本发明公开了一种基于围岩变形控制的预应力锚杆支护分析方法及装置，涉及隧道工程支护结构设计技术领域，其中该方法包括：获取第一围岩力学参数；确定预应力锚杆支护参数；根据预应力锚杆的附加应力和围岩力学参数的对应关系、预应力锚杆支护参数，确定预应力锚杆支护作用时受压范围内的第二围岩力学参数；根据第一围岩力学参数和第二围岩力学参数，确定围岩变形值；将围岩变形值与预先设定的围岩变形控制值进行比较；根据围岩变形值与预先设定的围岩变形控制值的差异调整预应力锚杆支护参数，直至围岩变形值与预先设定的围岩变形控制值的差异小于阈值。本发明可以量化预应力锚杆支护参数设计，提升预应力锚杆设计精度。
1.一种基于围岩变形控制的预应力锚杆支护分析方法，其特征在于，包括：获取第一围岩力学参数；所述第一围岩力学参数包括围岩的初始粘聚力、围岩初始内摩擦角、围岩初始弹性模量；
重复执行如下步骤，直至围岩变形值与预先设定的围岩变形控制值的差异小于阈值，输出预应力锚杆支护参数：根据预应力锚杆的附加应力和围岩力学参数的对应关系、预应力锚杆支护参数，确定预应力锚杆支护作用时受压范围内的第二围岩力学参数；所述附加应力和围岩力学参数的对应关系，是对岩石的三轴力学测试数据分析得到的；第二围岩力学参数包括预应力锚杆支护作用时受压范围内的围岩粘聚力、围岩内摩擦角、围岩弹性模量；
根据第一围岩力学参数和第二围岩力学参数，确定围岩变形值；
在围岩变形值与预先设定的围岩变形控制值的差异大于阈值时，调整预应力锚杆支护参数；其中，根据第一围岩力学参数和第二围岩力学参数，按如下公式确定围岩变形值：式中，uo为围岩变形值，R0为隧道洞室半径，υ为围岩初始泊松比，RL为预应力锚杆支护作用时的受压范围，P0为初始地应力，L、Sr、B分别为预应力锚杆的自由段长度、环向间距、垫板宽度，φp为扩散角度，c、φ、E分别为围岩的初始粘聚力、围岩初始内摩擦角、围岩初始弹性模量，c'、φ'、E'分别为预应力锚杆支护作用时受压范围内的围岩粘聚力、围岩内摩擦角、围岩弹性模量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预应力锚杆支护参数包括预应力锚杆的自由段长度、垫板宽度、纵向间距、环向间距、锚杆预紧力其中之一或任意组合。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据第一围岩力学参数，确定预应力锚杆支护参数，包括：收集历史第一围岩力学参数和对应的历史预应力锚杆支护参数；
利用历史第一围岩力学参数和对应的历史预应力锚杆支护参数，建立训练集和测试集；
利用训练集对神经网络模型进行训练，利用测试集对神经网络模型测试，得到训练好的预应力锚杆支护参数确定模型；
将第一围岩力学参数输入预应力锚杆支护参数确定模型，输出预应力锚杆支护参数。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述附加应力和围岩力学参数的对应关系，是按如下方式对岩石的三轴力学测试数据分析得到的：获取室内三轴试验确定的不同围压条件下的岩石应力应变数据；
根据不同围压条件下的岩石应力应变数据，确定不同围压条件下的围岩力学参数；
采用数理统计方法对不同围压条件下的围岩力学参数进行拟合分析，得到附加应力和围岩力学参数的对应关系。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述附加应力和围岩力学参数的对应关系按如下公式表示：式中，c、φ、E分别为围岩的粘聚力、内摩擦角、弹性模量，AE、BE、Aφ、Bφ、AC、BC为拟合系数，σ3为附加应力。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，按如下公式，根据预应力锚杆的附加应力和围岩力学参数的对应关系、预应力锚杆支护参数，确定预应力锚杆支护作用时受压范围内的第二围岩力学参数：式中，c、φ、E分别为围岩的初始粘聚力、围岩初始内摩擦角、围岩初始弹性模量，c'、φ'、E'分别为预应力锚杆支护作用时受压范围内的围岩粘聚力、围岩内摩擦角、围岩弹性模量，Δc为预应力锚杆支护作用时受压范围内的围岩粘聚力相较于围岩的初始粘聚力的增量， 为预应力锚杆支护作用时受压范围内的围岩内摩擦角相较于围岩初始内摩擦角的增量，ΔE为预应力锚杆支护作用时受压范围内的围岩弹性模量相较于围岩初始弹性模量的增量， 为拟合系数，Δσ3为预应力锚杆支护作用时的附加应力，F、Sl、Sr分别为预应力锚杆的锚杆预紧力、纵向间距、环向间距。
7.一种基于围岩变形控制的预应力锚杆支护分析装置，其特征在于，包括：初始围岩力学参数获取模块，用于获取第一围岩力学参数；所述第一围岩力学参数包括围岩的初始粘聚力、围岩初始内摩擦角、围岩初始弹性模量；
初始预应力锚杆支护参数确定模块，用于根据第一围岩力学参数，确定预应力锚杆支护参数；
预应力锚杆支护参数调整模块，用于重复执行如下步骤，直至围岩变形值与预先设定的围岩变形控制值的差异小于阈值，输出预应力锚杆支护参数：根据预应力锚杆的附加应力和围岩力学参数的对应关系、预应力锚杆支护参数，确定预应力锚杆支护作用时受压范围内的第二围岩力学参数；所述附加应力和围岩力学参数的对应关系，是对岩石的三轴力学测试数据分析得到的；第二围岩力学参数包括预应力锚杆支护作用时受压范围内的围岩粘聚力、围岩内摩擦角、围岩弹性模量；
根据第一围岩力学参数和第二围岩力学参数，确定围岩变形值；
在围岩变形值与预先设定的围岩变形控制值的差异大于阈值时，调整预应力锚杆支护参数；其中，预应力锚杆支护参数调整模块具体用于：
根据第一围岩力学参数和第二围岩力学参数，按如下公式确定围岩变形值：式中， uo为围岩变形值，R0为隧道洞室半径，υ为围岩初始泊松比，RL为预应力锚杆支护作用时的受压范围，P0为初始地应力，L、Sr、B分别为预应力锚杆的自由段长度、环向间距、垫板宽度，φp为扩散角度，c、φ、E分别为围岩的初始粘聚力、围岩初始内摩擦角、围岩初始弹性模量，c'、φ'、E'分别为预应力锚杆支护作用时受压范围内的围岩粘聚力、围岩内摩擦角、围岩弹性模量。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述预应力锚杆支护参数包括预应力锚杆的自由段长度、垫板宽度、纵向间距、环向间距、锚杆预紧力其中之一或任意组合。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，初始预应力锚杆支护参数确定模块具体用于：收集历史第一围岩力学参数和对应的历史预应力锚杆支护参数；
利用历史第一围岩力学参数和对应的历史预应力锚杆支护参数，建立训练集和测试集；
利用训练集对神经网络模型进行训练，利用测试集对神经网络模型测试，得到训练好的预应力锚杆支护参数确定模型；
将第一围岩力学参数输入预应力锚杆支护参数确定模型，输出预应力锚杆支护参数。
10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述附加应力和围岩力学参数的对应关系，是按如下方式对岩石的三轴力学测试数据分析得到的：获取室内三轴试验确定的不同围压条件下的岩石应力应变数据；
根据不同围压条件下的岩石应力应变数据，确定不同围压条件下的围岩力学参数；
采用数理统计方法对不同围压条件下的围岩力学参数进行拟合分析，得到附加应力和围岩力学参数的对应关系。
11.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述附加应力和围岩力学参数的对应关系按如下公式表示：式中，c、φ、E分别为围岩的粘聚力、内摩擦角、弹性模量，AE、BE、Aφ、Bφ、AC、BC为拟合系数，σ3为附加应力。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，预应力锚杆支护参数调整模块具体用于：按如下公式，根据预应力锚杆的附加应力和围岩力学参数的对应关系、预应力锚杆支护参数，确定预应力锚杆支护作用时受压范围内的第二围岩力学参数：式中，c、φ、E分别为围岩的初始粘聚力、围岩初始内摩擦角、围岩初始弹性模量，c'、φ'、E'分别为预应力锚杆支护作用时受压范围内的围岩粘聚力、围岩内摩擦角、围岩弹性模量， 为预应力锚杆支护作用时受压范围内的围岩粘聚力相较于围岩的初始粘聚力的增量， 为预应力锚杆支护作用时受压范围内的围岩内摩擦角相较于围岩初始内摩擦角的增量， 为预应力锚杆支护作用时受压范围内的围岩弹性模量相较于围岩初始弹性模量的增量， 为拟合系数， 为预应力锚杆支护作用时的附加应力， 分别为预应力锚杆的锚杆预紧力、纵向间距、环向间距。
13.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至6任一所述方法。
14.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6任一所述方法。
基于围岩变形控制的预应力锚杆支护分析方法及装置
技术领域
[0001] 本发明涉及隧道工程支护结构设计技术领域，尤其涉及基于围岩变形控制的预应力锚杆支护分析方法及装置。
背景技术
[0002] 本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
[0003] 预应力锚杆具有灵活、有效、安全、低成本等优势，在隧道、矿山、硐室、结构岩体等地下工程中得到广泛应用。采用预应力锚杆对围岩进行支护是隧道工程中常用的支护措施，但目前隧道中锚杆支护设计和施工仍偏向于类比法，该方法依赖于已建工程的经验，同时受现场施工条件的约束，存在一定的安全隐患；现有技术隧道锚杆设计中还存在基于施工围岩物理特性，通过理论计算确定锚杆支护方案，但是该方法较少的考虑实际围岩条件，计算结果不可靠，无法用于实际施工。
发明内容
[0004] 本发明实施例提供一种基于围岩变形控制的预应力锚杆支护分析方法，用以降低预应力锚杆支护的安全隐患，量化预应力锚杆支护参数设计，提升预应力锚杆设计精度，为隧道支护结构设计提供指导，该方法包括：
[0005] 获取第一围岩力学参数；所述第一围岩力学参数包括围岩的初始粘聚力、围岩初始内摩擦角、围岩初始弹性模量；
[0006] 根据第一围岩力学参数，确定预应力锚杆支护参数；
[0007] 重复执行如下步骤，直至围岩变形值与预先设定的围岩变形控制值的差异小于阈值，输出预应力锚杆支护参数：
[0008] 根据预应力锚杆的附加应力和围岩力学参数的对应关系、预应力锚杆支护参数，确定预应力锚杆支护作用时受压范围内的第二围岩力学参数；所述附加应力和围岩力学参数的对应关系，是对岩石的三轴力学测试数据分析得到的；第二围岩力学参数包括预应力锚杆支护作用时受压范围内的围岩粘聚力、围岩内摩擦角、围岩弹性模量；
[0009] 根据第一围岩力学参数和第二围岩力学参数，确定围岩变形值；
[0010] 将围岩变形值与预先设定的围岩变形控制值进行比较；
[0011] 在围岩变形值与预先设定的围岩变形控制值的差异大于阈值时，调整预应力锚杆支护参数。
[0012] 本发明实施例还提供一种基于围岩变形控制的预应力锚杆支护分析装置，用以降低预应力锚杆支护的安全隐患，量化预应力锚杆支护参数设计，提升预应力锚杆设计精度，为隧道支护结构设计提供指导，该装置包括：
[0013] 初始围岩力学参数获取模块，用于获取第一围岩力学参数；所述第一围岩力学参数包括围岩的初始粘聚力、围岩初始内摩擦角、围岩初始弹性模量；
[0014] 初始预应力锚杆支护参数确定模块，用于根据第一围岩力学参数，确定预应力锚杆支护参数；
[0015] 预应力锚杆支护参数调整模块，用于重复执行如下步骤，直至围岩变形值与预先设定的围岩变形控制值的差异小于阈值，输出预应力锚杆支护参数：
[0016] 根据预应力锚杆的附加应力和围岩力学参数的对应关系、预应力锚杆支护参数，确定预应力锚杆支护作用时受压范围内的第二围岩力学参数；所述附加应力和围岩力学参数的对应关系，是对岩石的三轴力学测试数据分析得到的；第二围岩力学参数包括预应力锚杆支护作用时受压范围内的围岩粘聚力、围岩内摩擦角、围岩弹性模量；
[0017] 根据第一围岩力学参数和第二围岩力学参数，确定围岩变形值；
[0018] 将围岩变形值与预先设定的围岩变形控制值进行比较；
[0019] 在围岩变形值与预先设定的围岩变形控制值的差异大于阈值时，调整预应力锚杆支护参数。
[0020] 本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述基于围岩变形控制的预应力锚杆支护分析方法。
[0021] 本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述基于围岩变形控制的预应力锚杆支护分析方法。
[0022] 本发明实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述基于围岩变形控制的预应力锚杆支护分析方法。
[0023] 本发明实施例中，对岩石的三轴力学测试数据分析，建立附加应力和围岩力学参数的对应关系；在预应力锚杆的支护设计阶段，根据初始的预应力锚杆支护参数、附加应力和围岩力学参数的对应关系，确定预应力锚杆支护作用时的受压范围内的围岩力学参数；从而可以精准得到预应力锚杆支护作用时的受压范围内的围岩力学参数；
[0024] 并且，根据初始的第一围岩力学参数和预应力锚杆支护作用时的受压范围内的第二围岩力学参数，确定围岩变形值；将围岩变形值与预先设定的围岩变形控制值进行比较，根据围岩变形值与预先设定的围岩变形控制值的差异，调整预应力锚杆支护参数，直至围岩变形值与预先设定的围岩变形控制值的差异小于阈值，输出预应力锚杆支护参数；本发明实施例实现了预应力锚杆支护参数的量化设计，提升了预应力锚杆设计精度，降低了经验法设计带来的支护安全隐患，预应力锚杆支护设计可靠，为隧道支护结构设计提供指导。
附图说明
[0025] 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。在附图中：
[0026] 图1为本发明实施例中基于围岩变形控制的预应力锚杆支护分析方法的流程示意图；
[0027] 图2为本发明实施例中基于围岩变形控制的预应力锚杆支护分析方法的一具体实施例；
[0028] 图3为本发明实施例中不同围压条件下的岩石应力应变曲线；
[0029] 图4为本发明实施例中弹性模量与围压变化曲线；
[0030] 图5为本发明实施例中围岩圈层计算模型示意图；
[0031] 图6为本发明实施例中非圆形隧道的等代圆计算图示；
[0032] 图7为本发明实施例中基于围岩变形控制的预应力锚杆支护分析方法的一具体实施例；
[0033] 图8为本发明实施例中基于围岩变形控制的预应力锚杆支护分析装置的示意图。
具体实施方式
[0034] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
[0035] 申请人发现，采用预应力锚杆对围岩进行支护是隧道工程中常用的支护措施，但目前隧道中锚杆支护设计和施工仍偏向于类比法，该方法依赖于已建工程的经验，同时受现场施工条件的约束，存在一定的安全隐患；现有技术隧道锚杆设计中还存在基于施工围岩物理特性，通过理论计算确定锚杆支护方案，但是该方法较少的考虑实际围岩条件，计算结果不可靠，无法用于实际施工。为此申请人提出了一种基于围岩变形控制的预应力锚杆支护分析方法。
[0036] 图1为本发明实施例中基于围岩变形控制的预应力锚杆支护分析方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括：
[0037] 步骤101、获取第一围岩力学参数；所述第一围岩力学参数包括围岩的初始粘聚力、围岩初始内摩擦角、围岩初始弹性模量；
[0038] 步骤102、根据第一围岩力学参数，确定预应力锚杆支护参数；
[0039] 步骤103、重复执行如下步骤，直至围岩变形值与预先设定的围岩变形控制值的差异小于阈值，输出预应力锚杆支护参数：
[0040] 根据预应力锚杆的附加应力和围岩力学参数的对应关系、预应力锚杆支护参数，确定预应力锚杆支护作用时受压范围内的第二围岩力学参数；所述附加应力和围岩力学参数的对应关系，是对岩石的三轴力学测试数据分析得到的；第二围岩力学参数包括预应力锚杆支护作用时受压范围内的围岩粘聚力、围岩内摩擦角、围岩弹性模量；
[0041] 根据第一围岩力学参数和第二围岩力学参数，确定围岩变形值；
[0042] 将围岩变形值与预先设定的围岩变形控制值进行比较；
[0043] 在围岩变形值与预先设定的围岩变形控制值的差异大于阈值时，调整预应力锚杆支护参数。
[0044] 从图1所示流程可以看出，本发明实施例中，对岩石的三轴力学测试数据分析，建立附加应力和围岩力学参数的对应关系；在预应力锚杆的支护设计阶段，根据初始的预应力锚杆支护参数、附加应力和围岩力学参数的对应关系，确定预应力锚杆支护作用时的受压范围内的围岩力学参数；从而可以精准得到预应力锚杆支护作用时的受压范围内的围岩力学参数；并且，根据初始的第一围岩力学参数和预应力锚杆支护作用时的受压范围内的第二围岩力学参数，确定围岩变形值；将围岩变形值与预先设定的围岩变形控制值进行比较，根据围岩变形值与预先设定的围岩变形控制值的差异，调整预应力锚杆支护参数，直至围岩变形值与预先设定的围岩变形控制值的差异小于阈值，输出预应力锚杆支护参数；本发明实施例实现了预应力锚杆支护参数的量化设计，提升了预应力锚杆设计精度，降低了经验法设计带来的支护安全隐患，预应力锚杆支护设计可靠，为隧道支护结构设计提供指导。
[0045] 下面对本发明实施例中基于围岩变形控制的预应力锚杆支护分析方法，进行详细解释。
[0046] 本发明实施例中基于围岩变形控制的预应力锚杆支护分析方法主要是在预应力锚杆支护设计阶段实施，例如，当接收到某隧道的预应力锚杆支护设计方案请求时，根据该隧道的地理条件、参数，实施本发明实施例中基于围岩变形控制的预应力锚杆支护分析方法。
[0047] 首先，获取第一围岩力学参数，该第一围岩力学参数为初始的、没有支护预应力锚杆的围岩力学参数，可以包括围岩的初始粘聚力、围岩初始内摩擦角、围岩初始弹性模量、泊松比等参数，可以采用实际工程测量，或结合现有技术中工程资料获取。
[0048] 在得到第一围岩力学参数后，根据第一围岩力学参数，确定预应力锚杆支护参数。例如，在得到第一围岩力学参数，结合需要支护预应力锚杆的隧道环境以及相关经验，先确定初始的或大概的预应力锚杆支护参数，之后再进行支护参数优化、调整。
[0049] 在一个实施例中，所述预应力锚杆支护参数可以包括预应力锚杆的自由段长度、垫板宽度、纵向间距、环向间距、锚杆预紧力其中之一或任意组合，所述预应力锚杆支护参数不仅限于本例中的支护参数，本例在此仅作示例。
[0050] 图2为本发明实施例中基于围岩变形控制的预应力锚杆支护分析方法的一具体实施例，如图2所示，根据第一围岩力学参数，确定预应力锚杆支护参数，可以包括：
[0051] 步骤201、收集历史第一围岩力学参数和对应的历史预应力锚杆支护参数；
[0052] 步骤202、利用历史第一围岩力学参数和对应的历史预应力锚杆支护参数，建立训练集和测试集；
[0053] 步骤203、利用训练集对神经网络模型进行训练，利用测试集对神经网络模型测试，得到训练好的预应力锚杆支护参数确定模型；
[0054] 步骤204、将第一围岩力学参数输入预应力锚杆支护参数确定模型，输出预应力锚杆支护参数。
[0055] 本例中，采用神经网络模型确定初始的预应力锚杆支护参数，实现了预应力锚杆支护参数的智能确定，避免了对人工经验的依赖，提高了预应力锚杆支护分析的效率。
[0056] 但是，根据经验或神经网络等智能算法确定的初始的预应力锚杆支护参数，不一定是最适合的，本发明实施例中，结合预先设定的围岩变形控制值，调整预应力锚杆支护参数，以得到最终的符合要求的预应力锚杆支护参数。具体的，在支护预应力锚杆之后，围岩会产生一定变形，根据围岩变形值与预先设定的围岩变形控制值的差异，调整预应力锚杆支护参数，直至围岩变形值与预先设定的围岩变形控制值的差异小于阈值，输出最终的预应力锚杆支护参数，该阈值可以结合预先设定的围岩变形控制值和实际工程环境、工程要求设置。
[0057] 其中，该预先设定的围岩变形控制值，可以结合实际工程中的隧道地质条件及围岩等级等参数，确定设计区域围岩变形等级，或者按照工程所需，从已有的隧道监控量测标准中对围岩变形控制值进行选取，如表1、表2所示，表1为跨度7m
[0058] 表1 跨度7m
[0059]
[0060] 表2 跨度B≤7m隧道初期支护极限相对位移
[0061]
[0062] 具体的预应力锚杆支护参数调整过程，如步骤103中，重复执行如下第一步至第四步，直至围岩变形值与预先设定的围岩变形控制值的差异小于阈值，输出预应力锚杆支护参数：
[0063] 第一步，根据预应力锚杆的附加应力和围岩力学参数的对应关系、预应力锚杆支护参数，确定预应力锚杆支护作用时受压范围内的第二围岩力学参数；所述附加应力和围岩力学参数的对应关系，是对岩石的三轴力学测试数据分析得到的；第二围岩力学参数包括预应力锚杆支护作用时受压范围内的围岩粘聚力、围岩内摩擦角、围岩弹性模量。
[0064] 在一个实施例中，所述附加应力和围岩力学参数的对应关系，是按如下方式对岩石的三轴力学测试数据分析得到的：
[0065] 获取室内三轴试验确定的不同围压条件下的岩石应力应变数据，如图3所示，图3为本发明实施例中不同围压条件下的岩石应力应变曲线，其中σ1、σ2、σ3分别为不同的围岩强度数值，三条曲线分别对应的不同的围压强度数值；
[0066] 根据不同围压条件下的岩石应力应变数据，确定不同围压条件下的围岩力学参数；例如，按如下公式确定弹性模量：
[0067]
[0068] 式中，Eav为弹性模量（单位：MPa）；σa为图3中直线段起点对应的应力值（单位：MPa）；σb为图3中直线段终点对应的应力值（单位：MPa）；εLa为图3中直线段起点应力值对应的应变值；εLb为直线段终点应力值对应的应变值；
[0069] 采用参数估计、假设检验、回归分析、方差分析等数理统计方法对不同围压条件下的围岩力学参数进行拟合分析，得到附加应力和围岩力学参数的对应关系，如图4所示，图4为本发明实施例中弹性模量与围压变化曲线，根据图4所示曲线，确定附加应力和弹性模量B的对应关系为E=A×(σ3+1) ，其中拟合参数A=3.9396，拟合参数B=0.5171，E为弹性模量，σ3为附加应力。
[0070] 在一个实施例中，采用上述方式对岩石的三轴力学测试数据分析得到的附加应力和围岩力学参数的对应关系，可以按如下公式表示：
[0071]
[0072] 式中，c、φ、E分别为围岩的粘聚力、内摩擦角、弹性模量， AE、BE、Aφ、Bφ、AC、BC为拟合系数，σ3为附加应力。
[0073] 在一个实施例中，根据上述得到的附加应力和围岩力学参数的对应关系，按如下公式根据预应力锚杆的附加应力和围岩力学参数的对应关系、预应力锚杆支护参数，确定预应力锚杆支护作用时受压范围内的第二围岩力学参数：
[0074]
[0075] 式中，c、φ、E分别为围岩的初始粘聚力、围岩初始内摩擦角、围岩初始弹性模量，c'、φ'、E'分别为预应力锚杆支护作用时受压范围内的围岩粘聚力、围岩内摩擦角、围岩弹性模量，Δc为预应力锚杆支护作用时受压范围内的围岩粘聚力相较于围岩的初始粘聚力的增量，Δφ为预应力锚杆支护作用时受压范围内的围岩内摩擦角相较于围岩初始内摩擦角的增量，ΔE为预应力锚杆支护作用时受压范围内的围岩弹性模量相较于围岩初始弹性模量的增量，AE、BE、Aφ、Bφ、AC、BC为拟合系数，Δσ3为预应力锚杆支护作用时的附加应力，F、Sl、Sr分别为预应力锚杆的锚杆预紧力、纵向间距、环向间距。本例中，明确给出了支护预应力锚杆之后围岩力学参数的增量的计算公式，极大的方便预应力锚杆支护参数的调整，提高了预应力锚杆支护设计精度。
[0076] 第二步，根据第一围岩力学参数和第二围岩力学参数，确定围岩变形值。实施时，基于围岩理想弹塑性解，可以建立考虑预应力锚杆支护作用时受压范围的围岩圈层计算模型，通过围岩圈层计算模型确定围岩变形值。如图5所示，图5为本发明实施例中围岩圈层计算模型示意图。
[0077] 在一个实施例中，根据第一围岩力学参数和第二围岩力学参数，按如下公式确定围岩变形值：
[0078]
[0079] 式中，uo为围岩变形值，R0为隧道洞室半径，υ为围岩初始泊松比，RL为预应力锚杆支护作用时的受压范围，P0为初始地应力，L、Sr、B分别为预应力锚杆的自由段长度、环向间距、垫板宽度，φp为扩散角度，其他字符含义与第二围岩力学参数计算公式中相同。
[0080] 对于非圆形隧道洞室可通过等代圆计算方法转化为圆形隧道进行分析，如马蹄形等代圆计算方法，如图6所示，图6为本发明实施例中非圆形隧道的等代圆计算图示，可按如下公式计算隧道洞室半径R0：
[0081]
[0082] 式中，h、b为马蹄形断面高度与跨度。
[0083] 第三步，将围岩变形值与预先设定的围岩变形控制值进行比较；
[0084] 第四步，在围岩变形值与预先设定的围岩变形控制值的差异大于阈值时，调整预应力锚杆支护参数。
[0085] 为了进一步提高预应力锚杆支护设计的效率，在一个实施例中，在预应力锚杆支护参数调整过程中，可以预先建立围岩力学参数和对应的历史预应力锚杆支护参数的数据库，采用如神经网络等智能算法，对数据库中已有的预应力锚杆参数进行智能选取，同时带入相应的计算公式中，求解围岩变形值，结合变形控制基准，判断预应力锚杆参数的合理性。
[0086] 为了进一步提高基于围岩变形控制的预应力锚杆支护分析效率，提高预应力锚杆支护设计精度，图7为本发明实施例中基于围岩变形控制的预应力锚杆支护分析方法的一具体实施例，如图7所示，该方法包括：
[0087] 步骤701、结合实际工程中的地质条件及围岩等级等参数，按照工程所需，对围岩变形控制值进行选取，确定围岩变形控制值；
[0088] 步骤702、获取第一围岩力学参数；所述第一围岩力学参数包括围岩的初始粘聚力、围岩初始内摩擦角、围岩初始弹性模量；
[0089] 步骤703、结合围岩变形控制值和第一围岩力学参数，确定预应力锚杆支护作用时受压范围和预应力锚杆支护作用时受压范围内的第二围岩力学参数；第二围岩力学参数包括预应力锚杆支护作用时受压范围内的围岩粘聚力、围岩内摩擦角、围岩弹性模量；
[0090] 步骤704、根据预应力锚杆支护作用时受压范围和预应力锚杆支护作用时受压范围内的第二围岩力学参数，确定预应力锚杆支护参数。
[0091] 综上，本发明实施例可实现精准的预应力锚杆支护的量化设计，减少经验法设计带来的支护安全隐患，为隧道支护结构设计提供指导，又可实现隧道支护结构的经济化设计，具有极强的推广性和经济价值。
[0092] 本发明实施例中还提供了一种基于围岩变形控制的预应力锚杆支护分析装置，如下面的实施例所述。由于该装置解决问题的原理与基于围岩变形控制的预应力锚杆支护分析方法相似，因此该装置的实施可以参见基于围岩变形控制的预应力锚杆支护分析方法的实施，重复之处不再赘述。
[0093] 图8为本发明实施例中基于围岩变形控制的预应力锚杆支护分析装置的示意图，如图8所示，该装置包括：
[0094] 初始围岩力学参数获取模块801，用于获取第一围岩力学参数；所述第一围岩力学参数包括围岩的初始粘聚力、围岩初始内摩擦角、围岩初始弹性模量；
[0095] 初始预应力锚杆支护参数确定模块802，用于根据第一围岩力学参数，确定预应力锚杆支护参数；
[0096] 预应力锚杆支护参数调整模块803，用于重复执行如下步骤，直至围岩变形值与预先设定的围岩变形控制值的差异小于阈值，输出预应力锚杆支护参数：
[0097] 根据预应力锚杆的附加应力和围岩力学参数的对应关系、预应力锚杆支护参数，确定预应力锚杆支护作用时受压范围内的第二围岩力学参数；所述附加应力和围岩力学参数的对应关系，是对岩石的三轴力学测试数据分析得到的；第二围岩力学参数包括预应力锚杆支护作用时受压范围内的围岩粘聚力、围岩内摩擦角、围岩弹性模量；
[0098] 根据第一围岩力学参数和第二围岩力学参数，确定围岩变形值；
[0099] 将围岩变形值与预先设定的围岩变形控制值进行比较；
[0100] 在围岩变形值与预先设定的围岩变形控制值的差异大于阈值时，调整预应力锚杆支护参数。
[0101] 在一个实施例中，所述预应力锚杆支护参数包括预应力锚杆的自由段长度、垫板宽度、纵向间距、环向间距、锚杆预紧力其中之一或任意组合。
[0102] 在一个实施例中，初始预应力锚杆支护参数确定模块802具体用于：
[0103] 收集历史第一围岩力学参数和对应的历史预应力锚杆支护参数；
[0104] 利用历史第一围岩力学参数和对应的历史预应力锚杆支护参数，建立训练集和测试集；
[0105] 利用训练集对神经网络模型进行训练，利用测试集对神经网络模型测试，得到训练好的预应力锚杆支护参数确定模型；
[0106] 将第一围岩力学参数输入预应力锚杆支护参数确定模型，输出预应力锚杆支护参数。
[0107] 在一个实施例中，所述附加应力和围岩力学参数的对应关系，是按如下方式对岩石的三轴力学测试数据分析得到的：
[0108] 获取室内三轴试验确定的不同围压条件下的岩石应力应变数据；
[0109] 根据不同围压条件下的岩石应力应变数据，确定不同围压条件下的围岩力学参数；
[0110] 采用数理统计方法对不同围压条件下的围岩力学参数进行拟合分析，得到附加应力和围岩力学参数的对应关系。
[0111] 在一个实施例中，所述附加应力和围岩力学参数的对应关系按如下公式表示：
[0112]
[0113] 式中，c、φ、E分别为围岩的粘聚力、内摩擦角、弹性模量，AE、BE、Aφ、Bφ、AC、BC为拟合系数，σ3为附加应力。
[0114] 在一个实施例中，预应力锚杆支护参数调整模块803具体用于：
[0115] 按如下公式，根据预应力锚杆的附加应力和围岩力学参数的对应关系、预应力锚杆支护参数，确定预应力锚杆支护作用时受压范围内的第二围岩力学参数：
[0116]
[0117] 式中，c、φ、E分别为围岩的初始粘聚力、围岩初始内摩擦角、围岩初始弹性模量，c'、φ'、E'分别为预应力锚杆支护作用时受压范围内的围岩粘聚力、围岩内摩擦角、围岩弹性模量，Δc为预应力锚杆支护作用时受压范围内的围岩粘聚力相较于围岩的初始粘聚力的增量，Δφ为预应力锚杆支护作用时受压范围内的围岩内摩擦角相较于围岩初始内摩擦角的增量，ΔE为预应力锚杆支护作用时受压范围内的围岩弹性模量相较于围岩初始弹性模量的增量，AE、BE、Aφ、Bφ、AC、BC为拟合系数，Δσ3为预应力锚杆支护作用时的附加应力，F、Sl、Sr分别为预应力锚杆的锚杆预紧力、纵向间距、环向间距。
[0118] 在一个实施例中，预应力锚杆支护参数调整模块803具体用于：
[0119] 根据第一围岩力学参数和第二围岩力学参数，按如下公式确定围岩变形值：
[0120]
[0121] 式中，uo为围岩变形值，R0为隧道洞室半径，υ为围岩初始泊松比，RL为预应力锚杆支护作用时的受压范围，P0为初始地应力，L、Sr、B分别为预应力锚杆的自由段长度、环向间距、垫板宽度，φp为扩散角度，c、φ、E分别为围岩的初始粘聚力、围岩初始内摩擦角、围岩初始弹性模量，c'、φ'、E'分别为预应力锚杆支护作用时受压范围内的围岩粘聚力、围岩内摩擦角、围岩弹性模量。
[0122] 本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述基于围岩变形控制的预应力锚杆支护分析方法。
[0123] 本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述基于围岩变形控制的预应力锚杆支护分析方法。
[0124] 本发明实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述基于围岩变形控制的预应力锚杆支护分析方法。
[0125] 本发明实施例中，对岩石的三轴力学测试数据分析，建立附加应力和围岩力学参数的对应关系；在预应力锚杆的支护设计阶段，根据初始的预应力锚杆支护参数、附加应力和围岩力学参数的对应关系，确定预应力锚杆支护作用时的受压范围内的围岩力学参数；从而可以精准得到预应力锚杆支护作用时的受压范围内的围岩力学参数；并且，根据初始的第一围岩力学参数和预应力锚杆支护作用时的受压范围内的第二围岩力学参数，确定围岩变形值；将围岩变形值与预先设定的围岩变形控制值进行比较，根据围岩变形值与预先设定的围岩变形控制值的差异，调整预应力锚杆支护参数，直至围岩变形值与预先设定的围岩变形控制值的差异小于阈值，输出预应力锚杆支护参数；本发明实施例实现了预应力锚杆支护参数的量化设计，提升了预应力锚杆设计精度，降低了经验法设计带来的支护安全隐患，预应力锚杆支护设计可靠，为隧道支护结构设计提供指导。
[0126] 本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD‑ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
[0127] 本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0128] 这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0129] 这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0130] 以上所述的具体实施例，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例而已，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。
