(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 202111478515.9 (22)申请日 2021.12.0 6 (71)申请人 成都理工大 学 地址 610000 四川省成 都市二仙桥 东三路1 号 (72)发明人 李天斌　魏大强　孟陆波　宋涛　 李磊　祝陆彬　 (74)专利代理 机构 成都顶峰专利事务所(普通 合伙) 51224 代理人 杨国瑞 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 30/13(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种隧道波纹钢初期支护结构的力学行为 分析方法 (57)摘要 本发明涉及隧道初期支护技术领域， 公开了 一种隧道波纹钢初期支护结构的力学行为分析 方法。 通过本发明创造， 提供了一种预判隧道波 纹钢初期支护结构的适用性的新方案， 即在获取 在建隧道工程中目标工程段的隧道截面几何参 数和隧道围岩参数后， 可通过基于力法的内力计 算方法得到在待建的隧道波纹钢初期支护结构 中隧道拱形段上各处位置的内力(即轴力和弯矩 等)及正应力， 最终通过最大正应力与钢材许用 应力的比较结果来确定所述隧道波纹钢初期支 护结构是否适用于所述目标工程段， 进而可为隧 道初期支护结构的设计和施工提供可行方案， 确 保初期支护结构的安全性， 利于波纹钢板在隧道 工程中进行推广使用。 权利要求书5页 说明书13页 附图5页 CN 114329909 A 2022.04.12 CN 114329909 A 1.一种隧道波纹钢初期支护结构的力学 行为分析 方法， 其特 征在于， 包括： 获取在建隧道工程中目标工程段的隧道截面几何参数和隧道围岩参数； 针对用于设置在所述目标工程段的隧道波纹钢初期支护结构， 根据所述隧道截面几何 参数和所述隧道围岩参数， 计算得到该隧道波纹钢初期支护结构所需承受的垂 直均布压力 和水平均布压力； 根据所述隧道截面几何参数、 所述垂直均布压力和所述水平均布压力， 采用力法计算 得到所述隧道波纹钢初期支护结构中隧道拱 形段上各处位置的轴力和弯 矩； 针对所述隧道拱 形段上的各处位置， 按照如下公式计算得到对应的正应力σ： 式中， max()表示取最大值函数， FN表示对应位置的轴力， A表示在所述隧道波纹钢初期 支护结构 中所用波纹钢板的波纹钢板截面积， M表示对应位置的弯矩， h表示所述所用波纹 钢板的波高， I表示所述所用波纹钢板的波纹钢板惯性矩； 从计算所 得的结果中选取 出最大正应力σmax； 判断所述最大正应力σmax与钢材许用应力的比值是否小于预设阈值， 其中， 所述钢材许 用应力为所述所用波纹钢板的已知许用应力， 所述预设阈值小于或等于1； 若是， 则确定所述隧道波纹钢初期支护结构适用于所述目标工程段。 2.如权利要求1所述的力学行为分析方法， 其特征在于， 所述隧道截面几何参数包含有 隧道宽度， 所述隧道围岩参数包含有围岩重度、 围岩级别和在隧道宽度每增减1米时的围岩 压力增减率； 根据所述隧道截面几何参数和所述隧道围岩参数， 计算得到该隧道波纹钢初期支护结 构所需承受的垂直均布压力， 包括： 按照如下公式计算得到所述垂直均布压力： qv＝0.45*2S‑1*γ(1+i(B ‑5)) 式中， qv表示所述垂直均布压力且单位为kN/m2， S表示所述围岩级别且在自然数区间 [1,6]中取值， γ表示所述围岩重度且单位为kN/m3， i表示所述围岩压力增减率， B表示所述 隧道宽度。 3.如权利要求2所述的力学行为分析方法， 其特征在于， 根据所述隧道截面几何参数和 所述隧道围岩参数， 计算得到该隧道波纹钢初期支护结构所需承受的水平均布压力， 包括： 按照如下公式计算得到所述水平均布压力： qh＝ η qv 式中， qh表示所述水平均布压力 且单位为kN/m2， qv表示所述垂直均布压力 且单位为kN/ m2， η表示侧压力系数， 并在所述围岩级别为1级 或2级时取零值， 在所述围岩级别为3级时取 大于0且小于0.15的值， 在所述围岩级别为4级时取大于0.15且小于0.3的值， 在所述围岩级 别为5级时取 大于0.3且小于 0.5的值， 在所述围岩级别为6级时取 大于0.5且小于1.0的值。 4.如权利要求1所述的力学行为分析方法， 其特征在于， 根据所述隧道截面几何参数、 所述垂直均布压力和所述水平均 布压力， 采用力法计算得到所述隧道波纹钢初期支护结构 中隧道拱 形段上各处位置的轴力和弯 矩， 包括：权　利　要　求　书 1/5 页 2 CN 114329909 A 2以所述隧道波纹钢初期支护结构中的上部支护结构为研究对象， 将其简化为平面应变 模型， 取一个波长的长度进行计算， 并根据隧道 开挖支护过程中对拱脚的约束情况， 将所述 上部支护结构中拱脚与支座的约束方式简化 为无铰拱力学模型； 将所述无铰拱力学模型转换为静定结构力学模型， 并利用力法基本体系的基本方程求 得所述上部支护结构中隧道拱顶点C的轴力和弯 矩； 根据所述隧道拱顶点C的轴力和弯矩， 按照如下公式计算得到所述上部支护结构中隧 道拱脚点A的弯 矩： 式中， MA表示所述隧道拱脚点A的弯矩且单位为kN ·m， FCx表示所述隧道拱顶点C的轴 力， R表示所述隧道截面几何参数中记载的且所述上部支护结构中隧道拱腰段的圆弧半径， L表示隧道边墙段AB的长度， θ表示所述隧道边墙段AB与竖直方向的夹角， qv表示所述垂直 均布压力且单位为kN/m， qh表示所述水平均布压力且单位为kN/m， MC表示所述隧道拱顶点C 的弯矩且单位 为kN·m； 根据所述隧道拱顶点C的轴力和弯矩， 按照如下公式计算得到所述上部支护结构中隧 道边墙段AB上任意 一点的轴力和弯 矩： 式中， FN,AB表示所述隧道边墙段AB上任意一点的轴力， MAB表示所述隧道边墙段AB上任 意一点的弯矩， h表示所述隧道边墙段AB上任意 一点相对于所述隧道拱脚点A的高度； 根据所述隧道拱顶点C的轴力和弯矩， 按照如下公式计算得到所述上部支护结构中隧 道拱腰段BC上任意 一点的轴力和弯 矩： 式中， FN,BC表示所述隧道拱腰段BC上任意一点的轴力， MBC表示所述隧道拱腰段BC上任 意一点的弯矩， β 表示半径线段XO与隧道中线的夹角， 所述半径线段XO为连接所 述隧道拱腰段BC上任意 一点X和所述隧道拱腰段BC的圆心O的线段。 5.如权利要求1所述的力学行为分析方法， 其特征在于， 在针对所述隧道拱形段上的各 处位置， 计算得到对应的正应力之前， 所述方法还 包括: 获取所述波纹钢板的波形参数， 其中， 所述波形参数包含有板厚、 波高、 波长和峰谷区 圆弧半径； 根据所述波形参数， 按照如下公式计算得到峰谷区弧形 段角度：权　利　要　求　书 2/5 页 3 CN 114329909 A 3