[发明专利]隧道开挖及爆破荷载作用下邻近埋地管道的力学分析模型及振速控制标准确定方法

权利要求书

1.一种隧道开挖及爆破荷载作用下邻近埋地管道的力学分析模型，其特征在于，包括隧道开挖卸荷和爆破扰动两种工况下的管道横、纵向力学模型；其中，隧道开挖卸荷影响下的管道横向力学分析模型中埋地管道视为土体弹性介质中的弹性圆环；隧道开挖卸荷影响下的管道纵向力学分析模型中管道视为支撑于土体的Winkler地基梁；隧道爆破扰动影响下的管道视为支撑于土体的粘弹性地基梁；管道失效理论值依据vonMises屈服准则确定。

2.一种隧道开挖及爆破荷载作用下邻近埋地管道的力学分析模型的振速控制标准确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立隧道开挖影响下的管道横向力学分析模型，计算得到土体外荷载作用下管道的环向应力值及径向应力值；考虑管道内压作用，结合弹性力学理论得到管道内压作用下管道的环向应力值及径向应力值；将土体外荷载作用下管道的环向应力值与管道内压作用下管道的环向应力值叠加，土体外荷载作用下管道的径向应力值与管道内压作用下管道的径向应力值叠加，得到隧道开挖影响下管道的横向应力分布状态；建立隧道开挖影响下的管道纵向力学分析模型，引入矿山法隧道开挖下管道的纵向peck沉降方程，计算得到隧道开挖影响下管道附加的轴向弯曲应力值；考虑管道内压作用，结合弹性力学理论得到管道内压作用下管道的轴向拉伸应力值，将管道附加的轴向弯曲应力值与管道内压作用下管道的轴向拉伸应力值进行叠加，得到隧道开挖影响下管道的轴向应力分布状态；

2)建立有限元粘弹性地基梁模型，引入以柱状药包理论为基础确定的管道外部激励荷载关系式，计算得到爆破扰动作用下管道的纵向应力分布状态以及竖向振速的变化规律；

3)将前述步骤所得纵向应力值进行叠加得到管道质点的vonMises应力，结合管道应力失效判据将其与材料许用应力进行比较，确定管道是否会发生屈服破坏；

4)若步骤3)中若管道未发生屈服，则重复步骤2)，通过修改管道外部激励荷载值的倍率进行迭代计算，直至步骤3)中管道发生屈服，得到对应管道许用应力下的管道峰值振速值及隧道爆破的最大单段装药量值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，隧道开挖影响下的管道横向力学分析模型中，埋地管道被视为土介质中的弹性圆环，通过求解圆环内孔洞的应力状态得到该状态下管道的横向受力特征：

其中，

θ为管道质点与管道中心水平面所夹圆心角；ν为土体泊松比；K为土体静止水平侧压力系数，K＝v/(1-v)；σ_V为土体中任意一点在自重作用下的竖向应力；σ_H为土体中任意一点在自重作用下的水平应力；R为管道外径；E_s为土体弹性模量；E_p为管道弹性模量；

I_p为管道截面惯性矩；σ_r为径向正应力、σ_θ为环向正应力、τ_rθ表示径向面的切应力；r代表极坐标下的坐标值，为土体任意一点距离隧道圆心原点的径向距离；γ_s为土体容重，H为隧道埋深。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，隧道开挖影响下的管道纵向力学分析模型中，埋地管道视为支撑于土体的Winkler地基梁，通过引入纵向peck沉降公式并结合初参法计算得到该状态下管道的纵向受力特征：其中，

D为管道外径；d为管道内径；L₁为坐标原点距离掌子面长度；L₂为掌子面距离后方最大沉降点的距离；x为与坐标原点即掌子面前方零沉降处的距离；Vs为隧道单位长度的地层损失；H为隧道埋深；u取值范围为0到x。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2)的具体实现过程包括：

1)通过有限元软件建立管道的一维粘弹性地基梁模型，其中管道与土体间相互关系采用弹簧和阻尼进行模拟；

2)根据柱状药包理论确定爆破荷载所对应的管道外部激励加速度以及相应的加载范围，并将其施加至一维粘弹性地基梁模型中进行计算；

3)提取数值计算结果得到管道的纵向受力特征以及管道任意质点的振速分布情况。