适用于砂卵石隧道的开挖面极限支护力计算方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115828521A(43)申请公布日2023.03.21(21)申请号202211374048.X(22)申请日2022.11.03(71)申请人北京工业大学地址100124北京市朝阳区平乐园100号(72)发明人夏俊偉崔小普孟凡荣李鹏飞李刚段松(74)专利代理机构北京思海天达知识产权代理有限公司11203专利代理师王兆波(51)Int.Cl.G06F30/20(2020.01)G06F17/11(2006.01)G06F111/10(2020.01)G06F119/14(2020.01)权利要求书3页说明书11页附图8页(54)发明名称适用于砂卵石隧道的开挖面极限支护力计算方法(57)摘要本发明公开了适用于砂卵石隧道的开挖面极限支护力计算方法，包括以下步骤：步骤1:假定砂卵石地层条件下，隧道开挖面失稳的破坏模式，建立理论模型，其中，隧道开挖面失稳的破坏模式由两部分组成：隧道开挖面前方的对数曲线和上方的塌落拱；步骤2:根据理论模型，推导理论公式，求解极限支护力；步骤3:对破坏区的形状进行优化，得到极限支护力的最优解。本发明提出了一种适用于砂卵石地层的盾构隧道开挖面失稳的破坏模式，利用极限分析上限法推导出了极限支护力的解析解，通过与数值模拟、典型的解析解以及模型试验对比发现。本发明提出的模型具有较高的精度，能够反映盾构隧道开挖面失稳破坏的机理。CN115828521ACN115828521A权利要求书1/3页1.适用于砂卵石隧道的开挖面极限支护力计算方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1:假定砂卵石地层条件下，隧道开挖面失稳的破坏模式，建立理论模型，其中，隧道开挖面失稳的破坏模式由两部分组成：隧道开挖面前方的对数曲线和上方的塌落拱；步骤2:根据理论模型，推导理论公式，求解极限支护力；步骤3:对破坏区的形状进行优化，得到极限支护力的最优解。2.根据权利要求1所述的适用于砂卵石隧道的开挖面极限支护力计算方法，其特征在于：所述步骤1中的理论模型中，支护力均匀作用在开挖面上，开挖面前方破坏区域，由一条对数螺线构成的对数螺旋区和上方的坍落拱组成。3.根据权利要求2所述的适用于砂卵石隧道的开挖面极限支护力计算方法，其特征在于：所述步骤2中，推导理论公式的过程为：隧道的洞径为D，埋深为C，地表超载为σs，支护力为σT，开挖面为AB；对数螺线为BE，其公式为根据普氏理论，塌陷区的高度H＝L/f，其中η取1.60；rE是O点到E点的距离，e是以e为底的指数函数，θ是O点与对数螺线上任一点连线与水平线的夹角；θE是OE连线与水平线的夹角，是土层的内摩擦角；L是AE的长度，f是普氏理论系数；根据极限分析上限定理，隧道开挖面保持稳定性的条件是：We≤Wv(2)式中，We为外力虚功率，Wv为破坏区范围内部能量耗散率；外力的虚功率We包括三部分：开挖面的虚功率WT，地表超载的功率WS，破坏区土体重力的虚功率Wγ，即：We≤WT+WS+Wγ(3)；重力功率的计算：在开挖面上方假设一个O点，O点、A点、B点、E点之间相互连接，形成OBE区、OAE区、OAB区；AB左边的长方形是已开挖隧道，A、B是隧道开挖面的上下两点，这个专利提出的是一个假定破坏模型，破坏时开挖面前方是一个对数螺线形式，上方是圆拱的形式；AE是上方圆拱与对数螺线交点长度，F为圆拱的顶点，高度是H，E点是对数螺线与圆拱的交点；分别求出OBE，OAE和OAB区土中所做的功率W1，W2和W3；因此ABE区土重的功率Wγ,ABE＝W1‑W2‑W3；首先考虑对数螺旋区OBE，考虑其中一个微元；该微元所做的外功率：dW1为进行微分运算，r是O点连接BE的任一点长度，dθ为微元角度，dw是微元下做的功率；沿整个面积积分，得式中，ω是旋转角速度，γ是土体重度；θB是OB连线与水平线的夹角；其中，函数f1(θB,θE)的定义为：2CN115828521A权利要求书2/3页同理可得，区域OAE的重力功率：记根据几何关系可得：故式(7)整理为：同理，区域OAB重力的功率为：式中f3(θB,θE)表达式为：因此假设塌陷区点顶点为F点，与A、E两点相连接形成AEF区域，AEF区域重力的功率的计算，按照均布力q计算；直线AE的方程为：取以微元ds＝(rAE/sinθ)dθ，则均布力q在微元上的功率为：其中，q＝2γH/3；其中故重力的功率：支护力的功率计算：直线AB的方程为：3CN115828521A权利要求书3/3页取以微元ds＝(rAB/cosθ)dθ，则支护力σT在微元上的功率为：其中内部耗散功计算：根据分析可知内部耗散功主要发生在间断面BE上，微元段上的能量耗散率的微分表示为下式：其中，c为土体的粘聚力，v(θ)为速度函数；因此总的内部能量耗散率为