[發明專利]一種曲線隧道盾殼摩擦力引起地層附加應力的預測方法

在審

• 申請號: 201911090610.4
• 申請日: 2019-11-09
• 公開（公告）號: CN110879906A
• 公開（公告）日: 2020-03-13
• 發明（設計）人: 張明聚;李少華;李鵬飛
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G06F30/13
• 分類號: G06F30/13;G06F119/14;G06T17/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發明公開了一種曲線隧道盾殼摩擦力引起地層附加應力的預測方法，其包括如下步驟：(1)將Mindlin公式改寫為便于計算的通用公式：在三維直角坐標系下，用任意點(x₀,y₀,z₀)，替換Mindlin公式中指定的點(0,0,c)，得到單位力作用時引起地層附加應力的計算公式；(2)基于步驟(1)得到的通用公式，對單位力引起地層內點(x,y,z)的應力分量進行積分處理，得到空間曲面上作用面分布力時引起的地層附加應力的計算公式。該方法以改寫的Mindlin公式為基礎，并結合實際曲線隧道盾殼與地層間摩擦力的空間分布，能較準確的進行地層附加應力預測，具有易于進行相應參數取值、計算便捷且較為符合實際等優點。

技術領域

本發明涉及隧道工程技術領域，特別是涉及曲線盾構隧道盾殼與地層間摩擦力引起地層附加應力的預測方法。

背景技術

受場地條件限制或建筑物制約，地鐵線路的修建將不可避免的出現曲線隧道，甚至還會出現急曲線。盾構機在實現曲線軌跡的過程中，盾殼與土體間參數的摩擦力難免對地層造成擾動，目前關于摩擦力對地層擾動的預測多局限于其對地層位移的影響，關于對地層應力預測的計算方法較少，而應力狀態的變化是引起地層位移的主要原因。更值得一提的是，關于盾構施工荷載對地層擾動的預測計算主要針對的是直線隧道，而關于曲線隧道方面，特別是摩擦力引起地層附加應力的計算公式推導未曾見到。現有預測方法對于曲線隧道這一復雜的三維模型并不適用，并且傳統計算思路較為繁瑣，亟待尋求合適的計算模型和有效的計算方法預測摩擦力對曲線隧道地層附加應力的影響。

發明內容

基于此，本發明的目的在于，提供了一種基于Mindlin公式的曲線隧道盾殼摩擦力引起地層附加應力的預測方法，其結合了曲線隧道實際三維空間特性，可以準確計算施工期荷載引起的附加應力，從而準確地預測曲線盾構隧道施工期間盾殼與地層間摩擦力引起的附加應力。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為一種曲線隧道盾殼摩擦力引起地層附加應力的預測方法，包括以下步驟：

步驟(1)將Mindlin公式改寫為便于計算的通用公式：在三維直角坐標系下，用任意點 (x₀,y₀,z₀)，替換Mindlin公式中指定的點(0,0,c)，得到單位力作用時引起的地層附加應力計算公式；

步驟(2)基于步驟(1)得到的通用公式，對單位力引起地層內點(x,y,z)的附加應力進行積分處理，得到空間曲面上作用面分布力時引起的地層附加應力計算公式。(x,y,z)分別為三維直角坐標系下x軸、y軸和z軸的坐標。

相比于現有技術，本發明所述的曲線隧道盾殼摩擦力引起地層附加應力的預測方法，基于Mindlin公式提出一種曲線盾構隧道施工期盾殼摩擦力引起的地層附加應力計算公式，其結合曲線隧道實際三維空間特征，可準確計算施工荷載引起的附加應力，從而準確地預測曲線盾構隧道施工期間摩擦力引起的附加應力，具有易于進行相應參數取值、計算效率高且較為符合實際等優點。

優選地，所述步驟(1)包括以下步驟：

假設曲線盾構隧道軸線為一段圓心在z軸上、曲率半徑為Q的圓弧，則盾構機推進軌跡是一標準空間環面，其空間方程為：

式中，h為隧道中心點的埋深；R為盾構機的外徑。

在三維直角坐標系下，用任意點(x₀,y₀,z₀)替換Mindlin公式中指定的點(0,0,c)，得到半無限彈性體內任意點(x₀,y₀,z₀)作用一沿i軸(x軸或y軸，下同)正方向的單位力時，引起地層內點(x,y,z)的附加應力σ′_i和σ′_j公式：