CN117521232B - 一种真三维非对称应力下的大直径盾构地层压力计算方法 - Google Patents

一种真三维非对称应力下的大直径盾构地层压力计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种真三维非对称应力下的大直径盾构地层压力计算方法，涉及隧道工程技术领域。该方法包括：获取地层参数、隧道尺寸参数、隧道所处应力环境参数和二分法求解参数；根据隧道尺寸参数和隧道所处应力环境参数，确定围岩的弹性应力分布；根据地层参数、隧道尺寸参数、隧道所处应力环境参数和二分法求解参数、围岩的弹性应力分布，利用二分法求解真三维非对称应力下围岩塑性区的边界线方程，获取塑性区半径；获取塑形区范围，并根据塑性区范围、地层参数和塑性区半径，计算大直径盾构地层压力。本发明综合考虑了地层中的真三维非对称应力环境，分析塑性区的基本形态，进而建立准确的地层压力计算方法，为盾构隧道的设计与施工提供参考。

Description

一种真三维非对称应力下的大直径盾构地层压力计算方法
技术领域
本发明涉及隧道工程技术领域，具体涉及一种真三维非对称应力下的大直径盾构地层压力计算方法。
背景技术
随着我国基础设施建设的不断发展，大直径盾构隧道的数量日益增加。盾构法是一种使用盾构机同时进行掘进、出土、拼装管片等多种工序的施工方法。它可以在掘进的同时自动实现地层的支护。因此，盾构法在城市地铁、综合管廊、公路隧道等的建设方面成为了一种常用的施工方法。
在盾构法中，考虑地层真三维非对称应力环境，准确计算大直径盾构地层压力，进而设计合适的支护结构是隧道保持安全稳定的前提条件。而目前计算大直径盾构地层压力的方法大多基于对称应力条件进行地层应力分布的分析，这与围岩所处的三维应力环境是不符的。也有方法考虑了非对称应力状态，但这些方法为了简化平衡方程，忽略了塑性区内的剪应力，这会造成显著的误差。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种真三维非对称应力下的大直径盾构地层压力计算方法，综合考虑了地层中的真三维非对称应力环境，分析塑性区的基本形态，进而建立准确的地层压力计算方法，为盾构隧道的设计与施工提供参考。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种真三维非对称应力下的大直径盾构地层压力计算方法，包括以下步骤：
S1、获取地层参数、隧道尺寸参数、隧道所处应力环境参数和二分法求解参数；
S2、根据步骤S1中的隧道尺寸参数和隧道所处应力环境参数，确定围岩的弹性应力分布；
S3、根据步骤S1中的地层参数、隧道尺寸参数、隧道所处应力环境参数和二分法求解参数、步骤S2中围岩的弹性应力分布，利用二分法求解真三维非对称应力下围岩塑性区的边界线方程，获取塑性区半径；
S4、获取塑形区范围，并根据塑性区范围、步骤S1中的地层参数和步骤S3中塑性区半径，计算大直径盾构地层压力。
进一步地，在步骤S1中，地层参数包括地质强度指标、围岩材料参数、扰动参数、岩石单轴抗压强度和地层重度；隧道尺寸参数具体指隧道半径；隧道所处应力环境参数包括竖向应力、侧压力系数环和地应力偏转角；二分法求解参数包括最大求解半径范围、模型节点数量和模型求解精度。
进一步地，步骤S2包括以下分步骤：
S21、根据步骤S1中的隧道尺寸参数和隧道所处应力环境参数，计算地层内的径向应力；
S22、根据步骤S1中的隧道尺寸参数和隧道所处应力环境参数，计算地层内的切向应力；
S23、根据步骤S1中的隧道尺寸参数和隧道所处应力环境参数，计算地层内的剪应力；
S24、根据分步骤S21中地层内的径向应力、分步骤S22中地层内的切向应力和分步骤S23中地层内的剪应力，确定围岩的弹性应力分布。
进一步地，在分步骤S21中，计算地层内的径向应力，表示为：
其中：为地层内的径向应力，/>为侧压力系数，/>为竖向应力，/>为隧道半径，/>为计算点的极径，/>为计算点的极角，/>为地应力偏转角。
进一步地，在分步骤S22中，计算地层内的切向应力，表示为：
其中：为地层内的切向应力，/>为侧压力系数，/>为竖向应力，/>为隧道半径，/>为计算点的极径，/>为计算点的极角，/>为地应力偏转角。
进一步地，在分步骤S23中，计算地层内的剪应力，表示为：
其中：为地层内的剪应力，/>为侧压力系数，/>为竖向应力，/>为计算点的极角，为地应力偏转角，/>为隧道半径，/>为计算点的极径。
进一步地，步骤S3包括以下分步骤：
S31、根据步骤S1中的地层参数，构建GZZ强度准则表达式，表示为：
其中：为岩石单轴抗压强度，/>为第一参数，/>为第二参数，/>为第三参数，为第四参数，/>为第五参数；
S32、根据步骤S1中的隧道尺寸参数和隧道所处应力环境参数、步骤S2中围岩的弹性应力分布和分步骤S31中的GZZ强度准则表达式，构建围岩塑性区边界线方程的表达式，表示为：
其中：为围岩塑性区边界线方程，/>为极角/>处的塑性区半径，/>为计算点的极角，/>为地应力偏转角，/>为侧压力系数，/>为竖向应力，/>为隧道半径，/>为第六参数，为第七参数，/>为第八参数；
S33、根据步骤S1中的二分法求解参数和分步骤S32中围岩塑性区边界线方程的表达式，利用二分法求解真三维非对称应力状态下围岩塑性区的边界线方程，获取塑性区半径。
进一步地，在分步骤S33中，利用二分法求解真三维非对称应力状态下围岩塑性区的边界线方程，具体为：根据模型节点数量将计算模型分为多个子单元，对每个子单元在隧道半径与最大求解半径范围之间使用二分法求解塑性区边界，循环执行该过程至满足模型求解精度，以获取塑性区半径。
进一步地，在步骤S4中，计算大直径盾构地层压力，表示为：
其中：为大直径盾构地层压力，/>为地层重度，/>为取最大值符号，/>为极角处的塑性区半径，/>为计算点的极角，/>为计算点的极径。
本发明具有以下有益效果：
本发明综合考虑了地层中的真三维非对称应力环境，分析塑性区的基本形态，进而建立准确的地层压力计算方法，为盾构隧道的设计与施工提供参考。
附图说明
图1为一种真三维非对称应力下的大直径盾构地层压力计算方法流程示意图；
图2为围岩内弹性径向应力的分布示意图；
图3为围岩内弹性切向应力的分布示意图；
图4为围岩内弹性剪应力的分布示意图；
图5为二分法求解塑性区边界线方程示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种真三维非对称应力下的大直径盾构地层压力计算方法，包括步骤S1-S4，具体如下：
S1、获取地层参数、隧道尺寸参数、隧道所处应力环境参数和二分法求解参数。
在本发明的一个可选实施例中，地层参数包括地质强度指标、围岩材料参数、扰动参数、岩石单轴抗压强度和地层重度；隧道尺寸参数具体指隧道半径；隧道所处应力环境参数包括竖向应力、侧压力系数环和地应力偏转角；二分法求解参数包括最大求解半径范围、模型节点数量和模型求解精度。
S2、根据步骤S1中的隧道尺寸参数和隧道所处应力环境参数，确定围岩的弹性应力分布。
在本发明的一个可选实施例中，本发明根据隧道尺寸参数和隧道所处应力环境参数，确定围岩的弹性应力分布。围岩的弹性应力分布包括地层内的径向应力、地层内的切向应力和地层内的剪应力。
步骤S2包括以下分步骤：
S21、根据步骤S1中的隧道尺寸参数和隧道所处应力环境参数，计算地层内的径向应力。
本发明计算地层内的径向应力，表示为：
其中：为地层内的径向应力，/>为侧压力系数，/>为竖向应力，/>为隧道半径，/>为计算点的极径，/>为计算点的极角，/>为地应力偏转角。
如图2所示，本发明将所需参数代入上述公式，并采用matlab编程计算地层内的径向应力，获得计算结果。
S22、根据步骤S1中的隧道尺寸参数和隧道所处应力环境参数，计算地层内的切向应力。
本发明计算地层内的切向应力，表示为：
其中：为地层内的切向应力，/>为侧压力系数，/>为竖向应力，/>为隧道半径，/>为计算点的极径，/>为计算点的极角，/>为地应力偏转角。
如图3所示，本发明将所需参数代入上述公式，并采用matlab编程计算地层内的切向应力，获得计算结果。
S23、根据步骤S1中的隧道尺寸参数和隧道所处应力环境参数，计算地层内的剪应力。
本发明计算地层内的剪应力，表示为：
其中：为地层内的剪应力，/>为侧压力系数，/>为竖向应力，/>为计算点的极角，为地应力偏转角，/>为隧道半径，/>为计算点的极径。
如图4所示，本发明将所需参数代入上述公式，并采用matlab编程计算地层内的剪应力，获得计算结果。
S24、根据分步骤S21中地层内的径向应力、分步骤S22中地层内的切向应力和分步骤S23中地层内的剪应力，确定围岩的弹性应力分布。
S3、根据步骤S1中的地层参数、隧道尺寸参数、隧道所处应力环境参数和二分法求解参数、步骤S2中围岩的弹性应力分布，利用二分法求解真三维非对称应力下围岩塑性区的边界线方程，获取塑性区半径。
在本发明的一个可选实施例中，本发明根据地层参数、隧道尺寸参数、隧道所处应力环境参数和二分法求解参数、围岩的弹性应力分布，利用二分法求解真三维非对称应力下围岩塑性区的边界线方程，获取塑性区半径。
步骤S3包括以下分步骤：
S31、根据步骤S1中的地层参数，构建GZZ强度准则表达式，表示为：
其中：为岩石单轴抗压强度，/>为第一参数，/>为第二参数，/>为第三参数，为第四参数，/>为第五参数。
本发明计算第一参数，表示为：
其中：为第一参数，/>为自然常数，/>为地质强度指标。
本发明计算第二参数，表示为：
其中：为第二参数，/>为第六参数，/>为第七参数，/>为第八参数，，/>，/>为中间主应力系数。
本发明计算第三参数，表示为：
其中：为第三参数，/>为围岩材料参数，/>为指数函数，/>为扰动参数。
本发明计算第四参数，表示为：
其中：为第四参数。
本发明计算第五参数，表示为：
其中：为第五参数。
S32、根据步骤S1中的隧道尺寸参数和隧道所处应力环境参数、步骤S2中围岩的弹性应力分布和分步骤S31中的GZZ强度准则表达式，构建围岩塑性区边界线方程的表达式，表示为：
其中：为围岩塑性区边界线方程，/>为极角/>处的塑性区半径，/>为计算点的极角，/>为地应力偏转角，/>为侧压力系数，/>为竖向应力，/>为隧道半径，/>为第六参数，为第七参数，/>为第八参数。
S33、根据步骤S1中的二分法求解参数和分步骤S32中围岩塑性区边界线方程的表达式，利用二分法求解真三维非对称应力状态下围岩塑性区的边界线方程，获取塑性区半径。
如图5所示，本发明利用二分法求解真三维非对称应力状态下围岩塑性区的边界线方程，具体为：根据模型节点数量将计算模型分为n个子单元，对每个子单元i在隧道半径与最大求解半径范围之间使用二分法求解塑性区边界(r i,θ i)，循环执行该过程至满足模型求解精度，以获取塑性区半径。
S4、获取塑形区范围，并根据塑性区范围、步骤S1中的地层参数和步骤S3中塑性区半径，计算大直径盾构地层压力。
在本发明的一个可选实施例中，本发明获取塑形区范围，并根据塑性区范围、地层参数和塑性区半径，计算大直径盾构地层压力。
本发明计算大直径盾构地层压力，表示为：
其中：为大直径盾构地层压力，/>为地层重度，/>为取最大值符号，/>为极角处的塑性区半径，/>为计算点的极角，/>为计算点的极径。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种真三维非对称应力下的大直径盾构地层压力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取地层参数、隧道尺寸参数、隧道所处应力环境参数和二分法求解参数；
S2、根据步骤S1中的隧道尺寸参数和隧道所处应力环境参数，确定围岩的弹性应力分布；
S3、根据步骤S1中的地层参数、隧道尺寸参数、隧道所处应力环境参数和二分法求解参数、步骤S2中围岩的弹性应力分布，利用二分法求解真三维非对称应力下围岩塑性区的边界线方程，获取塑性区半径；
步骤S3包括以下分步骤：
S31、根据步骤S1中的地层参数，构建GZZ强度准则表达式，表示为：
其中：为岩石单轴抗压强度，/>为第一参数，/>为第二参数，/>为第三参数，/>为第四参数，/>为第五参数；
S32、根据步骤S1中的隧道尺寸参数和隧道所处应力环境参数、步骤S2中围岩的弹性应力分布和分步骤S31中的GZZ强度准则表达式，构建围岩塑性区边界线方程的表达式，表示为：
其中：为围岩塑性区边界线方程，/>为极角/>处的塑性区半径，/>为计算点的极角，为地应力偏转角，/>为侧压力系数，/>为竖向应力，/>为隧道半径，/>为第六参数，/>为第七参数，/>为第八参数；
S33、根据步骤S1中的二分法求解参数和分步骤S32中围岩塑性区边界线方程的表达式，利用二分法求解真三维非对称应力状态下围岩塑性区的边界线方程，获取塑性区半径；
S4、获取塑形区范围，并根据塑性区范围、步骤S1中的地层参数和步骤S3中塑性区半径，计算大直径盾构地层压力，表示为：
其中：为大直径盾构地层压力，/>为地层重度，/>为取最大值符号，/>为极角/>处的塑性区半径，/>为计算点的极角，/>为计算点的极径。
2.根据权利要求1所述的一种真三维非对称应力下的大直径盾构地层压力计算方法，其特征在于，在步骤S1中，地层参数包括地质强度指标、围岩材料参数、扰动参数、岩石单轴抗压强度和地层重度；隧道尺寸参数具体指隧道半径；隧道所处应力环境参数包括竖向应力、侧压力系数环和地应力偏转角；二分法求解参数包括最大求解半径范围、模型节点数量和模型求解精度。
3.根据权利要求1所述的一种真三维非对称应力下的大直径盾构地层压力计算方法，其特征在于，步骤S2包括以下分步骤：
S21、根据步骤S1中的隧道尺寸参数和隧道所处应力环境参数，计算地层内的径向应力；
S22、根据步骤S1中的隧道尺寸参数和隧道所处应力环境参数，计算地层内的切向应力；
S23、根据步骤S1中的隧道尺寸参数和隧道所处应力环境参数，计算地层内的剪应力；
S24、根据分步骤S21中地层内的径向应力、分步骤S22中地层内的切向应力和分步骤S23中地层内的剪应力，确定围岩的弹性应力分布。
4.根据权利要求3所述的一种真三维非对称应力下的大直径盾构地层压力计算方法，其特征在于，在分步骤S21中，计算地层内的径向应力，表示为：
其中：为地层内的径向应力，/>为侧压力系数，/>为竖向应力，/>为隧道半径，/>为计算点的极径，/>为计算点的极角，/>为地应力偏转角。
5.根据权利要求3所述的一种真三维非对称应力下的大直径盾构地层压力计算方法，其特征在于，在分步骤S22中，计算地层内的切向应力，表示为：
其中：为地层内的切向应力，/>为侧压力系数，/>为竖向应力，/>为隧道半径，/>为计算点的极径，/>为计算点的极角，/>为地应力偏转角。
6.根据权利要求3所述的一种真三维非对称应力下的大直径盾构地层压力计算方法，其特征在于，在分步骤S23中，计算地层内的剪应力，表示为：
其中：为地层内的剪应力，/>为侧压力系数，/>为竖向应力，/>为计算点的极角，/>为地应力偏转角，/>为隧道半径，/>为计算点的极径。
7.根据权利要求1所述的一种真三维非对称应力下的大直径盾构地层压力计算方法，其特征在于，在分步骤S33中，利用二分法求解真三维非对称应力状态下围岩塑性区的边界线方程，具体为：根据模型节点数量将计算模型分为多个子单元，对每个子单元在隧道半径与最大求解半径范围之间使用二分法求解塑性区边界，循环执行该过程至满足模型求解精度，以获取塑性区半径。
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