一种隧道双层初期支护动态生成方法及装置

摘要

本发明实施例提供一种隧道双层初期支护动态生成方法，包括以下步骤：实时监控第一层支护变形量Uc，Uc的单位为mm；根据所述Uc绘制所述Uc与时间t的关系曲线，t的单位为d，d为一天；根据所述关系曲线得到函数Uc＝f(t)，根据所述函数计算变形加速度d2Uc/dt2，d2Uc/dt2的单位为mm/d2；比较所述Uc与初始设计第一层支护变形限制值Us，所述Us的单位为mm，根据所述Uc与所述Us的比较值与所述变形加速度的计算值对第一层支护与第二层支护进行处理。及时对设计进行修正，加强第二层初期支护刚度等结构或材料参数，以达到稳定围岩，防止出现围岩变形侵限等情况的发生，降低支护拆换风险，实现确保工期和降低工程造价的作用。

权利要求

1.一种隧道双层初期支护动态生成方法，其特征在于，包括以下步骤：实时监控第一层支护变形量Uc，Uc的单位为mm；

根据所述Uc绘制所述Uc与时间t的关系曲线，t的单位为d，d为一天；

2 2 2

根据所述关系曲线得到函数Uc＝f(t)，根据所述函数计算变形加速度d Uc/dt ，d Uc/

2 2

dt的单位为mm/d；

比较所述Uc与初始设计第一层支护变形限制值Us，所述Us的单位为mm，根据所述Uc与所述Us的比较值与所述变形加速度的计算值对第一层支护与第二层支护进行处理；

根据所述Uc与所述Us的比较值与所述变形加速度的计算值对第一层支护与第二层支护进行处理包括：当Uc>Us时，对第一层支护采取增加锚杆或加强喷射混凝土或对第一层支护进行拆换；

2 2

当Uc＝Us且d Uc/dt≥0时，设置双层初期支护；第二层支护施工完毕后，监测第二层初期支护变形量Ud，Ud的单位为mm，计算dUd/dt，dUd/dt的单位为mm/d，若满足铁路挤压性围岩隧道技术规范Q/CR 9512的规定，则双层初期支护结构设计完成，施作二次衬砌，否则，需要对支护结构进行处理；

2 2

当Uc

2 2 2 2

dUc/dt ≤0，设置第二层支护，若d Uc/dt>0，需要加快设置第二层支护；第二层支护施工完毕后，继续监测第二层初期支护变形量Ud，计算dUd/dt，若满足铁路挤压性围岩隧道技术规范Q/CR 9512的规定，则双层初期支护结构设计完成，施作二次衬砌，否则，需要对支护结构进行处理；

2 2

当Uc

2.一种隧道双层初期支护动态生成装置，其特征在于，包括：监控单元，实时监控第一层支护变形量Uc，Uc的单位为mm；

绘制曲线单元，根据所述Uc绘制所述Uc与时间t的关系曲线，t的单位为d，d为一天；

2

计算单元，根据所述关系曲线得到函数Uc＝f(t)，根据所述函数计算变形加速度dUc/

2 2 2 2

dt，dUc/dt的单位为mm/d；

比较单元，比较所述Uc与初始设计第一层支护变形限制值Us，所述Us的单位为mm，根据所述Uc与所述Us的比较值与所述变形加速度的计算值对第一层支护与第二层支护进行处理；

所述比较单元包括：

比较模块A，当Uc>Us时，需要对第一层支护采取增加锚杆或加强喷射混凝土或对第一层支护进行拆换，提高第一层支护刚度；

2 2

比较模块B，当Uc＝Us且dUc/dt≥0时，由于第一层支护变形量未超过初始设计第一层支护变形限制值Us，设置双层初期支护；第二层支护施工完毕后，监测第二层初期支护变形量Ud，Ud的单位为mm，计算dUd/dt，dUd/dt的单位为mm/d，若满足铁路挤压性围岩隧道技术规范Q/CR 9512的规定，则双层初期支护结构设计完成，施作二次衬砌，否则，需要对支护结构进行处理；

2 2

比较模块C，当Uc

2 2 2 2

形速率；若dUc/dt≤0，设置第二层支护，若dUc/dt>0，需要加快设置第二层支护；第二层支护施工完毕后，继续监测第二层初期支护变形量Ud，计算dUd/dt，若满足铁路挤压性围岩隧道技术规范Q/CR 9512的规定，则双层初期支护结构设计完成，施作二次衬砌，否则，需要对支护结构进行处理；

2 2

比较模块D，当Uc

说明书

一种隧道双层初期支护动态生成方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及隧道结构设计技术领域，特别是一种隧道双层初期支护动态生成方法及装置。

背景技术

[0002] 随着我国道路交通和轨道交通的不断发展，隧道工程技术也越来越成熟，各种不同类型隧道的应用也越来越多。根据隧道工程施工方式的不同，现有的隧道工程的施工方法通常有明挖法、盾构法、矿山法、沉管法等，其中，矿山法是一种较为传统也运用十分广泛的隧道工程施工方法。对于矿山法修建的隧道工程，隧道初期支护是指隧道开挖后，用于控制围岩变形及防止坍塌所及时施做的支护，一般采用喷锚支护，主要支护构件有喷射混凝土、锚杆、钢筋网、钢架等。初期支护是隧道结构的重要组成部分，是施工安全性、经济性的主要控制因素之一。

[0003] 传统隧道双层初期支护设计方法主要基于前期地质勘察的结果进行支护参数设计，但由于包括高地应力软岩内的隧道建设地质环境极其复杂，需及时对设计进行修正，现有隧道双层初期支护设计方法无法做到精细化设计与施工，无法实现系统性、规范性动态设计。

[0004] 在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：无法做到精细化设计与施工，无法实现系统性、规范性动态设计。

发明内容

[0005] 本发明实施例提供一种隧道双层初期支护动态生成方法及装置，目的是为了解决现有技术无法做到精细化设计与施工，无法实现系统性、规范性动态设计的缺陷。

[0006] 一方面，本发明实施例提供了一种隧道双层初期支护动态生成方法，包括以下步骤：

[0007] 实时监控第一层支护变形量Uc，Uc的单位为mm；

[0008] 根据所述Uc绘制所述Uc与时间t的关系曲线，t的单位为d，d为一天；

[0009] 根据所述关系曲线得到函数Uc＝f(t)，根据所述函数计算变形加速度d2Uc/dt2，2 2 2
dUc/dt的单位为mm/d；

[0010] 比较所述Uc与初始设计第一层支护变形限制值Us，所述Us的单位为mm，根据所述Uc与所述Us的比较值与所述变形加速度的计算值对第一层支护与第二层支护进行处理。

[0011] 另一方面，本发明实施例提供了一种隧道双层初期支护动态生成装置，包括：

[0012] 监控单元，实时监控第一层支护变形量Uc，Uc的单位为mm；

[0013] 绘制曲线单元，根据所述Uc绘制所述Uc与时间t的关系曲线，t的单位为d，d为一天；

[0014] 计算单元，根据所述关系曲线得到函数Uc＝f(t)，根据所述函数计算变形加速度2 2 2 2 2
dUc/dt，dUc/dt的单位为mm/d；

[0015] 比较单元，比较所述Uc与初始设计第一层支护变形限制值Us，所述Us的单位为mm，根据所述Uc与所述Us的比较值与所述变形加速度的计算值对第一层支护与第二层支护进行处理。

[0016] 上述技术方案具有如下有益效果：本发明的设计方法可以在第一层初期支护变形量等监测数值低于设计要求时，可降低第二层初期支护刚度等结构或材料参数，以降低工程造价；在第一层初期支护变形量等监测数值高于设计要求时，需及时对设计进行修正，加强第二层初期支护刚度等结构或材料参数，以达到稳定围岩，防止出现围岩变形侵限等情况的发生，降低支护拆换风险，实现确保工期和降低工程造价的作用。

附图说明

[0017] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0018] 图1是本发明实施例提供的一种隧道双层初期支护动态设计方法流程图；

[0019] 图2是本发明实施例提供的一种隧道双层初期支护模型生成装置的结构示意图；

[0020] 图3是本发明实施例提供的一种隧道双层初期支护动态设计方法的第一种实施方式流程图；

[0021] 图4是本发明应用实例第一层初期支护示意图；

[0022] 图5a是本发明应用实例单层初期支护结构示意图；

[0023] 图5b是本发明应用实例双层初期支护结构示意图；

[0024] 图6a是本发明应用实例单层初期支护围岩支护特征曲线；

[0025] 图6b是本发明应用实例双层初期支护围岩支护特征曲线。

具体实施方式

[0026] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0027] 在本发明实施例中，如图1，提供了一种隧道双层初期支护动态生成方法(也称高地应力软岩隧道双层初期支护动态监测方法)，其步骤包括：

[0028] S1：

[0029] 按照设计方案施工第一层支护参数，实时监控第一层支护变形量Uc，Uc的单位为mm；

[0030] S2：

[0031] 绘制第一层支护变形量Uc与时间t的关系曲线，t的单位为d；

[0032] S3：

[0033] 根据所述关系曲线得到Uc＝f(t)函数，根据所述函数计算变形加速度d2Uc/dt2，2 2 2
dUc/dt的单位为mm/d。

[0034] S4：

[0035] 比较Uc与初始设计第一层支护变形限制值Us，Us的单位为mm；根据Uc与Us的比较值与变形加速度的计算值，确定第一层支护与第二层支护的处理措施(确定动态设计方案)。

[0036] 当Uc>Us时，即，第一层支护变形量超过第一层支护变形限制值Us，需要对第一层支护采取处理措施，以提高第一层支护刚度。处理措施包括增加锚杆、加强喷射混凝土加强第一层支护直至对第一层支护进行拆换。

[0037] 当Uc＝Us且d2Uc/dt2≥0时，由于第一层支护变形量未超过初始设计第一层支护变形限制值Us，设置双层初期支护；第二层支护施工完毕后，监测第二层初期支护变形量Ud，Ud的单位为mm，计算dUd/dt，若满足《铁路挤压性围岩隧道技术规范》Q/CR9512相关规定(《铁路挤压性围岩隧道技术规范》Q/CR 9512‑2019第6.3.5条，二次衬砌施作应在围岩和初期支护变形基本稳定后进行。变形基本稳定应符合：变形速率明显下降并趋于缓和；当无经验时，可按变形速率(7d平均值)中小跨小于1mm/d、大跨及以上小于2mm/d执行，并对二次衬砌进行加强。)则双层初期支护结构设计完成，可施作二次衬砌，否则，需要对支护结构进行拆2 2
换或其他处理措施。当Uc2 2 2 2
变形速率；若d Uc/dt≤0，设置第二层支护，若dUc/dt>0，需要尽快设置第二层支护；第二层支护施工完毕后，继续监测第二层初期支护变形量Ud，计算dUd/dt，dUd/dt的单位为mm/d，若满足《铁路挤压性围岩隧道技术规范》Q/CR9512相关规定(《铁路挤压性围岩隧道技术规范》Q/CR 9512‑2019第6.3.5条，二次衬砌施作应在围岩和初期支护变形基本稳定后进行。
变形基本稳定应符合：变形速率明显下降并趋于缓和；当无经验时，可按变形速率(7d平均值)中小跨小于1mm/d、大跨及以上小于2mm/d执行，并对二次衬砌进行加强。)则双层初期支护结构设计完成，可施作二次衬砌，否则，需要对支护结构进行拆换或其他处理措施。

[0038] 当Uc

[0039] 在本发明实施例中，如图2，提供了一种隧道双层初期支护动态生成装置，包括：

[0040] 监控单元21，用于实时监控第一层支护变形量Uc，Uc的单位为mm；

[0041] 绘制曲线单元22，用于绘制第一层支护变形量Uc与时间t的关系曲线，t的单位为d；

[0042] 计算单元23，根据所述关系曲线得到函数Uc＝f(t)，然后根据所述函数计算变形2 2 2 2 2
加速度dUc/dt，dUc/dt的单位为mm/d；

[0043] 比较单元24，用于比较Uc与初始设计第一层支护变形限制值Us，根据Uc与Us的比较值与变形加速度的计算值确定第一层支护与第二层支护的处理措施，Us的单位为mm。

[0044] 比较Uc与初始设计第一层支护变形限制值Us，Us的单位为mm；根据Uc与Us的比较值与变形加速度的计算值，确定第一层支护与第二层支护的处理措施(确定动态设计方案)。比较单元24包括：比较模块A，比较模块B，比较模块C，比较模块D。

[0045] 比较模块A,当Uc>Us时，即，第一层支护变形量超过第一层支护变形限制值Us，需要对第一层支护采取增加锚杆或加强喷射混凝土或对第一层支护进行拆换，提高第一层支护刚度。

[0046] 比较模块B,当Uc＝Us且d2Uc/dt2≥0时，由于第一层支护变形量未超过初始设计第一层支护变形限制值Us，设置双层初期支护；第二层支护施工完毕后，监测第二层初期支护变形量Ud，Ud的单位为mm，计算dUd/dt，若满足《铁路挤压性围岩隧道技术规范》Q/CR9512相关规定(《铁路挤压性围岩隧道技术规范》Q/CR 9512‑2019第6.3.5条，二次衬砌施作应在围岩和初期支护变形基本稳定后进行。变形基本稳定应符合：变形速率明显下降并趋于缓和；当无经验时，可按变形速率(7d平均值)中小跨小于1mm/d、大跨及以上小于2mm/d执行，并对二次衬砌进行加强。)则双层初期支护结构设计完成，可施作二次衬砌，否则，需要对支护结构进行拆换或其他处理措施。

[0047] 比较模块C，当Uc算变形速率；若d Uc/dt≤0，设置第二层支护，若d Uc/dt>0，需要尽快设置第二层支护；第二层支护施工完毕后，继续监测第二层初期支护变形量Ud，计算dUd/dt，dUd/dt的单位为mm/d，若满足《铁路挤压性围岩隧道技术规范》Q/CR9512相关规定(《铁路挤压性围岩隧道技术规范》Q/CR 9512‑2019第6.3.5条，二次衬砌施作应在围岩和初期支护变形基本稳定后进行。变形基本稳定应符合：变形速率明显下降并趋于缓和；当无经验时，可按变形速率(7d平均值)中小跨小于1mm/d、大跨及以上小于2mm/d执行，并对二次衬砌进行加强。)则双层初期支护结构设计完成，可施作二次衬砌，否则，需要对支护结构进行拆换或其他处理措施。

[0048] 比较模块D，当Uc

[0049] 本发明的设计方法可以在第一层初期支护变形量等监测数值低于设计要求时，可降低第二层初期支护刚度等结构或材料参数，以降低工程造价；在第一层初期支护变形量等监测数值高于设计要求时，需及时对设计进行修正，加强第二层初期支护刚度等结构或材料参数，以达到稳定围岩，防止出现围岩变形侵限等情况的发生，降低支护拆换风险，实现确保工期和降低工程造价的作用。

[0050] 下面结合具体的应用实例对本发明实施例上述技术方案进行详细说明，实施过程中没有介绍到的技术细节，可以参考前文的相关描述。

[0051] 实施例1：

[0052] 一种隧道双层初期支护动态生成方法(一种高地应力软岩隧道双层初期支护动态设计方法)，如图3、图5a、图5b所示。其实施方法为：

[0053] 1)基于地质勘察资料，采用理论结合经验的设计方法对双层初期支护结构进行设计，确定第一层支护参数及第二层支护参数的初始值，双层初期支护等效刚度Kd＝λ1K1+λ2K2，K1、K2分别为第一层、第二层初期支护刚度；λ1、λ2为分别为第一层、第二层初期支护结构参数。

[0054] 2)按照设计方案施工第一层支护参数，如图4所示，实时监控第一层支护初期支护拱顶、拱肩、拱腰、边墙等位置处的平均变形量Uc(第一层支护变形量)。

[0055] 3)绘制支护变形量Uc与时间t的关系曲线，得到Uc＝f(t)的函数，计算变形加速度2 2
dUc/dt。

[0056] 4)经过时间t(第一层支护设计受围岩挤压变形时间)后，当变形速率逐渐降低时，通过比较Uc与初始设计第一层支护变形限制值Us(第一层支护变形超过变形限制值Us等于2 2
一层初期支护与第二层初期支护间预留变形量，属于经验参数)，变形加速度d Uc/dt计算值确定第二层支护动态设计方案。

[0057] 5)当Uc>Us时，第一层支护变形量超过第一层支护变形限制值Us，说明变形量已经超出设计范围，需要对第一层支护进行拆换或其他处理措施，以提高第一层支护刚度。

[0058] 6)当Uc＝Us且d2Uc/dt2≥0时，第一层支护变形量Uc达到第一层支护变形限制值Us，变形速率仍在增大。但由于在设计时间t内，第一层支护变形量未超过第一层支护变形限制值Us，考虑设置双层初期支护，第二层初期支护刚度(K2＇)需比设计值K2提高，即：K2＇>K2。在图6b中，支护特征曲线CF第二层初期支护刚度为设计值K2，提高至K2＇，则F点向DB方向移动。第二层初期支护施工完毕后，继续监测第二层初期支护变形量Ud，计算dUd/dt，dUd/dt的单位为mm/d。若满足《铁路挤压性围岩隧道技术规范》Q/CR 9512中小跨隧道Vda<1mm/d或大跨隧道Vda<2mm/d情况，其中，Vda为第二层初期支护连续7d变形速率的平均值，即：Vda＝7 m m
∑m＝1dUd /7dt，dUd/dt为第m天第二层初期支护变形速率，则双层初期支护结构设计完成，可施作二次衬砌，否则，需要对支护结构进行拆换或其他处理措施。(《铁路挤压性围岩隧道技术规范》Q/CR 9512‑2019第6.3.5条，二次衬砌施作应在围岩和初期支护变形基本稳定后进行。变形基本稳定应符合：变形速率明显下降并趋于缓和；当无经验时，可按变形速率(7d平均值)中小跨小于1mm/d、大跨及以上小于2mm/d执行，并对二次衬砌进行加强。)[0059] 7)当Uc2 2
量Uc达到变形限制值Us时，计算变形速率；若dUc/dt≤0，则说明围岩变形已经趋缓，可以
2 2
设置第二层初期支护，且不需要进一步提高支护刚度，即：K2＇＝K2。若dUc/dt>0，则说明围岩变形仍然没有明显得到控制，需要尽快设置第二层初期支护，且提高其支护刚度，即：K2＇>K2；第二层初期支护施工完毕后，继续监测第二层初期支护变形量Ud，计算dUd/dt，后续同步骤6)；

[0060] 8)当Uc

[0061] 应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于所述的特定顺序或层次。

[0062] 在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要比清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。

[0063] 为使本领域内的任何技术人员能够实现或者使用本发明，上面对所公开实施例进行了描述。对于本领域技术人员来说；这些实施例的各种修改方式都是显而易见的，并且本文定义的一般原理也可以在不脱离本公开的精神和保护范围的基础上适用于其它实施例。因此，本公开并不限于本文给出的实施例，而是与本申请公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。

[0064] 上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。

[0065] 本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种说明性逻辑块(illustrative logical block)，单元，和步骤可以通过电子硬件、电脑软件，或两者的结合进行实现。为清楚展示硬件和软件的可替换性(interchangeability)，上述的各种说明性部件(illustrative components)，单元和步骤已经通用地描述了它们的功能。这样的功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。

[0066] 本发明实施例中所描述的各种说明性的逻辑块，或单元都可以通过通用处理器，数字信号处理器，专用集成电路(ASIC)，现场可编程门阵列或其它可编程逻辑装置，离散门或晶体管逻辑，离散硬件部件，或上述任何组合的设计来实现或操作所描述的功能。通用处理器可以为微处理器，可选地，该通用处理器也可以为任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以通过计算装置的组合来实现，例如数字信号处理器和微处理器，多个微处理器，一个或多个微处理器联合一个数字信号处理器核，或任何其它类似的配置来实现。

[0067] 本发明实施例中所描述的方法或算法的步骤可以直接嵌入硬件、处理器执行的软件模块、或者这两者的结合。软件模块可以存储于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD‑ROM或本领域中其它任意形式的存储媒介中。示例性地，存储媒介可以与处理器连接，以使得处理器可以从存储媒介中读取信息，并可以向存储媒介存写信息。可选地，存储媒介还可以集成到处理器中。处理器和存储媒介可以设置于ASIC中，ASIC可以设置于用户终端中。可选地，处理器和存储媒介也可以设置于用户终端中的不同的部件中。

[0068] 在一个或多个示例性的设计中，本发明实施例所描述的上述功能可以在硬件、软件、固件或这三者的任意组合来实现。如果在软件中实现，这些功能可以存储与电脑可读的媒介上，或以一个或多个指令或代码形式传输于电脑可读的媒介上。电脑可读媒介包括电脑存储媒介和便于使得让电脑程序从一个地方转移到其它地方的通信媒介。存储媒介可以是任何通用或特殊电脑可以接入访问的可用媒体。例如，这样的电脑可读媒体可以包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、CD‑ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁性存储装置，或其它任何可以用于承载或存储以指令或数据结构和其它可被通用或特殊电脑、或通用或特殊处理器读取形式的程序代码的媒介。此外，任何连接都可以被适当地定义为电脑可读媒介，例如，如果软件是从一个网站站点、服务器或其它远程资源通过一个同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线(DSL)或以例如红外、无线和微波等无线方式传输的也被包含在所定义的电脑可读媒介中。所述的碟片(disk)和磁盘(disc)包括压缩磁盘、镭射盘、光盘、DVD、软盘和蓝光光盘，磁盘通常以磁性复制数据，而碟片通常以激光进行光学复制数据。上述的组合也可以包含在电脑可读媒介中。

[0069] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。