锚喷主动支护参数确定方法及装置与流程

1.本发明涉及隧道工程支护设计技术领域，尤其涉及锚喷主动支护参数确定方法及装置。


背景技术：

2.本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
3.喷锚支护一般是指通过高压喷射水泥混凝土和向岩层中打入锚杆的联合作用来加固围岩，在复杂地层条件下，如何保证隧道安全施工并在设计服务年限内安全运营，是建造者和设计者必须考虑的首要问题。
4.锚喷支护作为隧道工程中常用的支护措施，对工程经验的依赖程度高，设计相对比较保守，一般依赖于工程人员实际场地操作反馈、调整支护设计，同时相关从业人员对安全风险的预判不足，对安全事故形成的机理缺乏深刻的认识导致近年来隧道施工过程中安全事故频发。
5.现有技术中存在少量的锚喷主动支护设计方法，例如在得到塑性区半径及边界几何特征指标的基础之上，以塑性区半径大小为主要指标进行巷道围岩分类，从而对不同类别的围岩进行针对性的支护参数设计，又如，预先设定围岩变形控制基准，调整锚喷支护参数，以满足预先设定的围岩变形控制基准的要求。但是，现有的锚喷主动支护设计方法仅针对锚杆支护进行设计，缺乏全面的锚喷主动支护方法，仍然需要人工经验接入，理论依据不足，总体来说，目前与隧道工程建造相关的完整理论体系尚未形成，锚喷主动支护设计准确度不足，效率较低。


技术实现要素：

6.本发明实施例提供一种锚喷主动支护参数确定方法，用以为全面的锚喷支护提供理论主动支护指导，摆脱对工程经验的依赖，提高锚喷主动支护设计准确度和效率，该方法包括：利用围岩塑性区和围岩弹性区交界处的应力连续边界条件、围岩弹性区拉梅应力公式、硐室理论中围岩塑性区应力公式，确定用于计算围岩塑性区半径的第一公式；根据胡克定律、围岩应力应变关系、围岩弹性区拉梅应力公式、硐室理论中围岩塑性区应力公式，确定用于计算锚喷支护后围岩塑性区半径处径向位移的第二公式；根据围岩塑性变形时体积不变规律，利用第一公式、第二公式和隧道半径，确定锚喷支护后隧道洞周径向位移计算公式；根据隧道支护前的围岩力学参数，确定初始的锚喷支护参数；所述锚喷支护参数包括锚杆支护参数、混凝土支护参数；重复执行如下步骤，直至隧道洞周径向位移值与预设围岩变形控制值的差异小于阈值，输出锚喷支护参数：
根据初始的锚喷支护参数，确定锚喷支护作用时加固范围的附加应力；根据应力和围岩力学参数的对应关系，利用锚喷支护作用时加固范围的附加应力，确定锚喷支护后的围岩力学参数；所述应力和围岩力学参数的对应关系，是对岩石的三轴力学测试数据分析得到的；将锚喷支护后的围岩力学参数输入锚喷支护后隧道洞周径向位移计算公式，得到隧道洞周径向位移值；将隧道洞周径向位移值与预设围岩变形控制值进行比较；其中，预设围岩变形控制值根据初始的锚喷支护参数确定；当隧道洞周径向位移值与预设围岩变形控制值的差异大于阈值，调整初始的锚喷支护参数。
7.本发明实施例还提供一种锚喷主动支护参数确定装置，用以为全面的锚喷支护提供理论主动支护指导，摆脱对工程经验的依赖，提高锚喷主动支护设计准确度和效率，该装置包括：围岩塑性区半径计算公式确定模块，用于利用围岩塑性区和围岩弹性区交界处的应力连续边界条件、围岩弹性区拉梅应力公式、硐室理论中围岩塑性区应力公式，确定用于计算围岩塑性区半径的第一公式；围岩塑性区半径处径向位移计算公式确定模块，用于根据胡克定律、围岩应力应变关系、围岩弹性区拉梅应力公式、硐室理论中围岩塑性区应力公式，确定用于计算锚喷支护后围岩塑性区半径处径向位移的第二公式；隧道洞周径向位移计算公式确定模块，用于根据围岩塑性变形时体积不变规律，利用第一公式、第二公式和隧道半径，确定锚喷支护后隧道洞周径向位移计算公式；锚喷支护参数确定模块，用于根据隧道支护前的围岩力学参数，确定初始的锚喷支护参数；所述锚喷支护参数包括锚杆支护参数、混凝土支护参数；重复执行如下步骤，直至隧道洞周径向位移值与预设围岩变形控制值的差异小于阈值，输出锚喷支护参数：根据初始的锚喷支护参数，确定锚喷支护作用时加固范围的附加应力；根据应力和围岩力学参数的对应关系，利用锚喷支护作用时加固范围的附加应力，确定锚喷支护后的围岩力学参数；所述应力和围岩力学参数的对应关系，是对岩石的三轴力学测试数据分析得到的；将锚喷支护后的围岩力学参数输入锚喷支护后隧道洞周径向位移计算公式，得到隧道洞周径向位移值；将隧道洞周径向位移值与预设围岩变形控制值进行比较；其中，预设围岩变形控制值根据初始的锚喷支护参数确定；当隧道洞周径向位移值与预设围岩变形控制值的差异大于阈值，调整初始的锚喷支护参数。
8.本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述锚喷主动支护参数确定方法。
9.本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有
计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述锚喷主动支护参数确定方法。
10.本发明实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述锚喷主动支护参数确定方法。
11.本发明实施例中，利用围岩塑性区和围岩弹性区交界处的应力连续边界条件、围岩弹性区拉梅应力公式、硐室理论中围岩塑性区应力公式、胡克定律、围岩应力应变关系、围岩塑性变形时体积不变规律，确定锚喷支护后隧道洞周径向位移计算公式；本发明实施例中锚喷主动支护设计全面考虑了预应力锚杆支护和喷射混凝土支护，通过锚喷主动支护设计阶段的初始的锚喷支护参数和隧道洞周径向位移计算公式确定了隧道洞周径向位移值，将隧道洞周径向位移值与预设围岩变形控制值进行比较，直至隧道洞周径向位移值小于等于预设围岩变形控制值，输出最终的锚喷支护参数。本发明实施例全面考虑了预应力锚杆支护和喷射混凝土支护，为全面的锚喷支护提供理论主动支护指导，摆脱了对工程经验的依赖，提供了锚喷主动支护设计新思路，其中，预设围岩变形控制值根据初始锚喷支护参数确定，进一步提高了锚喷主动支护设计准确度和效率。
附图说明
12.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：图1为本发明实施例中锚喷主动支护参数确定方法的流程示意图；图2为本发明实施例中锚喷主动支护参数确定方法的一具体实施例；图3为本发明实施例中围岩圈层计算模型示意图一；图4为本发明实施例中围岩圈层计算模型示意图二；图5为本发明实施例中围岩圈层计算模型示意图三；图6为本发明实施例中锚喷主动支护参数确定方法的一具体实施例；图7为本发明实施例中锚喷主动支护参数确定装置的示意图。
具体实施方式
13.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
14.申请人发现，现有的锚喷主动支护设计方法仅针对锚杆支护进行设计，缺乏全面的锚喷主动支护方法，仍然需要人工经验接入，理论依据不足，总体来说，目前与隧道工程建造相关的完整理论体系尚未形成，锚喷主动支护设计准确度不足，效率较低。基于此，申请人提出了一种锚喷主动支护参数确定方法。
15.图1为本发明实施例中锚喷主动支护参数确定方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括：步骤101、利用围岩塑性区和围岩弹性区交界处的应力连续边界条件、围岩弹性区拉梅应力公式、硐室理论中围岩塑性区应力公式，确定用于计算围岩塑性区半径的第一公
式；步骤102、根据胡克定律、围岩应力应变关系、围岩弹性区拉梅应力公式、硐室理论中围岩塑性区应力公式，确定用于计算锚喷支护后围岩塑性区半径处径向位移的第二公式；步骤103、根据围岩塑性变形时体积不变规律，利用第一公式、第二公式和隧道半径，确定锚喷支护后隧道洞周径向位移计算公式；步骤104、根据隧道支护前的围岩力学参数，确定初始的锚喷支护参数；所述锚喷支护参数包括锚杆支护参数、混凝土支护参数；步骤105、根据初始的锚喷支护参数、和锚喷支护后隧道洞周径向位移计算公式，确定最终的锚喷支护参数；所述锚喷支护参数包括锚杆支护参数、混凝土支护参数。
16.从图1所示流程可以看出，本发明实施例中，利用围岩塑性区和围岩弹性区交界处的应力连续边界条件、围岩弹性区拉梅应力公式、硐室理论中围岩塑性区应力公式、胡克定律、围岩应力应变关系、围岩塑性变形时体积不变规律，确定锚喷支护后隧道洞周径向位移计算公式；本发明实施例中锚喷主动支护设计全面考虑了预应力锚杆支护和喷射混凝土支护，通过锚喷主动支护设计阶段的初始的锚喷支护参数和隧道洞周径向位移计算公式确定最终的锚喷支护参数。本发明实施例全面考虑了预应力锚杆支护和喷射混凝土支护，为全面的锚喷支护提供理论主动支护指导，摆脱了对工程经验的依赖，提供了锚喷主动支护设计新思路，提高了锚喷主动支护设计准确度和效率。
17.下面对本发明实施例中锚喷主动支护参数确定方法进行详细解释。
18.图2为本发明实施例中锚喷主动支护参数确定方法的一具体实施例，图2示出了本发明实施例中锚喷主动支护参数确定的整体思路，参考图2具体实施如下：第一步：结合实际工程概况，例如围岩地质条件、围岩等级等参数、围岩力学参数，针对所需控制的隧道围岩变形，确定围岩变形控制值u0；之后，分别设计锚杆支护参数、混凝土支护参数；第二步：结合实际工程概况，设计锚杆支护参数，例如预应力锚杆长度、间距、加固范围、锚杆预紧力等，根据锚杆支护参数，确定预应力锚杆支护后围岩变形值u1，将u1与u0比较，不满足条件则继续调整锚杆支护参数，满足条件则输出锚杆支护参数；第三步：结合实际工程概况，设计喷射混凝土支护参数，例如喷射混凝土材料、喷射混凝土厚度等，根据喷射混凝土支护参数，确定喷射混凝土支护后围岩变形值u2，将u2与u0比较，不满足条件则继续调整喷射混凝土支护参数，满足条件则输出喷射混凝土支护参数。
19.本发明实施例中，构建锚喷支护后隧道洞周径向位移计算公式，利用该公式，确定锚喷支护后围岩变形值。构建锚喷支护后隧道洞周径向位移计算公式时，最关键的是依赖于围岩塑性变形时体积不变规律。
20.在一个实施例中，所述围岩塑性变形时体积不变规律以如下公式表示：u
×
r0=u*
×rp
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）式中，u为隧道洞周径向位移，r0为隧道半径，u*为围岩塑性区半径处的径向位移，r
p
为围岩塑性区半径。实施时，根据隧道半径、围岩塑性区半径、围岩塑性区半径处的径向位移，确定锚喷支护后隧道洞周径向位移。隧道半径可以实测、分析得到，围岩塑性区半径、
围岩塑性区半径处的径向位移则需要依照本发明实施例方法获得。
21.步骤101中，利用围岩塑性区和围岩弹性区交界处的应力连续边界条件、围岩弹性区拉梅应力公式、硐室理论中围岩塑性区应力公式，确定用于计算围岩塑性区半径的第一公式。
22.下面示出第一公式的优选实施例。
23.围岩边界条件满足：σr(r=r0)=p
i ；σr(r-》+∞)=p0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式中，σr为径向应力，r为围岩径向的任一点，r0为隧道半径，p0为初始应力，pi为洞周径向应力。
24.根据围岩弹性区拉梅应力公式，围岩弹性区的应力可表示为：
ꢀꢀꢀ
（3）式中，σ
re
为弹性区径向应力，σ
rp
为塑性区径向应力，p0为初始应力，r为围岩径向的任一点，r
p
为围岩塑性区半径，σ
θe
为弹性区环向应力。
25.根据硐室理论中围岩塑性区应力公式，围岩塑性区的应力可表示为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）式中，σ
rp
为塑性区径向应力，σ
θp
为塑性区环向应力，σc为单轴抗压强度值，ξ为强度线斜率，r0为隧道半径，r为围岩径向的任一点。
26.在弹性区与塑性区的交界处，应力连续条件为：当r=r
p
时：σ
re
=σ
rp
，σ
θe
=σ
θp
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（5）结合公式（2）至（5）：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（6）求解得到用于计算围岩塑性区半径的第一公式： （7）式中，r
p
为围岩塑性区半径，r0为隧道半径，p0为初始应力，σc为单轴抗压强度值，ξ为强度线斜率。
27.步骤102中，根据胡克定律、围岩应力应变关系、围岩弹性区拉梅应力公式、硐室理论中围岩塑性区应力公式，确定用于计算锚喷支护后围岩塑性区半径处径向位移的第二公式。
28.下面分别介绍在锚杆支护状态下和在混凝土支护状态下的第二公式确定过程。
29.1、在锚杆支护状态下，锚杆锚固端可能在塑性区，也可能在弹性区，即，锚杆支护作用时加固范围可能小于塑性区，也可能大于塑性区。
30.（1）当锚杆支护作用时加固范围大于塑性区，将围岩按从隧道内壁表面向隧道壁厚的方向划分为塑性区三、弹性区二、弹性区一，锚杆加固范围半径处为弹性区二和弹性区一的分界，塑性区三、弹性区二和弹性区一具有不同的弹性模量。图3为本发明实施例中围岩圈层计算模型示意图一，图3中，锚杆锚固端（r
l
处）位于弹性区范围内，并将弹性区分为弹性区i和弹性区ⅱ两部分，r0为隧道半径，r
p
为围岩塑性区ⅲ半径，锚杆长度为l，弹性区i范围的围岩弹性模量为e1，弹性区ⅱ的弹性模量为e2。
31.设r
l
半径处的位移为u
l
，径向应力为σ
rl
,环向应力为σ
θl
，初始应力场引起的r
l
处径向位移为，隧道开挖支护引起的r
l
处径向位移为，则隧道开挖后r
l
处的最终径向位移。
32.根据胡克定律：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（8）式中，ε
θ
为应变值，e为围岩弹性模量，μ为围岩泊松比，σ
θe
为弹性区环向应力，σ
re
为弹性区径向应力。
33.根据围岩应力应变关系：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（9）式中，u为围岩径向任一点的位移，r为围岩径向的任一点。
34.结合上述公式（3）（8）（9），围岩弹性模量为e1时，可得弹性区的通用径向位移公式： （10）在初始应力场条件下，σ
rp
=p0，因此： （11）因此，围岩弹性模量为e1时，即弹性区一引起隧道开挖后r
l
处的径向位移为： （12）围岩弹性模量为e2时，即弹性区二引起隧道开挖后r
l
处的径向位移为： （13）围岩弹性模量为e2时，隧道开挖支护后塑性半径r
p
处的径向位移为：（14）综上，可求的隧道采用锚杆支护加固后，塑性半径r
p
处的径向位移：（15）结合应力连续条件，简化得到塑性半径r
p
处的径向位移，即第二公式：（16）式中，u*为锚喷支护后（锚杆支护后）围岩塑性区三半径处的径向位移，p0为初始应力，c为锚喷支护后（锚杆支护后）粘聚力，φ为锚喷支护后（锚杆支护后）摩擦角，r
p
为塑
性区三半径，μ为泊松比，e1为弹性区一弹性模量，e2为弹性区二弹性模量，r
l
为锚杆支护作用时加固范围半径。
35.则步骤103中，根据围岩塑性变形时体积不变规律，得到锚喷支护后（锚杆支护后）隧道洞周径向位移计算公式：（17）式中，u1为锚喷支护后（锚杆支护后）隧道洞周径向位移值，p0为初始应力，c’为锚喷支护后（锚杆支护后）粘聚力，φ
’ꢀ
锚喷支护后（锚杆支护后）为摩擦角，r0为隧道半径，μ为围岩泊松比，e1为弹性区一弹性模量，e2为弹性区二弹性模量，r
l
为锚杆支护作用时加固范围半径，ξ’为锚喷支护后（锚杆支护后）强度线斜率，σ’c
为锚喷支护后（锚杆支护后）单轴抗压强度值。
36.（2）当锚杆支护作用时加固范围小于塑性区，将围岩按从隧道内壁表面向隧道壁厚的方向划分为塑性区三、塑性区二、弹性区一，锚杆加固范围半径处为塑性区三和塑性区二的分界，塑性区三、塑性区二和弹性区一具有不同的弹性模量。图4为本发明实施例中围岩圈层计算模型示意图二，图4中，锚杆锚固端（r
l
处）位于塑性区范围内，并将塑性区分为塑性区ⅱ和塑性区ⅲ两部分，r0为隧道半径，r
p
为围岩塑性区ⅱ半径，锚杆长度为l，弹性区i范围的围岩弹性模量为e1，塑性区ⅱ的弹性模量为e2。
37.类似于锚杆支护作用时加固范围大于塑性区的情况，塑性区内的最终径向位移可按如下公式表示：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（18）式中，u为锚喷支护后隧道洞周径向位移值，p0为初始应力，ξ为锚喷支护后强度线斜率，σc为锚喷支护后单轴抗压强度值，r
p
为围岩塑性区半径，μ为围岩泊松比，e为弹性区弹性模量，r为围岩径向的任一点。
38.因此，围岩弹性模量为e2时，锚杆加固范围半径r
l
处的最终径向位移为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(19)为更详细地量化设计锚杆加固范围，取塑性区半径r
p
处的径向位移为：u*=u
l1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)结合应力连续条件，确定第二公式按如下公式表示：
ꢀꢀ
（21）式中，u*为围岩塑性区二半径处的径向位移，p0为初始应力，c为锚喷支护后粘聚力，φ为锚喷支护后摩擦角，r
p
为围岩塑性区二半径，μ为泊松比，e2为塑性区二弹性模量，r
l
为锚杆支护作用时加固范围半径。
39.步骤103中，根据围岩塑性变形时体积不变规律，得到锚喷支护后（锚杆支护后）隧道洞周径向位移计算公式：
ꢀꢀ
（22）式中，u1为锚喷支护后（锚杆支护后）隧道洞周径向位移值，p0为初始应力，c’为锚喷支护后（锚杆支护后）粘聚力，φ
’ꢀ
锚喷支护后（锚杆支护后）为摩擦角，r0为隧道半径，μ为围岩泊松比，e2为塑性区二弹性模量，r
l
为锚杆支护作用时加固范围半径，ξ
’ꢀ
为锚喷支护后（锚杆支护后）强度线斜率，σ’c
为锚喷支护后（锚杆支护后）单轴抗压强度值。
40.2、在混凝土支护状态下，将围岩按从隧道内壁表面向隧道壁厚的方向划分为弹性区和塑性区，弹性区和塑性区具有不同的弹性模量。图5为本发明实施例中围岩圈层计算模型示意图三，如图5所示，围岩存在2个应力区域：弹性区i和塑性区ⅱ，r0为隧道半径，r
p
为围岩塑性区半径。
41.设无支护区域，即弹性区i范围的围岩弹性模量为e1，因此，隧道开挖支护后塑性半径r
p
处的最终径向位移可表示为：
ꢀꢀ
（23）而u*=ur，则确定所述第二公式按如下公式表示：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（24）式中，u*为锚喷支护后（混凝土支护后）围岩塑性区半径处的径向位移，p0为初始应力，c为锚喷支护后（混凝土支护后）粘聚力，φ为锚喷支护后（混凝土支护后）摩擦角，r
p
为围岩塑性区半径，μ为泊松比，e1为弹性区弹性模量。
42.则步骤103中，根据围岩塑性变形时体积不变规律，得到锚喷支护后（混凝土支护后）隧道洞周径向位移计算公式：
ꢀꢀ
（25）式中，u2为锚喷支护后（混凝土支护后）隧道洞周径向位移值，p0为初始应力，c
’ꢀ
为锚喷支护后（混凝土支护后）粘聚力，φ
’ꢀ
锚喷支护后（混凝土支护后）为摩擦角，r0为隧道半径，μ为围岩泊松比，e1为弹性区弹性模量，r
l
为锚杆支护作用时加固范围半径，ξ
’ꢀ
为锚喷支护后（混凝土支护后）强度线斜率，σ’c
为锚喷支护后（混凝土支护后）单轴抗压强度值。
43.图6为本发明实施例中锚喷主动支护参数确定方法的一具体实施例，参考图6，对于非圆形洞室可通过等代圆计算方法转化为圆形隧道进行分析，如马蹄形等代圆计算方法如下公式：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（26）
式中，h、b为马蹄形断面高度与跨度。
44.步骤104、根据隧道支护前的围岩力学参数，确定初始的锚喷支护参数；所述锚喷支护参数包括锚杆支护参数、混凝土支护参数。
45.结合实际工程概况，设计锚杆支护参数，预应力锚杆长度、间距、预应力值、预应力锚杆支护作用时加固范围等。
46.其中，预应力锚杆支护作用时加固范围r
l
可以按如下公式得到：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（27）式中，b为垫板宽度，sr为锚杆环向间距，l为锚杆自由段长度，φ
p
扩散角度，r
l
为预应力锚杆支护作用时受压区半径。
47.结合实际工程概况，设计混凝土支护参数，混凝土支护范围、厚度等。
48.喷射混凝土厚度可按如下公式（28）、（29）设计：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（28）为保证喷射混凝土正常使用，无裂缝开展，喷射混凝土受拉区拉应力σ≤极限拉应力[σ]，当受拉区达到极限拉应力时，得到喷射混凝土厚度h。
[0049]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（29）式中，u0为预设围岩变形控制值，h为喷射混凝土厚度，m为截面弯矩，γ为截面抵抗矩塑性影响系数，f
ct
为喷射混凝土轴向抗拉强度设计值。
[0050]
步骤105中，根据初始的锚喷支护参数、和锚喷支护后隧道洞周径向位移计算公式，确定最终的锚喷支护参数；所述锚喷支护参数包括锚杆支护参数、混凝土支护参数。
[0051]
实施时，重复执行如下步骤，直至隧道洞周径向位移值与预设围岩变形控制值的差异小于阈值，输出锚喷支护参数：根据初始的锚喷支护参数，确定锚喷支护作用时加固范围的附加应力；根据应力和围岩力学参数的对应关系，利用锚喷支护作用时加固范围的附加应力，确定锚喷支护后的围岩力学参数；所述应力和围岩力学参数的对应关系，是对岩石的三轴力学测试数据分析得到的；将锚喷支护后的围岩力学参数输入锚喷支护后隧道洞周径向位移计算公式，得到隧道洞周径向位移值；将隧道洞周径向位移值与预设围岩变形控制值进行比较；其中，预设围岩变形控制值根据初始的锚喷支护参数确定；当隧道洞周径向位移值与预设围岩变形控制值的差异大于阈值，调整初始的锚喷支护参数。
[0052]
其中，根据初始的锚喷支护参数，确定锚喷支护作用时加固范围的附加应力，可以包括：根据初始的预应力锚杆支护参数，按如下公式确定锚杆支护作用时加固范围的附加应力：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（30）式中，δσ3为锚杆支护作用时加固范围的附加应力，f为锚杆预紧力；s
l
、sr分别为
锚杆纵向和环向间距。
[0053]
根据初始的锚喷支护参数，确定锚喷支护作用时加固范围的附加应力，还可以包括：根据初始的混凝土支护参数，按如下公式确定混凝土支护作用时加固范围的附加应力：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（31）式中，δσ3为混凝土支护作用时加固范围的附加应力，σ
cc
为喷射混凝土材料的单轴抗压强度，r0为隧道半径，h为喷射混凝土厚度。
[0054]
在一个实施例中，所述应力和围岩力学参数的对应关系可按如下公式表示：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（32）式中，c、φ、e1分别为围岩的初始粘聚力、围岩初始内摩擦角、围岩初始弹性模量，c'、φ'、e2分别为锚喷支护作用时受压范围内的围岩粘聚力、围岩内摩擦角、围岩弹性模量，δc为锚喷支护作用时受压范围内的围岩粘聚力相较于围岩的初始粘聚力的增量，δφ为锚喷支护作用时受压范围内的围岩内摩擦角相较于围岩初始内摩擦角的增量，δe为锚喷支护作用时受压范围内的围岩弹性模量相较于围岩初始弹性模量的增量，ae、be、a
φ
、b
φ
、ac、bc为拟合系数，δσ3为锚喷支护作用时的附加应力。
[0055]
为了更进一步提高锚喷主动支护参数确定的可靠性，在一个实施例中，所述预设围岩变形控制值按如下方式，根据初始的锚喷支护参数确定：根据隧道支护前的围岩力学参数，选定第一围岩变形值；例如从《铁路隧道监控量测技术规程》（tb10121-2007）中选定第一围岩变形值；根据初始的锚喷支护参数，确定锚杆极限变形值、混凝土支护后围岩变形理论值；将第一围岩变形值、锚杆极限变形值、混凝土支护后围岩变形理论值中的最小值，确定为预设围岩变形控制值。
[0056]
在一个实施例中，根据初始的锚喷支护参数，确定锚杆极限变形值，可以包括：将初始的锚杆支护参数中锚杆长度、锚杆极限延伸率的乘积确定为锚杆极限变形值。
[0057]
结合实际工程中的地质条件及围岩等级等参数，确定设计区域围岩的等级，按照工程所需，初步选定锚杆长度l，通过锚杆极限延伸率δ求得锚杆极限变形值um：um=δ
×
l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（33）则锚杆支护安全系数为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（34）
式中，为锚杆实际变形值。
[0058]
在一个实施例中，根据初始的锚喷支护参数，确定锚杆极限变形值，可以包括：按如下公式，根据初始的混凝土支护参数中喷射混凝土厚度，确定混凝土支护后围岩变形理论值：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（35）式中，u
p
为混凝土支护后围岩变形理论值，h为喷射混凝土厚度，m为截面弯矩，γ为截面抵抗矩塑性影响系数，f
ct
为喷射混凝土轴向抗拉强度设计值，q为隧道围岩竖向荷载，l为梁跨长。
[0059]
则喷射混凝土支护安全系数为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（36）式中，σ为喷射混凝土受拉区拉应力，[σ]为极限拉应力。
[0060]
综上，本发明实施例具备如下优点：（1）本发明实施例考虑了预应力锚杆设计参数，如锚杆预应力、长度、间距等；同时考虑了喷射混凝土设计参数，如喷射混凝土厚度、等级等，实现了隧道锚杆支护和喷射混凝土的量化设计，为全面的锚喷支护提供理论主动支护指导，摆脱对工程经验的依赖；（2）本发明实施例中，围岩变形控制值考虑了锚杆和喷射混凝土的极限承载力，并结合了铁路隧道现行规范中的围岩变形值，大大提高了锚喷主动支护参数确定的可靠性，同时提高了锚喷主动支护设计的准确度；（3）本发明实施例中提出多种情况下的围岩圈层计算模型，充分考虑了锚喷加固范围与塑性区的大小关系，提高了锚喷主动支护设计准确度和效率；（4）本发明实施例摆脱对工程经验的依赖，减少了经验法设计带来的支护安全隐患。
[0061]
本发明实施例中还提供了一种锚喷主动支护参数确定装置，如下面的实施例所述。由于该装置解决问题的原理与锚喷主动支护参数确定方法相似，因此该装置的实施可以参见锚喷主动支护参数确定方法的实施，重复之处不再赘述。
[0062]
图7为本发明实施例中锚喷主动支护参数确定装置的示意图，如图7所示，该装置包括：围岩塑性区半径计算公式确定模块701，用于利用围岩塑性区和围岩弹性区交界处的应力连续边界条件、围岩弹性区拉梅应力公式、硐室理论中围岩塑性区应力公式，确定用于计算围岩塑性区半径的第一公式；围岩塑性区半径处径向位移计算公式确定模块702，用于根据胡克定律、围岩应力应变关系、围岩弹性区拉梅应力公式、硐室理论中围岩塑性区应力公式，确定用于计算锚喷支护后围岩塑性区半径处径向位移的第二公式；
隧道洞周径向位移计算公式确定模块703，用于根据围岩塑性变形时体积不变规律，利用第一公式、第二公式和隧道半径，确定锚喷支护后隧道洞周径向位移计算公式；锚喷支护参数确定模块704，用于根据隧道支护前的围岩力学参数，确定初始的锚喷支护参数；所述锚喷支护参数包括锚杆支护参数、混凝土支护参数；重复执行如下步骤，直至隧道洞周径向位移值与预设围岩变形控制值的差异小于阈值，输出锚喷支护参数：根据初始的锚喷支护参数，确定锚喷支护作用时加固范围的附加应力；根据应力和围岩力学参数的对应关系，利用锚喷支护作用时加固范围的附加应力，确定锚喷支护后的围岩力学参数；所述应力和围岩力学参数的对应关系，是对岩石的三轴力学测试数据分析得到的；将锚喷支护后的围岩力学参数输入锚喷支护后隧道洞周径向位移计算公式，得到隧道洞周径向位移值；将隧道洞周径向位移值与预设围岩变形控制值进行比较；其中，预设围岩变形控制值根据初始的锚喷支护参数确定；当隧道洞周径向位移值与预设围岩变形控制值的差异大于阈值，调整初始的锚喷支护参数。
[0063]
在一个实施例中，所述围岩塑性变形时体积不变规律以如下公式表示：u
×
r0=u*
×rp
式中，u为隧道洞周径向位移，r0为隧道半径，u*为围岩塑性区半径处的径向位移，r
p
为围岩塑性区半径。
[0064]
在一个实施例中，所述第一公式包括：
[0065]
式中，r
p
为围岩塑性区半径，r0为隧道半径，p0为初始应力，σc为单轴抗压强度值，ξ为强度线斜率。
[0066]
在一个实施例中，所述围岩塑性区半径处径向位移计算公式确定模块702，具体用于：当锚杆支护作用时加固范围大于塑性区，将围岩按从隧道内壁表面向隧道壁厚的方向划分为塑性区三、弹性区二、弹性区一，锚杆加固范围半径处为弹性区二和弹性区一的分界，塑性区三、弹性区二和弹性区一具有不同的弹性模量，根据胡克定律、围岩应力应变关系、围岩弹性区拉梅应力公式、硐室理论中围岩塑性区应力公式，确定所述第二公式按如下公式表示：式中，u*为锚喷支护后围岩塑性区三半径处的径向位移，p0为初始应力，c为锚喷支护后粘聚力，φ为锚喷支护后摩擦角，r
p
为塑性区三半径，μ为泊松比，e1为弹性区一弹性模量，e2为弹性区二弹性模量，r
l
为锚杆支护作用时加固范围半径。
[0067]
在一个实施例中，所述围岩塑性区半径处径向位移计算公式确定模块702，具体用于：
当锚杆支护作用时加固范围小于塑性区，将围岩按从隧道内壁表面向隧道壁厚的方向划分为塑性区三、塑性区二、弹性区一，锚杆加固范围半径处为塑性区三和塑性区二的分界，塑性区三、塑性区二和弹性区一具有不同的弹性模量，根据胡克定律、围岩应力应变关系、围岩弹性区拉梅应力公式、硐室理论中围岩塑性区应力公式，确定所述第二公式按如下公式表示：
[0068]
式中，u*为围岩塑性区二半径处的径向位移，p0为初始应力，c为锚喷支护后粘聚力，φ为锚喷支护后摩擦角，r
p
为围岩塑性区二半径，μ为泊松比，e2为塑性区二弹性模量，r
l
为锚杆支护作用时加固范围半径。
[0069]
在一个实施例中，所述围岩塑性区半径处径向位移计算公式确定模块702，具体用于：在混凝土支护状态下，将围岩按从隧道内壁表面向隧道壁厚的方向划分为弹性区和塑性区，弹性区和塑性区具有不同的弹性模量，根据胡克定律、围岩应力应变关系、围岩弹性区拉梅应力公式、硐室理论中围岩塑性区应力公式，确定所述第二公式按如下公式表示：
[0070]
式中，u*为锚喷支护后围岩塑性区半径处的径向位移，p0为初始应力，c为锚喷支护后粘聚力，φ为锚喷支护后摩擦角，r
p
为围岩塑性区半径，μ为泊松比，e1为弹性区弹性模量。
[0071]
在一个实施例中，所述锚喷支护参数确定模块704，具体用于：根据初始的混凝土支护参数，按如下公式确定混凝土支护作用时加固范围的附加应力：
[0072]
式中，δσ3为混凝土支护作用时加固范围的附加应力，σ
cc
为喷射混凝土材料的单轴抗压强度，r0为隧道半径，h为喷射混凝土厚度。
[0073]
在一个实施例中，所述预设围岩变形控制值按如下方式，根据初始的锚喷支护参数确定：根据隧道支护前的围岩力学参数，选定第一围岩变形值；根据初始的锚喷支护参数，确定锚杆极限变形值、混凝土支护后围岩变形理论值；将第一围岩变形值、锚杆极限变形值、混凝土支护后围岩变形理论值中的最小值，确定为预设围岩变形控制值。
[0074]
在一个实施例中，所述锚喷支护参数确定模块704，具体用于：将初始的锚杆支护参数中锚杆长度、锚杆极限延伸率的乘积确定为锚杆极限变形值。
[0075]
在一个实施例中，所述锚喷支护参数确定模块704，具体用于：按如下公式，根据初始的混凝土支护参数中喷射混凝土厚度，确定混凝土支护后围岩变形理论值：
[0076]
式中，u
p
为混凝土支护后围岩变形理论值，h为喷射混凝土厚度，m为截面弯矩，γ为截面抵抗矩塑性影响系数，f
ct
为喷射混凝土轴向抗拉强度设计值，q为隧道围岩竖向荷载，l为梁跨长。
[0077]
本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述锚喷主动支护参数确定方法。
[0078]
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述锚喷主动支护参数确定方法。
[0079]
本发明实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述锚喷主动支护参数确定方法。
[0080]
本发明实施例中，利用围岩塑性区和围岩弹性区交界处的应力连续边界条件、围岩弹性区拉梅应力公式、硐室理论中围岩塑性区应力公式、胡克定律、围岩应力应变关系、围岩塑性变形时体积不变规律，确定锚喷支护后隧道洞周径向位移计算公式；本发明实施例中锚喷主动支护设计全面考虑了预应力锚杆支护和喷射混凝土支护，通过锚喷主动支护设计阶段的初始的锚喷支护参数和隧道洞周径向位移计算公式确定了隧道洞周径向位移值，将隧道洞周径向位移值与预设围岩变形控制值进行比较，直至隧道洞周径向位移值小于等于预设围岩变形控制值，输出最终的锚喷支护参数。本发明实施例全面考虑了预应力锚杆支护和喷射混凝土支护，为全面的锚喷支护提供理论主动支护指导，摆脱了对工程经验的依赖，提供了锚喷主动支护设计新思路，其中，预设围岩变形控制值根据初始锚喷支护参数确定，进一步提高了锚喷主动支护设计准确度和效率。
[0081]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
[0082]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0083]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指
令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0084]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0085]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种锚喷主动支护参数确定方法，其特征在于，包括：利用围岩塑性区和围岩弹性区交界处的应力连续边界条件、围岩弹性区拉梅应力公式、硐室理论中围岩塑性区应力公式，确定用于计算围岩塑性区半径的第一公式；根据胡克定律、围岩应力应变关系、围岩弹性区拉梅应力公式、硐室理论中围岩塑性区应力公式，确定用于计算锚喷支护后围岩塑性区半径处径向位移的第二公式；根据围岩塑性变形时体积不变规律，利用第一公式、第二公式和隧道半径，确定锚喷支护后隧道洞周径向位移计算公式；根据隧道支护前的围岩力学参数，确定初始的锚喷支护参数；所述锚喷支护参数包括锚杆支护参数、混凝土支护参数；重复执行如下步骤，直至隧道洞周径向位移值与预设围岩变形控制值的差异小于阈值，输出锚喷支护参数：根据初始的锚喷支护参数，确定锚喷支护作用时加固范围的附加应力；根据应力和围岩力学参数的对应关系，利用锚喷支护作用时加固范围的附加应力，确定锚喷支护后的围岩力学参数；所述应力和围岩力学参数的对应关系，是对岩石的三轴力学测试数据分析得到的；将锚喷支护后的围岩力学参数输入锚喷支护后隧道洞周径向位移计算公式，得到隧道洞周径向位移值；将隧道洞周径向位移值与预设围岩变形控制值进行比较；其中，预设围岩变形控制值根据初始的锚喷支护参数确定；当隧道洞周径向位移值与预设围岩变形控制值的差异大于阈值，调整初始的锚喷支护参数。2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述围岩塑性变形时体积不变规律以如下公式表示：u
×
r0=u*
×
r
p
式中，u为隧道洞周径向位移，r0为隧道半径，u*为围岩塑性区半径处的径向位移，r
p
为围岩塑性区半径。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一公式包括：；式中，r
p
为围岩塑性区半径，r0为隧道半径，p0为初始应力，σ
c
为单轴抗压强度值，ξ为强度线斜率。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据胡克定律、围岩应力应变关系、围岩弹性区拉梅应力公式、硐室理论中围岩塑性区应力公式，确定用于计算锚喷支护后围岩塑性区半径处径向位移的第二公式，包括：当锚杆支护作用时加固范围大于塑性区，将围岩按从隧道内壁表面向隧道壁厚的方向划分为塑性区三、弹性区二、弹性区一，锚杆加固范围半径处为弹性区二和弹性区一的分界，塑性区三、弹性区二和弹性区一具有不同的弹性模量，根据胡克定律、围岩应力应变关系、围岩弹性区拉梅应力公式、硐室理论中围岩塑性区
应力公式，确定所述第二公式按如下公式表示：；式中，u*为锚喷支护后围岩塑性区三半径处的径向位移，p0为初始应力，c为锚喷支护后粘聚力，φ为锚喷支护后摩擦角，r
p
为塑性区三半径，μ为泊松比，e1为弹性区一弹性模量，e2为弹性区二弹性模量，r
l
为锚杆支护作用时加固范围半径。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据胡克定律、围岩应力应变关系、围岩弹性区拉梅应力公式、硐室理论中围岩塑性区应力公式，确定用于计算锚喷支护后围岩塑性区半径处径向位移的第二公式，包括：当锚杆支护作用时加固范围小于塑性区，将围岩按从隧道内壁表面向隧道壁厚的方向划分为塑性区三、塑性区二、弹性区一，锚杆加固范围半径处为塑性区三和塑性区二的分界，塑性区三、塑性区二和弹性区一具有不同的弹性模量，根据胡克定律、围岩应力应变关系、围岩弹性区拉梅应力公式、硐室理论中围岩塑性区应力公式，确定所述第二公式按如下公式表示：；式中，u*为围岩塑性区二半径处的径向位移，p0为初始应力，c为锚喷支护后粘聚力，φ为锚喷支护后摩擦角，r
p
为围岩塑性区二半径，μ为泊松比，e2为塑性区二弹性模量，r
l
为锚杆支护作用时加固范围半径。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据胡克定律、围岩应力应变关系、围岩弹性区拉梅应力公式、硐室理论中围岩塑性区应力公式，确定用于计算锚喷支护后围岩塑性区半径处径向位移的第二公式，包括：在混凝土支护状态下，将围岩按从隧道内壁表面向隧道壁厚的方向划分为弹性区和塑性区，弹性区和塑性区具有不同的弹性模量，根据胡克定律、围岩应力应变关系、围岩弹性区拉梅应力公式、硐室理论中围岩塑性区应力公式，确定所述第二公式按如下公式表示：；式中，u*为锚喷支护后围岩塑性区半径处的径向位移，p0为初始应力，c为锚喷支护后粘聚力，φ为锚喷支护后摩擦角，r
p
为围岩塑性区半径，μ为泊松比，e1为弹性区弹性模量。7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据初始的锚喷支护参数，确定锚喷支护作用时加固范围的附加应力，包括：根据初始的混凝土支护参数，按如下公式确定混凝土支护作用时加固范围的附加应力：；式中，δσ3为混凝土支护作用时加固范围的附加应力，σ
cc
为喷射混凝土材料的单轴抗压强度，r0为隧道半径，h为喷射混凝土厚度。8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设围岩变形控制值按如下方式，根据初始的锚喷支护参数确定：
根据隧道支护前的围岩力学参数，选定第一围岩变形值；根据初始的锚喷支护参数，确定锚杆极限变形值、混凝土支护后围岩变形理论值；将第一围岩变形值、锚杆极限变形值、混凝土支护后围岩变形理论值中的最小值，确定为预设围岩变形控制值。9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，根据初始的锚喷支护参数，确定锚杆极限变形值，包括：将初始的锚杆支护参数中锚杆长度、锚杆极限延伸率的乘积确定为锚杆极限变形值。10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，根据初始的锚喷支护参数，确定混凝土支护后围岩变形理论值，包括：按如下公式，根据初始的混凝土支护参数中喷射混凝土厚度，确定混凝土支护后围岩变形理论值：；式中，u
p
为混凝土支护后围岩变形理论值，h为喷射混凝土厚度，m为截面弯矩，γ为截面抵抗矩塑性影响系数，f
ct
为喷射混凝土轴向抗拉强度设计值，q为隧道围岩竖向荷载，l为梁跨长。11.一种锚喷主动支护参数确定装置，其特征在于，包括：围岩塑性区半径计算公式确定模块，用于利用围岩塑性区和围岩弹性区交界处的应力连续边界条件、围岩弹性区拉梅应力公式、硐室理论中围岩塑性区应力公式，确定用于计算围岩塑性区半径的第一公式；围岩塑性区半径处径向位移计算公式确定模块，用于根据胡克定律、围岩应力应变关系、围岩弹性区拉梅应力公式、硐室理论中围岩塑性区应力公式，确定用于计算锚喷支护后围岩塑性区半径处径向位移的第二公式；隧道洞周径向位移计算公式确定模块，用于根据围岩塑性变形时体积不变规律，利用第一公式、第二公式和隧道半径，确定锚喷支护后隧道洞周径向位移计算公式；锚喷支护参数确定模块，用于根据隧道支护前的围岩力学参数，确定初始的锚喷支护参数；所述锚喷支护参数包括锚杆支护参数、混凝土支护参数；重复执行如下步骤，直至隧道洞周径向位移值与预设围岩变形控制值的差异小于阈值，输出锚喷支护参数：根据初始的锚喷支护参数，确定锚喷支护作用时加固范围的附加应力；根据应力和围岩力学参数的对应关系，利用锚喷支护作用时加固范围的附加应力，确定锚喷支护后的围岩力学参数；所述应力和围岩力学参数的对应关系，是对岩石的三轴力学测试数据分析得到的；将锚喷支护后的围岩力学参数输入锚喷支护后隧道洞周径向位移计算公式，得到隧道洞周径向位移值；
将隧道洞周径向位移值与预设围岩变形控制值进行比较；其中，预设围岩变形控制值根据初始的锚喷支护参数确定；当隧道洞周径向位移值与预设围岩变形控制值的差异大于阈值，调整初始的锚喷支护参数。12. 如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述围岩塑性变形时体积不变规律以如下公式表示：u
×
r0=u*
×
r
p
式中，u为隧道洞周径向位移，r0为隧道半径，u*为围岩塑性区半径处的径向位移，r
p
为围岩塑性区半径。13.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述第一公式包括：；式中，r
p
为围岩塑性区半径，r0为隧道半径，p0为初始应力，σ
c
为单轴抗压强度值，ξ为强度线斜率。14.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述围岩塑性区半径处径向位移计算公式确定模块，具体用于：当锚杆支护作用时加固范围大于塑性区，将围岩按从隧道内壁表面向隧道壁厚的方向划分为塑性区三、弹性区二、弹性区一，锚杆加固范围半径处为弹性区二和弹性区一的分界，塑性区三、弹性区二和弹性区一具有不同的弹性模量，根据胡克定律、围岩应力应变关系、围岩弹性区拉梅应力公式、硐室理论中围岩塑性区应力公式，确定所述第二公式按如下公式表示：；式中，u*为锚喷支护后围岩塑性区三半径处的径向位移，p0为初始应力，c为锚喷支护后粘聚力，φ为锚喷支护后摩擦角，r
p
为塑性区三半径，μ为泊松比，e1为弹性区一弹性模量，e2为弹性区二弹性模量，r
l
为锚杆支护作用时加固范围半径。15.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述围岩塑性区半径处径向位移计算公式确定模块，具体用于：当锚杆支护作用时加固范围小于塑性区，将围岩按从隧道内壁表面向隧道壁厚的方向划分为塑性区三、塑性区二、弹性区一，锚杆加固范围半径处为塑性区三和塑性区二的分界，塑性区三、塑性区二和弹性区一具有不同的弹性模量，根据胡克定律、围岩应力应变关系、围岩弹性区拉梅应力公式、硐室理论中围岩塑性区应力公式，确定所述第二公式按如下公式表示：；式中，u*为围岩塑性区二半径处的径向位移，p0为初始应力，c为锚喷支护后粘聚力，φ为锚喷支护后摩擦角，r
p
为围岩塑性区二半径，μ为泊松比，e2为塑性区二弹性模量，r
l
为锚杆支护作用时加固范围半径。16.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述围岩塑性区半径处径向位移计算公式
确定模块，具体用于：在混凝土支护状态下，将围岩按从隧道内壁表面向隧道壁厚的方向划分为弹性区和塑性区，弹性区和塑性区具有不同的弹性模量，根据胡克定律、围岩应力应变关系、围岩弹性区拉梅应力公式、硐室理论中围岩塑性区应力公式，确定所述第二公式按如下公式表示：；式中，u*为锚喷支护后围岩塑性区半径处的径向位移，p0为初始应力，c为锚喷支护后粘聚力，φ为锚喷支护后摩擦角，r
p
为围岩塑性区半径，μ为泊松比，e1为弹性区弹性模量。17.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述锚喷支护参数确定模块，具体用于：根据初始的混凝土支护参数，按如下公式确定混凝土支护作用时加固范围的附加应力：；式中，δσ3为混凝土支护作用时加固范围的附加应力，σ
cc
为喷射混凝土材料的单轴抗压强度，r0为隧道半径，h为喷射混凝土厚度。18.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述预设围岩变形控制值按如下方式，根据初始的锚喷支护参数确定：根据隧道支护前的围岩力学参数，选定第一围岩变形值；根据初始的锚喷支护参数，确定锚杆极限变形值、混凝土支护后围岩变形理论值；将第一围岩变形值、锚杆极限变形值、混凝土支护后围岩变形理论值中的最小值，确定为预设围岩变形控制值。19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述锚喷支护参数确定模块，具体用于：将初始的锚杆支护参数中锚杆长度、锚杆极限延伸率的乘积确定为锚杆极限变形值。20.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述锚喷支护参数确定模块，具体用于：按如下公式，根据初始的混凝土支护参数中喷射混凝土厚度，确定混凝土支护后围岩变形理论值：；式中，u
p
为混凝土支护后围岩变形理论值，h为喷射混凝土厚度，m为截面弯矩，γ为截面抵抗矩塑性影响系数，f
ct
为喷射混凝土轴向抗拉强度设计值，q为隧道围岩竖向荷载，l为梁跨长。21.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可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至10任一所述方
法。22.一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计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至10任一所述方法。23.一种计算机程序产品，其特征在于，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至10任一所述方法。

技术总结
本发明公开了一种锚喷主动支护参数确定方法及装置，涉及隧道工程支护设计技术领域，其中该方法包括：利用围岩塑性区和围岩弹性区交界处的应力连续边界条件、围岩弹性区拉梅应力公式、硐室理论中围岩塑性区应力公式、胡克定律、围岩应力应变关系、围岩塑性变形时体积不变规律，确定锚喷支护后隧道洞周径向位移计算公式；根据隧道支护前的围岩力学参数，确定初始的锚喷支护参数；所述锚喷支护参数包括锚杆支护参数、混凝土支护参数；根据初始的锚喷支护参数、和锚喷支护后隧道洞周径向位移计算公式，确定最终的锚喷支护参数。本发明可以实现锚喷支护量化设计，提高锚喷主动支护设计的准确度、可靠性。可靠性。可靠性。


技术研发人员：田四明 刘大刚 李巍 王明年 张艺腾 王伟 黎旭 霍建勋
受保护的技术使用者：中国铁路经济规划研究院有限公司
技术研发日：2023.07.14
技术公布日：2023/8/13