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申请/专利权人：宁波大学

摘要：本发明涉及隧道施工及支护技术领域，公开了基于隧道结构变形监测的隧道支护调整方法，包括如下步骤：步骤1、建立基于视觉算法的隧道围岩表面监测系统，以获取围岩各方向分量变形；步骤2、利用突变理论，以围岩各方向分量变形为判断指标，定量分析不可逆的非线性系统临界灾变现象，找出隧道围岩由大变形向坍塌的临界范围，确定围岩变形曲线突变点。本发明提出的了一套完整的隧道大变形早期预警系统及支护控制决策方法，在隧道开挖后，无法通过早期的变形特征，准确预测隧道围岩变形趋势，判断隧道坍塌的风险性，并且给予了支护时机和支护强度的科学指导依据。

主权项：1.基于隧道结构变形监测的隧道支护调整方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、建立基于视觉算法的隧道围岩表面监测系统，以获取围岩各方向分量变形；步骤2、利用突变理论，以围岩各方向分量变形为判断指标，定量分析不可逆的非线性系统临界灾变现象，找出隧道围岩由大变形向坍塌的临界范围，确定围岩变形曲线突变点；所述步骤2还包括如下子步骤：步骤201：选取目标隧道掌子面岩石，利用单轴试验系统，分析其应力应变曲线，获得岩石单轴破坏所吸收的能量E单轴；步骤202、根据围岩在地应力的作用下，产生损伤程度的不同，将围岩划分为三个区域：分别为破坏区D1、损伤区D2以及轻微扰动区D3；获取工程地质条件、岩体力学特征，建立数值计算模型，得到上述三个区域中有限元数值模型的单元体数量，通过数值计算，采用以下公式获得每个区域的损伤系数： 上述公式中，E区域表示距离围岩在一定范围内，每个单元体在各阶段所受到的最大弹性能的总和，n表示各个区域中单元体的数量；步骤203、分析围岩变形量与围岩损伤特征之间关系，采用4次泰勒级数展开式拟合表示不同位移特征下的隧道围岩各区域围岩损伤变量，采用如下方法获得不同围岩分区，尖点突变理论模型判别失稳临界突变值的判别式Δ；在D1区域中，损伤系数的拟合公式为；k1＝a0+a1x+a2x2+a3x3+a4x4当变形达到第i阶段时，xi为第i阶段围岩变形量，D1区域损伤系数用以下公式表达为：k1＝ai0+ai1x+ai2x2+ai3x3+ai4x4令令Δ1＝8u3+27v2公式中的aij代表不同表达式的拟合参数；在D2-D1区域中，损伤系数的拟合公式为：k2＝b0+b1x+b2x2+b3x3+b4x4当变形达到第i阶段时，D2-D1区域损伤系数用以下公式：k2＝bi0+bi1x+bi2x2+bi3x3+bi4x4令令Δ2＝8u23+27v22公式中的bij代表不同表达式的拟合参数；在D3-D2区域中，损伤系数的拟合公式为：k3＝c0+c1x+c2x2+c3x3+c4x4当变形达到第i阶段时，隧道D3-D2区域损伤系数用以下公式k3＝ci0+ci1x+ci2x2+ci3x3+ci4x4令令Δ3＝8u33+27v32；公式中的cij代表不同表达式的拟合参数；步骤204、根据前期的围岩变形与时间的关系，用x＝atb+t函数预测后期任意时刻的变形阶段；步骤205、根据上述分析可知，每一个变形阶段，都对应一个Δ；根据尖点突变理论，当变形到第i个阶段，Δ＜0时，那该区域的围岩就开始进入不稳定阶段；对于每一时刻的围岩状态进行评估，可以分别得到Δ1、Δ2、Δ3；当上述三个参数中，存在一个参数小于0时，启动围岩黄色预警，密切注意围岩状态变化，利用钻孔窥视，探测围岩塑性区深度h；当述三个参数中，两个参数小于0时，应立即采取增强支护措施；当述三个参数中，三个参数均小于0时，应立即停止施工，设置临时支架，控制围岩变形；步骤3、利用多项式回归拟合得到围岩变形预测曲线，分析不同变形情况下，围岩产生的动能，根据围岩动能特征，最终确定补强支护措施；所述监测系统包括固定轨道3、滑动轨道4、双光集成摄像头5以及标靶物6；其中：固定轨道3安装在隧道1的衬砌2上，滑动轨道4与固定轨道3滑动连接，双光集成摄像头5安装在滑动轨道4的末端，标靶物6位于隧道墙体上；相对所述隧道1的顶部中心位置，在隧道1的相对两侧均安装双光集成摄像头5，形成双目摄像系统，以精准获取标靶物6的坐标；所述标靶物6坐标的获取包括如下步骤：步骤a、使用可见光和红外成像设备同时采集目标区域的图像数据，利用配准方法，确保两种图像在空间上对齐，进一步对可见光和红外图像进行融合，形成一幅综合图像；步骤b、基于张正友标定法进行不同基线长度D下的双目相机的标定,以适应不同观测范围的要求；步骤c、利用步骤a所得到的可见光和红外图综合图像，基于YOLO目标检测算法捕捉不同时间状态下，标靶物6的位置；步骤d、计算每对标靶物6上的匹配特征点之间视差，即它们在水平方向上的像素位移，利用视差信息和摄像头参数，通过三角测量等方法计算物体到相机的深度或距离；步骤e、利用全站仪，精准测量相机的三维真实坐标，进一步的可以得到所有标靶物在不同时刻的坐标，最终获取围岩各方向分量变形；所述支护措施包括早期支护措施和增强支护措施；早期支护措施在隧道不稳定阶段之前进行支护，隧道不稳定阶段之前即Δ1、Δ2、Δ3三个参数均小于0之前；增强支护措施在隧道发生不稳定时进行支护，隧道发生不稳定，即Δ1、Δ2、Δ3中至少一个参数小于0；所述增强支护措施包括如下步骤：步骤一：利用钻孔窥视、数值模拟方法，分析不同围岩变形量情况下的塑性区深度h；步骤二、利用数值计算，分析不同围岩变形量情况下围岩产生的动能Evi；步骤三、采用双侧锚杆进行围岩和拱架加固措施进行支护，支护范围为围岩变形较大区域，支护结构由钢拱架7、锚杆8以及横向钢制连接托盘9组成；横向钢制连接托盘含有多个预制的锚杆孔洞10，两个孔洞10之间宽度大于拱架，锚杆一端固定在围岩内，一端固定于横向钢制连接托盘，起到限制拱架变形的效果，锚杆尾部应该在围岩12之中，且深度超过塑性区分界线11，塑性区分界线由步骤1得到；步骤四、根据室内试验、数值计算确定单根锚杆每拉伸1cm能够吸收的能量Ek，确定锚杆加强后的钢拱架每变形1cm能够吸收的能量Eg；确定围岩变形量为的时候进行支护，根据步骤二得到此时围岩的动能为Evi；规定采用此支护方法后，持续围岩变形不超过5cm，因此锚杆的数量可以用以下公式进行计算

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