申请/专利权人：北京工业大学

申请日：2021-07-17

公开（公告）日：2024-06-18

公开（公告）号：CN113656860B

主分类号：G06F30/13

分类号：G06F30/13;G06F119/14

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.18#授权;2021.12.03#实质审查的生效;2021.11.16#公开

摘要：本发明公开了一种不同埋深砂土盾构隧道开挖面极限支护力的计算方法，本发明方法主要包括如下步骤：1结合隧道埋深、开挖尺寸等设计参数，确定盾构隧道的状态浅埋区、过渡区或深埋区；2根据盾构隧道所处的状态，确定掌子面的破坏模式过渡区和深埋区需要考虑土拱效应，而浅埋区无需考虑土拱效应；3推导理论公式，根据力平衡原理，求得开挖面极限支护力。本发明方法可以应用于干砂条件下盾构隧道掌子面稳定性分析，为处于不同埋深下的盾构隧道开挖面极限支护力的预测提供参考。

主权项：1.一种不同埋深砂土盾构隧道开挖面极限支护力的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：S1根据隧道埋深、开挖尺寸设计参数假定开挖面的破坏模式，提出不同埋深下开挖面失稳的理论模型：假定土体均质、各向同性，满足摩尔库伦屈服准则；当开挖面发生失稳破坏时，土体塌陷区扩展到地表，此时为浅埋隧道；浅埋盾构隧道破坏区轮廓由浅埋隧道区域①和浅埋隧道区域②两部分构成，其中浅埋隧道区域①为圆柱体筒仓三维塌陷区，筒仓塌陷区下表面与浅埋隧道区域②楔形体上表面相连；浅埋隧道区域②为开挖面前方的楔形体，主要为沿隧道内部的水平位移；当开挖面发生失稳破坏时，土体塌陷区无法扩展到地表，此时隧道可能处于过渡区或深埋区；过渡区与深埋区的区别在于：过渡区仅形成了部分土拱效应，即三维塌陷区顶部与地表之间的土体均形成了土拱效应；而深埋区形成了完整的土拱效应，即三维塌陷区顶部以上形成了一定高度的土拱，土拱顶部与地表之间的土体处于初始未扰动状态；过渡区和深埋区盾构隧道破坏区轮廓均由过渡深埋区域①、过渡深埋区域②和过渡深埋区域③三部分构成，其中过渡深埋区域①为圆柱体筒仓三维塌陷区与土拱之间的三维拱形塌陷区，所述的拱形塌陷区下表面与圆柱体筒仓塌陷区上表面相连；所述的土拱形状为合理拱轴线，即形状为抛物线型；过渡深埋区域②为圆柱体筒仓三维塌陷区，筒仓塌陷区下表面与过渡深埋区域③楔形体上表面相连；过渡深埋区域③为开挖面前方的楔形体，为沿隧道内部的水平位移；S2理论推导过程如下：浅埋区：所述的浅埋隧道区域①圆柱体筒仓三维塌陷区作用在所述的浅埋隧道区域②楔形体上表面的压应力q3为： 其中：r为浅埋隧道区域①圆柱体筒仓的半径，γ为单位体积土体自重，为土体内摩擦角，Kl为圆柱体筒仓区的侧压力系数，H3为圆柱体筒仓区高度；开挖面极限支护均布压应力σT的表达式为： BL＝πr2 其中：D为隧道直径，B为浅埋隧道区域②楔形体竖直直角边，B大小为与隧道开挖面面积相同正方形的边长，β为浅埋隧道区域②楔形体与水平面的夹角，也称为开挖面破裂角，L为浅埋隧道区域②楔形体水平直角边，L大小通过所述的B和β来确定；过渡区：土拱传递荷载机制如下：假定土拱为合理拱轴线型，所述的土拱作用在过渡区域①三维拱形塌陷区上表面的压应力q1为： C＝H1+H2+H3H3＝2L 其中：C为隧道埋深，γ为单位体积土体自重，H1为土拱高度，H2为合理拱轴线的拱高，H3为圆柱体筒仓区高度，K0为静止土压力系数，Kl为圆柱体筒仓区的侧压力系数，L为过渡区域③楔形体水平直角边，L的大小通过所述的B和β来确定，n为将高为H1的土拱平均为成n份高为H1的土拱，Ki为第i份土拱的水平侧压力系数；所述的过渡区域①三维拱形塌陷区作用在所述的过渡区域②圆柱体筒仓三维塌陷区上表面的压应力q2为： 所述的过渡区域②圆柱体筒仓三维塌陷区作用在所述的区域③楔形体上表面的压应力q3为： 其中：e为自然常数，大小为2.7183；开挖面极限支护均布压应力σT的表达式为： BL＝πr2 其中：D为隧道直径，B为过渡区域②楔形体竖直直角边，B大小为与隧道开挖面面积相同正方形的边长，β为过渡区域②楔形体与水平面的夹角，也称为开挖面破裂角，L为区域②楔形体水平直角边，L大小可通过所述的B和β来确定；深埋区：土拱以上未扰动土体作用在土拱上表面的均布荷载q0为：q0＝C-H1-H2-H3γ所述的土拱传递荷载机制如下所述：假定土拱为合理拱轴线型，所述的土拱作用在深埋区域①三维拱形塌陷区上表面的压应力q1为： H3＝2L H1＝L其中：C为隧道埋深，γ为单位体积土体自重，H1为土拱高度，H2为合理拱轴线的拱高，H3为圆柱体筒仓区高度，K0为静止土压力系数，Kl为圆柱体筒仓区的侧压力系数，L为深埋区域③楔形体水平直角边，L大小通过所述的B和β来确定，n为将高为H1的土拱平均分成n份高为H1的土拱，Ki为第i份土拱的水平侧压力系数；所述的深埋区域①三维拱形塌陷区作用在所述的深埋区域②圆柱体筒仓三维塌陷区上表面的压应力q2为： 所述的深埋区域②圆柱体筒仓三维塌陷区作用在所述的区域③楔形体上表面的压应力q3为： 开挖面极限支护均布压应力σT的表达式为： BL＝πr2 其中：D为隧道直径，B为深埋区域②楔形体竖直直角边，B大小为与隧道开挖面面积相同正方形的边长，β为深埋区域②楔形体与水平面的夹角，也称为开挖面破裂角，L为深埋区域②楔形体水平直角边，L大小通过所述的B和β来确定。

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