技术领域
[0001] 本发明涉及隧道施工及支护技术领域，尤其涉及基于隧道结构变形监测的隧道支护调整方法。
相关背景技术
[0002] 隧道工程在现代社会中扮演着重要角色，用于道路、铁路、地铁、水利等各个领域。然而，在某些地区，地质条件的复杂性会增加隧道施工的风险性，极易产生坍塌、大变形等事故，造成经济损失和人员伤亡。由于地下环境的不确定性，早期预警系统对于隧道工程的安全至关重要。它可以帮助工程师在地质灾害或结构变形发生之前就采取必要的支护措施，从而减少潜在的损害和风险。
[0003] 然而目前尚未有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。同时，隧道发生大变形后，补强支护过多依赖于工程经验，这将导致支护时机和支护强度存在盲目性。
具体实施方式
[0075] 下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
[0076] 实施例1：
[0077] 参照图1‑9，本方案提出的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：
[0078] 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。
[0079] 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。
[0080] 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。
[0081] 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；
[0082] 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1墙体上。
[0083] 相对隧道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坐标。
[0084] 在本方案中，标靶物坐标的获取包括如下步骤：
[0085] 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，融合可以采用各种技术，例如加权平均、变换域方法或深度学习中的卷积神经网络(CNN)。
[0086] 步骤b、基于张正友标定法进行不同基线长度D，具体参照图2中的双目相机(5)的标定，以适应不同观测范围的要求；
[0087] 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。
[0088] 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。
[0089] 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6在不同时刻的坐标，最终获取围岩各方向分量变形。
[0090] 优选的，步骤2还包括如下子步骤：
[0091] 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；
[0092] 步骤203、根军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(该区域的围岩产生破碎，围岩开挖后较短时间内就产生了破坏)、损伤区D2(该区域的围岩产生损伤，随着围岩变形的增加，损伤破坏增加)、轻微扰动区D3(该区域的围岩产生轻微的损伤，承载能力较强)。
[0093] 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，如图4所示，采用以下公式获得每个区域的损伤系数：
[0094]
[0095] 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表示各区域(D1\D2\D3)单元体的数量；
[0096] 步骤203、分析围岩变形量与围岩损伤特征之间关系，如图5所示。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；采用如下步骤获得，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。
[0097] 在D1区域中，损伤系数的拟合公式为；
[0098] k1＝a0+a1x+a2x2+a3x3+a4x4
[0099] 当变形达到第i阶段时(第i阶段表示围岩变形量为xi)，隧道D1区域损伤系数用以下公式表达：
[0100] k1＝ai0+ai1x+ai2x2+ai3x3+ai4x43 2
[0101] 令 令Δ1＝8u+27v
[0102] 公示中的aij代表不同表达式的拟合参数
[0103] 在D2‑D1区域中，损伤系数的拟合公式为：
[0104] k2＝b0+b1x+b2x2+b3x3+b4x4
[0105] 当变形达到第i阶段时，隧道D2‑D1区域损伤系数用以下公式：
[0106] k2＝bi0+bi1x+bi2x2+bi3x3+bi4x4
[0107] 令 令Δ2＝8u23+27v22
[0108] 公示中的bij代表不同表达式的拟合参数
[0109] 在D3‑D2区域中，损伤系数的拟合公式为：
[0110] k3＝c0+c1x+c2x2+c3x3+c4x4
[0111] 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
[0112] k3＝ci0+ci1x+ci2x2+ci3x3+ci4x4
[0113] 令 令Δ3＝8u33+27v32
[0114] 公示中的cij代表不同表达式的拟合参数
[0115] 步骤204、根据前期的围岩变形与时间的关系，用x＝at/(b+t)函数预测后期任意时刻的变形阶段；具体如图6所示；
[0116] 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；
[0117] 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；
[0118] 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；
[0119] 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。
[0120] 支护措施包括早期支护措施和增强支护措施；
[0121] 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；
[0122] 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。
[0123] 需要进一步说明的是，增强支护措施包括如下步骤：
[0124] 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；
[0125] 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；
[0126] 步骤三、如图7所示，采用双侧锚杆(索)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，支护系统较为简单，由钢拱架(7)；锚杆(索)(8)；横向钢制连接托盘(9)组成；如图8所示，为横向钢制连接托盘结构，横向钢制连接托盘含有多个预制的锚杆(索)孔洞(10)，两个孔之间宽度大于拱架，锚杆子(索)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。如图9所示，为锚杆(索)支护深度，其尾部应该在围岩(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(措施1)得到；
[0127] 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(索)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2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(索)的数量可以用以下公式进行计算
[0128]
[0129] 采用上述增强支护措施后，持续观测围岩变形，重新采用步骤二预测围岩最终变形，使其控制在安全范围内。
[0130] 上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
