[发明专利]一种计算大纵坡矩形隧道掘进面支护压力的方法

说明书

本发明公开了一种计算大纵坡矩形隧道掘进面支护压力的方法、设备及计算机存储介质，包括获取楔形体体积及与地面夹角，计算楔形体自重，获取上部模型体积与周向面积，基于土拱效应计算上部模型的竖向应力，利用竖向应力与楔形体上表面积计算楔形体所受竖向力，利用楔形体自重、竖向力、楔形体滑动面摩擦力和楔形体侧面摩擦力，建立楔形体极限平衡方程，得土仓土体对掌子面作用力，基于土仓土体自重，利用土仓土体对掌子面作用力建立土仓土体极限平衡方程，得支护压力，建立大纵坡矩形隧道模型，针对工程建设中所遇到的大纵坡条件下矩形隧道掘进，提特有情况下计算极限支护压力和评价隧道开挖面稳定性的方法，有效规避工程风险，达到预期规划要求。

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，特别是涉及一种计算大纵坡矩形隧道掘进面支护压力的方法、设备及计算机存储介质。

背景技术

随着许多学者通过理论分析、数值试验等方法研究了矩形顶管掌子面稳定性问题。在此基础上引入大纵坡条件，理论方面研究方法有极限平衡法，雷明锋等基于筒仓理论，采用极限平衡分析，引入线路坡度角，建立了迎坡施工条件下盾构隧道开挖面极限支护力的计算模型；梁禹等同样采用极限平衡法，将支护力求解以变分学观点来描述，并考虑隧道纵坡坡度及超孔隙水压力对极限支护力的影响，对隧道极限支护力计算公式提出了修正。周峻等采用极限分析上限法建立土体破坏模型，推导上坡条件下的开挖面极限支护压力理论公式；Huang等研究了一种基于连续速度场(CVF)的考虑纵向倾斜隧道角度和各向异性纯粘性土的隧道掌子面稳定性分析方法，提出了一种改进的加压盾构驱动纵向倾斜隧道三维CVF模型；Liu等采用边坡法对不同施工线边坡下的隧道工作面极限支护压力进行了分析研究了内摩擦角、土的黏结力、界面摩擦角、覆盖层厚度和隧道施工线坡度对极限支护压力的影响。

矩形隧道掘进机因其断面利用率高，施工扰动小等优点，被越来越多地应用于大断面隧道工程中。掘进面稳定。掘进面稳定性是隧道工程施工中重点关注的问题，掘进面失稳会对地下工程及周边环境带来非常不利的影响。矩形断面掘进机的刀盘布置通常为平行多轴小刀盘或偏心多轴大小组合刀盘，具有开口率较大的特点，因此中等体积抛石、圆砾石、钢板和钢管碎片容易通过辐条空隙进入土仓。而螺旋出土器的孔径有限，容易造成出土不畅，导致支护压力波动大，需要开仓清障才能继续进行掘进。实际工程中部分设置了人仓的掘进机可以通过人工进仓来清除障碍，有极大的安全隐患；而对于未设置人仓的掘进机，则可以通过螺旋输送机来进行清障，达到开仓效果。

支护压力计算是隧道安全分析中的重要部分，现有的楔形体模型是在平坡条件下矩形顶管开挖面稳定性展开研究，没有考虑土仓土体自重在大纵坡条件下对支护压力的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种计算大纵坡矩形隧道掘进面支护压力的方法、设备及计算机存储介质，以解决现有技术中没有考虑土仓土体自重在大纵坡条件下对支护压力的影响。

为解决上述技术问题，本发明提供一种计算大纵坡矩形隧道掘进面支护压力的方法，包括：

建立大纵坡矩形隧道模型，所述大纵坡矩形隧道模型包括下部模型和上部模型，所述下部模型为楔形体和所述楔形体正前方的土仓土体，对应隧道工作面前方土体区域，上部模型对应为下部模型土体区域的上覆土体；

获取所述楔形体体积及与地面夹角，计算得所述楔形体自重G₁；

获取所述上部模型体积与周向面积，基于土拱效应计算得所述上部模型的竖向应力σ_v；

利用所述竖向应力σ_v与所述楔形体上表面积计算得楔形体所受竖向力P_v；

利用所述楔形体自重G₁、所述竖向力P_v、楔形体滑动面摩擦力T₁和楔形体侧面摩擦力T₂，建立楔形体极限平衡方程，得到土仓土体对掌子面作用力P_t1；