[發(fā)明專利]基于三維的深埋隧道臨界安全進(jìn)尺與坍方形狀確定方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811620851.0
• 申請(qǐng)日: 2018-12-28
• 公開（公告）號(hào): CN109726473B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 安永林;李佳豪;岳健;曾賢臣;歐陽鵬博;胡文軒
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 湖南科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/13
• 分類號(hào): G06F30/13
• 代理公司: 湘潭市匯智專利事務(wù)所(普通合伙) 43108
• 代理人: 宋向紅

本發(fā)明公開了一種基于三維的深埋隧道臨界安全進(jìn)尺與坍方形狀確定方法。首先根據(jù)地層參數(shù)以及埋深等條件，結(jié)合隧道開挖進(jìn)尺段之間的幾何關(guān)系，然后分別計(jì)算深埋隧道的重力外力功率、內(nèi)能耗散功率，最后根據(jù)臨界破壞時(shí)的能量守恒原理，即外力功率等于內(nèi)能耗散功率，確定深埋隧道的臨界安全進(jìn)尺。本發(fā)明為確定深埋隧道的安全進(jìn)尺提供了計(jì)算方法；據(jù)此可以判斷隧道現(xiàn)場施工采用的進(jìn)尺是否滿足要求，并為采取相應(yīng)的工程提供依據(jù)，可以有效避免進(jìn)尺段坍方的發(fā)生；同時(shí)可以確定隧道進(jìn)尺段臨界坍方破壞的三維破壞面形狀，確定坍方體高度以及坍方體積等。本發(fā)明方法亦可以應(yīng)用于采礦巷道、水工隧洞等地下建筑結(jié)構(gòu)的進(jìn)尺安全判斷、確定等。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于隧道施工安全技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于三維的深埋隧道臨界安全進(jìn)尺與坍方形狀確定方法。

背景技術(shù)

21世紀(jì)是地下空間的世紀(jì)，且隨著我國客運(yùn)專線以及高等級(jí)公路以及城市地鐵的建設(shè)，越來越多的隧道得以修建。在礦山法隧道施工中，如何合理確定開挖進(jìn)尺是設(shè)計(jì)施工所關(guān)注的，進(jìn)尺過大，往往會(huì)引起大的下沉變形甚至塌方；進(jìn)尺過小，又會(huì)影響施工進(jìn)度。目前，對(duì)于隧道進(jìn)尺的研究大多針對(duì)工程個(gè)別案例進(jìn)行數(shù)值模擬分析，或者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，主觀因素的影響很大。從能量守恒的角度來考慮研究的也很少；理論分析一般也是基于平面分析的，從三維分析的也較少；另外，如何確定進(jìn)尺段坍方體形狀以及坍方體體積大小的研究也未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于三維的深埋隧道臨界安全進(jìn)尺與坍方形狀確定方法。

本發(fā)明的基于三維的深埋隧道臨界安全進(jìn)尺與坍方形狀確定方法，包括如下步驟：

(1)對(duì)于深埋隧道，首先確定進(jìn)尺段三維坍方體尺寸之間的幾何關(guān)系如下：

式(1)至式(3)中，h為坍方體高度；φ為圍巖內(nèi)摩擦角；R₀為進(jìn)尺段坍方破裂范圍的半徑；L_AB、L_BF為坍方體圓錐的母線長度；S_ABF為坍方體圓錐的側(cè)面面積，即三維破裂面面積；

(2)確定進(jìn)尺段坍方體自重荷載所做的外力功率如下：

式(4)中，W_r為坍方體自重荷載所做的外力功率；γ為圍巖重度；φ為圍巖內(nèi)摩擦角；R₀為進(jìn)尺段坍方破裂范圍的半徑；v為破裂面上的間斷速度；

(3)確定進(jìn)尺段坍方體內(nèi)能耗散功率如下：

式(5)中，E_D為坍方體內(nèi)能耗散功率；c為圍巖黏聚力；φ為圍巖內(nèi)摩擦角；R₀為進(jìn)尺段坍方破裂范圍的半徑；v為破裂面上的間斷速度；

(4)根據(jù)能量守恒原理，當(dāng)坍方體自重荷載所做的外力功率等于坍方體內(nèi)能耗散功率時(shí)，由式(4)、式(5)得到下式：

E_D＝W_γ???(6)；

(5)因此，確定臨界安全進(jìn)尺長度如下：

式(9)中，L_cr為臨界安全進(jìn)尺長度；

(6)結(jié)合式(1)、式(2)、式(3)、式(9)，得到臨界坍方體高度以及坍方體積如下：