[发明专利]一种基于数值模拟的岩溶地层盾构隧道溶洞处理范围判断方法

权利要求书

1.一种基于数值模拟的岩溶地层盾构隧道溶洞处理范围判断方法，其特征在于包括以下五个步骤：

步骤一：根据地质勘查资料获得隧道所在位置的地层剖面参数；统计隧道周边溶洞的基本特征及分布情况，获得代表性溶洞及对应参数；同时，根据施工设计资料获取盾构施工参数；

步骤二：根据地层剖面参数在数值模拟软件中建立三维有限元计算模型；

步骤三：根据步骤一提供的代表性溶洞及对应参数，构建地层-溶洞有限元模型；

步骤四：根据步骤一提供的盾构施工参数，构建地层-溶洞-隧道有限元模型，模拟盾构掘进过程；

步骤五：改变代表性溶洞与隧道轮廓线的距离及相对位置，利用有限元计算得到隧道模型周边的塑性变形最大距离，进而获得盾构隧道溶洞处理范围；

所述的步骤一中，根据地质勘查资料获取隧道所在位置的地层剖面参数包括：地表建筑物情况，地层的水平分层情况及各土层容重γ、弹性模量E、泊松比μ、黏聚力c及内摩擦角φ，地下水位高度；

所述的步骤一中，根据地质勘查资料统计隧道周边溶洞的基本特征及分布情况包括：溶洞平均横向宽度x_溶洞、平均纵向长度y_溶洞、平均高度z_溶洞、溶洞平均填充率a、填充物容重γ_充填，溶洞与隧道的相对位置关系，即上部、平行、下部；

所述的步骤一中，根据溶洞基本特征及分布情况获得代表性溶洞及对应参数包括：设定代表性溶洞为长方体，其几何尺寸与溶洞平均横向宽度x_溶洞、平均纵向长度y_溶洞、平均高度z_溶洞相等；代表性溶洞的容重γ_溶洞为：

γ_溶洞＝a*γ_充填代表性溶洞与隧道轮廓线的最短距离表示为d，其与隧道的相对位置关系简化为位于隧道正上方，与隧道平行，位于隧道正下方；

所述的步骤一中，根据施工设计资料获取盾构施工参数包括：隧道埋深H、隧道穿越地层时倾角θ、盾构管片内外径、单环管片长度L_衬砌、衬砌密度、泊松比、弹性模量；盾构机主体密度、主体长度L_盾构、设计开挖直径R_隧；注浆材料密度、泊松比、弹性模量；

步骤五中，获得隧道开挖Y_模方向的模型剖面图，采用等效塑性应变即PEEQ描述隧道周边围岩的塑性变形，将该塑性变形范围内距隧道轮廓的最远垂直距离定义为塑性变形最大距离d_max，首先计算当代表性溶洞与隧道轮廓线的距离d为1m时的数值模拟结果，若塑性变形最大距离dmax大于或等于距离d，则增大距离d重新计算，直至满足塑性变形最大距离dmax小于代表性溶洞与隧道距离d，此时该距离d即为盾构隧道周边溶洞处理范围。

2.根据权利要求1所述的基于数值模拟的岩溶地层盾构隧道溶洞处理范围判断方法，其特征在于：于步骤二中，在数值模拟软件中建立相应的三维有限元计算模型尺寸如下：三维有限元模型的横向宽度X_模和高度Z_模大于隧道开挖影响范围，即大于6倍隧道开挖直径R_隧，满足以下公式：

X_模≥6R_遂，Z_模≥6R_遂

模型的纵向长度Y_模满足模拟盾构机主体穿越代表性溶洞全过程的需求，即大于2倍盾构机主体长度L_盾构与溶洞纵向长度y_溶洞之和，满足以下公式：

Y_模≥2L_盾构+y_溶洞。

3.根据权利要求1所述的基于数值模拟的岩溶地层盾构隧道溶洞处理范围判断方法，其特征在于：于步骤三中，在上述地层有限元模型基础上，根据隧道埋深H以及设计开挖直径R_隧确定隧道的外轮廓线，并通过代表性溶洞与隧道的相对位置关系及距离d在对应位置将原有土体模型替换为代表性溶洞模型，构建地层-溶洞有限元模型。