本发明属于地下工程开挖模拟，特别涉及一种层状围岩巷道全应力场开挖数值模拟方法。
背景技术：
1、地应力是导致工程岩体变形、破坏以及动力显现的根本作用力，对巷道断面形状、巷道位置、支护形式及结构等参数的选择具有重要指导作用，也是各类地下工程数值模拟分析时不可或缺的重要参数。应力是一个二阶张量，可由笛卡尔坐标系下的三个正应力分量和三个剪应力分量表示，不同的应力状态下围岩体开挖将导致不同的围岩失稳模式。
2、以往对巷道开挖数值模拟时往往向模型四周施加法向约束，模型底部设置为固定约束，模型顶部施加相应的应力以模拟上覆岩层的重力，设置侧压力系数以反映模型三个法向应力之比，地应力平衡后实施巷道围岩的开挖，该方法忽略了应力的张量属性，此外，对于深部巷道一般存在岩体分层现象，如煤层巷道，各岩层之间的物理力学属性差异较大，导致其应力水平也存在显著差异，这种情况下仍采用地应力平衡法对层状围岩巷道进行开挖模拟计算，一是未考虑应力的张量属性，二是未考虑各岩层物理力学属性差异所带来的应力状态差异对巷道开挖力学响应的影响，将导致计算结果不真实，不能真实反映层状围岩巷道开挖的力学响应，在层状围岩稳定性及冲击风险评价上出现较大偏差。
3、因此，如何提供一种层状围岩巷道全应力场开挖数值模拟方法，能够真实反映层状围岩巷道围岩开挖力学响应，是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题是采用地应力平衡法对层状围岩巷道进行开挖模拟计算，未考虑应力的张量属性以及各岩层物理力学属性差异的影响，不能真实反映层状围岩巷道开挖的力学响应等技术问题。
2、为了解决上述问题，本发明提供了一种层状围岩巷道全应力场开挖数值模拟方法，包括：获取巷道开挖工程区域中若干层岩层的物理力学参数；任意从若干层所述岩层中选择其中的一层作为参照岩层，获取所述参照岩层的第一应力张量数据σs；依据所述第一应力张量数据和所述物理力学参数计算得到若干层所述岩层中的除所述参照岩层之外的目标岩层的第二应力张量数据σw；依据所述物理力学参数建立层状围岩巷道模型；依据第一应力张量数据和第二应力张量数据对所述层状围岩巷道模型施加应力张量，构造初始应力场；对所述初始应力场下的所述层状围岩巷道模型进行巷道循环开挖模拟试验，获取开挖后的所述层状围岩巷道模型的力学响应结果。
3、作为本发明的再进一步技术方案是，所述物理力学参数包括岩性、弹性模量、泊松比、内摩擦角、粘聚力和抗拉强度。
4、作为本发明的再进一步技术方案是，所述依据所述第一应力张量数据和所述物理力学参数计算得到若干层所述岩层中的除所述参照岩层之外的目标岩层的第二应力张量数据σw包括：根据静态平衡方程和胡克定律得到式(1)，根据式(1)计算得到若干层所述岩层中的除所述参照岩层之外的目标岩层的第二应力张量数据σw；
5、
6、式(1)中，和分别为第一应力张量数据σs中的六个应力分量，和分别为第二应力张量数据σw中的六个应力分量，vs为所述参照岩层的泊松比；es为所述参照岩层的弹性模量；vw为所述目标岩层的泊松比；ew为所述目标岩层的弹性模量。
7、作为本发明的再进一步技术方案是，依据所述物理力学参数建立层状围岩巷道模型包括：建立包含巷道以及若干层岩层的层状围岩体的初始三维数值模型，对所述初始三维数值模型进行单元划分得到若干个岩层单元，依据所述物理力学参数对每一个所述岩层单元进行对应的材料参数分配，得到层状围岩巷道模型。
8、作为本发明的再进一步技术方案是，所述依据第一应力张量数据和第二应力张量数据对所述层状围岩巷道模型施加应力张量包括：依据第一应力张量数据和第二应力张量数据对所述层状围岩巷道模型中的每一个所述岩层单元施加相应的单元体应力张量。
9、作为本发明的再进一步技术方案是，所述依据第一应力张量数据和第二应力张量数据对所述层状围岩巷道模型施加应力张量还包括：采用应力边界条件对所述层状围岩巷道模型中的层状围岩体的每一层岩层的外表面施加相应的表面应力张量。
10、作为本发明的再进一步技术方案是，在建立包含巷道的层状围岩体的初始三维数值模型之后，在对所述初始三维数值模型进行单元划分得到若干个岩层单元之前，还包括：在所述初始三维数值模型中划分加密区域，对所述加密区域进行网格加密处理。
11、作为本发明的再进一步技术方案是，所述建立包含巷道的层状围岩体的初始三维数值模型中：所述初始三维数值模型的尺寸大于所述巷道的尺寸。
12、作为本发明的再进一步技术方案是，依据所述物理力学参数对每一个所述岩层单元进行对应的材料参数分配包括：采用莫尔库伦本构模型依据所述物理力学参数对每一个所述岩层单元进行对应的材料参数分配。
13、作为本发明的再进一步技术方案是，所述力学响应结果包括：围岩变形结果、围岩应力分布结果和围岩塑性区分布结果。
14、有益效果：本发明提出了一种层状围岩巷道全应力场开挖数值模拟方法，首先获取巷道开挖工程区域中若干层岩层的物理力学参数，再选取若干层所述岩层中的任意一层作为参照岩层并获取参照岩层的第一应力张量数据σs，然后依据第一应力张量数据和物理力学参数计算得到若干层所述岩层中的除所述参照岩层之外的目标岩层的第二应力张量数据σw，进而得到开挖工程区域中若干层岩层的应力张量数据；再依据物理力学参数建立与开挖工程区域中若干层岩层相对应的层状围岩巷道模型，然后依据第一应力张量数据和第二应力张量数据对层状围岩巷道模型施加应力张量，构造初始应力场，以模拟真实的各层围岩的应力状态，并在此状态下，对初始应力场下的层状围岩巷道模型进行巷道循环开挖模拟试验，进而获取开挖后的层状围岩巷道模型的真实的力学响应结果。本发明的数值模拟方法考虑了应力的张量属性，不忽略以及岩层属性差异所导致的各岩层应力状态差异对巷道稳定性的影响，能够方便的构造任意层状围岩体的全应力场初始条件，能够更好的、真实的反映和评价层状围岩条件下巷道开挖的力学响应及稳定性。
1.一种层状围岩巷道全应力场开挖数值模拟方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的层状围岩巷道全应力场开挖数值模拟方法，其特征在于：
3.根据权利要求2所述的层状围岩巷道全应力场开挖数值模拟方法，其特征在于,所述依据所述第一应力张量数据和所述物理力学参数计算得到若干层所述岩层中的除所述参照岩层之外的目标岩层的第二应力张量数据σw包括：
4.根据权利要求3所述的层状围岩巷道全应力场开挖数值模拟方法，其特征在于，依据所述物理力学参数建立层状围岩巷道模型包括：
5.根据权利要求4所述的层状围岩巷道全应力场开挖数值模拟方法，其特征在于，所述依据第一应力张量数据和第二应力张量数据对所述层状围岩巷道模型施加应力张量包括：
6.根据权利要求5所述的层状围岩巷道全应力场开挖数值模拟方法，其特征在于，所述依据第一应力张量数据和第二应力张量数据对所述层状围岩巷道模型施加应力张量还包括：
7.根据权利要求6所述的层状围岩巷道全应力场开挖数值模拟方法，其特征在于，在建立包含巷道的层状围岩体的初始三维数值模型之后，在对所述初始三维数值模型进行单元划分得到若干个岩层单元之前，还包括：
8.根据权利要求7所述的层状围岩巷道全应力场开挖数值模拟方法，其特征在于，所述建立包含巷道的层状围岩体的初始三维数值模型中：
9.根据权利要求8所述的层状围岩巷道全应力场开挖数值模拟方法，其特征在于，依据所述物理力学参数对每一个所述岩层单元进行对应的材料参数分配包括：
10.根据权利要求9所述的层状围岩巷道全应力场开挖数值模拟方法，其特征在于，所述力学响应结果包括：
