[发明专利]考虑围岩与支护结构相互作用的圆形隧道力学计算方法

说明书

本发明为考虑围岩与支护结构相互作用的圆形隧道力学计算方法，该方法包括以下步骤：第一步：建立圆形隧道力学模型；第二步：选取岩石强度准则：选取Drucker‑Prager(D‑P)准则代替Mohr‑Coulomb(M‑C)准则，以考虑中间主应力的影响；第三步：基于弹塑性理论求解隧道开挖引起的围岩二次应力场及位移场分析；第四步：考虑围岩‑支护结构相互作用的围岩三次应力场及位移场，其中通过在支护结构的支护力计算中引入支护结构刚度及支护结构施做时机来反映围岩‑支护结构的相互作用，进而考虑其对围岩塑性区及应力场和位移场的影响。该计算方法全面考虑中间主应力、支护结构刚度及施作时机等3个因素对圆形隧道围岩位移及塑性区的影响，使得计算结果更符合实际情况。

技术领域

本发明属于岩土工程力学模型研究领域，具体涉及一种考虑围岩与支护结构相互作用的圆形隧道力学计算方法，用于隧道、地下硐室等各类岩土地下工程力学模型的研究。

背景技术

20世纪60年代提出的隧道施工新奥法的一个核心思想就是要充分利用围岩的自承能力，即不再将衬砌和围岩分别视为承载主体和荷载来源，而是将两者均视为承载体系，支护的主要作用是为了充分调动围岩的自承能力。自此隧道支护理论和实践也均得到了重大发展，围岩与支护结构的相互作用机理也引起了人们的极大关注。

Kastner(Kastner H.Static des Tunnel-und Stollenbaues.Springer,Berlin,1971)较早地基于岩石理想弹塑性模型及Mohr-Coulomb(M-C)强度准则提出了圆形隧道支护结构与围岩相互作用的计算模型，这为隧道支护理论研究奠定了基础。但是随着生产实践及理论研究的发展，目前认为该理论已不能很好地反映实际隧道的力学特性，其主要问题是未能很好地考虑围岩-支护结构相互作用机理。

基于围岩-支护结构相互作用机理，侯公羽等(侯公羽，李晶晶.弹塑性变形条件下围岩-支护相互作用全过程解析[J].岩土力学，2012，33(4)：961-970)结合实际隧道施工特点认为Kastner方法存在以下3方面的不足，首先其认为模型的支护力与原岩应力同时作用、同步施加，这与实际工程不符；实际地下工程都是先受力(原岩应力)、后开挖、再支护。其次，其视支护力为主动支护力，一次性加载，也与工程实际不符。事实上地下工程中除预应力锚杆支护可近似为主动支护力外，其余支护力均可视为随围岩向隧道内发生流变变形的增大而增大的被动反力，是分次或逐渐施加上去的。第三，在实际施工中，支护结构不可能在隧道开挖完成后立即施加，因此在支护结构施设前，隧道围岩都会产生一定的初始变形。为此，其根据开挖面的空间效应即Hoek拟合方程计算了隧道顶板径向位移沿隧道纵向剖面方向的分布曲线，建立了考虑围岩-支护结构耦合作用力学模型，但其研究主要存在以下两方面的问题：第一是其未考虑中间主应力的影响，第二是其仅研究了隧道顶板径向位移沿隧道纵向剖面方向的分布曲线，而未考虑隧道横截面方向上的围岩变形及塑性区范围。

然而尽管目前在圆形隧道围岩与支护结构相互作用机理方面已取得了较为丰富的研究成果，但仍存在着一定的问题，如未能全面考虑中间主应力、支护结构刚度及施作时机等因素对围岩位移及塑性区的影响，因而导致理论计算结果不甚符合实际。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是：提出一种考虑围岩与支护结构相互作用的圆形隧道力学计算方法。该方法结合隧道的实际施工特点，从围岩及支护结构相互作用特征曲线的特点出发，采用轴对称问题的理想弹塑性理论对围岩的力学特征进行深入研究，能够更好地反映围岩与支护结构相互作用的地下圆形隧道受力情况，进而为相关工程设计提供参考。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：提出一种考虑围岩与支护结构相互作用的圆形隧道力学计算方法，包括以下步骤：

第一步：建立圆形隧道力学模型；

第二步：选取岩石强度准则：为了考虑中间主应力的影响，选取Drucker-Prager(D-P)准则代替原来的Mohr-Coulomb(M-C)准则，以考虑中间主应力的影响；