(19)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 202210433939.1 (22)申请日 2022.04.24 (71)申请人 山东省路桥 集团有限公司 地址 250014 山东省济南市历下区经十路 14677号 申请人 武汉理工大 学 (72)发明人 林庆元　李斌　周宝林　李红　 (74)专利代理 机构 武汉科皓知识产权代理事务 所(特殊普通 合伙) 42222 专利代理师 俞琳娟 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/20(2020.01) E21D 9/00(2006.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 基于二分法的隧道掌子面支护压力计算方 法及装置 (57)摘要 本发明提供基于二分法的隧道掌子面支护 压力计算方法及装置， 能够快速准确得到隧道掌 子面支护压力。 支护压力计算方法包括： 步骤1. 基于最大不平衡力比值ε进行临界稳定状态判 断； 将强度折减计算更改为不计算具体的安全系 数， 只计算ε， 当ε未超过阈值ε0时， 为稳定状 态； 步骤2.支护压力上下限自动迭代搜索； 对于 每次迭代搜索过程： 将当前迭代 步支护压力值施 加在模型隧道掌子面上进行步骤1更改后的强度 折减计算得到最大不平衡力比值ε， 当ε≤ε0 时， 令下一个迭代步的支护压力减半； 否则， 令下 一迭代步的支护压力翻倍； 重复前述过程， 直到 相邻两个迭代步的状态指数满足要求； 步骤3.基 于二分法的支护压力迭代收敛， 得到支护压力目 标值。 权利要求书3页 说明书7页 附图4页 CN 114722476 A 2022.07.08 CN 114722476 A 1.基于二分法的隧道掌子面支护压力计算方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤1.基于最大不平衡力比值∈ 进行临界稳定状态判断； 根据待计算的隧道的尺寸和工程要求构建模型， 将模型的强度折减计算更 改为不计算 具体的安全系数， 而只计算最大不平衡力比值∈： 将计算上下限 和Fsupper均设置为目 标安全系数Fs*， 测试隧道在目标安全系数Fs*时的稳定状态， 得到模型节点的最大不平衡力 与模型所有节点平均节点力的比值∈； 相应的， 临界稳定状态判断方式为： 当∈ 未超过临界 阈值∈0时， 表示计算收敛， 掌子面 为稳定状态； 否则计算 不收敛， 掌子面 为不稳定状态； 步骤2.支护压力上 下限自动迭代搜索； 对于每一次迭代搜索过程： 将当前迭代步支护压力值 施加在模型隧道掌子面上进行 步骤1更改后的强度折减计算得到最大不平衡力比值∈， n为正整数， 当∈≤∈0时， 将掌子 面状态标定为kn＝b， b为正数， 并且令下一个迭代步的支护压力为 当∈＞∈0 时， 将掌子面状态标定为kn＝‑b， 并且令下一迭代步的支护压力为 重复执行前 述迭代过程， 当相邻两个迭代步的状态指数kn·kn‑1＝‑b2时， 表示已搜索到上下限， 将两个 支护压力中的较小值确定为下限 较大值确定为上限 进入步骤3； 对于搜索阶段的首 次迭代过程， k0赋值为绝对值不为b的任意数值， 支护压力值 可任意赋值； 步骤3.基于二分法的支护压力迭代收敛； 在确定了支护压力迭代的下限 和上限 后， 进入收敛阶段迭代， 取平均值 作为收敛阶段当前迭代步的支护压力采用步骤1计算∈， 当∈≤∈0时， 令下一 迭代步的上限为 否则， 令下限为 重复前述过程， 直至支护压力上下 限之差≤收敛阈值 ε， 将支护压力上 下限的平均值作为计算得到的支护压力目标值。 2.根据权利要求1所述的基于二分法的隧道掌子面支护压力计算方法， 其特 征在于： 其中， 在步骤2中， 对于迭代数据的存储与读写： 当每个迭代步计算完成时更新那些数 值发生变化的变量， 将更新后的变量数值写入文本文件作为变量更新文件导入原模型中， 设置模型读取该变量更新文件中的数值给相应变量赋值， 作为下一迭代步计算时各变量的 当前值。 3.根据权利要求1所述的基于二分法的隧道掌子面支护压力计算方法， 其特 征在于： 其中， 通过迭代阶段指数α来确定步骤2是否已找到一组上下限从而进入步骤3进行收 敛阶段的迭代： 迭代阶段指数初始赋值α ＝c， 在迭代计算过程中， 当kn·kn‑1＝‑b2时， 令α ＝ d， c和d为不相等的数， 当α＝d时， 表示已找到一组上下限应进入步骤3进行收敛阶段的迭 代。 4.根据权利要求1所述的基于二分法的隧道掌子面支护压力计算方法， 其特 征在于： 其中， 在步骤2中， 对于首次迭代过程， 支护压力上、 下限赋值 为： 5.根据权利要求1所述的基于二分法的隧道掌子面支护压力计算方法， 其特 征在于： 其中， 临界阈值∈0＝1×10‑5； 收敛阈值ε对应容许的支护压力上下限之差， 可根据工程 要求设置 。 6.基于二分法的隧道掌子面支护压力确定装置， 其特 征在于， 包括：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114722476 A 2模型构件部， 根据待计算的隧道的尺寸和工程要求构建隧道模型； 临界稳定状态判断部， 基于最大不平衡力比值∈进行临界稳定状态判断； 根据待计算 的隧道的尺寸和工程要求构建模型， 将模型的强度折减计算更改为不计算具体的安全系 数， 而只计算最大不平衡力比值∈： 将计算上下限 和 均设置为目标安全系数 Fs*， 测试隧道在目标安全系数Fs*时的稳定状态， 得到模型节点的最大不平衡力与模型所有 节点平均节点力的比值∈； 相应的， 临界稳定状态判断方式为： 当∈未超过临界阈值∈0时， 表示计算收敛， 掌子面 为稳定状态； 否则计算 不收敛， 掌子面 为不稳定状态； 搜索部， 自动迭代搜索支护压力上下限； 对于每一 次迭代搜索过程： 将当前迭代步支护 压力值 施加在原模型隧道掌子面上采用所述临界稳定状态判断部计算得到最大不平衡 力比值∈， n为正整数， 当∈≤∈0时， 将掌子面状态标定为kn＝b， b为正数， 并且令下一个迭 代步的支护压力为 当∈＞∈0时， 将掌子面状态 标定为kn＝‑b， 并且令下一迭 代步的支护压力为 重复执行前述迭代过程， 当相邻两个迭代步的状态指数 kn·kn‑1＝‑b2时， 表示已搜索到上下限， 将两个支护 压力中的较小值确定为下限 较大值 确定为上限 结束搜索； 对于搜索阶段的首次迭代过程， k0赋值为绝对值不为b的任意数 值， 支护压力值 可任意赋值； 目标值确定部， 基于二分法进行支护压力迭代收敛： 在确定了支护压力迭代的下 限 和上限 后， 取平均值 作为收敛阶段当前迭代步的支护压力， 采用所述模 型构件部计算得到相应的∈， 当∈≤∈0时， 令下一迭代步的上限为 否则， 令下 限为 重复前述过程， 直至支护压力上下限之差≤收敛阈值ε， 将支护压力上下限 的平均值作为计算得到的支护压力目标值； 控制部， 与所述模型构件部、 所述临界稳定状态判断部、 所述搜索部以及所述目标值确 定部均通信相连， 控制它 们的运行。 7.根据权利要求6所述的基于二分法的隧道掌子面支护压力确定装置， 其特征在于， 还 包括： 输入显示部， 与所述控制部通信相连， 用于让用户输入操作指令， 并进行相应显示。 8.根据权利要求7 所述的基于二分法的隧道掌子面支护压力确定装置， 其特 征在于： 其中， 所述输入显示部能够显示提示信 息以指示用户输入隧道的尺寸和工程要求信 息 以及输入相应参数初始值， 还能够对所述模型构件部构件出 的隧道模型进行显示， 对所述 临界稳定状态判断部的判断标准和判断结果进行显示， 对所述搜索部的搜索情况以图表 方 式进行显示， 对所述 目标值确定部的迭代过程和最终结果以图表方式进行显示， 并能够将 数据在模型图的相应位置进行 标注和显示。 9.根据权利要求6所述的基于二分法的隧道掌子面支护压力确定装置， 其特 征在于： 其中， 在所述搜索部 中， 对于迭代数据的存储与读写： 当每个迭代步计算完成时更新那 些数值发生变化的变量， 将更新后的变量数值写入文本文件作为变量更新文件导入原模型 中， 设置模型读取该变量更新文件中的数值给相应变量赋值， 作为下一迭代步计算时各变 量的当前值。 10.根据权利要求6所述的基于二分法的隧道掌子面支护压力确定装置， 其特 征在于：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114722476 A 3