[發明專利]粘土地層隧道開挖面安全支護壓力區間確定方法

有效

• 申請號: 202010512605.4
• 申請日: 2020-06-08
• 公開（公告）號: CN111666621B
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發明（設計）人: 潘秋景;王素堂;龔琛杰;劉磊磊;錢澤航;李天正
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G06F30/13
• 分類號: G06F30/13;G06F30/23;G06F119/14
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 謝浪

1.粘土地層隧道開挖面安全支護壓力區間確定方法，其特征在于，包括：

(1)、基于鉆孔數據和試驗測試確定不排水剪切強度三維空間變異性的表征參數，包括均值μ_cu、標準差μ_cu、變異系數μ_cu、不排水剪切強度參數c_u、自相關函數和自相關距離；

(2)、采用Karhunen-Loeve展開方法模擬不排水剪切強度參數的三維空間變異性，建立關于不排水剪切強度的標準正態隨機場

式中，(x，y，z)表示任一點的空間位置坐標，ξ_i為一系列相互獨立的標準正態分布的隨機變量，M為Karhunen-Loeve展開的項數，λ_i和ψ_i(x，y，z)分別為不排水剪切強度參數的指數型相關函數中的特征值和特征函數；

關于不排水剪切強度的對數正態隨機場G_cu可表達為：

式中，和為對數正態隨機場的均值和標準差，可利用不排水剪切強度參數的均值μ_cu和標準差σ_cu計算：

(3)、利用有限差分法數值仿真方法建立隧道開挖模型，采用二分法計算隧道開挖面發生主動破壞和被動破壞的臨界支護力，分別取為σ_ac和σ_pc，盾構隧道開挖面主動破壞的臨界支護力σ_ac和被動破壞的臨界支護力σ_pc，是基于有限差分法數值仿真方法，通過數值模擬計算獲得的，其具體步驟如下：

a、根據盾構隧道的幾何尺寸建立數值模型，對數值模型的土體單元和襯砌單元的彈性模量、泊松比的參數進行賦值，采用Mohr-Coulomb破壞準則定義土體的破壞，根據模型中每一個單元的坐標，利用公式(7)對模型土體單元的不排水剪切強度參數進行賦值；

b、確定地下水位位置，假定隧道計算過程中，水位高度不變，計算模型中的孔隙水壓力分布；

c、設定力學邊界條件和位移邊界條件；

d、采用二分法計算隧道開挖面主動破壞和被動破壞的臨界支護力；

(4)、采用自適應SPCE元模型并結合有限差分法數值模型，建立不排水剪切強度參數三維空間變異性下盾構隧道開挖面主動破壞和被動破壞的臨界支護力的計算元模型；

(5)、基于SPCE元模型-蒙特卡洛模擬方法，計算支護壓力作用下的隧道開挖面發生主動破壞和被動破壞的失穩概率，進而獲得同時避免主動和被動破壞風險的安全支護壓力區間。

2.根據權利要求1所述的粘土地層隧道開挖面安全支護壓力區間確定方法，其特征在于，采用二分法計算隧道開挖面主動破壞的臨界支護力，具體計算步驟為：

第一步、利用經驗公式，選定一個能保證開挖面穩定的支護力上限σ_u和一個導致開挖面發生主動破壞的支護力下限σ_l；

第二步、將(σ_u+σ_l)/2作用在開挖面上，進行有限差分顯示迭代計算，同時監測模型開挖面中心處的位移和速度，根據模型迭代計算一定步數內開挖面位移和速度是否收斂，來判斷在該支護力作用下的開挖面是否穩定；若開挖面穩定，用(σ_u+σ_l)/2代替σ_u，進行第二次模型的計算；反之，若開挖面不穩定，則用(σ_u+σ_l)/2代替σ_l；

第三步、不斷重復第二步，直到σ_u-σ_l＜tol，tol為預設值，取100Pa，

第四步、最后取σ_ac＝(σ_u+σ_l)/2作為隧道開挖面主動破壞的臨界支護力；

同上可以計算隧道開挖面發生被動破壞的臨界支護力。