一种隧道软岩变形等级评估的地应力反演分析方法及系统与流程

1.本发明涉及岩土力学领域，具体涉及一种隧道软岩变形等级评估的地应力反演分析方法及系统。


背景技术：

2.目前，采用地应力测量技术可以获取隧址区地应力特征。然而受高成本的限制，无法在隧址区展开大规模的地应力测量，因而利用仅有的地应力实测结果反演得到整个隧址区的地应力特征是尤为必要的。另外对于软岩隧道来说，地应力大小及分布特征是软岩变形的内在动力，也是隧道设计的重要依据。一般工程师会对实测地应力结果进行简单的线性拟合，并将其作为设计的依据。但是这种方法根本无法精确的获取隧址区地应力值及其分布特征，导致对隧道软岩大变形等级预测精度低。
3.因而必须设计一种既能简单精确地反演隧址区地应力的方法，也能准确预测隧道软岩大变形等级的方法。


技术实现要素：

4.针对隧道设计阶段对隧道软岩大变形等级预测精度低的不足的问题，本发明提供一种隧道软岩变形等级评估的地应力反演分析方法，该方法将多元线性回归分析方法和强度应力比理论相结合，能够提高隧道软岩大变形等级预测精度。
5.本发明是通过以下技术方案来实现：
6.一种隧道软岩变形等级评估的地应力反演分析方法，包括以下步骤：
7.步骤1、获取隧址区围岩力学参数以及实测地应力结果；
8.步骤2、确定隧址区的地应力场反演范围；
9.步骤3、将步骤1实测地应力结果进行坐标轴转换，得到实测地应力结果对应的应力分量；
10.步骤4、根据隧址区的围岩力学参数及地应力场反演范围建立三维地质力学模型，并对三维地质力学模型施加构造边界条件；
11.步骤5、根据应力分量对三维地质力学模型进行数值模拟计算，根据实测测点提取三维地质力学模型计算结果中对应测点的地应力结果，并对提取的地应力结果对进行多元线性回归分析，得到隧址区回归地应力方程；
12.步骤6，将隧道长轴向地应力值代入隧址区地应力回归方程，得到隧址区地应力特征并预测隧道软岩变形等级。
13.优选的，步骤1中所述围岩力学参数包括弹性模量、重度和泊松比。
14.优选的，步骤1中采用水压致裂法或应力解除法测量隧址区地应力值。
15.优选的，步骤2中所述地应力场反演范围为整个隧址工程区，并将该隧址工程区扩大至一定范围形成地应力场反演范围，将山脊线与河谷线作为地应力场反演范围的边界。
16.优选的，所述应力分量的计算方法如下：
[0017][0018]
其中，原坐标系记为x、y、z，而新坐标系统记为x'，y'，z'，两个坐标系之间的方向余弦记为a，b，c。
[0019]
优选的，步骤4中所述三维地质力学模型的建立方法如下：
[0020]
s41、根据地应力场反演范围的地形数据建立多个三维地质力学模型；
[0021]
s42、三维地质力学模型中各岩土体采用弹性本构关系，将围岩力学参数赋予各岩土体；
[0022]
s43、根据计算工况给各三维地质力学模型设置不同构造边界条件。
[0023]
优选的，所述构造边界条件的设置方法如下：
[0024]
给三维地质力学模型施加自重应力荷载；
[0025]
沿x轴方向在三维地质力学模型地势较高的一侧，施加水平均布构造荷载；
[0026]
沿x轴方向在三维地质力学模型地势较高的一侧，施加水平三角构造荷载；
[0027]
沿y轴方向在三维地质力学模型地势较高的一侧，施加水平均布构造荷载；
[0028]
沿y轴方向在三维地质力学模型地势较高的一侧，施加水平三角构造荷载；
[0029]
在三维地质力学模型上设置强制位移量，用于模拟纯剪应力场。
[0030]
优选的，步骤5中采用f统计量检验多元线性回归分析的回归结果的显著性，采用t统计量检验多元线性回归分析的偏回归系数的显著性；
[0031]
f统计量的表达式如下：
[0032][0033]
其中，n是解释变量的自由度，m是响应变量的自由度，sr是回归结果的回归平方和，s
t
为总离差平方和；
[0034]
根据给定的检验性水平α，得到f分度的临界值f
α
(n，n-m-1)，如果f》f
α
(n，n-m-1)，则响应变量与解释变量之间线性关系显著，反之则认为二者不存在线性关系；
[0035]
t统计量的表达式如下：
[0036][0037]
其中，b
ii
为正规矩阵x
t
x对角线上的第i个元素，根据给定的检验性水平α，查表得到t分度的临界值t
α/2
(m-n-1)，如果ti》t
α/2
(m-n-1)，则认为该解释变量对响应变量有显著的影响。
[0038]
优选的，步骤6中，将隧道长轴向地应力值代入隧址区回归地应力方程，得到隧址区地应力特征，并基于围岩强度应力比理论，预测隧道软岩变形等级。
[0039]
一种隧道软岩变形等级评估的地应力反演分析方法的系统，包括，
[0040]
数据采集模块，用于获取隧址区围岩力学参数以及实测地应力结果；
[0041]
地应力场反演范围模块，用于确定隧址区的地应力场反演范围；
[0042]
应力分量模块，用于对实测地应力结果进行坐标轴转换，得到实测地应力结果对应的应力分量；
[0043]
三维地质力学模型模块，用于根据隧址区的围岩力学参数及地应力场反演范围建立三维地质力学模型，并对三维地质力学模型施加构造边界条件；
[0044]
回归分析模块，用于根据应力分量对三维地质力学模型进行数值模拟计算，根据实测时的测点提取三维地质力学模型计算结果中对应测点的地应力结果，并对提取的地应力结果对进行多元线性回归分析，得到隧址区回归地应力方程；
[0045]
预测模块，用于将隧道长轴向地应力值代入隧址区回归地应力方程，预测隧道软岩变形等级。
[0046]
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0047]
本发明公开了一种隧道软岩变形等级评估的地应力反演分析方法，获取隧址区围岩的物理力学参数以及地应力钻孔数据，构建隧址区的三维地质力学模型；对实测地应力数据进行坐标轴变换；基于多元回归计算反演隧址区的初始地应力场；检验反演结果及反演系数的显著性；计算得到隧道轴线处的地应力分布，基于强度应力比法对隧道软岩大变形等级进行评估。该方法对于反演山岭隧道地应力水平及对挤压性围岩变形等级评估具有简单快速，预测精度高的优点，可以极大提高预测效率，进而更好应用于指导和动态调整隧道软岩大变形段施工工序与支护时机，显著提升了隧道软岩大变形段的施工安全，该方法过程简单，可以弥补隧道设计阶段对隧道软岩大变形等级预测精度低的不足。
附图说明
[0048]
图1为本发明隧道软岩变形等级评估的地应力反演分析方法流程图；
[0049]
图2为本发明实施例中施家山隧道隧址区三维地质力学模型；
[0050]
图3本发明实施例中模型边界条件；
[0051]
图4本发明实施例中最大主应力计算结果与实测结果对比图；
[0052]
图5本发明实施例中最小主应力计算结果与实测结果对比图；
[0053]
图6本发明实施例中垂直主应力计算结果与实测结果对比图；
[0054]
图7本发明实施例中施家山隧道长轴向地应力分布特征曲线图。
具体实施方式
[0055]
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
[0056]
如图1所示，一种隧道软岩变形等级评估的地应力反演分析方法，包括以下步骤：
[0057]
步骤1、获取隧址区围岩力学参数以及实测地应力结果；
[0058]
具体的，采用地应力测量方法测量隧址区的地应力结果，优选采用水压致裂法或应力解除法。
[0059]
采集隧址区围岩并通过室内试验获取围岩的力学参数，包括弹性模量(e)，重度(γ)和泊松比(μ)。
[0060]
步骤2，确定隧址区初始的地应力场反演范围；
[0061]
具体的，所述地应力场反演范围包括全部工程区，并在一定程度上进行扩大，将山脊线与河谷线作为地应力场反演范围的边界，因为这类边界不会产生垂直于平面的位移。
[0062]
步骤3，将步骤1实测地应力结果进行坐标轴转换，得到实测地应力结果对应的应力分量；
[0063]
具体的，所述的实测地应力结果进行坐标轴转换，原坐标系记为x、y、z，而新坐标系统记为x'，y'，z'，两个坐标系之间的方向余弦记为a，b，c，将原坐标系转换为新坐标系时，应力分量可按下式计算：
[0064][0065]
步骤4，建立三维地质力学模型，并对三维地质力学模型施加构造边界条件；具体包括以下步骤：
[0066]
s41、将地应力场反演范围的地形数据导入至有限元软件中，建立6个三维地质力学模型；
[0067]
s42、三维地质力学模型中各岩土体采用弹性本构关系，计算时将已经获取的弹性模量和重度、泊松比赋予各岩土体；
[0068]
s43、根据计算工况给每个三维地质力学模型设置不同构造边界条件，具体包括：
[0069]
(1)给三维地质力学模型施加自重应力荷载，
[0070]
除顶面保留为自由面外，其它各面施加位移约束；
[0071]
(2)沿x轴方向在模型地势较高的一侧，施加水平均布构造荷载，除顶面保留为自由面外，其他各未加载的面施加位移约束；
[0072]
(3)沿x轴方向在模型地势较高的一侧，施加水平三角构造荷载，除顶面保留为自由面外，其他各未加载的面施加位移约束；
[0073]
(4)沿y轴方向在模型地势较高的一侧，施加水平均布构造荷载，除顶面保留为自由面外，其他各未加载的面施加位移约束；
[0074]
(5)沿y轴方向在模型地势较高的一侧，施加水平三角构造荷载，除顶面保留为自由面外，其他各未加载的面施加位移约束；
[0075]
(6)在三维地质力学模型上设置强制位移，以模拟纯剪应力场。
[0076]
步骤5，对各个三维地质力学模型进行数值模拟计算，根据实测测点位置提取三维地质力学模型中对应测点的应力结果，并应力结果对进行多元线性回归分析，得到隧址区回归地应力方程。
[0077]
所述的多元回归分析方法如下：
[0078][0079]
其中，ci为响应变量关于解释变量的偏回归系数，σ
jk
为第k个观测点的j方向的实测应力结果，σ
ijk
是工况i下k观测点j应力分量的计算值。
[0080]
所述多元回归计算还应对回归结果和偏回归系数的显著性进行检验。回归结果的显著性可以通过f统计量进行检验，响应变量关于解释变量的偏回归系数则需要通过t统计量进行检验。
[0081]
f统计量的计算方法如下：
[0082]
考察响应变量的观测σ
jk
的总离差平方和s
t
，对其进行分解可得：
[0083][0084][0085][0086]
其中，sr是回归结果的回归平方和，sc是回归结果的误差平方和，是观察样本的平均值。因而可以构建f统计量及其分布为：
[0087][0088]
其中，n是解释变量的自由度，m是响应变量的自由度。由此根据给定的检验性水平α，查表得到f分度的临界值f
α
(n，n-m-1)，如果f》f
α
(n，n-m-1)，则认为响应变量与解释变量之间线性关系显著，反之则认为二者不存在线性关系。
[0089]
同理，构建起多元回归模型中的t检验方法，构造检验统计量及其分布为：
[0090][0091]
其中，b
ii
为正规矩阵x
t
x对角线上的第i个元素，由此根据给定的检验性水平α，查表得到t分度的临界值t
α/2
(m-n-1)，如果ti》t
α/2
(m-n-1)，则认为该解释变量对响应变量有显著的影响，反之则认为该系数对响应变量没有统计意义。
[0092]
s6，将隧道长轴向地应力值代入隧址区地应力回归方程，得到隧址区地应力特征，并基于围岩强度应力比理论，对隧道软岩变形等级进行预测分析和判读。
[0093]
所述隧道软岩变形等级预测根据相应的技术规范规定的强度应力比gn对隧道挤
压性围岩变形分级进行划分。
[0094]
本发明还提供了一种隧道软岩变形等级评估的地应力反演分析方法的系统，包括，数据采集模块、地应力场反演范围模块、应力分量模块、三维地质力学模型模块、回归分析模块和预测模块。
[0095]
数据采集模块，用于获取隧址区围岩力学参数以及实测地应力结果；
[0096]
地应力场反演范围模块，用于确定隧址区的地应力场反演范围；
[0097]
应力分量模块，用于对实测地应力结果进行坐标轴转换，得到实测地应力结果对应的应力分量；
[0098]
三维地质力学模型模块，用于建立三维地质力学模型，并对三维地质力学模型施加构造边界条件；
[0099]
回归分析模块，用于根据应力分量对三维地质力学模型进行数值模拟计算，根据实测时的测点提取三维地质力学模型计算结果中对应测点的地应力结果，并对提取的地应力结果对进行多元线性回归分析，得到隧址区地应力回归方程；
[0100]
预测模块，用于将隧道长轴向地应力值代入隧址区地应力回归方程，预测隧道软岩变形等级。
[0101]
实施例1
[0102]
参阅图2-7，如图1所示，本实施例涉及一种用于隧道软岩变形等级评估的地应力反演分析方法，包括以下步骤：
[0103]
s1，获取隧址区围岩力学参数以及实测地应力结果；
[0104]
本实施例采用四川省都江堰-四姑娘山山地轨道交通项目的施家山隧道隧址区作为说明对象，采用水压致裂法获取了钻孔dz-sjssd-02a的地应力值，实测结果如表1所示：
[0105]
表1
[0106][0107]
其中，sh是最大水平主应力，sh是最小水平主应力，sv是垂直主应力
[0108]
对隧址区的岩样进行了室内分析，得到了岩土体的计算参数，如表2所示：
[0109]
表2
[0110][0111][0112]
s2，确定隧址区初始地应力场的反演范围；
[0113]
确定本次反演回归的范围，将整个工程区包含在内同时进行了扩展，其中x轴、y轴的计算范围为750m和5000m，z轴计算范围为隧道轴线设计标高以下300m至自然地表。
[0114]
s3，将实测地应力结果进行坐标轴转换，得到相应的应力分量；
[0115]
将实测地应力结果进行坐标轴转换，由于施家山隧道水压致裂法实测地应力成果中没有垂直平面内的剪切应力，故可将已有的地应力成果转化为s
x
，sy，sz，s
xy
，转换后的应力值见表3所示：
[0116]
表3
[0117][0118]
s4，建立三维地质力学模型，对模型施加构造边界条件；
[0119]
如图2所示，将反演区的地形数据导入至有限元计算软件中，建立了6种工况下隧址区的三维地质力学模型，
[0120]
各岩土体采用弹性本构关系，计算时将已经获取的岩土体物理力学参数赋予各单元；
[0121]
如图3所示，给每个模型施加不同构造边界条件，具体包括：
[0122]
(1)给模型施加自重应力荷载，除顶面保留为自由面外，其他各面施加位移约束；
[0123]
(2)沿x轴方向在模型地势较高的一侧，施加1mpa的水平均布构造荷载，除顶面保留为自由面外，其他各未加载的面施加位移约束；
[0124]
(3)沿x轴方向在模型地势较高的一侧，施加1kpa/m的水平三角构造荷载，除顶面保留为自由面外，其他各未加载的面施加位移约束；
[0125]
(4)沿y轴方向在模型地势较高的一侧，施加1mpa的水平均布构造荷载，除顶面保留为自由面外，其他各未加载的面施加位移约束；
[0126]
(5)沿y轴方向在模型地势较高的一侧，施加1kpa/m的水平三角构造荷载，除顶面保留为自由面外，其他各未加载的面施加位移约束；
[0127]
(6)在xoy面上设置1cm的强制位移，以模拟纯剪应力场。
[0128]
s5，提取各计算工况下各测点的应力结果，并进行多元线性回归分析；
[0129]
提取各工况下各测点的地应力计算结果，带入公式进行多元线性回归计算，得到了1个自由项和6个偏回归系数，即c0＝-0.653,c1＝5.131,c2＝1.450,c3＝1.956,c4＝5.788,c5＝1.203,c6＝0.254。因而隧址区的地应力回归方程为：
[0130][0131]
其中，为隧址区的计算应力，和分别表示由x方向和y方向水平构造荷载引起的计算应力，和分别表示由x方向和y方向三角形水平压缩荷载引起的计算应力，表示重力引起的计算应力，代表由构造剪切荷载引起的计算应力。
[0132]
对回归计算结果和偏回归系数进行显著性检验，检验结果见表4所示：
[0133]
表4
[0134][0135]
由此可知，反演回归结果较好，显著性明显，图4-6给出了反演结果与实测结果的对比图。
[0136]
进一步的，提取各工况下隧道长轴向地应力计算结果，并代入回归方程中可以得到施家山隧道长轴向地应力的分布特征及规律，如图7所示。
[0137]
s6，代入隧址区回归地应力方程得到隧道长轴向地应力水平，并基于围岩强度应力比理论，对隧道软岩变形等级进行预测分析和判读。
[0138]
将隧道长轴向地应力结果和围岩的物理力学参数代入至强度应力比计算公式中，可以得到相对应的强度应力比gn。《铁路挤压性围岩隧道技术规范》规定的强度应力比gn对铁路隧道挤压性围岩变形分级如表5所示：
[0139]
表5
[0140][0141]
因而可以得到施家山隧道不同里程段隧道围岩的强度应力比及围岩变形分级等级，如下表所示：
[0142][0143]
本发明提供的一种隧道软岩变形等级评估的地应力反演分析方法，该方法对于山岭隧道地应力确定方法简单快速，预测精度高，提高了预测的效率和施工现场的反馈，进而更好应用于指导和动态调整隧道现场软岩大变形段施工工序与工法转换，显著提升了软岩大变形段落的施工安全。
[0144]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。