申请/专利权人：中铁十五局集团有限公司

申请日：2021-12-17

公开（公告）日：2024-04-02

公开（公告）号：CN114417454B

主分类号：G06F30/13

分类号：G06F30/13;E21D9/06;G06F119/14

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.02#授权;2022.05.20#实质审查的生效;2022.04.29#公开

摘要：本发明公开了一种基于不同开挖路径的叠交隧道深层土体位移场预测方法，预测方法包括以下步骤：建立叠交隧道的三维模型，叠交隧道包括上行曲线隧道和下行直线隧道；根据上行曲线隧道和下行直线隧道的空间位置，确定盾构机以及上行曲线隧道和下行直线隧道管片外环面的标准方程；计算上行曲线隧道由开挖导致的深层土体位移场；计算下行直线隧道由开挖导致的深层土体位移场；对由开挖导致的深层土体位移场和进行叠加，得到不同开挖路径下叠交隧道深层土体位移场。本发明的优点是：能够准确预测不同开挖路径的叠交隧道施工期由地层损失和盾壳与土体间摩擦力导致的深层土体位移场，具有较高的推广应用价值。

主权项：1.一种基于不同开挖路径的叠交隧道深层土体位移场预测方法，其特征在于，所述预测方法包括以下步骤：S1建立叠交隧道的三维模型，所述叠交隧道包括上行曲线隧道和下行直线隧道；根据所述上行曲线隧道和所述下行直线隧道的空间位置，确定盾构机以及所述上行曲线隧道和所述下行直线隧道管片外环面的标准方程；步骤S1包括以下步骤：建立曲率半径为Q的上行曲线隧道模型及与其纵向、横向、竖向间距分别为Dx、Dy、Dz的下行直线隧道模型；所述上行曲线隧道掘进时盾构机外环面和管片外环面Cx0,y0,z0的标准方程分别为： 所述下行直线隧道掘进时盾构机外环面和管片外环面的标准方程分别为： 式中：h为所述上行曲线隧道的轴线埋深；Rc和Rs分别为所述上行曲线隧道中盾构机和所述下行直线隧道中盾构机的外径；r1和r2分别为所述上行曲线隧道中管片和所述下行直线隧道中管片的外径；uz1和uz2分别为所述上行曲线隧道中管片和所述下行直线隧道中管片竖直向下移动的位移参数；S2基于三维随机介质理论，推导出所述上行曲线隧道由土体损失导致的深层土体位移场Sc1；基于Mindlin公式，推导出所述上行曲线隧道由盾构机与土体间摩擦力引起深层土体的竖向变形；对所述上行曲线隧道由土体损失导致的深层土体位移场Sc1和所述上行曲线隧道由盾构机与土体间摩擦力引起深层土体的竖向变形进行叠加，得到所述上行曲线隧道由开挖导致的深层土体位移场Uc；步骤S2包括以下步骤：S21基于三维随机介质理论，推导出所述上行曲线隧道由土体损失导致的深层土体位移场Sc1的理论公式，包括以下步骤：在三维直角坐标系下，点x0,y0,z0处的单位体积空隙引起深层土体中任一点x,y,z处的竖向位移为： 式中，rz为单位体积空隙在z方向上的主要影响半径，且rz＝ztanβ，其中β为隧道上部围岩的主要影响角，可根据地质勘测资料选取；将所述盾构机盾尾处的三维间隙概化为垂直于所述上行曲线隧道轴线的二维模型中的理论间隙参数，在不考虑所述盾构机盾尾处同步注浆的情况下，所述上行曲线隧道、所述下行直线隧道盾尾间隙参数分别为Gp1＝2Rc–r1、Gp2＝2Rs–r2；所述盾构机沿所述上行曲线隧道的轴线的掘进长度为lc，对单位体积空隙在所述盾构机盾壳处三维间隙体积域内进行三重积分，所述三维间隙体积域为厚度为Gp1的圆环沿所述曲线行进lc长度所围成的空间体积，以得到预测所述上行曲线隧道由土体损失导致的深层土体位移场Sc1解： 式中：q、θ均为函数自变量；L1为所述上行曲线隧道中盾构机长度；S22将盾壳与土体间摩擦力f1沿三维直角坐标系的x轴、y轴方向进行分解，得到空间曲面上作用的面分布力水平分量：fx1＝f1cosθ+π2、fy1＝f1sinθ+π2；水平分量在单位面积上沿坐标轴的集中力分别为：获得沿x轴、y轴方向的集中力作用下引起深层土体中点x,y,z的竖向位移分别为： 式中：为函数自变量；当半无限体内点x0,y0,z0作用有沿x轴、y轴正方向的单位集中力时，引起深层土体内任意点x,y,z的沉降值wx、wy可由改进的Mindlin公式解得到： 式中：G为土体剪切弹性模量；μ为泊松比；S23对所述上行曲线隧道由土体损失导致的深层土体位移场Sc1、沿x轴方向的集中力作用下引起深层土体中点x,y,z的竖向位移Wx1以及沿y轴方向的集中力作用下引起深层土体中点x,y,z的竖向位移Wy1进行叠加，得到所述上行曲线隧道由开挖导致的深层土体位移场Uc，计算式为：Uc＝Sc1+Wx1+Wy1；S3基于三维随机介质理论，推导出所述下行直线隧道由土体损失导致的深层土体位移场Ss1；基于Mindlin公式，推导出所述下行直线隧道由盾构机与土体间摩擦力引起深层土体的竖向变形；对所述下行直线隧道由土体损失导致的深层土体位移场Ss1和所述下行直线隧道由盾构机与土体间摩擦力引起深层土体的竖向变形进行叠加，得到所述下行直线隧道由开挖导致的深层土体位移场Us；步骤S3包括以下步骤：S31基于三维随机介质理论，推导出所述下行直线隧道由土体损失导致的深层土体位移场Ss1的理论公式，包括以下步骤：所述盾构机沿所述下行直线隧道的轴线的掘进长度为ls，对单位体积空隙在所述盾构机盾壳处三维间隙体积域内进行三重积分，所述三维间隙体积域为厚度为Gp2的圆环沿所述曲线行进ls长度所围成的空间体积，以得到预测所述下行直线隧道由土体损失导致的深层土体位移场Ss1解： 式中：L2为所述下行直线隧道中盾构机长度；S32将盾壳与土体间摩擦力f2沿三维直角坐标系的x轴、y轴方向进行分解，得到空间曲面上作用的面分布力水平分量：fx2＝f2cosθ+π2、fy2＝f2sinθ+π2；水平分量在单位面积上沿坐标轴的集中力分别为：获得沿x轴、y轴方向的集中力作用下引起深层土体中点x,y,z的竖向位移分别为： S33对所述下行直线隧道由土体损失导致的深层土体位移场Ss1、沿x轴方向的集中力作用下引起深层土体中点x,y,z的竖向位移Wx2以及沿y轴方向的集中力作用下引起深层土体中点x,y,z的竖向位移Wy2进行叠加，得到所述下行直线隧道由开挖导致的深层土体位移场Us，计算式为：Us＝Ss1+Wx2+Wy2；S4对由开挖导致的深层土体位移场Uc和Us进行叠加，得到不同开挖路径下所述叠交隧道深层土体位移场U；步骤S4包括以下步骤：对由开挖导致的深层土体位移场Uc和Us进行叠加，得到不同开挖路径下所述叠交隧道深层土体位移场U，计算式为：U＝Uc+Us。

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