CN110688696A - 一种隧道支护结构的参数确定方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例中提供了一种隧道支护结构的参数确定方法及装置，该方法包括：获取隧道支护结构的参数项的设定值和隧道模型；根据参数项的设定值和隧道模型，计算隧道支护结构的承力荷载；根据参数项的设定值，计算隧道支护结构的等效空间壳体的弹性模量；采用有限元模型模拟隧道支护结构，将该弹性模量作为模拟隧道支护结构的材料参数并施加承力载荷，计算模拟隧道支护结构的内力；根据计算得到的内力以及材料强度，验证隧道支护结构的安全性，得到相应的验证结果；根据验证结果，调整参数项的值，使桁架结构既安全又经济。本发明适用于本身能够提供较大承载能力的支护结构，实现在一定作业范围内无需喷射混凝土即可进行下道工序，提高施工效率。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工与安全技术，具体地，涉及一种隧道支护结构的参数确定方法及装置。
背景技术
目前隧道初期支护基本以格栅钢架、型钢钢架配合喷混、锚杆、钢筋网共同作用为主。钢架以榀为单位，纵向间距一般0.5～1.5m/榀。由于其沿纵向的离散性以及格栅钢架自身承载能力弱的特性，在喷射混凝土之前的时间，钢架承受围岩荷载的能力较弱，必须喷射混凝土后方能进行下道工序。
相应地，初期支护的计算方法以格栅钢架、型钢钢架为基础，具体包括：围岩压力计算；按经验分阶段进行初支承担荷载比例分配；采用有限元软件进行荷载-结构模型计算，得出结构所受内力，即弯矩M，轴力N，剪力Q；在钢架安装阶段采用钢结构拉弯、压弯构件进行强度计算；喷混后阶段采用钢筋混凝土结构计算公式，将格栅钢架与型钢钢架看做是钢筋混凝土结构中的受力钢材进行计算，验算结构的安全系数与裂缝宽度。但该计算方法是针对具有纵向离散性、自身承载能力弱的支护结构的，适用于喷混凝后钢架与喷混整体的支护结构，并不适用于喷射混凝土之前就能够提供较大承载能力的支护结构。
发明内容
本发明实施例中提供了一种隧道支护结构的参数确定方法及装置，以解决现有技术的支护结构计算方法无法适用于喷射混凝土之前就能够提供较大承载能力的支护结构的问题。
根据本发明实施例的第一个方面，提供了一种隧道支护结构的参数确定方法，包括：
获取隧道支护结构的参数项的设定值和隧道模型；其中，隧道支护结构包括至少两片相互拼装的桁架，桁架包括：受力杆体和连接杆体的连接件；
根据参数项的设定值和隧道模型，计算隧道支护结构的承力荷载；
根据参数项的设定值，计算隧道支护结构的等效空间壳体的弹性模量；
采用有限元模型模拟隧道支护结构，将弹性模量作为模拟隧道支护结构的材料参数并施加承力载荷，计算模拟隧道支护结构的内力；
根据计算得到的内力及桁架的材料强度，验证隧道支护结构的安全性，得到相应的验证结果；
根据验证结果，调整参数项的值。
根据本发明实施例的第二个方面，提供了一种隧道支护结构的参数确定装置，包括：
第一获取模块，用于获取隧道支护结构的参数项的设定值和隧道模型；其中，隧道支护结构包括至少两片相互拼装的桁架，桁架包括：受力杆体和连接杆体的连接件；
第一计算模块，用于根据参数项的设定值和隧道模型，计算隧道支护结构的承力荷载；
第二计算模块，用于根据参数项的设定值，计算隧道支护结构的等效空间壳体的弹性模量；
第三计算模块，用于采用有限元模型模拟隧道支护结构，将弹性模量作为模拟隧道支护结构的材料参数并施加承力载荷，计算模拟隧道支护结构的内力；
验证模块，用于根据计算得到的内力及桁架的材料强度，验证隧道支护结构的安全性，得到相应的验证结果；
调整模块，用于根据验证结果，调整参数项的值。
采用本发明实施例中提供的隧道支护结构的参数确定方法及装置，可实现对喷射混凝土之前就能够提供较大承载能力的支护结构的参数设计，保证设计出的支护结构能够满足施工安全，由于支护结构在喷射混凝土之前就能够提供较大承载能力，可实现在一定作业范围内无需喷射混凝土即可进行下道工序，提高了施工效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1表示本发明实施例隧道支护结构的参数确定方法的流程示意图；
图2表示本发明实施例的隧道支护结构的施工示意图；
图3表示本发明实施例的桁架结构的示意图；
图4表示本发明实施例隧道支护结构的参数确定装置的模块结构示意图。
具体实施方式
在实现本发明的过程中，发明人发现，目前空间桁架的结构参数设计方法是针对具有纵向离散性、自身承载能力弱的支护结构的，适用于喷混凝后钢架与喷混整体承载的支护结构，并不适用于喷射混凝土之前就能够提供较大承载能力的支护结构。
针对上述问题，本发明实施例中提供了一种隧道支护结构的参数确定方法，可实现对喷射混凝土之前就能够提供较大承载能力的支护结构的参数设计，保证设计出的支护结构能够满足施工安全，由于支护结构在喷射混凝土之前就能够提供较大承载能力，可实现在一定作业范围内无需喷射混凝土即可进行下道工序，提高了施工效率。
本发明实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
为了使本发明实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明实施例提供了一种隧道支护结构的参数确定方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤11：获取隧道支护结构的参数项的设定值和隧道模型；其中，隧道支护结构包括至少两片相互拼装的桁架，桁架包括：受力杆体和连接杆体的连接件。
其中，本发明实施例中，隧道支护结构的参数项包括但不限于：每片空间钢桁架的纵向支护长度、每延米空间钢桁架纵向截面的配钢筋(管)根数(单侧)、初期支护的厚度、杆体的材料厚度(如钢筋直径，钢管壁厚)、连接件的直径以及连接件的环向间距等。这些参数的设定值可以是参数经验值，也可以是设计值。本发明实施例的隧道模型用于模拟实际隧道情况，与隧道工程地质、水文地质情况、以及现有隧道设计及施工经验等相关，隧道情况与隧道处围岩级别、隧道埋深、隧道断面形状等参数相关。
可选地，如图2所示，本发明实施例的隧道支护结构包括至少两片相互拼装的桁架1。其中，在施工过程中，可沿隧道延伸方向拼装支护结构，并在支护结构内侧喷射混凝土完全包裹该装配式支护结构以形成衬砌结构，以支撑隧道。由于桁架1具有较强刚度，能够承担施工期间的围岩松弛荷载，无需马上喷射混凝土也可进行下道工序，为了加快开挖进度，距离掌子面3一定距离范围内，延缓施作喷射混凝土，可以仅以空间钢桁架结构为初期支护的承载结构。其中，一片桁架可以包括至少两个预制单元，预制单元是根据隧道断面形状分段预制的，至少两个预制单元拼装成与隧道断面形状相适应的形状，如圆形、矩形、马蹄形、多边形等，本实施例中预制单元是与隧道断面形状相适配的，本实施例并不对拼装成的具体形状作限定。
其中，整环桁架又可称之为一片，片内由至少两个预制单元拼装形成线形或弧形结构，如图3所示，一片预制构件由三个预制单元拼装形成，值得指出的是，本发明实施例并不对预制构件所包含的预制单元的数量做限定，本领域技术人员可依实际需要确定一片预制构件所包含的预制单元的数量。其中，预制单元包括多个杆体111均匀设置而形成的外圈结构、多个杆体111均匀设置而形成的内圈结构、以及连接件112。由于外圈结构和内圈结构上的杆体111是均匀设置的，这样可保证外圈结构和内圈结构上的受力均匀。其中，外圈结构上的相邻杆体111之间通过连接件112连接，内圈结构上的相邻杆体111之间通过连接件112连接，外圈结构上和内圈结构上的杆体111之间也可以通过连接112连接。外圈结构和内圈结构的杆体111通过连接件112所围成的最小形状单元为三角形，也就是说，外圈结构和内圈结构上的杆体111与连接件112连接可形成由多个三角形构成的其他形状，这样通过三角形稳定结构可进一步提高预制构件的支撑强度。
步骤12：根据参数项的设定值和隧道模型，计算隧道支护结构的承力荷载。
其中，本实施例中的承力荷载主要包括：自重荷载和外荷载。其中，外荷载主要包括：地层抗力和围岩压力等。
步骤13：根据参数项的设定值，计算隧道支护结构的等效空间壳体的弹性模量。
本实施例中，将隧道支护结构等效为空间壳体结构，利用隧道支护结构各参数项的设定值，来计算等效空间壳体的弹性模量，采用该方式能够更好的模拟隧道支护结构，计算得到的弹性模量可等效为隧道支护结构整体的弹性模量。
步骤14：采用有限元模型模拟隧道支护结构，将弹性模量作为模拟隧道支护结构的材料参数并施加承力载荷，计算模拟隧道支护结构的内力。
本实施例中将步骤12计算得到的承力荷载、步骤13计算得到的弹性模量以及材料参数，作为有限元算法(有限元软件)的输入，计算隧道支护结构的内力参数，以得到精确的内力参数。其中，内力参数包括：弯矩、轴力和剪力等。其中，有限元计算软件包括但不限于：Midas、Abaqus、Ansys等。
步骤15：根据计算得到的内力及桁架的材料强度，验证隧道支护结构的安全性，得到相应的验证结果。
通过计算得到的内力参数来验证隧道支护结构的安全性，以确定采用各参数项的设定值设计的隧道支护结构是否满足安全性要求。
步骤16：根据验证结果，调整参数项的值。
若验证结果指示不满足安全性要求，则需要调整各参数项的值继续验证，以确定出满足安全性的参数项。若验证结果指示满足安全性要求，且超出安全性要求较多，则需要调整各参数项的值继续验证，以节省材料，降低成本。
在本发明的一些实施例中，初步拟定每片空间钢桁架的纵向支护长度L、每延米空间钢桁架纵向截面的配钢筋(管)根数(单侧)n、初期支护的厚度h及其他构造参数，这些参数项可取行业经验值。而对于其他参数项可假定一个设定值，如杆体材料直径(厚度)，来进行结构力学分析，检算结构安全系数是否满足要求。通过对这些参数项进行试算，得到满足安全性要求的参数项的值。
其中，步骤12包括：计算隧道支护结构的自重荷载和外荷载。具体地，包括：根据参数项的设定值，计算隧道支护结构的自重荷载；根据隧道模型，计算隧道支护结构的外荷载；将自重荷载和外荷载，确定为隧道支护结构的承力荷载。下面将结合具体示例对承力荷载的计算方式做进一步说明。
一、自重荷载的计算
其中，根据参数项的设定值，计算隧道支护结构的自重荷载的步骤包括：采用第一公式，计算隧道支护结构的自重荷载f；其中，第一公式为：
f＝γ1V1；
其中，γ1表示隧道支护结构的材料重度，V1表示计算单元的体积。
二、外荷载的计算
根据隧道模型，计算隧道支护结构的外荷载的步骤，包括以下至少一项：根据隧道模型及地质参数，计算隧道支护结构所承受的地层抗力；根据隧道模型及地质参数，计算隧道支护结构所承受的围岩压力，其中，计算得到的围岩压力为理论上的围岩压力值，可通过校正参数对该围岩压力进行校正，得到接近于实际的围岩压力值。
1、地层抗力的计算
根据隧道模型及地质参数，计算隧道支护结构所承受的地层抗力的步骤，包括：根据隧道围岩的地质参数，确定隧道模型的地层抗力系数；采用温克尔假定算法，将隧道围岩与隧道模型等效为弹簧组；将地层抗力系数赋予弹簧组上，计算隧道支护结构所承受的地层抗力。具体地，在链杆法中，地层抗力是用地层弹簧来模拟，采用温克尔假定，将围岩与隧道模型的作用简化为一系列弹簧，赋予弹簧上述的地层抗力系数，以计算隧道支护结构所承受的地层抗力。地层抗力系数根据土层条件确定，按温克尔假定计算。在计算中，消除受拉的弹簧。
2、围岩压力的计算
根据隧道模型及地质参数，计算隧道支护结构所承受的围岩压力的步骤包括：根据隧道模型及地质参数，分别计算隧道支护结构所承受的围岩垂直匀布压力和水平匀布压力。其中，隧道模型下垂直匀布压力和水平匀布压力的计算方式不同。隧道模型的类型不同，垂直匀布压力的计算不同，水平匀布压力的计算方式也不同。其中，在计算围岩压力之后还包括：根据荷载系数调整所述围岩压力，其中，荷载系数为隧道支护结构在实际工程中的承担围岩荷载比例。下面本实施例将结合深埋隧道和浅埋隧道对围岩压力的计算做进一步说明。
2-1、深埋隧道情况
深埋隧道情况指的是隧道拱顶与地表距离超过一定值的情况，在本实施例中指的是除浅埋隧道情况之外的情况。对于垂直匀布压力的计算：在隧道模型为深埋隧道的情况下，采用第二公式，计算隧道支护结构所承受的围岩垂直匀布压力q(单位可以为kPa)；其中，第二公式为：
q＝γ2hq
其中，hq＝第一常数×2S-1w，w＝第二常数+i(B-第三常数)；
其中，γ2表示围岩重度(单位可以为kN/m3)，hq表示围岩坍落拱计算高度(单位可以为m)，S表示围岩级别，w表示宽度影响系数，B表示隧道开挖宽度(单位可以为m)，i表示每增加单位开挖宽度的围岩压力增减率。
可选地，第一常数可以为0.45，第二常数可以为1，第三常数可以为5。相应地，hq＝0.45×2s-1w，w=1+i(B-5)。其中，当B＜5m时，取i＝0.2，B≥5m时，取i＝0.1。
对于水平匀布压力计算：在隧道模型为深埋隧道的情况下，将隧道支护结构所承受的围岩垂直匀布压力与特定系数的乘积确定为隧道支护结构所承受的围岩水平匀布压力，其中，特定系数的值与围岩级别相关。例如，在该情况下水平匀布压力可通过下表1确定：
表1
| 围岩级别 | Ⅰ～Ⅱ | Ⅲ | Ⅳ | Ⅴ |
| 水平匀布压力 | 0 | <0.15q | (0.15～0.30)q | (0.30～0.50)q |
2-2、浅埋隧道情况
浅埋隧道指的是隧道中心线、顶部或底部与地表距离低于某值的情况，如隧道埋深大于hq且小于2.5hq的情况。
对于垂直匀布压力的计算：在隧道模型为浅埋隧道的情况下，采用第三公式，计算隧道支护结构所承受的围岩垂直匀布压力q；其中，第三公式为：
其中，
γ2表示围岩重度(单位可以为kN/m3)，h2表示隧道顶部离地面的高度(单位可以为m)，λ表示侧压力系数，θ表示隧道顶部两侧的摩擦角(单位可以为°，一般取经验数值)，B表示隧道开挖宽度或称为坑道跨度(单位可以为m)，β表示最大推力时的破裂角(单位可以为°)，
表示围岩计算摩擦角(单位可以为°)。
可选地，第四常数可以为1，第五常数可以为1，第六常数可以为1。相应地，
对于水平匀布压力的计算：在隧道模型为浅埋隧道的情况下，采用第四公式，计算隧道支护结构所承受的围岩水平匀布压力ei；其中，第四公式为：
ei＝γ2hiλ
其中，γ2表示围岩重度(单位可以为kN/m3)，hi表示隧道内任意点至地面的距离(单位可以为m)，λ表示侧压力系数。
进一步的，以上计算得到的围岩压力为隧道衬砌所承受的最大松弛荷载，但考虑到掌子面前方围岩与后方初期支护与二次衬砌的支撑作用，存在一定的空间效应，实际施工过程中，空间钢桁架支护结构不会承受如此大的荷载，因此在设计中，对上述荷载进行折减。具体地，在计算围岩压力之后还包括：根据荷载系数调整围岩压力，其中，荷载系数为试算通过的荷载值与最大荷载值的比值。例如，假设根据前述埋深情况计算所得的围岩荷载为q，q‘＝μq，其中，μ表示荷载系数，为试算通过的荷载值与最大荷载值之比，q‘表示作用在隧道支护结构(空间钢桁架)上的松弛荷载。
值得指出的是，在架立钢架阶段及喷射混凝土阶段，通过采用不同的荷载系数μ，来调整作用在隧道支护结构上的荷载，以得到符合支护结构实际受力状况的荷载。
以上介绍了不同场景下步骤12中承力荷载的计算方式，下面本实施例将进一步结合应用场景对步骤13中计算隧道支护结构的弹性模量的示例做出说明。
具体地，以图3所示的暗挖隧道的圆形断面结构衬砌为例，结构受力方式以偏心受压为主，依据拉压刚度等效原则，将架立钢架阶段及喷射混凝土阶段的支护结构等效为具有一定厚度的空间壳体结构。
在架立钢架阶段，EA＝Eg(Ag+A‘g)，A＝Lh，相应地，步骤13包括：采用第五公式，计算隧道支护结构的等效空间壳体的弹性模量E；其中，第五公式为：
其中，Ag、A‘g表示受拉和受压区杆体的截面面积(单位可以为m2)，Eg表示杆体的弹性模量，L表示隧道支护结构中一片桁架的有效纵向长度，h表示等效空间壳体的厚度。
其中，在杆体为钢筋的情况下，
其中，n表示一片桁架的纵向截面所包含杆体的数量，D表示钢筋的直径。
在杆体为钢管的情况下，
n表示一片桁架的纵向截面所包含杆体的数量，D表示钢管的直径，t表示钢管的壁厚。
以上介绍了架立钢架阶段弹性模量的计算，对于喷射混凝土阶段，根据现有设计经验，在此阶段，钢材的刚度对截面的等效刚度贡献几乎可以忽略不计。因此，本阶段可直接采用喷混凝土的刚度作为等效截面的刚度。
对于内力参数的计算是基于上述承力荷载和等效空间壳体的弹性模量的计算结果实现的，本发明实施例根据弹性力学基本原理，隧道截面内力的求解问题，可以简化为平面应变问题。采用有限单元法，分别计算出架立钢架阶段和喷射混凝土阶段的支护结构的内力(弯矩M、轴力N和剪力Q)。
在得到内力参数后，可基于内力参数对隧道支护结构的安全性进行验证。下面本发明实施例将结合不同施工阶段对安全性进行验证，以得到合适的结构参数的设计值。
具体地，步骤15包括：在架立桁架的阶段，采用第六公式，计算相应的验证结果；在验证结果为安全系数大于或等于第一值时，确定隧道支护结构的拉压安全性满足要求。假设第一值为2.4，那么在K大于或等于2.4时,则隧道支护结构的参数项的值满足安全性要求；反之，则执行步骤16，调整参数项的值，进行下一次试算，直到得到合适的值。
其中，第六公式为：KN＝αRgA，其中，K表示安全系数，N表示轴力，α表示轴力的偏心影响系数，Rg表示桁架的材料的拉压极限强度，A表示等效空间壳体的截面面积。
可选地，轴力的偏心影响系数与轴力偏心距和等效空间壳体的厚度相关。例如，
其中，e0表示轴向力偏心距，h表示等效空间壳体的厚度。
除可验证支护的拉压安全性之外，还可验证支护的抗剪安全性。具体地，步骤15还包括：采用第七公式，计算相应的验证结果；在验证结果为安全系数大于或等于第一值时，确定隧道支护结构的抗剪安全性满足要求。假设第一值为2.4，那么在K大于或等于2.4时,则隧道支护结构的参数项的值满足抗剪安全性要求；反之，则执行步骤16，调整参数项的值，进行下一次试算，直到得到合适的值。其中，第七公式为：
K表示安全系数，Q表示剪力，Rg表示桁架的材料的拉压极限强度，Ak表示连接件的截面积，le表示有限元算法中选择的梁单元的长度，θ1表示连接件杆件中心向与水平向的夹角，c表示连接件的环向间距。可选地，第七常数可以为0.8，相应地，
这样，通过抗剪强度计算，可以使连接件直径d以及环向间距c，满足结构的抗剪强度要求。
以上介绍了架立钢架阶段的安全性验证方式，下面将进一步介绍喷射混凝土阶段后的安全性验证方式。
具体地，步骤15包括：在喷射混凝土阶段后，在根据混凝土受压区高度判定为大偏心受压构件时，采用第八公式，计算相应的验证结果；在验证结果为安全系数大于或等于第一值时，确定隧道支护结构的拉压安全性满足要求。
其中，第八公式为：
KNe＝RwbX(h0-x/2)+RgA‘g(h0-a’)
其中，
K表示安全系数，N表示轴力，e、e’表示受拉和受压区内杆体的重心至轴力作用点的距离，Rw表示混凝土弯曲抗压极限强度，b表示计算单元纵向宽度，x表示混凝土受压区的高度(单位可以为m)，Rg表示桁架的材料的拉压极限强度，Ag、A‘g表示受拉和受压区内杆体的截面面积(单位可以为m2)，a、a’表示受拉和受压区内杆体的重心到等效空间壳体的截面边缘的最近距离(单位可以为m)，h0表示等效空间壳体的截面的有效高度，h0＝h-a。
具体地，在喷射混凝土阶段后的受力阶段，对轴力的作用点取矩有Rg(Age-A‘ge’)＝Rwbx(e-h0-x/2)，由该式可推导出：
其中，Rw表示混凝土弯曲抗压极限强度，x表示混凝土受压区的高度，Rg，R‘g表示桁架的材料的拉压、抗压计算强度，Ag、A‘g表示受拉和受压区内杆体的截面面积，e、e’表示受拉和受压区内杆体的重心至轴力作用点的距离，a、a’表示Ag、A‘g的重心到等效空间壳体的截面边缘的最近距离，h0表示等效空间壳体的截面的有效高度。
相应地，假设阈值为0.55h0，那么当x小于或等于0.55h0时，为大偏心受压构件，按第八公式进行计算，即KNe＝Rwbx(h0-x/2)+RgA‘g(h0-a’)，计算时需满足x≥2a’，若不符合，即x＜2a’时，按照KNe’＝RgAg(h0-a’)计算。
具体地，步骤15包括：在喷射混凝土阶段后，在根据混凝土受压区高度判定为小偏心受压构件时，采用第九公式，计算相应的验证结果；在验证结果为安全系数大于或等于第一值时，确定隧道支护结构的拉压安全性满足要求。其中，第九公式为：其中，K表示安全系数，N表示轴力，e表示杆体的重心至轴力作用点的距离，Ra表示混凝土抗压极限强度，b表示计算单元纵向宽度，Rg表示桁架的材料的拉压极限强度，A‘g表示杆体的截面面积，a’表示杆体的重心到等效空间壳体的截面边缘的最近距离，h0表示等效空间壳体的截面的有效高度。
相应地，假设阈值为0.55h0，那么当x大于0.55h0时，为小偏心受压构件，截面强度按第九公式进行计算，第八常数可以为0.5，即
以上介绍了该施工阶段主筋的计算方式，下面将进一步介绍配筋后的安全系数：
在本实施例中假设第一值为2.4，也就是说，在K大于或等于2.4时，说明隧道支护结构的参数项的设计值满足拉压安全性要求。
以上主要针对隧道支护结构中的杆体的参数项的值进行设计和验证，下面将进一步结合示例对连接件的参数项的值进行设计和验证。
具体地，根据计算得到的内力及桁架的材料强度，验证隧道支护结构的安全性，得到相应的验证结果的步骤还包括：采用第十公式，计算相应的验证结果；在验证结果为安全系数大于或等于第一值时，确定隧道支护结构的抗剪安全性满足要求。其中，第十公式为：
K表示安全系数，Q表示剪力，Ra表示混凝土抗压极限强度，b表示计算单元纵向宽度，h0表示等效空间壳体的截面的有效高度，Rg表示桁架的材料的拉压极限强度，Ak表示连接件的截面积，le表示有限元算法中选择的梁单元的长度，θ1表示连接件杆件中心向与水平向的夹角，c表示连接件的环向间距。假设第九常数为0.07，第十常数为0.8，相应地，第十公式为：
进一步地，本发明实施例中，步骤16包括：在验证结果为安全系数小于安全性要求阈值时，将参数项的值增大；在验证结果为安全系数超出安全性要求阈值达到特定值时，将参数项的值减小；在验证结果为安全系数超出安全性要求阈值未达到特定值时，保持参数项的设定值不变。以安全系数K为例，假设第一值为2.4，若K<2.4，则说明隧道支护结构的参数项的当前设计值安全富余度不足，需加大该设计值，重新计算；若K>>2.4，则说明隧道支护结构的承载力富裕较多，需减小参数项的设计值，重新计算；在K略大于2.4时，则说明隧道支护结构的承载能力能满足要求，且较为经济。
值得指出的是，初期支护在施工期作为临时结构，承担围岩荷载的比例系数，在二次衬砌施做后，其受力将会得到改善，因此，施工期不需进行裂缝宽度检算，但在设计时，可作为一项参考指标。钢筋混凝土受拉、受弯和偏心受压构件，对e0≤0.55h0的偏心受压构件，可不检算裂缝宽度。其他情况下按照下式计算裂缝宽度：
其中，ωmax表示最大裂缝宽度(单位可以为mm)；α表示隧道支护结构的构件受力特征系数，隧道为偏心受压构件，α可以为1.9；
表示裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数，
当
时，
取0.2，当
时，
取0.2，当
时，
取1.0，对于直接承受重复荷载的构件，
取1.0；ρte表示按有效受拉混凝土面积计算的纵向受拉钢筋配筋率，ρte＝As/Ace，当ρte＜0.01时，ρte取0.01；As表示受拉区纵筋截面面积；Ace表示有效受拉混凝土截面面积，Ace＝0.5bh；Cs表示最外层纵向受拉公斤外边缘至受拉区底边的距离(单位可以为mm)，当Cs＜20时，Cs取20，当Cs＞65时，Cs取65；d表示钢筋直径(单位可以为mm)，当采用不同直径的钢筋时，d=4As/(γμ)，μ表示纵向受拉钢筋截面周长的总和；γ表示纵向受拉钢筋表面特征系数，带肋钢筋取1，光面钢筋取0.7；Es表示钢筋的弹性模量(单位可以为MPa)；σs表示纵向受拉钢筋的应力(单位可以为MPa)，σs＝Ns(e-z)/(Asz)，Ns表示按荷载组合计算出的轴力值，z表示受拉公斤合力点至受压区合力点的距离，z＝[0.87-0.12(h0/e)2]h0，且z＜0.87h0。
此外，根据计算得到的内力及桁架的材料强度，验证隧道支护结构的安全性，得到相应的验证结果的步骤还可以通过但不限于以下方式：
假定一个略大于第一值的安全系数，并将该安全系数的值带入如下不等式，若不等式成立，则认为当前支护结构的参数项的设计值满足安全性要求。
具体地，将安全系数K的值带入KN≤αRgA，若不等式成立，则确定隧道支护结构的拉压安全性满足要求。
将
若不等式成立，则确定隧道支护结构的抗剪安全性满足要求。
在喷射混凝土阶段后，在根据混凝土受压区高度判定为大偏心受压构件时，将安全系数K的值带入KNe≤Rwbx(h0-x/2)+RgA‘g(h0-a’)，若不等式成立，则确定隧道支护结构的拉压安全性满足要求。
在喷射混凝土阶段后，在根据混凝土受压区高度判定为小偏心受压构件时，将
若不等式成立，则确定隧道支护结构的拉压安全性满足要求。
将
若不等式成立，则确定隧道支护结构的抗剪安全性满足要求。
值得指出的是，在不等式不成立时，说明隧道支护结构的参数项的当前设计值安全富余度不足，需加大该设计值，重新计算；在不等式成立，且不等式左边结果远远小于右边结果时，说明隧道支护结构的承载力富裕较多，需减小参数项的设计值，重新计算；在不等式成立，且不等式左边结果略小于右边结果时，说明隧道支护结构的承载能力能满足要求，且较为经济。
综上，本发明实施例中提供的隧道支护结构的参数确定方法，可实现对喷射混凝土之前就能够提供较大承载能力的支护结构的参数设计，保证设计出的支护结构能够满足施工安全，由于支护结构在喷射混凝土之前就能够提供较大承载能力，可实现在一定作业范围内无需喷射混凝土即可进行下道工序，提高了施工效率。
以上实施例分别详细介绍了不同场景下的隧道支护结构的参数确定方法，下面本实施例将结合附图对其对应的隧道支护结构的参数确定装置做进一步介绍。
本发明实施例的另一方面还提供了一种隧道支护结构的参数确定装置，如图4所示，该装置400包括以下功能模块：
第一获取模块410，用于获取隧道支护结构的参数项的设定值和隧道模型；其中，隧道支护结构包括至少两片相互拼装的桁架，桁架包括：受力杆体和连接杆体的连接件；
第一计算模块420，用于根据参数项的设定值和隧道模型，计算隧道支护结构的承力荷载；
第二计算模块430，用于根据参数项的设定值，计算隧道支护结构的等效空间壳体的弹性模量；
第三计算模块440，用于采用有限元模型模拟隧道支护结构，将弹性模量作为模拟隧道支护结构的材料参数并施加承力载荷，计算模拟隧道支护结构的内力；
验证模块450，用于根据内力及桁架的材料强度，验证隧道支护结构的安全性，得到相应的验证结果；
调整模块460，用于根据验证结果，调整参数项的值。
可选地，第一计算模块420包括：
第一计算子模块，用于根据参数项的设定值，计算隧道支护结构的自重荷载；
第二计算子模块，用于根据隧道模型，计算隧道支护结构的外荷载；
第一确定子模块，用于将自重荷载和外荷载，确定为隧道支护结构的承力荷载。
可选地，第一计算子模块包括:
第一计算单元，用于采用第一公式，计算隧道支护结构的自重荷载f；其中，第一公式为：
f＝γ1V1；
其中，γ1表示隧道支护结构的材料重度，V1表示计算单元的体积。
可选地，第二计算子模块包括以下至少一项：
第二计算单元，用于根据隧道模型及地质参数，计算隧道支护结构所承受的地层抗力；
第三计算单元，用于根据隧道模型及地质参数，计算隧道支护结构所承受的围岩压力。
可选地，第二计算单元包括：
第一计算子单元，用于根据隧道围岩的地质参数，确定隧道模型的地层抗力系数；
等效子单元，用于采用温克尔假定算法，将隧道围岩与隧道模型等效为弹簧组；
第二计算子单元，用于将地层抗力系数赋予弹簧组上，计算隧道支护结构所承受的地层抗力。
可选地，第二计算子模块还包括：
调整单元，用于根据荷载系数调整围岩压力，其中，荷载系数为隧道支护结构在实际工程中的承担围岩荷载比例。
可选地，第三计算单元包括：
第三计算子单元，用于根据隧道模型及地质参数，分别计算隧道支护结构所承受的围岩垂直匀布压力和水平匀布压力。
可选地，第三计算子单元还用于：
在隧道模型为深埋隧道的情况下，采用第二公式，计算隧道支护结构所承受的围岩垂直匀布压力q；其中，第二公式为：
q＝γ2hq
其中，hq＝第一常数×2S-1w，w＝第二常数+i(B-第三常数)；
其中，γ2表示围岩重度，hq表示围岩坍落拱计算高度，S表示围岩级别，w表示宽度影响系数，B表示隧道开挖宽度，i表示每增加单位开挖宽度的围岩压力增减率。
可选地，第三计算子单元还用于：
在隧道模型为深埋隧道的情况下，将隧道支护结构所承受的围岩垂直匀布压力与特定系数的乘积确定为隧道支护结构所承受的围岩水平匀布压力，其中，特定系数的值与围岩级别相关。
可选地，第三计算子单元还用于：
在隧道模型为浅埋隧道的情况下，采用第三公式，计算隧道支护结构所承受的围岩垂直匀布压力q；其中，第三公式为：
其中，
γ2表示围岩重度，h2表示隧道顶部离地面的高度，λ表示侧压力系数，θ表示隧道顶部两侧的摩擦角，B表示隧道开挖宽度，β表示最大推力时的破裂角，
表示围岩计算摩擦角。
可选地，第三计算子单元还用于：
在隧道模型为浅埋隧道的情况下，采用第四公式，计算隧道支护结构所承受的围岩水平匀布压力ei；其中，第四公式为：
ei＝γ2hiλ
其中，γ2表示围岩重度，hi表示隧道内任意点至地面的距离，λ表示侧压力系数。
可选地，第二计算模块430包括：
第三计算子模块，用于采用第五公式，计算隧道支护结构的等效空间壳体的弹性模量E；其中，第五公式为：
其中，Ag、A‘g表示受拉和受压区杆体的截面面积，Eg表示杆体的弹性模量，L表示隧道支护结构中一片桁架的有效纵向长度，h表示等效空间壳体的厚度。
其中，在杆体为钢筋的情况下，
其中，n表示一片桁架的纵向截面所包含杆体的数量，D表示钢筋的直径。
其中，在杆体为钢筋的情况下，其中，n表示一片桁架的纵向截面所包含杆体的数量，D表示钢管的直径，t表示钢管的壁厚。
可选地，内力参数包括弯矩、轴力和剪力中的至少一项。
可选地，验证模块450包括：
第四计算子模块，用于在架立桁架的阶段，采用第六公式，计算相应的验证结果；第六公式为：KN＝αRgA，其中，K表示安全系数，N表示轴力，α表示轴力的偏心影响系数，Rg表示桁架的材料的拉压极限强度，A表示等效空间壳体的截面面积；
第二确定子模块，用于在验证结果为安全系数大于或等于第一值时，确定隧道支护结构的拉压安全性满足要求。
可选地，轴力的偏心影响系数与轴力偏心距和等效空间壳体的厚度相关。
可选地，验证模块450还包括：第五计算子模块，用于采用第七公式，计算相应的验证结果；其中，第七公式为：
K表示安全系数，Q表示剪力，Rg表示桁架的材料的拉压极限强度，Ak表示连接件的截面积，le表示有限元算法中选择的梁单元的长度，θ1表示连接件杆件中心向与水平向的夹角，c表示连接件的环向间距；
第三确定子模块，用于在验证结果为安全系数大于或等于第一值时，确定隧道支护结构的抗剪安全性满足要求。
可选地，验证模块450还包括:
第六计算子模块，用于在喷射混凝土阶段后，在根据混凝土受压区高度判定为大偏心受压构件时，采用第八公式，计算相应的验证结果；第八公式为：
KNe＝RwbX(h0-x/2)+RgA‘g(h0-a’)
其中，
K表示安全系数，N表示轴力，e、e’表示受拉和受压区内杆体的重心至轴力作用点的距离，Rw表示混凝土弯曲抗压极限强度，b表示计算单元纵向宽度，x表示混凝土受压区的高度，Rg表示桁架的材料的拉压极限强度，Ag、A‘g表示受拉和受压区内杆体的截面面积，a、a’表示受拉和受压区内杆体的重心到等效空间壳体的截面边缘的最近距离，h0表示等效空间壳体的截面的有效高度；
第四确定子模块，用于在验证结果为安全系数大于或等于第一值时，确定隧道支护结构的拉压安全性满足要求。
可选地，验证模块450还包括：
第七计算子模块，用于在喷射混凝土阶段后，在根据混凝土受压区高度判定为小偏心受压构件时，采用第九公式，计算相应的验证结果；第九公式为：
其中，K表示安全系数，N表示轴力，e表示杆体的重心至轴力作用点的距离，Ra表示混凝土抗压极限强度，b表示计算单元纵向宽度，Rg表示桁架的材料的拉压极限强度，A‘g表示杆体的截面面积，a’表示杆体的重心到等效空间壳体的截面边缘的最近距离，h0表示等效空间壳体的截面的有效高度；
第五确定子模块，用于在验证结果为安全系数大于或等于第一值时，确定隧道支护结构的拉压安全性满足要求。
可选地，该验证模块450还包括:第八计算子模块，用于采用第十公式，计算相应的验证结果；其中，第十公式为：
K表示安全系数，Q表示剪力，Ra表示混凝土抗压极限强度，b表示计算单元纵向宽度，h0表示等效空间壳体的截面的有效高度，Rg表示桁架的材料的拉压极限强度，Ak表示连接件的截面积，le表示有限元算法中选择的梁单元的长度，θ1表示连接件杆件中心向与水平向的夹角，c表示连接件的环向间距；
第六确定子模块，用于在验证结果为安全系数大于或等于第一值时，确定隧道支护结构的抗剪安全性满足要求。
可选地，调整模块460包括：
第一调整子模块，用于在验证结果为安全系数小于安全性要求阈值时，将参数项的值增大；
第二调整子模块，用于在验证结果为安全系数超出安全性要求阈值达到特定值时，将参数项的值减小；
第三调整子模块，用于在验证结果为安全系数超出安全性要求阈值未达到特定值时，保持参数项的设定值不变。
值得指出的是，以上装置实施例是与上述方法对应的产品实施例，所有适用于上述方法的实施例均适用于该装置实施例中，故在此不再赘述。本发明实施例的装置，可实现对喷射混凝土之前就能够提供较大承载能力的支护结构的参数设计，保证设计出的支护结构能够满足施工安全，由于支护结构在喷射混凝土之前就能够提供较大承载能力，可实现在一定作业范围内无需喷射混凝土即可进行下道工序，提高了施工效率。
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、***、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。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(***)、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。
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。
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。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (44)
1.一种隧道支护结构的参数确定方法，其特征在于，包括：
获取隧道支护结构的参数项的设定值和隧道模型；其中，所述隧道支护结构包括至少两片相互拼装的桁架，所述桁架包括：受力杆体和连接所述杆体的连接件；
根据所述参数项的设定值和隧道模型，计算所述隧道支护结构的承力荷载；
根据所述参数项的设定值，计算所述隧道支护结构的等效空间壳体的弹性模量；
采用有限元模型模拟隧道支护结构，将所述弹性模量作为模拟隧道支护结构的材料参数并施加所述承力载荷，计算所述模拟隧道支护结构的内力；
根据计算得到的所述内力及桁架的材料强度，验证所述隧道支护结构的安全性，得到相应的验证结果；
根据所述验证结果，调整所述参数项的值。
2.根据权利要求1所述的隧道支护结构的参数确定方法，其特征在于，根据所述参数项的设定值和隧道模型，计算所述隧道支护结构的承力荷载的步骤包括：
根据所述参数项的设定值，计算所述隧道支护结构的自重荷载；
根据所述隧道模型，计算所述隧道支护结构的外荷载；
将所述自重荷载和所述外荷载，确定为所述隧道支护结构的承力荷载。
3.根据权利要求2所述的隧道支护结构的参数确定方法，其特征在于，根据所述参数项的设定值，计算所述隧道支护结构的自重荷载的步骤，包括：
采用第一公式，计算所述隧道支护结构的自重荷载f；其中，所述第一公式为：
f＝γ1V1；
其中，γ1表示所述隧道支护结构的材料重度，V1表示计算单元的体积。
4.根据权利要求2所述的隧道支护结构的参数确定方法，其特征在于，根据所述隧道模型，计算所述隧道支护结构的外荷载的步骤，包括以下至少一项：
根据所述隧道模型及地质参数，计算所述隧道支护结构所承受的地层抗力；
根据所述隧道模型及地质参数，计算所述隧道支护结构所承受的围岩压力。
5.根据权利要求4所述的隧道支护结构的参数确定方法，其特征在于，根据所述隧道模型及地质参数，计算所述隧道支护结构所承受的地层抗力的步骤，包括：
根据隧道围岩的地质参数，确定所述隧道模型的地层抗力系数；
采用温克尔假定算法，将所述隧道围岩与所述隧道模型等效为弹簧组；
将所述地层抗力系数赋予所述弹簧组上，计算所述隧道支护结构所承受的地层抗力。
6.根据权利要求4所述的隧道支护结构的参数确定方法，其特征在于，根据所述隧道模型及地质参数，计算所述隧道支护结构所承受的围岩压力的步骤之后，还包括：
根据荷载系数调整所述围岩压力，其中，所述荷载系数为所述隧道支护结构在实际工程中的承担围岩荷载比例。
7.根据权利要求4所述的隧道支护结构的参数确定方法，其特征在于，根据所述隧道模型及地质参数，计算所述隧道支护结构所承受的围岩压力的步骤，包括：
根据所述隧道模型及地质参数，分别计算所述隧道支护结构所承受的围岩垂直匀布压力和水平匀布压力。
8.根据权利要求7所述的隧道支护结构的参数确定方法，其特征在于，根据所述隧道模型及地质参数，计算所述隧道支护结构所承受的围岩垂直匀布压力的步骤，包括：
在所述隧道模型为深埋隧道的情况下，采用第二公式，计算所述隧道支护结构所承受的围岩垂直匀布压力q；其中，所述第二公式为：
q＝γ2hq
其中，hq＝第一常数×2S-1w，w＝第二常数+i(B-第三常数)；
其中，γ2表示围岩重度，hq表示围岩坍落拱计算高度，S表示围岩级别，w表示宽度影响系数，B表示隧道开挖宽度，i表示每增加单位开挖宽度的围岩压力增减率。
9.根据权利要求7或8所述的隧道支护结构的参数确定方法，其特征在于，根据所述隧道模型及地质参数，计算所述隧道支护结构所承受的围岩水平匀布压力的步骤，包括：
在所述隧道模型为深埋隧道的情况下，将所述隧道支护结构所承受的围岩垂直匀布压力与特定系数的乘积确定为所述隧道支护结构所承受的围岩水平匀布压力，其中，所述特定系数的值与围岩级别相关。
10.根据权利要求7所述的隧道支护结构的参数确定方法，其特征在于，根据所述隧道模型及地质参数，计算所述隧道支护结构所承受的围岩垂直匀布压力的步骤，包括：
在所述隧道模型为浅埋隧道的情况下，采用第三公式，计算所述隧道支护结构所承受的围岩垂直匀布压力q；其中，所述第三公式为：
其中，
γ2表示围岩重度，h2表示隧道顶部离地面的高度，λ表示侧压力系数，θ表示隧道顶部两侧的摩擦角，B表示隧道开挖宽度，β表示最大推力时的破裂角，
表示围岩计算摩擦角。
11.根据权利要求7所述的隧道支护结构的参数确定方法，其特征在于，根据所述隧道模型及地质参数，计算所述隧道支护结构所承受的围岩水平匀布压力的步骤，包括：
在所述隧道模型为浅埋隧道的情况下，采用第四公式，计算所述隧道支护结构所承受的围岩水平匀布压力ei；其中，所述第四公式为：
ei＝γ2hiλ
其中，γ2表示围岩重度，hi表示隧道内任意点至地面的距离，λ表示侧压力系数。
12.根据权利要求1所述的隧道支护结构的参数确定方法，其特征在于，根据所述参数项的设定值，计算所述隧道支护结构的等效空间壳体的弹性模量的步骤，包括：
采用第五公式，计算所述隧道支护结构的等效空间壳体的弹性模量E；其中，所述第五公式为：
其中，Ag、A‘g表示受拉和受压区所述杆体的截面面积，Eg表示所述杆体的弹性模量，L表示所述隧道支护结构中一片桁架的有效纵向长度，h表示所述等效空间壳体的厚度。
13.根据权利要求12所述的隧道支护结构的参数确定方法，其特征在于，在所述杆体为钢筋的情况下，
其中，n表示一片桁架的纵向截面所包含杆体的数量，D表示钢筋的直径。
14.根据权利要求12所述的隧道支护结构的参数确定方法，其特征在于，在所述杆体为钢管的情况下，
其中，n表示一片桁架的纵向截面所包含杆体的数量，D表示钢管的直径，t表示钢管的壁厚。
15.根据权利要求1所述的隧道支护结构的参数确定方法，其特征在于，所述内力参数包括弯矩、轴力和剪力中的至少一项。
16.根据权利要求15所述的隧道支护结构的参数确定方法，其特征在于，根据计算得到的所述内力及桁架的材料强度，验证所述隧道支护结构的安全性，得到相应的验证结果的步骤，包括：
在架立所述桁架的阶段，采用第六公式，计算相应的验证结果；所述第六公式为：KN＝αRgA，其中，K表示安全系数，N表示轴力，α表示轴力的偏心影响系数，Rg表示所述桁架的材料的拉压极限强度，A表示所述等效空间壳体的截面面积；
在所述验证结果为安全系数大于或等于第一值时，确定所述隧道支护结构的拉压安全性满足要求。
17.根据权利要求16所述的隧道支护结构的参数确定方法，其特征在于，所述轴力的偏心影响系数与轴力偏心距和所述等效空间壳体的厚度相关。
18.根据权利要求15所述的隧道支护结构的参数确定方法，其特征在于，根据计算得到的所述内力及桁架的材料强度，验证所述隧道支护结构的安全性，得到相应的验证结果的步骤，还包括：
采用第七公式，计算相应的验证结果；其中，所述第七公式为：
K表示安全系数，Q表示剪力，Rg表示所述桁架的材料的拉压极限强度，Ak表示所述连接件的截面积，le表示有限元算法中选择的梁单元的长度，θ1表示所述连接件杆件中心向与水平向的夹角，c表示连接件的环向间距；
在所述验证结果为安全系数大于或等于第一值时，确定所述隧道支护结构的抗剪安全性满足要求。
19.根据权利要求15所述的隧道支护结构的参数确定方法，其特征在于，根据计算得到的所述内力及桁架的材料强度，验证所述隧道支护结构的安全性，得到相应的验证结果的步骤，包括：
在喷射混凝土阶段后，在根据混凝土受压区高度判定为大偏心受压构件时，采用第八公式，计算相应的验证结果；所述第八公式为：
KNe＝Rwbx(h0-x/2)+RgA‘g(h0-a’)
其中，
K表示安全系数，N表示轴力，e、e’表示受拉和受压区内所述杆体的重心至轴力作用点的距离，Rw表示混凝土弯曲抗压极限强度，b表示计算单元纵向宽度，x表示混凝土受压区的高度，Rg表示所述桁架的材料的拉压极限强度，Ag、A‘g表示受拉和受压区内所述杆体的截面面积，a、a’表示受拉和受压区内所述杆体的重心到所述等效空间壳体的截面边缘的最近距离，h0表示所述等效空间壳体的截面的有效高度；
在所述验证结果为安全系数大于或等于第一值时，确定所述隧道支护结构的拉压安全性满足要求。
20.根据权利要求15所述的隧道支护结构的参数确定方法，其特征在于，根据计算得到的所述内力及桁架的材料强度，验证所述隧道支护结构的安全性，得到相应的验证结果的步骤，包括：
在喷射混凝土阶段后，在根据混凝土受压区高度判定为小偏心受压构件时，采用第九公式，计算相应的验证结果；所述第九公式为：
其中，K表示安全系数，N表示轴力，e表示所述杆体的重心至轴力作用点的距离，Ra表示混凝土抗压极限强度，b表示计算单元纵向宽度，Rg表示所述桁架的材料的拉压极限强度，A‘g表示所述杆体的截面面积，a’表示所述杆体的重心到所述等效空间壳体的截面边缘的最近距离，h0表示所述等效空间壳体的截面的有效高度；
在所述验证结果为安全系数大于或等于第一值时，确定所述隧道支护结构的拉压安全性满足要求。
21.根据权利要求19或20所述的隧道支护结构的参数确定方法，其特征在于，根据计算得到的所述内力及桁架的材料强度，验证所述隧道支护结构的安全性，得到相应的验证结果的步骤，还包括：
采用第十公式，计算相应的验证结果；其中，所述第十公式为：
K表示安全系数，Q表示剪力，Ra表示混凝土抗压极限强度，b表示计算单元纵向宽度，h0表示所述等效空间壳体的截面的有效高度，Rg表示所述桁架的材料的拉压极限强度，Ak表示所述连接件的截面积，le表示有限元算法中选择的梁单元的长度，θ1表示所述连接件杆件中心向与水平向的夹角，c表示连接件的环向间距；
在所述验证结果为安全系数大于或等于第一值时，确定所述隧道支护结构的抗剪安全性满足要求。
22.根据权利要求1所述的隧道支护结构的参数确定方法，其特征在于，根据所述验证结果，调整所述参数项的值的步骤，包括：
在所述验证结果为安全系数小于安全性要求阈值时，将所述参数项的值增大；
在所述验证结果为安全系数超出所述安全性要求阈值达到特定值时，将所述参数项的值减小；
在所述验证结果为安全系数超出所述安全性要求阈值未达到所述特定值时，保持所述参数项的设定值不变。
23.一种隧道支护结构的参数确定装置，其特征在于，包括：
第一获取模块，用于获取隧道支护结构的参数项的设定值和隧道模型；其中，所述隧道支护结构包括至少两片相互拼装的环形桁架，所述桁架包括：受力杆体和连接所述杆体的连接件；
第一计算模块，用于根据所述参数项的设定值和隧道模型，计算所述隧道支护结构的承力荷载；
第二计算模块，用于根据所述参数项的设定值，计算所述隧道支护结构的等效空间壳体的弹性模量；
第三计算模块，用于采用有限元模型模拟隧道支护结构，将所述弹性模量作为模拟隧道支护结构的材料参数并施加所述承力载荷，计算所述模拟隧道支护结构的内力；
验证模块，用于根据所述内力及桁架的材料强度，验证所述隧道支护结构的安全性，得到相应的验证结果；
调整模块，用于根据所述验证结果，调整所述参数项的值。
24.根据权利要求23所述的隧道支护结构的参数确定装置，其特征在于，所述第一计算模块包括：
第一计算子模块，用于根据所述参数项的设定值，计算所述隧道支护结构的自重荷载；
第二计算子模块，用于根据所述隧道模型，计算所述隧道支护结构的外荷载；
第一确定子模块，用于将所述自重荷载和所述外荷载，确定为所述隧道支护结构的承力荷载。
25.根据权利要求24所述的隧道支护结构的参数确定装置，其特征在于，所述第一计算子模块包括：
第一计算单元，用于采用第一公式，计算所述隧道支护结构的自重荷载f；其中，所述第一公式为：
f＝γ1V1；
其中，γ1表示所述隧道支护结构的材料重度，V1表示计算单元的体积。
26.根据权利要求24所述的隧道支护结构的参数确定装置，其特征在于，所述第二计算子模块包括以下至少一项：
第二计算单元，用于根据所述隧道模型及地质参数，计算所述隧道支护结构所承受的地层抗力；
第三计算单元，用于根据所述隧道模型的类型及地质参数，计算所述隧道支护结构所承受的围岩压力。
27.根据权利要求26所述的隧道支护结构的参数确定装置，其特征在于，所述第二计算单元包括：
第一计算子单元，用于根据隧道围岩的地质参数，确定所述隧道模型的地层抗力系数；
等效子单元，用于采用温克尔假定算法，将所述隧道围岩与所述隧道模型等效为弹簧组；
第二计算子单元，用于将所述地层抗力系数赋予所述弹簧组上，计算所述隧道支护结构所承受的地层抗力。
28.根据权利要求26所述的隧道支护结构的参数确定装置，其特征在于，所述第二计算子模块还包括：
调整单元，用于根据荷载系数调整所述围岩压力，其中，所述荷载系数为所述隧道支护结构在实际工程中的承担围岩荷载比例。
29.根据权利要求26所述的隧道支护结构的参数确定装置，其特征在于，所述第三计算单元包括：
第三计算子单元，用于根据所述隧道模型及地质参数，分别计算所述隧道支护结构所承受的围岩垂直匀布压力和水平匀布压力。
30.根据权利要求29所述的隧道支护结构的参数确定装置，其特征在于，所述第三计算子单元还用于：
在所述隧道模型为深埋隧道的情况下，采用第二公式，计算所述隧道支护结构所承受的围岩垂直匀布压力q；其中，所述第二公式为：
q＝γ2hq
其中，hq＝第一常数×2S-1w，w＝第二常数+i(B-第三常数)；
其中，γ2表示围岩重度，hq表示围岩坍落拱计算高度，S表示围岩级别，w表示宽度影响系数，B表示隧道开挖宽度，i表示每增加单位开挖宽度的围岩压力增减率。
31.根据权利要求29或30所述的隧道支护结构的参数确定装置，其特征在于，所述第三计算子单元还用于：
在所述隧道模型为深埋隧道的情况下，将所述隧道支护结构所承受的围岩垂直匀布压力与特定系数的乘积确定为所述隧道支护结构所承受的围岩水平匀布压力，其中，所述特定系数的值与围岩级别相关。
32.根据权利要求29所述的隧道支护结构的参数确定装置，其特征在于，所述第三计算子单元还用于：
在所述隧道模型为浅埋隧道的情况下，采用第三公式，计算所述隧道支护结构所承受的围岩垂直匀布压力q；其中，所述第三公式为：
其中，
γ2表示围岩重度，h2表示隧道顶部离地面的高度，λ表示侧压力系数，θ表示隧道顶部两侧的摩擦角，B表示隧道开挖宽度，β表示最大推力时的破裂角，
表示围岩计算摩擦角。
33.根据权利要求29所述的隧道支护结构的参数确定装置，其特征在于，所述第三计算子单元还用于：
在所述隧道模型为浅埋隧道的情况下，采用第四公式，计算所述隧道支护结构所承受的围岩水平匀布压力ei；其中，所述第四公式为：
ei＝γ2hiλ
其中，γ2表示围岩重度，hi表示隧道内任意点至地面的距离，λ表示侧压力系数。
34.根据权利要求23所述的隧道支护结构的参数确定装置，其特征在于，所述第二计算模块包括：
第三计算子模块，用于采用第五公式，计算所述隧道支护结构的等效空间壳体的弹性模量E；其中，所述第五公式为：
其中，Ag、A‘g表示受拉和受压区所述杆体的截面面积，Eg表示所述杆体的弹性模量，L表示所述隧道支护结构中一片桁架的有效纵向长度，h表示所述等效空间壳体的厚度。
35.根据权利要求34所述的隧道支护结构的参数确定装置，其特征在于，在所述杆体为钢筋的情况下，
其中，n表示一片桁架的纵向截面所包含杆体的数量，D表示钢筋的直径。
36.根据权利要求34所述的隧道支护结构的参数确定装置，其特征在于，在所述杆体为钢管的情况下，
其中，n表示一片桁架的纵向截面所包含杆体的数量，D表示钢管的直径，t表示钢管的壁厚。
37.根据权利要求23所述的隧道支护结构的参数确定装置，其特征在于，所述内力参数包括弯矩、轴力和剪力中的至少一项。
38.根据权利要求37所述的隧道支护结构的参数确定装置，其特征在于，所述验证模块包括：
第四计算子模块，用于在架立所述桁架的阶段，采用第六公式，计算相应的验证结果；所述第六公式为：KN＝αRgA，其中，K表示安全系数，N表示轴力，α表示轴力的偏心影响系数，Rg表示所述桁架的材料的拉压极限强度，A表示所述等效空间壳体的截面面积；
第二确定子模块，用于在所述验证结果为安全系数大于或等于第一值时，确定所述隧道支护结构的拉压安全性满足要求。
39.根据权利要求38所述的隧道支护结构的参数确定装置，其特征在于，所述轴力的偏心影响系数与轴力偏心距和所述等效空间壳体的厚度相关。
40.根据权利要求37所述的隧道支护结构的参数确定装置，其特征在于，所述验证模块还包括：
第五计算子模块，用于采用第七公式，计算相应的验证结果；其中，所述第七公式为：
K表示安全系数，Q表示剪力，Rg表示所述桁架的材料的拉压极限强度，Ak表示所述连接件的截面积，le表示有限元算法中选择的梁单元的长度，θ1表示所述连接件杆件中心向与水平向的夹角，c表示连接件的环向间距；
第三确定子模块，用于在所述验证结果为安全系数大于或等于第一值时，确定所述隧道支护结构的抗剪安全性满足要求。
41.根据权利要求37所述的隧道支护结构的参数确定装置，其特征在于，所述验证模块还包括：
第六计算子模块，用于在喷射混凝土阶段后，在根据混凝土受压区高度判定为大偏心受压构件时，采用第八公式，计算相应的验证结果；所述第八公式为：
KNe＝Rwbx(h0-x/2)+RgA‘g(h0-a’)
其中，
K表示安全系数，N表示轴力，e、e’表示受拉和受压区内所述杆体的重心至轴力作用点的距离，Rw表示混凝土弯曲抗压极限强度，b表示计算单元纵向宽度，x表示混凝土受压区的高度，Rg表示所述桁架的材料的拉压极限强度，Ag、A‘g表示受拉和受压区内所述杆体的截面面积，a、a’表示受拉和受压区内所述杆体的重心到所述等效空间壳体的截面边缘的最近距离，h0表示所述等效空间壳体的截面的有效高度；
第四确定子模块，用于在所述验证结果为安全系数大于或等于第一值时，确定所述隧道支护结构的拉压安全性满足要求。
42.根据权利要求37所述的隧道支护结构的参数确定装置，其特征在于，所述验证模块还包括：
第七计算子模块，用于在喷射混凝土阶段后，在根据混凝土受压区高度判定为小偏心受压构件时，采用第九公式，计算相应的验证结果；所述第九公式为：
其中，K表示安全系数，N表示轴力，e表示所述杆体的重心至轴力作用点的距离，Ra表示混凝土抗压极限强度，b表示计算单元纵向宽度，Rg表示所述桁架的材料的拉压极限强度，A‘g表示所述杆体的截面面积，a’表示所述杆体的重心到所述等效空间壳体的截面边缘的最近距离，h0表示所述等效空间壳体的截面的有效高度；
第五确定子模块，用于在所述验证结果为安全系数大于或等于第一值时，确定所述隧道支护结构的拉压安全性满足要求。
43.根据权利要求41或42所述的隧道支护结构的参数确定装置，其特征在于，所述验证模块还包括：
第八计算子模块，用于采用第十公式，计算相应的验证结果；其中，所述第十公式为：
K表示安全系数，Q表示剪力，Ra表示混凝土抗压极限强度，b表示计算单元纵向宽度，h0表示所述等效空间壳体的截面的有效高度，Rg表示所述桁架的材料的拉压极限强度，Ak表示所述连接件的截面积，le表示有限元算法中选择的梁单元的长度，θ1表示所述连接件杆件中心向与水平向的夹角，c表示连接件的环向间距；
第六确定子模块，用于在所述验证结果为安全系数大于或等于第一值时，确定所述隧道支护结构的抗剪安全性满足要求。
44.根据权利要求23所述的隧道支护结构的参数确定装置，其特征在于，所述调整模块包括：
第一调整子模块，用于在所述验证结果为安全系数小于安全性要求阈值时，将所述参数项的值增大；
第二调整子模块，用于在所述验证结果为安全系数超出所述安全性要求阈值达到特定值时，将所述参数项的值减小；
第三调整子模块，用于在所述验证结果为安全系数超出所述安全性要求阈值未达到所述特定值时，保持所述参数项的设定值不变。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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