[发明专利]一种深埋圆隧开挖围岩-衬砌受力与变形的预测方法

说明书

本发明属于隧道建设技术领域，并公开了一种深埋圆隧开挖围岩‑衬砌受力与变形的预测方法。该方法包括下列步骤：(a)获取待挖深埋圆隧道的相关参数；(b)计算待挖隧道外塑性区域的半径、待挖隧道的洞壁围岩最大径向变形、弹性区域和塑性区域交界处的径向应力和径向变形；(c)计算获得衬砌安装处的围岩初始径向变形；(d)构建隧道力学模型，计算衬砌与围岩的径向力达到平衡时对应的半径r、围岩径向变形和径向应力；(e)计算衬砌安装处衬砌的径向应力和径向变形，以及围岩的最终径向应力和径向变形，以此实现衬砌和围岩受力和变形的预测。通过本发明，方便快捷地获得预测结果，过程简单且结果准确、并且能在工程中广泛运用。

技术领域

本发明属于隧道建设技术领域，更具体地，涉及一种深埋圆隧开挖围岩-衬砌受力与变形的预测方法。

背景技术

在岩体中进行隧道建设时，往往需要施加衬砌作为支护措施。围岩-衬砌相互作用后，各自的受力与变形，对判断围岩是否稳定、支护刚度以及支护时机是否合适具有重要价值，隧道开挖过程中，由于开挖面的空间约束效应，洞壁围岩变形随开挖面移动而逐渐发展。衬砌施加后，围岩-衬砌间发生相互作用：围岩进一步收敛，向衬砌施加作用力；衬砌约束围岩，对围岩提供支护力，最终，围岩与衬砌达到平衡状态，此时两者的受力与变形也将达到定值，围岩-衬砌相互作用过程可以通过收敛-约束法加以解释。收敛-约束法由纵向变形曲线、围岩特征曲线和支护特征曲线组成，通过收敛-约束法可准确计算出隧道洞壁围岩与衬砌的受力与变形，这可为事先进行支护设计、判断支护时机以及围岩稳定性提供理论指导。

既有的方法主要有数值模拟方法，通过数值软件建模分析，虽然能够准确模拟开挖工序，得到围岩-衬砌受力与变形，但专业要求高，操作复杂，工程人员较难使用。此外，也有研究者提出围岩-衬砌相互作用的理论解法，但其使用的纵向变形曲线存在局限性，且并未将相互作用过程通过流程图及计算程序的方式表达，不利于具体应用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种深埋圆隧开挖围岩-衬砌受力与变形的预测方法，通过运用岩体弹塑性理论分析结合收敛-约束法得到围岩-衬砌相互作用过程解析解，进而得到围岩-衬砌最终受力与变形，过程简便且结果准确，由此解决现有技术繁琐的问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种深埋圆隧开挖围岩-衬砌受力与变形的预测方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)对于待挖深埋圆隧道，获取其相关参数，该相关参数包括岩块的单轴抗压强度、岩体的初始地应力、霍克-布朗强度参数、弹性模量、泊松比、待挖隧道半径和待挖隧道上衬砌的刚度；

(b)利用步骤(a)中获取的所述相关参数，计算所述待挖隧道外塑性区域的半径、待挖隧道的洞壁围岩最大径向变形、弹性区域和塑性区域交界处的径向应力和径向变形；

(c)根据所述待挖隧道半径、塑性区域的半径、洞壁围岩最大径向变形构建待挖深埋圆隧道的横截面与开挖面之间的距离与围岩径向变形之间的曲线，即围岩纵向变形曲线，利用该纵向变形曲线获取衬砌安装处对应的围岩初始径向变形；

(d)构建隧道力学模型，该隧道力学模型中半径为r处为衬砌与围岩的径向力达到平衡的状态，该衬砌与围岩的径向力达到平衡的状态与衬砌安装处对应，利用衬砌安装处的切向应变和衬砌与围岩的径向力达到平衡状态时的切向应变相等关系构建方程，以此计算衬砌与围岩的径向力达到平衡时对应的隧道力学模型中的半径r、围岩径向应力；

(e)利用衬砌与围岩的径向力达到平衡的状态与衬砌安装处的对应关系，获得衬砌安装处衬砌的径向应力和径向变形，根据衬砌安装处围岩的最终径向应力和径向变形与衬砌径向应力和径向变形之间的关系，计算获得衬砌安装处围岩的最终径向应力和径向变形，以此实现待挖深埋圆隧道在衬砌安装处衬砌和围岩受力和变形的预测。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述弹性和塑性交界区的径向应力σ_R优选按照下列步骤计算：