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项目名称 支护条件下地压反分析边界元法计算程序系统
项目品类 信息类型
参考价格 面议 万元 项目状态
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技术项目信息登记表(供给方)

技术项目名称 支护条件下地压反分析边界元法计算程序系统
行业分类 一级    二级    三级 
战略性新兴产业分类 一级    二级    三级 
6+1产业分类
权属人所属地域 省    市    区 
项目权属 (个人或单位名称) 薛恩瑞
专利情况 有   专利号:
无  (多项专利可在项目简介中列出)
专利类别 发明    实用新型      外观设计
申请日 授权日
意向价格 面议 万元
合作方式 技术转让 


商业计划及前景
详见项目附件......
项目简介

《支护条件下地压反分析边界元法计算程序系统》简介

长治职业技术学院采矿测量工程系薛恩瑞副教授研发的本软件系统是新奥法的必备软件。新奥法(NATM)是新奥地利隧道施工方法(New Austrian tunneling method)的简称,在我国常把新奥法称为“锚喷构筑法”。它是应用岩体力学理论,以维护和利用围岩的自承能力为基点,采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段,及时地进行支护,控制围岩的变形和松弛,使围岩成为支护体系的组成部分,并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道施工和地下工程设计施工的方法和原则。新奥法广泛应用于山岭隧道、城市地铁、地下贮库、地下厂房、军事地下工程和采矿巷道等领域。

一.基本概况

现场量测和监视是新奥法中的重要内容。由于岩体生成条件和施工条件的复杂性,以及对工程设计参数的精确要求,需要通过现场量测手段,在施工过程中对围岩动态和支护结构工作状态进行位移监测。根据支护与围岩共同作用原理,将监测的位移结果用本系统反推出地应力参数,反分析的成果是围岩力学性质的宏观概括,利用这一资料与工程类比经验相结合,反馈于施工决策和支护设计,可以实现信息化设计与施工的动态管理。

二.主要特点

1.十分方便

从原理上讲,原岩应力的实测方法除水压致裂法外也属于反分析法,只不过是通过原岩应力区岩石的应变来反算原岩应力的。这种应变需要某种传感器通过应力解除技术才能测量,而且传感器的安装和应力解除在技术上难度大,成功率低,可靠性差。由于任何地下工程围岩的位移可以用位移计十分方便地测量,所以,使用本系统来反算原岩应力自然就成为地下工程界所希欢的选择。

2.非常经济

隧洞岩体的开挖改变了边界条件,岩体的开挖面均将产生相应的变形。变形的大小综合地反映了地质参数和地应力场的规模。《支护条件下地压反分析边界元法计算程序系统》根据开挖后实测变位值反求初始应力场,得到的结果能较全面、真实地反映新奥法第一次支护后,围岩变形趋于稳定时的力学状态。由于在围岩和支护中埋设仪器或测点是在安装锚杆的同时进行的,无须如一般的地应力实测要很大的附加工作量,因而是非常经济的。

3.能测试水平应力

就围岩压力来看,过去较为重视垂直压力的作用,上世纪末以来,对水平应力研究较多,究其原因是以前缺乏对岩体应力的测试方法,原岩应力状态难以测定,然而本软件系统完全能够解决这一难题。这种了解的价值对于设计和施工来讲是至关重要的,因为水平应力是影响巷道顶板冒顶、底板鼓起、两帮内挤的主要因素。如果对工程区域的实际原岩应力一无所知,任何计算和分析都将失去其应有的真实性和实用价值。

4.相对位移值的观测手段可因地制宜

隧洞开挖后相对位移值的观测手段主要是多点位移计及收敛计,前者布置在隧洞围岩的钻孔中,测得的是钻孔不同深度测点的相对变位,适用于洞室较大的情况;后者则能测出隧洞开挖壁面两个点之间的相对变位,即通常所称的收敛值,适合于长隧道的情况。本系统为两种不同的仪器都开发了计算程序。

5.系统与新奥法的施工特点完全吻合

新奥法的原理,主要是通过现场测试获得关于稳定性和支护系统工作状态的数据,然后根据量测数据,通过力学计算以确定支护系统的设计和施工对策。这一过程可称为监控设计或信息化设计,此外它还含着施工监视的意义在内。

近半个世纪来,随着地应力测量工作不断开展,各种测量方法和仪器也不断发展起来,种类繁多。例如:

钻屑法,通过不同深度的取屑,可以测量岩体不同深度的压力状态,实现“线”监测。但探测范围小,打钻工程量大,钻机布置受巷道断面、设备等影响,取屑、称量等过程人工操作存在较大误差。钻孔应力计法,测试的是相对应力值,主要监测应力变化梯度,不足之处是:传感器只能反映所在位置的应力,属于“点”监测,每个传感器性能、初始参数各异,因此相邻传感器探测值离散性较大,不适合关联分析,不足以为设计提供有用的信息。

其它基于钻孔变形原理和静力平衡原理的地应力绝对值测量法,常伴顺有大量辅助工程,工作量大,費用很高,测量结果离散性大,而工程设计却需要知道研究范围内地应力的变化规律,即地应力场。

本系统所使用的位移反分法得到的结果能全面真实地反映围岩性态。第一次支护完成后,在围岩变形趋于稳定时,由收敛值反推出的平面问题的应力计算结果,正是确定支护系统的设计和施工对策所需要的。

三.例题与实例

为了验证方法的正确性和程序的可靠性,现假设以圆形巷道埋深为200米,围岩容重为2.810-2MPa/m,泊桑比为0.3,弹性模量为2100MPa。当设置衬砌支护时,衬砌厚度为0.2m,弹性模量为6000MPa,泊桑比为0.167。量测值均取自相应点的位移理论值,示于表1。各种情况的反算结果示于表2中,测点位置及计算简图如图1所示。

图1测点位置计算简图

表 1  输入位移增量值(单位:CM)

量测次数

ΔUB-C

ΔUA-C

ΔUA-B

1

0.055126

0.055126

0.07796

2

0.0275488

0.0275488

0.038396

3

0.0275630

0.0275630

0.03898

表 2  量测衬砌收敛位移反算结果(单位:Mpa)


围岩弹性模量2100,

泊桑比0.3

支护材料弹性模量6000,泊桑比0.167

理论值

横向应力

5.600005

5.600001

5.6

纵向应力

5.600000

5.600000

5.6

剪应力

-0.000003

-0.000002

0

由表中结果可见,线弹性位移反分析结果与理论解吻合很好,足以满足实际工程的要求精度。

另一个工程实例发表在《山西煤炭》期刊2011年第3期上,题目是《陵川县关岭山煤矿152井田边界巷地压测量报告》,可见于网络,节选其中一小段如下:

“对于反分析结果的正确性评价,只能用反分析所得的计算参数进行数值分析,将分析所得的位移值和工程实测结果相比较,根据二者的符合程度来判断。与反分析法不同,正分析法的输入值不是位移值,而是应力值,即表4的原岩应力值,输出的是位移值,见表5:

表5   计算位移值与实测位移值的比较

单位:cm

测线号

1

2

3

计算值

0.0254

0.0125

0.0522

支护前实测值

0.0226

0.0112

0.0463

从比较结果看出,二者相当吻合,证明原岩应力值的计算成果是可靠的。”

四.系统的功用

现场量测和监视是监控设计中的主要一环,也是目前国际上流行的新奥地利隧道施工法中的重要内容。归结起来,使用本系统量测和计算的功用是掌握围岩稳定与支护受力、变形的动态或信息,并以此判断设计、施工的安全与经济。具体来说,有以下几点。

1.提供监控设计的依据和信息

建设地下工程,必须事前查明工程所在地的岩体和产状、性状以及物理力学性质,为工程设计提供必要的依据和信息,这就是工程勘察的目的。但地下工程是埋藏于地层中的结构物,而地层岩体的变化往往又千差万别,因此仅仅靠事前的露头调查及有限的钻孔来预测其动向,常常不能充分反映岩体的产状和性状。此外,目前工程勘察中分析岩体力学性质的常规方法是用岩样进行室内物理力学试验。众所周知,岩块的力学指标与岩体的力学指标有很大的不同,因此,必须结合工程,进行现场岩体力学性质的测试,通过围岩变位反推岩体地应力大小,为工程设计提供可靠依据。当然,现场的量测不止是为了提供力学参数,它还能提供围岩的稳定度与支护的安全度等信息,为监控设计提供合理依据和计算参数。

2.指导施工,预报险情

在国内外的地下工程中,利用施工期间的现场测试,预报施工的安全程度,是早已采用的一种方法。对那些地质条件复杂的地层,如塑性流变岩体,膨胀性岩体,明显偏压地层等,由于不能采用以经验为基准的惯用设计方法,所以施工期间须通过现场测试和监视,以确保施工安全。在施工监控中,以位移反分析法为其核心,这是当前发展最快的方法之一,已经成为解决岩石地下工程稳定的重要工具;但是,所涉及的基础理论和方法自身的缺陷尚需要进一步解决。

3.用作理论研究及校核理论,并为工程类比提供理论

以前地下工程的设计完全依赖于经验,但随着理论分析手段的迅速发展,其分析结果越来越被人们所重视,因而对地下工程理论问题的物理方面:模型及参数,也提出了更高的要求,理论研究结果须经实测数据检验。因此系统地组织测试,研究岩体和结构的力学形态,对于发展地下工程理论具有重要意义。

3.为地下工程设计与施工积累资料。

五.注意事项

需要注意的是:本系统所使用的边界元法是对无限域问题而言的,在实际问题中并不存在无限域,它只是一个数学概念。在什么条件下才能实现问题按照无限域计算呢?按照隧洞设计的经验,当其埋置深度(或上覆岩层厚度)与洞径之比大于3时,按无限域问题计算的误差约5%左右。一块板中开一直径为D的园孔,当孔边离自由边界最小距离L大于3D至5D时,即可忽略自由边界影响而按无限域问题计算条件计算。

近年,国家在各个层面持续推动学科发展工程项目,由中国工程院土木、水利与建筑学部所编写的《土木学科发展现状及前沿发展方向研究》,本书是中国工程院土木、水利与建筑学部咨询项目——土木学科发展现状与前沿发展方向研究的成果,汇总了14位院士主笔的专题报告,反映了土木工程二级学科的发展现状和发展趋势。其中,中国工程院郑颖人院士在《岩土工程学科的现状及前沿发展方向研究》中指出:“适应岩土工程特性的力学基础理论、数值计算方法与基于监测与数值计算结合的信息化设计、施工方法,将成为今后岩土工程设计、施工的趋势与动向。”

可以预计,本简介中介绍的系统有很好的应用前景!




获得资助情况
(国家计划课题等)
科技型中小企业技术创新基金 
项目开发阶段 中试
样品情况 样品类型 实物 


信息有效期   2018-01-22   至   2021-12-31

项目联系人信息

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