一种隧道支护结构体系刚度的设计方法及系统

1.一种隧道支护结构体系刚度的设计方法，其特征在于，所述方法包括：依据变形位置与隧道开挖方向和隧道掌子面的关系，将围岩变形划分为初始变形阶段、急剧变形阶段、缓慢变形阶段和变形稳定阶段四个阶段；利用围岩稳定性要求与支护结构安全性要求分别计算四个阶段的围岩标准形变量；按照所述四个阶段的围岩标准形变量初步设计各个阶段的支护结构体系刚度值，使各个阶段的围岩实际变形量等于对应阶段的所述围岩标准形变量；实时计算支护强度平均利用率和支护强度利用率方差；根据所述支护强度平均利用率和支护强度利用率方差的预设条件调整所述支护结构的刚度值；以隧道掌子面为坐标原点，隧道直径为单位长度D，隧道开挖方向的反方向为x轴正方向建立直线坐标系，所述初始变形阶段、急剧变形阶段、缓慢变形阶段和变形稳定阶段四个阶段的分布为：所述初始变形阶段分布于[-3D～-D]的范围内，所述初始变形阶段施加的支护为超前支护；所述急剧变形阶段分布于[-D～D]的范围内，所述急剧变形阶段施加的支护为在所述超前支护的基础上施加的锚固支护；所述缓慢变形阶段分布于[D～3D]的范围内，所述缓慢变形阶段施加的支护为在所述超前支护和锚固支护的基础上施加的初期支护；所述变形稳定阶段分布于大于3D的范围内，所述变形稳定阶段施加的支护为在所述超前支护、锚固支护和初期支护的基础上施加的二次衬砌；所述利用围岩稳定性要求与支护结构安全性要求分别计算四个阶段的围岩标准形变量具体包括；计算所述初始变形阶段的围岩标准形变量；所述初始变形阶段的围岩标准形变量为：其中，[s 1 ]为初始变形阶段的围岩标准形变量，p 0 为原岩应力，E为弹性模量，μ为围岩泊松比，σ q 为岩体峰值强度，且 c、 分别为岩体软化阶段粘聚力和内摩擦角，ξ与岩体内摩擦角相关，且有 E′为软化模量，σ r 为残余强度，且有 c r 、 分别为残余区粘聚力和内摩擦角，r 0 为隧道半径；计算所述急剧变形阶段的围岩标准形变量；所述急剧变形阶段的围岩标准形变量的计算步骤具体包括：计算超前支护作用下等效围岩的极限变形量u 2 ：其中，m、n为结构层和浅层围岩形变荷载传递系数，c为粘聚力， 为超前支护施作后围岩的等效内摩擦角，r 0 为隧道半径，d为结构层截面厚度，γ为围岩容重，p 0 为原岩应力；计算超前支护结构自身的极限变形量u a ：其中，σ a 为超前支护强度，k a 为超前支护刚度估算值；计算急剧变形阶段的围岩标准形变量[s 2 ]：[s 2 ]＝min{u 2 ,[s 1 ]+u a }其中，u 2 和u a 分别为超前支护作用下等效围岩与超前支护结构自身的极限变形量，[s 1 ]为初始变形阶段的围岩标准形变量；计算所述缓慢变形阶段的围岩标准形变量；所述缓慢变形阶段的围岩标准形变量的计算步骤具体包括：计算初期支护作用下等效围岩的极限变形量u 3 ；其中，r o 为隧道半径，c 1 和 分别为超前支护施作后围岩的等效粘聚力和等效内摩擦角，k b 为初期支护刚度，s 2 为急剧变形阶段的围岩实际变形量，γ为围岩容重，d为结构层截面厚度，p 0 为原岩应力，m、n为结构层和浅层围岩形变荷载传递系数；计算初期支护结构自身的极限变形量u b ：其中，σ b 为初期支护强度，k b 为初期支护刚度；计算缓慢变形阶段的围岩标准形变量[s 3 ]：[s 3 ]＝min{u 3 ,[s 2 ]+u b }其中，u 3 和u b 分别为初期支护作用下等效围岩与超前支护结构自身的极限变形量，[s 2 ]为急剧变形阶段的围岩标准形变量；计算所述变形稳定阶段的围岩标准形变量；所述变形稳定阶段的围岩标准形变量为：其中，△H为围岩标准形变量，A＝q y L/2， d为结构层截面厚度，E为结构层弹性模量，q y 为结构层上部竖向荷载，λ为侧压力系数，L为围岩上部结构层跨度，H为上部结构层高度，σ c 为拱脚处岩体单轴抗压强度；所述预设条件为使所述支护强度评均利用率接近1，同时使所述支护强度利用率方差接近0；所述支护强度平均利用率为：E(ξ)＝∫ω(x)ξ(x)dx所述支护强度利用率方差为：D(ξ)＝∫ω(x)[ξ(x)-E(ξ)] 2 dx其中，E(ξ)为支护强度平均利用率，D(ξ)为支护强度利用率方差，ω(x)为权重系数，ξ(x)为围岩实际变形与容许变形的比值， 其中，[s(x)]为各个阶段的围岩标准形变量，s(x)为x坐标处围岩的实际变形量。 2.根据权利要求1所述的隧道支护结构体系刚度的设计方法，其特征在于，所述依据变形位置与隧道开挖方向和隧道掌子面的关系，将围岩变形划分为初始变形阶段、急剧变形阶段、缓慢变形阶段和变形稳定阶段四个阶段之前，还包括：采集现场监测数据；分析所述现场监测数据预测围岩最大形变量；根据深层围岩结构层稳定条件确定围岩标准形变量；比较所述围岩最大形变量与所述围岩标准形变量，若所述围岩最大形变量大于所述围岩标准形变量，则判定需要施加支护，否则，不需要施加支护；所述围岩标准形变量为：其中，△H为围岩标准形变量，A＝q y L/2， d为结构层截面厚度，E为结构层弹性模量，q y 为结构层上部竖向荷载，λ为侧压力系数，L为围岩上部结构层跨度，H为上部结构层高度，σ c 为拱脚处岩体单轴抗压强度。 3.根据权利要求1所述的隧道支护结构体系刚度的设计方法，其特征在于，所述按照所述四个阶段的围岩标准形变量初步设计各个阶段的支护结构体系刚度值，使各个阶段的围岩实际变形量等于对应阶段的所述围岩标准形变量，具体包括：设计所述初始变形阶段的刚度值，具体包括：根据工程经验估计所述初始变形阶段施加的所述超前支护所需刚度值的大小；利用力学解析方法和有限元分析方法计算所述初始变形阶段施加所述超前支护后围岩实际变形的大小；调整所述超前支护的刚度值大小，并实时计算所述初始变形阶段围岩实际变形的大小；当计算得出的所述初始变形阶段的围岩实际变形的大小等于所述初始变形阶段的围岩标准形变量时，所得的刚度值即为所述超前支护的初步设计的刚度值；设计所述急剧变形阶段的刚度值，具体包括：根据工程经验估计所述急剧变形阶段施加的所述锚固支护所需刚度值的大小；所述估计过程需要考虑所述初始变形阶段的支护；利用力学解析方法和有限元分析方法计算所述急剧变形阶段施加所述超前支护与所述锚固支护后围岩实际变形的大小；调整所述锚固支护的刚度值大小，并实时计算所述急剧变形阶段围岩实际变形的大小；当计算得出的所述急剧变形阶段的围岩实际变形的大小等于所述急剧变形阶段的围岩标准形变量时，所得的刚度值即为所述锚固支护的初步设计的刚度值；设计所述缓慢变形阶段的刚度值，具体包括：根据工程经验估计所述缓慢变形阶段施加的所述初期支护所需刚度值的大小；所述估计过程需要考虑所述初始变形阶段和所述急剧变形阶段的支护；利用力学解析方法和有限元分析方法计算所述缓慢变形阶段施加所述超前支护、所述锚固支护与所述初期支护后围岩实际变形的大小；调整所述初期支护的刚度值大小，并实时计算所述缓慢变形阶段围岩实际变形的大小；当计算得出的所述缓慢变形阶段围岩实际变形的大小等于所述缓慢变形阶段的围岩标准形变量时，所得的刚度值即为所述初期支护的初步设计的刚度值；设计所述变形稳定阶段的刚度值，具体包括：根据工程经验估计所述变形稳定阶段施加的所述二次衬砌所需刚度值的大小；所述估计过程需要考虑所述初始变形阶段、所述急剧变形阶段和所述缓慢变形阶段的支护；利用力学解析方法和有限元分析方法计算所述变形稳定阶段施加所述超前支护、所述锚固支护、所述初期支护与所述二次衬砌后围岩实际变形的大小；调整所述二次衬砌的刚度值大小，并实时计算所述变形稳定阶段围岩实际变形的大小；当计算得出的所述变形稳定阶段围岩实际变形的大小等于所述变形稳定阶段的围岩标准形变量时，所得的刚度值即为所述二次衬砌的初步设计的刚度值。 4.根据权利要求1所述的隧道支护结构体系刚度的设计方法，其特征在于，所述根据所述支护强度平均利用率和支护强度利用率方差的预设条件调整所述支护结构的刚度值之后还包括：计算支护实际受力的分布情况：其中，k(x)为刚度分布，s'(x)为变形分布对x的导数；比较支护实际受力与支护材料自身的强度值；若所述支护实际受力大于所述支护材料自身的强度值，则采取修正措施；若所述支护实际受力不大于所述支护材料自身的强度值，则不采取修正措施；所述采取修正措施过程具体包括：判断围岩实际变形量是否存在冗余，即是否小于围岩标准形变量；若围岩实际变形量存在冗余，则降低支护结构体系刚度；若围岩实际变形量不存在冗余，则提高支护材料自身的强度。 5.一种隧道支护结构体系刚度的设计系统，其特征在于，包括：变形阶段确定模块，用于依据变形位置与隧道开挖方向和隧道掌子面的关系，将围岩变形划分为初始变形阶段、急剧变形阶段、缓慢变形阶段和变形稳定阶段四个阶段；围岩标准形变量计算模块，用于利用围岩稳定性要求与衬砌安全性要求分别计算四个阶段的围岩标准形变量；刚度值初步设计模块，用于按照所述四个阶段的围岩标准形变量初步设计各个阶段的支护结构体系刚度值，使各个阶段的围岩实际变形量等于对应阶段的所述围岩标准形变量；刚度值调整模块，用于实时计算支护强度平均利用率和支护强度利用率方差；根据所述支护强度平均利用率和支护强度利用率方差的预设条件调整所述支护结构的刚度值；以隧道掌子面为坐标原点，隧道直径为单位长度D，隧道开挖方向的反方向为x轴正方向建立直线坐标系，所述初始变形阶段、急剧变形阶段、缓慢变形阶段和变形稳定阶段四个阶段的分布为：所述初始变形阶段分布于[-3D～-D]的范围内，所述初始变形阶段施加的支护为超前支护；所述急剧变形阶段分布于[-D～D]的范围内，所述急剧变形阶段施加的支护为在所述超前支护的基础上施加的锚固支护；所述缓慢变形阶段分布于[D～3D]的范围内，所述缓慢变形阶段施加的支护为在所述超前支护和锚固支护的基础上施加的初期支护；所述变形稳定阶段分布于大于3D的范围内，所述变形稳定阶段施加的支护为在所述超前支护、锚固支护和初期支护的基础上施加的二次衬砌；所述利用围岩稳定性要求与支护结构安全性要求分别计算四个阶段的围岩标准形变量具体包括；计算所述初始变形阶段的围岩标准形变量；所述初始变形阶段的围岩标准形变量为：其中，[s 1 ]为初始变形阶段的围岩标准形变量，p 0 为原岩应力，E为弹性模量，μ为围岩泊松比，σ q 为岩体峰值强度，且 c、 分别为岩体软化阶段粘聚力和内摩擦角，ξ与岩体内摩擦角相关，且有 E′为软化模量，σ r 为残余强度，且有 c r 、 分别为残余区粘聚力和内摩擦角，r 0 为隧道半径；计算所述急剧变形阶段的围岩标准形变量；所述急剧变形阶段的围岩标准形变量的计算步骤具体包括：计算超前支护作用下等效围岩的极限变形量u 2 ：其中，m、n为结构层和浅层围岩形变荷载传递系数，c为粘聚力， 为超前支护施作后围岩的等效内摩擦角，r 0 为隧道半径，d为结构层截面厚度，γ为围岩容重，p 0 为原岩应力；计算超前支护结构自身的极限变形量u a ：其中，σ a 为超前支护强度，k a 为超前支护刚度估算值；计算急剧变形阶段的围岩标准形变量[s 2 ]：[s 2 ]＝min{u 2 ,[s 1 ]+u a }其中，u 2 和u a 分别为超前支护作用下等效围岩与超前支护结构自身的极限变形量，[s 1 ]为初始变形阶段的围岩标准形变量；计算所述缓慢变形阶段的围岩标准形变量；所述缓慢变形阶段的围岩标准形变量的计算步骤具体包括：计算初期支护作用下等效围岩的极限变形量u 3 ；其中，r o 为隧道半径，d为结构层截面厚度，c 1 和 分别为超前支护施作后围岩的等效粘聚力和等效内摩擦角，k b 为初期支护刚度，s 2 为急剧变形阶段的围岩实际变形量，γ为围岩容重，p 0 为原岩应力，m、n为结构层和浅层围岩形变荷载传递系数；计算初期支护结构自身的极限变形量u b ：其中，σ b 为初期支护强度，k b 为初期支护刚度；计算缓慢变形阶段的围岩标准形变量[s 3 ]：[s 3 ]＝min{u 3 ,[s 2 ]+u b }其中，u 3 和u b 分别为初期支护作用下等效围岩与超前支护结构自身的极限变形量，[s 2 ]为急剧变形阶段的围岩标准形变量；计算所述变形稳定阶段的围岩标准形变量；所述变形稳定阶段的围岩标准形变量为：其中，△H为围岩标准形变量，A＝q y L/2， d为结构层截面厚度，E为结构层弹性模量，q y 为结构层上部竖向荷载，λ为侧压力系数，L为围岩上部结构层跨度，H为上部结构层高度，σ c 为拱脚处岩体单轴抗压强度；所述预设条件为使所述支护强度评均利用率接近1，同时使所述支护强度利用率方差接近0；所述支护强度平均利用率为：E(ξ)＝∫ω(x)ξ(x)dx所述支护强度利用率方差为：D(ξ)＝∫ω(x)[ξ(x)-E(ξ)] 2 dx其中，E(ξ)为支护强度平均利用率，D(ξ)为支护强度利用率方差，ω(x)为权重系数，ξ(x)为围岩实际变形与容许变形的比值， 其中，[s(x)]为各个阶段的围岩标准形变量，s(x)为x坐标处围岩的实际变形量。 6.根据权利要求5所述的隧道支护结构体系刚度的设计系统，其特征在于，还包括是否需要施加支护判断模块，用于采集现场监测数据；分析所述现场监测数据预测围岩最大形变量；根据深层围岩结构层稳定条件确定围岩标准形变量；比较所述围岩最大形变量与所述围岩标准形变量，若所述围岩最大形变量大于所述围岩标准形变量，则判定需要施加支护，否则，不需要施加支护。 7.根据权利要求6所述的隧道支护结构体系刚度的设计系统，其特征在于，还包括材料强度计算调整模块，用于计算支护实际受力的分布情况：其中，k(x)为刚度分布，s'(x)为变形分布对x的导数；比较支护实际受力与支护材料自身的强度值；若所述支护实际受力大于所述支护材料自身的强度值，则采取修正措施；若所述支护实际受力不大于所述支护材料自身的强度值，则不采取修正措施；所述采取修正措施过程具体包括：判断围岩实际变形量是否存在冗余，即是否小于围岩标准形变量；若围岩实际变形量存在冗余，则降低支护结构体系刚度；若围岩实际变形量不存在冗余，则提高支护材料自身的强度。