(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111518823.X (22)申请日 2021.12.13 (71)申请人 北京工业大 学 地址 100124 北京市朝阳区平乐园10 0号 (72)发明人 狄启光　李刚　夏俊卫　李鹏飞　 陶琦　罗振平　 (74)专利代理 机构 北京国坤专利代理事务所 (普通合伙) 11491 代理人 王峰刚 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种地震荷载条件下的隧道开挖面稳定性 分析方法 (57)摘要 本发明属于盾构施工技术领域， 公开了一种 地震荷载条件 下的隧道开挖面稳定性分析方法， 包括： 基于非关联流动法则， 对隧道开挖面稳定 性极限分析， 采用拟静力法推导出地震作用下隧 道掌子面极限支护压力和破坏区域的计算公式； 基于拟静力方法建立数值模型， 验证理论模型在 分析隧道掌子面稳定性的合理性； 通过理论方法 进行参数分析。 本发明将为盾构隧道施工中的支 护压力设计提供参考。 结果表明， 该模型对考虑 地震作用的隧道掌子面稳定性分析是合理的。 此 外， 在设计隧道掌子面极限支护压力时， 不仅要 考虑地震效应， 还要考虑非关联流动规律， 尤其 是在具有高摩擦角或单位重量的土 壤中。 权利要求书3页 说明书15页 附图14页 CN 114186344 A 2022.03.15 CN 114186344 A 1.一种地震荷载条件下的隧道开挖面稳定性分析方法， 其特征在于， 所述地震荷载条 件下的隧道开挖面稳定性分析 方法， 包括： 步骤一， 基于非关联流动法则， 对隧道开挖面稳定性极限分析， 采用拟静力法推导出地 震作用下隧道掌子面极限支护压力和破坏区域的计算公式； 步骤二， 基于拟静力方法建立数值模型， 验证理论模型在分析隧道掌子面稳定性时的 合理性； 步骤三， 通过理论方法进行参数分析。 2.如权利要求1所述地震荷载条件下的隧道开挖面稳定性分析方法， 其特征在于， 所述 步骤一中， 非关联流动法则具体为： 土体不受相关流动规则的约束， 剪胀系数 η定义如下： 其中， ψ和 分别表示剪胀角和摩擦角； η通常小于1， 在极限分析中用到非关联流动规则的影响， 修改土壤参数， 修改公式如 下： 其中c*和 分别表示 修正的内聚力和修 正的摩擦角。 3.如权利要求1所述地震荷载条件下的隧道开挖面稳定性分析方法， 其特征在于， 所述 步骤一中， 对隧道开挖面稳定性极限分析包括： 失效机制分析、 几何特性分析、 地震力分析、 极限支护压力分析。 4.如权利要求3所述地震荷载条件下的隧道开挖面稳定性分析方法， 其特征在于， 所述 失效机制分析 具体为： 基于现有的多块模型建立一种新模型， 模型由五个截锥和一个分布力组成； 在分析隧 道掌子面稳定性时， 将利用依赖于五个角参数α, β1, β2, β3和β4的改进机制， 基于非关联流动 规律研究地震作用对掌子面的影响； 直径为D， 覆盖深度为C， 地表上施加了超载σS； 此外， 均匀压力用σT表示； 随着覆盖深度 的增加， 形成塌陷的拱 形； 模型由五个截锥体和截断椭球 体或椭球 体引起的分布力组成。 5.如权利要求3所述地震荷载条件下的隧道开挖面稳定性分析方法， 其特征在于， 所述 几何特性分析， 具体 为： 基于失效模型， 变 量被定义为βi(for1≤i≤4)和α1， 分别将椭圆的半 轴长度定义为a1(b1),ai+1(bi+1)(for1≤i≤4)和a5(b5)； 第一截锥体与隧道面的交点为椭 圆， 当隧道前 方区域坍塌并可能扩展到地表时， 半轴长推导如下： 其中：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114186344 A 2两个截锥体i和i+1之间的面积A1和Ai,i+1(1≤i≤4)如下： Ai,i+1＝ π ai,i+1bi,i+1                                      (9) A5＝ π a5b5                                           (10) A6＝ π a6b6                                           (11) 截锥体的体积V1,Vi(2≤i≤4)和V5计算； 当上部刚锥体与地面相交时， 即C0＞C， V6计算 如下： 相反， V6定义如下： 6.如权利要求3所述地震荷载条件下的隧道开挖面稳定性分析方法， 其特征在于， 所述 地震力分析， 具体为： 将动力学效应简化为作用在物体上的惯性力， 地震力khG与kvG为掌子 面的地震力， 关系式表示如下： kvG＝ξ khG                             (14) 式中kh和kv分别为水平和垂直 地震效应系数， ξ 为比例系数； G是土体重量； 所述限制支护压力分析， 具体为： 根据上界定理， 掌子面的稳定性应满足以下 条件： Pe≤Pv                              (15) 外荷载的功率Pe， 包括支护压力的功率PT、 附加荷载的功率PS、 土单位重量的功率Pγ以 及水平和垂直 地震力产生的总功率Pγ'， 由式(16) ‑(20)计算； PT＝‑A1cosα σTv1                              (16) PS＝v5sin(2β2+2β4+α )A6σS                       (17) Pe＝PT+PS+Pγ+Pγ'                                  (20)权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114186344 A 3