一种软岩隧道掌子面预加固效果评估方法和系统与流程

本发明涉及隧道及地下工程围岩稳定性评价，更具体地说，它涉及一种软岩隧道掌子面预加固效果评估方法和系统。

背景技术：

1、随着我国隧道工程建设向高地应力、复杂地质条件区域深入推进，软岩大变形与掌子面失稳已成为矿山法施工面临的首要工程难题。软岩围岩强度低、变形模量小，开挖后塑性区扩展迅速，超前核心土在三维卸荷作用下易发生渐进破坏，导致掌子面挤出变形过大甚至失稳坍塌。针对这一挑战，超前预加固技术（包括注浆、gfrp锚杆和管棚支护）已成为控制掌子面稳定的关键技术手段。

2、岩土控制变形分析法（adeco-rs）将超前核心土定位为第四维支护结构，并依据变形响应将围岩行为划分为a、b、c三类状态，为预加固方案设计提供了分类框架。然而，该理论在设计端已形成成熟应用，在评估端却始终缺少对应的量化标准体系，存在以下核心问题：

3、第一， adeco-rs在设计阶段依据变形量级指导方案选型，但施工完成后的效果评估阶段缺少与之对应的定量分级标准，设计与评估两端存在明显断裂。

4、第二，锚杆、管棚、注浆三类措施的力学作用路径完全不同，分别通过加筋约束、应力转移和胶结改良作用于核心土，其设计参数互不兼容，导致各类工法的加固效果无法置于同一尺度下横向比较，方案比选缺乏统一的量化依据。

5、第三，现有评估大多采用单一变形指标分级，未能将变形控制效果、力学参数改善程度与安全裕度水平整合为有机的多维评估框架，亦缺少配套的解析计算与判定方法。

6、综上所述，现有技术无法满足预加固效果从经验定性判别向理论定量评估转变的工程需求。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种软岩隧道掌子面预加固效果评估方法和系统，将不同类型的预加固方式统一转化为等效加固参数，并在统一的力学模型下计算多维评估指标，实现软岩隧道掌子面预加固效果的定量评估。

2、本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

3、本发明的第一方面，提供了一种软岩隧道掌子面预加固效果评估方法，方法包括：

4、获取软岩隧道掌子面的隧道工程地质参数、掌子面断面参数以及预加固措施的设计参数；其中，隧道工程地质参数包括原岩力学参数和原岩初始应力，掌子面断面参数包括隧道开挖半径；

5、根据预加固措施的设计参数计算等效加固参数和有效远场应力；

6、基于隧道开挖半径确定球形腔的几何边界，将软岩隧道掌子面前方三维卸荷问题等效为球形腔卸荷问题，将等效加固参数和有效远场应力代入球形腔卸荷问题求解出加固后掌子面中心挤出位移和加固后弹塑性交界面半径，同时将原岩力学参数和原岩初始应力代入球形腔卸荷问题求解出加固前掌子面中心挤出位移和加固前弹塑性交界面半径；

7、基于加固前掌子面中心挤出位移、加固后掌子面中心挤出位移、加固前弹塑性交界面半径、加固后弹塑性交界面半径、等效加固参数、原岩力学参数和有效远场应力，计算挤出变形减小率、综合强度改善系数和安全系数；

8、基于挤出变形减小率、综合强度改善系数和安全系数，采用两步分级判断方法确定软岩隧道掌子面的预加固效果。

9、本发明的第二方面，提供了一种软岩隧道掌子面预加固效果评估系统，包括：

10、参数获取模块，用于获取软岩隧道掌子面的隧道工程地质参数、掌子面断面参数以及预加固措施的设计参数；其中，隧道工程地质参数包括原岩力学参数和原岩初始应力，掌子面断面参数包括隧道开挖半径；

11、等效参数计算模块，用于根据预加固措施的设计参数计算等效加固参数和有效远场应力；

12、球形腔求解模块，用于基于隧道开挖半径确定球形腔的几何边界，将软岩隧道掌子面前方三维卸荷问题等效为球形腔卸荷问题，将等效加固参数和有效远场应力代入球形腔卸荷问题求解出加固后掌子面中心挤出位移和加固后弹塑性交界面半径，同时将原岩力学参数和原岩初始应力代入球形腔卸荷问题求解出加固前掌子面中心挤出位移和加固前弹塑性交界面半径；

13、指标计算模块，用于基于加固前掌子面中心挤出位移、加固后掌子面中心挤出位移、加固前弹塑性交界面半径、加固后弹塑性交界面半径、等效加固参数、原岩力学参数和有效远场应力，计算挤出变形减小率、综合强度改善系数和安全系数；

14、综合分级判定模块，用于基于挤出变形减小率、综合强度改善系数和安全系数，采用两步分级判断方法确定软岩隧道掌子面的预加固效果。

15、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

16、1、本发明通过不同预加固措施的力学作用路径将预加固措施的设计参数映射为等效加固参数和有效远场应力，将注浆、锚杆、管棚等异构加固措施统一到同一力学表征体系中，解决了因设计参数互不兼容导致的跨工法横向定量比较难题；在此基础上，将所得的等效加固参数和有效远场应力代入由等效超前核心土模型所等效的球形腔卸荷问题，求解出加固后掌子面中心挤出位移和加固后弹塑性交界面半径，同时将原岩力学参数和原岩初始应力代入球形腔卸荷问题求解出加固前掌子面中心挤出位移和加固前弹塑性交界面半径；随后，再基于加固前后的挤出位移和弹塑性交界面半径，以及隧道工程地质参数，计算挤出变形减小率、综合强度改善系数和安全系数三个维度的指标，弥补了现有技术仅依赖单一变形指标的局限性，最后，基于挤出变形减小率、综合强度改善系数和安全系数，采用两步分级判断方法确定软岩隧道掌子面的预加固效果，实现跨工法的定量比较与效果判定。

17、2、本发明建立了覆盖变形控制效果、力学参数改善和安全裕度三个维度的评价体系，其中综合强度改善系数将黏聚力和内摩擦角统一为单一强度指标，避免了分别评价两个参数时的不一致性，多维评价体系能够反映预加固措施的加固效果，为工程决策提供更完整的依据。

18、3、本发明采用两步分级判断方法，第一步以挤出变形减小率和综合强度改善系数确定基础等级，第二步以安全系数进行限位修正。当安全系数低于阈值时，即使变形指标满足要求，也将效果等级限定在安全系数对应的等级以下，从而识别出变形已收敛但安全储备不足的虚假收敛风险。

19、4、本发明将掌子面前方核心土的三维卸荷问题等效为球形腔卸荷问题，采用球形腔卸荷弹塑性半解析求解方法，以塑性区扩展和挤出变形作为稳定性控制依据，更符合软岩隧道掌子面变形失稳的演变机理。

20、5、本发明在正演模式下可根据设计参数预测预加固效果，在反演模式下可基于现场实测挤出位移反演综合加固有效性系数，对等效加固参数进行修正后重新评估，实现预加固措施的设计、施工以及效果评估的工程闭环。

1.一种软岩隧道掌子面预加固效果评估方法，其特征在于，方法包括：

2.根据权利要求1的一种软岩隧道掌子面预加固效果评估方法，其特征在于，根据预加固措施的设计参数计算等效加固参数和有效远场应力，包括：

3.根据权利要求2的一种软岩隧道掌子面预加固效果评估方法，其特征在于，在所述预加固措施为注浆加固和管棚加固的组合措施时，获取注浆加固措施的第一设计参数和管棚加固的管棚参数；

4.根据权利要求3的一种软岩隧道掌子面预加固效果评估方法，其特征在于，在所述预加固措施为注浆加固、锚杆加固和管棚加固的组合措施时，以注浆加固后的等效参数为基础叠加锚杆加固后的等效参数，得到预加固措施为注浆加固、锚杆加固和管棚加固的组合措施的等效加固参数；

5.根据权利要求1的一种软岩隧道掌子面预加固效果评估方法，其特征在于，求解球形腔卸荷问题，包括：

6.根据权利要求1的一种软岩隧道掌子面预加固效果评估方法，其特征在于，计算挤出变形减小率和综合强度改善系数，包括：

7.根据权利要求6的一种软岩隧道掌子面预加固效果评估方法，其特征在于，所述方法还包括：

8.根据权利要求1的一种软岩隧道掌子面预加固效果评估方法，其特征在于，计算安全系数，包括：

9.根据权利要求1的一种软岩隧道掌子面预加固效果评估方法，其特征在于，所述两步分级判断方法包括：

10.根据权利要求9的一种软岩隧道掌子面预加固效果评估方法，其特征在于，第一步包括：

11.根据权利要求10的一种软岩隧道掌子面预加固效果评估方法，其特征在于，当预加固效果未达到最高等级时，计算挤出变形减小率、综合强度改善系数和安全系数各自的归一化短板度；其中，归一化短板度为挤出变形减小率、综合强度改善系数和安全系数各自的目标等级阈值与当前值之差相对于目标等级阈值的比值；

12.根据权利要求1的一种软岩隧道掌子面预加固效果评估方法，其特征在于，所述方法还包括：

13.一种软岩隧道掌子面预加固效果评估系统，其特征在于，包括：