[發明專利]一種評估淺埋隧道超挖對拱部塌方影響的方法

在審

• 申請號: 202210548688.1
• 申請日: 2022-05-20
• 公開（公告）號: CN115186324A
• 公開（公告）日: 2022-10-14
• 發明（設計）人: 安永林;郭晉東;周進;譚格宇;劉文娟
• 申請（專利權）人: 湖南科技大學
• 主分類號: G06F30/13
• 分類號: G06F30/13;G06F30/20;E21F17/00;G06F119/02
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本發明公開了一種評估淺埋隧道超挖對拱部塌方影響的方法。它主要包括如下步驟：根據淺埋隧道超挖情況，確定超挖形狀以及超挖面積；計算淺埋隧道塌方體重力做功；計算淺埋隧道塌方體內能耗散；根據最小能耗原理以及邊界條件，求解塌方范圍以及塌方量大小；改變不同的超挖角度、超挖高度、超挖面積，評估其對淺埋隧道塌方范圍以及塌方大小的影響。本發明可以應用于淺埋地下工程中關于拱部超挖對塌方的影響分析，并且能夠考慮超挖角度、超挖高度以及超挖面積等因素的影響，為評估超挖影響以及塌方的加固與防治提供理論方法指導。

技術領域

本發明屬于隧道施工技術領域，具體涉及一種評估淺埋隧道超挖對拱部塌方影響的方法。

背景技術

隨著越來越多的隧道將會修建，如目前川藏線中，隧道占了很大一部分比例。由于受圍巖本身地質條件，還有鉆爆施工參數等影響，超挖在隧道施工現場是常見的現象。目前相關研究文獻基本是研究超挖對圍巖變形受力等方面的，既有專利也多為一些檢測與控制裝置，如專利：一種用于鐵路隧道線性超挖控制的間隔裝藥工具（CN201922381532.5）等。隧道塌方是常見的事故，超挖也是導致隧道塌方的主要誘因，特別是對于淺埋隧道，超挖過大時，會產生冒頂塌方。然而，尚未有文獻從理論上分析超挖對淺埋隧道塌方的影響，也缺少相應的評估方法。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術中存在的上述技術問題，提供一種評估淺埋隧道超挖對拱部塌方影響的方法。

本發明的目的是通過如下的技術方案來實現的。

該評估淺埋隧道超挖對拱部塌方影響的方法，包括如下步驟。

（1）根據淺埋隧道超挖情況，確定超挖形狀以及超挖面積；超挖形狀簡化為三角形，其超挖面積由下式確定。

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式中，S_c為超挖區面積；R為隧道拱部半徑；θ為超挖角度；h為超挖高度；π為圓周率。

（2）計算淺埋隧道塌方體重力做功，其由下式確定。

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式中，P_γ為淺埋隧道塌方體重力做功；L₁為淺埋隧道地表塌方區寬度的一半，L₂為淺埋隧道洞內塌方區寬度的一半；γ為圍巖重度；g(x)為隧道拱部輪廓函數；f(x)為塌方形狀函數；v為機動容許速度場；x為直角坐標系中x軸坐標值。

其中，隧道拱部輪廓函數g(x)，具體由下式進行確定。

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式中，H為淺埋隧道埋深。

（3）計算淺埋隧道塌方體內能耗散，其由下式確定。

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式中，P_D為淺埋隧道塌方體內能耗散；為完整圍巖巖石的抗壓強度；A、B為圍巖參數；為f(x)的切線斜率，即一階導數；為圍巖的抗拉強度。

（4）根據最小能耗原理以及邊界條件，求解塌方范圍以及塌方量大小，其包括如下步驟。

（Ⅰ）由淺埋隧道塌方體重力做功與內能耗散，構建如下函數。

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式中：為淺埋隧道塌方體內能耗散和塌方體重力做功之差。，為泛函數。

（Ⅱ）由泛函數的變分原理，可得其對應的歐拉方程為。

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結合邊界條件，求解可得：。

式中，c₁為系數。

（Ⅲ）由幾何條件可知。

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