一种隧道支护结构的参数确定方法及装置

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荷载，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；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，采用第一公式计算所述隧道支护结构的自重荷载f；所述第一公式为：f＝γ 1 V 1 ；其中，γ 1 表示所述隧道支护结构的材料重度，V 1 表示计算单元的体积；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；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；具体包括：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；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＝γ 2 h q其中，h q ＝第一常数×2 S-1 w，w＝第二常数+i(B-第三常数)；其中，γ 2 表示围岩重度，h q 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；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， γ 2 表示围岩重度，h 2 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；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e i ；其中，所述第四公式为：e i ＝γ 2 h i λ其中，γ 2 表示围岩重度，h i 表示隧道内任意点至地面的距离，λ表示侧压力系数；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，A g 、A‘ g 表示受拉和受压区所述杆体的截面面积，E g 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。 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。 3.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。 4.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。 5.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，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。 6.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，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。 7.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。 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＝αR g A，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，R g 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。 9.根据权利要求8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。 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，R g 表示所述桁架的材料的拉压极限强度，A k 表示所述连接件的截面积，l e 表示有限元算法中选择的梁单元的长度，0 1 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。 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＝R w bx(h 0 -x/2)+R g A‘ g (h 0 -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，R w 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，R g 表示所述桁架的材料的拉压极限强度，A g 、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，h 0 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。 12.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，R a 表示混凝土抗压极限强度，b表示计算单元纵向宽度，R g 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，h 0 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。 13.根据权利要求11或12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，R a 表示混凝土抗压极限强度，b表示计算单元纵向宽度，h 0 表示所述等效空间壳体的截面的有效高度，R g 表示所述桁架的材料的拉压极限强度，A k 表示所述连接件的截面积，l e 表示有限元算法中选择的梁单元的长度，θ 1 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。 14.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。 15.一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荷载，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；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；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＝γ 1 V 1 ；其中，γ 1 表示所述隧道支护结构的材料重度，V 1 表示计算单元的体积；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；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；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＝γ 2 h q其中，h q ＝第一常数×2 S-1 w，w＝第二常数+i(B一第三常数)；其中，γ 2 表示围岩重度，h q 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；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， γ 2 表示围岩重度，h 2 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；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e i ；其中，所述第四公式为：e i ＝γ 2 h i λ其中，γ 2 表示围岩重度，h i 表示隧道内任意点至地面的距离，λ表示侧压力系数；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，A g 、A‘ g 表示受拉和受压区所述杆体的截面面积，E g 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。 16.根据权利要求15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。 17.根据权利要求15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。 18.根据权利要求15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。 19.根据权利要求15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。 20.根据权利要求15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。 21.根据权利要求15所述的隧道支护结构的参数确定装置，其特征在于，内力参数包括弯矩、轴力和剪力中的至少一项。 22.根据权利要求21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＝αR g A，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，R g 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。 23.根据权利要求22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。 24.根据权利要求21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，R g 表示所述桁架的材料的拉压极限强度，A k 表示所述连接件的截面积，l e 表示有限元算法中选择的梁单元的长度，θ 1 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。 25.根据权利要求21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＝R w bx(h 0 -x/2)+R g A‘ g (h 0 -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，R w 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，R g 表示所述桁架的材料的拉压极限强度，A g 、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，h 0 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。 26.根据权利要求21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，R a 表示混凝土抗压极限强度，b表示计算单元纵向宽度，R g 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，h 0 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。 27.根据权利要求25或26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，R a 表示混凝土抗压极限强度，b表示计算单元纵向宽度，h 0 表示所述等效空间壳体的截面的有效高度，R g 表示所述桁架的材料的拉压极限强度，A k 表示所述连接件的截面积，l e 表示有限元算法中选择的梁单元的长度，θ 1 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。 28.根据权利要求15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。