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专利号: 2023113686121
申请人: 山东科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-10-27
缴费截止日期: 暂无
联系人

摘要:

权利要求书:

1.一种隧道围岩拓扑安全系数及稳定性计算方法,其特征在于,包括以下步骤:S1、利用现场原位试验获取隧道地质、围岩力学参数,通过裂隙识别技术动态提取出露节理几何参数;

S2、利用采集的数据生成还原现场情况的节理网络,构建节理岩体隧道三维数值模拟模型;

所述步骤S2具体包括以下步骤:

S2.1、将节理参数数据导入离散元数值模拟软件,利用离散裂隙网络技术准确生成出露节理,并根据概率分布生成预测围岩内部节理情况的随机节理网络;

S2.2、结合随机节理网络与离散元块体构建节理岩体隧道模型,岩块与节理分别赋值相应物理力学参数,且岩块物理力学参数包括体积模量、剪切模量、密度、粘聚力、内摩擦角,节理物理力学参数包括节理法向刚度、切向刚度、粘聚力、内摩擦角;

S2.3、而后数值模型设定边界约束与地应力条件,进行初始地应力平衡,运算结束后位移清零,得到反映工程实际的节理岩体隧道模型;

S3、提取数值模型中围岩的块体质心作为点云集,导入持续同调计算软件,可视化隧道围岩拓扑特征,获取拓扑反馈信息;

S4、利用数值模型模拟隧道节理围岩的不同状态,获取相对应的拓扑反馈信息,根据关键拓扑特征的条码结果量化局部围岩块体相对运动情况,以此判识隧道断面危险部位,计算隧道围岩拓扑安全系数。

2.根据权利要求1所述的一种隧道围岩拓扑安全系数及稳定性计算方法,其特征在于:所述步骤S4中,计算隧道围岩拓扑安全系数的公式为:

且式中, 为未扰动状态对应1维贝蒂数最长条码消亡值; 为极限承载状态对应1维贝蒂数最长条码消亡值; 为开挖阶段对应1维贝蒂数最长条码消亡值。

3.根据权利要求1所述的一种隧道围岩拓扑安全系数及稳定性计算方法,其特征在于:所述步骤S1具体包括以下步骤:

S1.1、通过单轴、三轴压缩、直剪试验测定完整岩石及节理岩体的强度和力学参数,通过水压致裂法和声发射法测试地应力;

S1.2、通过三维激光扫描或图像识别裂隙识别技术提取隧道裸露围岩的节理几何参数,包括节理迹长、倾角、密度,且统计各参数的概率分布,以便预测围岩内部无法观测区域的节理分布情况。

4.根据权利要求1所述的一种隧道围岩拓扑安全系数及稳定性计算方法,其特征在于:所述步骤S3具体包括以下步骤:

S3.1、提取隧道洞周一定范围内的围岩块体质心,作为点云数据导入持续同调计算软件;

S3.2、定义计算的最高维数与距离参量ε,导入点云数据,构建距离空间,创建特定的单纯复形,进行持续同调计算,生成隧道围岩拓扑特征的可视化条码图。

5.根据权利要求1所述的一种隧道围岩拓扑安全系数及稳定性计算方法,其特征在于:所述步骤S4具体包括以下步骤:

S4.1、在平衡地应力后的隧道未开挖阶段,以步骤S3方法得到该阶段隧道节理围岩拓扑特征的条码信息;

S4.2、模拟隧道掘进过程,开挖结束至应力再次平衡,重复步骤S3方法获取开挖结束阶段的条码信息;

S4.3、调整模型初始应力边界,重复步骤S4.1和步骤S4.2,获取不同应力下隧道由稳定至破坏各状态对应的条码信息;

S4.4、提取步骤S4.1和步骤S4.2中0维贝蒂数β0条码与1维贝蒂数β1短条码,而β0条码与β1短条码的出生及消亡代表了围岩块体质心间的连通距离,可反映局部围岩块体的相对运动,β1最长条码的消亡值εmax大小由封闭隧道“孔洞”所需的最短距离决定,与隧道洞形尺寸直接相关,可反映隧道洞形变化;接着计算条码变化量,条码变化量为正值表示围岩块体错动,条码变化量为负值表示围岩块体挤压靠近,比较条码变化量,得到变化量较大且为正值的条码,其对应的部位即为隧道断面危险部位;

S4.5、提出的隧道围岩拓扑安全系数法以岩体未扰动状态对应的εmax为基准,将极限承载状态时εmax变化量与实际εmax变化量的比值作为安全系数,且自步骤S4.1中获取 步骤S4.2中获取 步骤S4.3中通过εmax突变点确定隧道围岩极限承载能力,获取 计算隧道围岩拓扑安全系数,量化评估隧道节理围岩稳定性。