[發(fā)明專利]一種豎向裂隙發(fā)育圍巖隧道超前管棚變形的計算方法

在審

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• 申請日: 2020-12-21
• 公開（公告）號: CN112560149A
• 公開（公告）日: 2021-03-26
• 發(fā)明（設計）人: 王傳武;羅彥斌;陳建勛;季瞻;羅華;楊璐;胡濤濤
• 申請（專利權）人: 長安大學
• 主分類號: G06F30/13
• 分類號: G06F30/13;G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 北京科億知識產(chǎn)權代理事務所(普通合伙) 11350
• 代理人: 湯東鳳

1.一種豎向裂隙發(fā)育圍巖隧道超前管棚變形的計算方法，其特征在于，包括以下步驟：

①建立豎向裂隙發(fā)育圍巖隧道超前管棚變形計算模型；其中計算模型中假定破裂面由掌子面底部斜向前方延伸時，在某一點轉折后豎直向上延伸到超前管棚位置；同時在掌子面前方影響段內(nèi)，超前管棚所受荷載由開挖未支護段的恒定荷載線性減小到0；

②根據(jù)計算模型與隧道施工工況，確定隧道圍巖等級s、圍巖內(nèi)摩擦角圍巖容重γ、隧道埋深H、隧道開挖寬度B、隧道開挖高度h、假定破裂面豎向延伸高度h₁，隧道開挖未支護段長度d₁，超前管棚的外直徑D、內(nèi)直徑d、彈性模量E_s、超前管棚砂漿彈性模量E_m、橫向作用寬度b、超前管棚在隧道開挖已支護段與未支護段交接位置的撓度ω₀與轉角θ₀，隧道超前管棚受力基床系數(shù)k、地基剪切模量G_p；

③計算得到假定破裂面在掌子面底角處的破裂角β、掌子面前方影響段長度d₂，超前管棚鋼管慣性矩I_s、等效寬度b^*，砂漿慣性矩I_m，管棚鋼管砂漿組合慣性矩I_p、等效彈性模量E_p；

④計算得到超前管棚在隧道開挖未支護段、掌子面前方影響段的線性變化荷載值q(x)；

⑤建立超前管棚在隧道開挖未支護段、掌子面前方影響段、隧道未影響段的變形微分方程，求解得到三個段落的微分方程通解，將超前管棚三個段落的邊界條件帶入通解，建立待定系數(shù)求解方程組，解方程組得到超前管棚變形曲線方程。

2.根據(jù)權利要求1所述的一種豎向裂隙發(fā)育圍巖隧道超前管棚變形的計算方法，其特征在于：步驟⑤中超前管棚變形微分方程為：

隧道開挖未支護段：

掌子面前方影響段：

隧道未影響段：

超前管棚變形計算各段落微分方程的通解為：

隧道開挖未支護段：

掌子面前方影響段：

隧道未影響段：ω₃(x)＝e^-αx(C₉cosβx+C₁₀sinβx)+e^αx(C₁₁cosβx+C₁₂sinβx)

式中：E為管棚鋼管砂漿組合的等效彈性模量；I為管棚鋼管砂漿組合慣性矩；ω(x)為超前管棚變形曲線函數(shù)；b為超前管棚橫向作用寬度；q₀為隧道掌子面處的豎向壓力；G_p為地基剪切模量；b^*為超前管棚的等效寬度；k為隧道超前管棚受力基床系數(shù)；d₁為隧道開挖未支護段長度；d₂為掌子面前方擾動段長度；為與q(x)有關的特解，表達式為：

3.根據(jù)權利要求1所述的一種豎向裂隙發(fā)育圍巖隧道超前管棚變形的計算方法，其特征在于，超前管棚變形計算的求解方程組為：

式中：

其中方程系數(shù)C₁，C₂，C₃，C₄，C₅，C₆，C₇，C₈，C₉，C₁₀，C₁₁，C₁₂是由邊界條件確定的方程組求解得出。