆系统是否适应变形，以获得判定结果；根据所述判定结果确定对应的支护措施，并基于所述围岩压力设计值构建的模型确定所述支护措施的总安全系数和总变形；判断所述总安全系数和所述总变形是否满足预设安全系数控制值的设计要求。本发明中，通过计算出预应力主动支护体系的总安全系数和总变形以确定安全系数和承载能力，从而定量地分析主动支护体系的结构可变形能力以及与围岩的变形量，可以为主动支护体系的支护构件选择、量化设计和整体优化设计提供有力手段，避免了传统设计方法的盲目性和随意性。此外，该方法求解过程简单易操作，对于工程技术人员可以较快掌握，便于推广使用，解决了现有工程应用中传统支护设计以工程类比或经验为主造成支护结构设计繁琐、不准确等问题。