《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2.8 10-2MPa/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！
《支护条件下地压反分析边界元法计算程序系统》商业计划书
一．系统概况
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。
《支护条件下地压反分析边界元法计算程序系统》是新奥法监控量测工作的必备工具，因为监控量测工作是隧道新奥法施工的眼睛，不但可以为隧道的动态设计和信息化施工提供依据，还可以为隧道设计理论的发展积累经验，因而具有重要意义。
在地应力量测方面，用仪器进行地应力测量，通常需要预先开挖一些洞室，以便人和设备进入测点，然而，只要洞室一开挖，洞室周围岩体中的应力状态就受到了扰动，不可能进行精确的计算和分析。所以这类方法得出的原岩应力状态往往是不准确的，甚至是完全错误的。另外，由于仪器费用昂贵，测量时消耗的人力、物力过大，技术操作上十分复杂，试验结果离散性又大，使得不足以为相关部门提供所需的有用的信息。随着计算机技术在岩土工程中的应用推广，岩土力学的数值理论和方法日趋成熟,其中位移反分析法，它既依赖于工程地质和岩土力学理论，又依赖于岩土工程的现场量测，是理论性和实践性都很强的一种实用技术，也是理论联系实际的桥梁。
由于岩体的开挖改变了边界条件，岩体的开挖面均将产生相应变形，变形的大小综合地反映了岩体的地质参数和地应力场的规模。根据开挖后的实测的变位值反求原始应力场，这种方法称之为地应力场反分析法，是取得地应力场的重要手段，而且是反求围岩的力学参数和原始应力场的一个有很大实用价值的方法。首先是因为洞室开挖后的变形综合地反映了岩体复杂力学特性及原始应力的影响，反分析的成果是围岩性质的宏观概括，利用这一资料可对即将开挖的洞段进行围岩稳定和变形预报。其次这种观测是在施工过程中进行的，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。
二．行业分析
目前，岩土工程中锚杆支护设计方法还停留在经验设计阶段，工程类比法是应用最广泛的方法，但最终支护参数的确定还要借助于现场监控和原位测量，经分析计算后再对初设进行修正。
关于现场监控，当今市场上有很多地下工程灾害预警产品，其技术原理大致可分为岩石力学法和地球物理法。岩石力学法包括巷道收敛在线监测系统、钻孔应力在线监测系统等，能够有效显示应力集中程度的变化以及危险区域的分布，可实现工作面多种应力参量的实时动态监测；地球物理法包括电磁辐射法、地音法、地震CT法、电荷感应监测技术等。这些方法的共同点，都是依据在较大的冲击事件前，相应的物理量有明显的激增或趋势上的变化。
而工程设计却需要研究整体范围内的变化规律，即地应力场。由于岩体生成条件与地质作用的复杂性以及对工程设计参数的精确要求，新奥法要求通过多种量测手段，对围岩动态和支护结构进行监测，其中内空变形是必测项目。测量仪器和测点可以在第一次支护安装锚杆的同时进行，非常方便。本系统的测试实施计划和隧道施工计划完全重合，一次支护后，在围岩变形趋于稳定时，收敛量测工作结束，用已取得数据输入本系统，从而非常经济的得到了反映围岩应力状态宏观概括的反分析成果，为第二次支护设计提供了重要力学依据。
三、产品优势
本系统最明显的优势是简单易行、方便直观、成本低，量测结果可靠，输出结果可同时用于地压分析和校核支护设计。
从原理上讲，原岩应力的各种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欢迎的选择。
本系统暂时由四部分组成：控制用计算机、定制软件、相对位移观测仪器和使用说明书。
2007年通过了山西省科技厅专家监定。 证 书 号：晋科监字【2007】第292号；
2008年9月27日取得国家版权局颁发的登记 证 书。 证 书 号：软著登字108492号；
2011年7月26日，中国软件评测中心根据CSTC软件产品测试规范及评分标准V3.0，通过了对本项目软件登计测试。项目编号：HTPD3RD1106186；
2013年，国家安全监管总局将本项目列为安全生产重大事故防治关键技术科技项目。文件号：安监总厅（2013）140号；
初试工作在潞安矿务局慈林山煤矿完成，初试报告发表在第五届岩石应力国际研讨会论文集，荷兰：泰勒和佛朗西斯出版社，2010；
中试工作在山西省陵川县关岭山煤矿完成，中试报告发表于《山西煤炭》杂志2010年第3期。
四、竞品分析
原岩应力或称地应力，是岩石地下工程设计、施工和冲击地压预警中十分重要的参数，对于它的确定目前多采用理论计算或实测的方法。就理论计算而言，由于现有的原岩应力场理论均不涉及构造应力的计算，而采场开采更是在复杂层状岩体中的一个复杂力学过程，绝大多数情形下找不到一个可求解的力学模型。通过实测法可获得矿山开采过程中围岩任何一点的应力，但实际操作非常复杂，通常需化费大量的人力物力。因此，工程实践需要发展新的比较方便和廉价的测试方法来作为补充，新奥法更是需要测量第一支护稳定后的围岩支护状态，本系统就是在这种背景下应运而生的。
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，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场的变化规律。
五．市场预测
目前我国隧道工程及其它地下工程的规模与数量已居世界第一，但总体来说我国只是岩石力学与工程大国而非强国，与国际发达国家相比还有较大差距。但是，随着国家经济转型、产业升级，信息化需求不断增加并带来巨大的市场机遇。软件行业作为上述阶段过程中最为重要的支撑力量，具有很大的提升空间。
在地下工程建设领域，地应力观测（尤其是绝对值测量）在水利水电、交通工程和油气田开发中得到了广泛的应用。因为地应力实测常伴随有大量辅助工程，费用很高，即使对投资很大的工程也只能进行少数几个点的地应力测试，满足不了工程设计所需要研究的整体范围内的变化规律，即地应力场变化规律。数值方法恰好填补了这一空白。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。”
事实上，这种监测与数值分析相结合的信息化动态施工设计，目前已成为地下工程的主要方法之一。特别是在新奥法隧道施工中，本系统更是设计和施工中必不可少的软件。
综上所述，本产品有着广阔的国内市场。
六．核心团队
薛恩瑞（1946——）：男，山西省晋城市人。1968年毕业于山西农大资源与坏璄专业，长治职业技术学院采矿测量工程系系副教授，从事岩土工程的教学与研究工作40年。著有软件作品《支护条件下地压反分析边界元法计算程序》、《工程岩体模糊聚类分析软件》等，均已取得国家版权局颁发的软件著作权 证 书。出席第五届国际岩石力学研讨会的中国代表之一，在国内外发表论文多篇。
周鑫（1966——）：男，北京人。1989年毕业于武汉大学计算机专业，毕业后在西门子公司从事通信网络工作15年，后与同事一起创业，继续在IT 领域耕耘，是本系统目标程序部分的主要完 成 人。
七．发展规划
在信息化发展的今天，依靠自身力量将企业做大已不再可行，以合作共赢为前提的商业运营将更有利于推动企业的快速发展。供已所有，取已所需，遵循1+1>2的原则，方能将有限的资源最大化。
初期目标：完成技术入股操作。科技成果作价入股已经成为科技成果转化的重要方式。希望尽快找到一家专业对口实力雄厚的企业，与其形成最牢固有效的技术利益联盟，推动技术成果的资本化、产业化，促进产业结构转型升级。
中期目标：实现在线监测。本产品的核心技术是 定 制 软件，随着数据采仪器逐渐趋向于自动化，通过无线或者现场总线技术，连接传感器附近的各采集器，进行远距离采集巷道围岩变形值等几何数据的采集，传输到地面后再通过反分析系统得到地应力值，实现在线监测，使本系统成为多参量综合监测模式中的组成部分。
|
专利类型：
1151314653