(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111296930.2 (22)申请日 2021.11.03 (71)申请人 西南交通大 学 地址 610031 四川省成 都市二环路北一段 申请人 中国国家铁路集团有限公司 　 中国铁道科 学研究院集团有限公司 (72)发明人 陈子全　何川　周子寒　马伟斌　 汪波　邹文浩　 (74)专利代理 机构 北京正华智诚专利代理事务 所(普通合伙) 11870 代理人 何凡 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) E21D 11/00(2006.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 隧道初期支护时机动态确定方法及系统 (57)摘要 本发明提供了一种隧道初期支护时机动态 确定方法， 属于隧道工程技术领域， 第一步： 获取 隧道信息， 并构建待求解围岩 ‑支护结构变形方 程； 第二步： 根据所述待求解围岩 ‑支护结构变形 方程， 基于实际隧道工程的变形控制基准、 施工 条件动态选取合适的隧道初期支护时机。 本发明 在收集隧道工程相关参数的基础上即可快速、 大 量地计算得出不同支护时机下围岩 ‑支护结构变 形及支护结构受力情况； 本发明通过及时调整现 场不断变化的围岩参数、 支护结构方案， 建立不 同的求解方程， 因此， 本发明适用于不同隧道或 同一隧道不同段落， 并可动态指导施工， 且可依 据现场变形控制基准、 支护结构受力状态、 施工 条件等选取适宜的支护时机 。 权利要求书2页 说明书9页 附图4页 CN 114021234 A 2022.02.08 CN 114021234 A 1.一种隧道初期支护时机动态确定方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1、 获取隧道信息， 并构建待求 解围岩‑支护结构变形 方程； S2、 根据所述待求解围岩 ‑支护结构变形方程， 基于实际隧道工程的变形控制基准、 施 工条件动态选取合 适的隧道初期支护时机， 完成隧道初期支护时机的动态确定 。 2.根据权利要求1所述的隧道初期支护时机动态确定方法， 其特征在于， 所述步骤S1包 括以下步骤： S101、 根据获取的隧道信息， 将不同隧道断面形式等效为圆形断面隧道： 其中， R0表示圆形断面隧道半径， h表示隧道 原断面高度， B表示隧道 原断面跨度之半； S102、 以研究断面施作初期支护时距掌子面距离表征支护时间， 确定支护时机的计算 工况； S103、 根据所述圆形断面隧道， 引入根据隧道工程实际形变特征动态调整的掌子面虚 拟支撑力， 构建待求 解围岩‑支护结构变形 方程。 3.根据权利要求2所述的隧道初期支护时机动态确定方法， 其特征在于， 所述步骤S103 包括以下步骤： S1031、 根据所述圆形断面隧道， 建立含待定参数的考虑隧道纵向空间效应及支护结构 反力的围岩 ‑支护结构变形 方程； S1032、 引入根据隧道工程实际形变特 征动态调整的掌子面虚拟支撑力； S1033、 根据隧道初期支护位移和支护刚度， 构建支护结构反力方程； S1034、 将掌子面虚拟支撑力以及支护结构反力方程代入围岩 ‑支护结构变形方程， 构 建待求解围岩‑支护结构变形 方程。 4.根据权利要求3所述的隧道初期支护时机动态确定方法， 其特征在于， 所述步骤 S1031中围岩 ‑支护结构变形 方程的表达式如下： 其中， 表示虚拟支撑力和支护结构反力作用下的围岩变形， R0表示圆形断面隧道 半径， G表示围岩剪切模量， ps表示支护结构反力， p'表示隧道纵向空间效应的等效虚拟支 撑力， pg表示原岩应力， c表示围岩黏聚力， 表示围岩内摩擦角， α和k表示与岩石内摩擦角 和黏聚力有关的试验常数。 5.根据权利要求3所述的隧道初期支护时机动态确定方法， 其特征在于， 所述步骤 S1032中动态调整的掌子面虚拟支撑力的表达式如下：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114021234 A 2p'＝pg·[1‑χ(x)] χ(x)＝1 ‑AeB·x 其中， p'表示动态调整的掌子面虚拟支撑力， x表示研究断面距掌子面的距离， χ(x)表 示依据现场统计的位移完成系数， pg表示原岩应力， B表示隧道原断面跨度之半， A表示依据 现场统计数据拟合得到的常数。 6.根据权利要求3所述的隧道初期支护时机动态确定方法， 其特征在于， 所述步骤 S1033中支护结构反力方程的表达式如下： 其中， ps表示支护结构反力， ks表示支护结构刚度， up'表示研究断面开始施作支护前仅 有虚拟支撑力作用下的变形， 表示虚拟支撑力和支护结构反力作用下的围岩变形。 7.根据权利要求1所述的隧道初期支护时机动态确定方法， 其特征在于， 所述步骤S2包 括以下步骤： S201、 根据所述待求解围岩 ‑支护结构变形方程， 计算得到支护时机所有计算工况的数 值解； S201、 根据所述支护时机所有计算工况的数值解， 基于实际隧道工程的变形控制基准、 施工条件动态选取合 适的隧道初期支护时机， 完成隧道初期支护时机的动态确定 。 8.一种隧道初期支护时机动态确定系统， 其特征在于， 包括数据获取模块、 等效转换模 块、 支护时间计算工况模块、 围岩 ‑支护结构变形方程构建模块、 支护时机所有计算工况数 值求解模块以及隧道初期支护时机 选择模块； 所述数据获取模块， 用于获取隧道信息， 其隧道信息包括原岩应力、 围岩物理力学参 数、 支护结构力学参数和/或隧道几何尺寸； 所述等效转换模块， 用于将不同隧道断面形式等效为圆形断面隧道； 所述支护时间计算工况模块， 用于以研究断面施作初期支护时距掌子面距离表征支护 时间， 确定支护时机的计算工况； 所述围岩 ‑支护结构变形方程构建模块， 用于根据 所述圆形断面隧道， 引入根据隧道工 程实际形变特 征动态调整的掌子面虚拟支撑力， 构建待求 解围岩‑支护结构变形 方程； 所述支护时机所有计算工况数值求解模块， 用于根据所述待求解围岩 ‑支护结构变形 方程， 计算得到支护时机所有计算工况的数值 解； 所述隧道初期支护时机选择模块， 用于根据所述支护时机所有计算工况的数值解， 并 基于实际隧道工程的变形控制基准、 施工条件动态选取合 适的隧道初期支护时机 。 9.一种计算机设备， 包括存储器、 处理器及存储在存储器上并在处理器上运行的计算 机程序， 其特征在于， 所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1 ‑8中任一所述方 法。 10.一种计算机可读存储介质， 其特征在于， 所述计算机可读存储介质存储有执行权利 要求1‑8任一所述方法的计算机程序。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114021234 A 3