(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 202111552594.3 (22)申请日 2021.12.17 (71)申请人 中铁十五局集团有限公司 地址 200040 上海市 静安区共和新路6 66号 6楼 (72)发明人 李少华　黄昌富　姚铁军　赵中华　 田国文　张帆舸　岳粹洲　栾焕强　 (74)专利代理 机构 上海申蒙商标专利代理有限 公司 31214 代理人 黄明凯 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) E21D 9/06(2006.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 基于不同开挖路径的叠交隧道深层土体位 移场预测方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于不同开挖路径的叠 交隧道深层土体位移场预测方法， 预测方法包括 以下步骤： 建立叠交隧道的三维模型， 叠交隧道 包括上行曲线隧道和下行直线隧道； 根据上行曲 线隧道和下行直线隧道的空间位置， 确定盾构机 以及上行曲线隧道和下行直线隧道管片外环面 的标准方程； 计算上行曲线隧道由开挖导致的深 层土体位移场 ； 计算下行直线隧道由开挖导 致的深层土 体位移场 ； 对由开挖导致的深层土 体位移场 和 进行叠加， 得到不同开挖路径 下叠交隧道深层土体位移场 。 本发明的优点 是： 能够准确预测不同开挖路径的叠交隧道施工 期由地层损失和盾壳与土体间摩擦力导致的深 层土体位移场， 具有较高的推广应用价 值。 权利要求书3页 说明书7页 附图2页 CN 114417454 A 2022.04.29 CN 114417454 A 1.一种基于不同开挖路径的叠交隧道深层土体位移场预测方法， 其特征在于， 所述预 测方法包括以下步骤： (S1)建立叠交隧道的三维模型， 所述叠交隧道包括上行曲线隧道和下行直线隧道； 根 据所述上行曲线隧道和所述下行直线隧道的空间位置， 确定盾构 机以及所述上行曲线隧道 和所述下 行直线隧道管片外环面的标准方程； (S2)基于三维 随机介质理论， 推导出所述上行曲线隧道由土体损失导致的深层土体位 移场Sc1； 基于Mindlin公式， 推 导出所述上行曲线隧道由盾构机与土体间摩擦力引起深层土 体的竖向变形； 对所述 上行曲线隧道由土体损失导致的深层土体 位移场Sc1和所述上行曲线 隧道由盾构机与土体间摩擦力引起深层土体的竖向变形进 行叠加， 得到所述上行曲线隧道 由开挖导 致的深层土体位移场Uc； (S3)基于三维 随机介质理论， 推导出所述下行直线隧道由土体损失导致的深层土体位 移场Ss1； 基于Mindlin公式， 推 导出所述下行直线隧道由盾构机与土体间摩擦力引起深层土 体的竖向变形； 对所述 下行直线隧道由土体损失导致的深层土体 位移场Ss1和所述下行直线 隧道由盾构机与土体间摩擦力引起深层土体的竖向变形进 行叠加， 得到所述下行直线隧道 由开挖导 致的深层土体位移场Us； (S4)对由开挖导致的深层土体位移场Uc和Us进行叠加， 得到不同开挖路径下所述叠交 隧道深层土体位移场U。 2.如权利要求1所述的一种基于不同开挖路径的叠交隧道深层土体位移场预测方法， 其特征在于， 步骤S1包括以下步骤： 建立曲率半径为Q的上行曲线隧道模型及与其纵向、 横向、 竖向间距分别为Dx、 Dy、 Dz的 下行直线隧道模型； 所述上行曲线隧道掘进时盾构机 外环面和管片外环面C(x0,y0,z0)的标准方程分别为： 所述下行直线隧道掘进时盾构机 外环面和管片外环面的标准方程分别为： 式中： h为所述上行曲线隧道的轴线埋深； Rc和Rs分别为所述上行曲线隧道中盾构机和 所述下行直线隧道中盾构机的外径； r1和r2分别为所述上行曲线隧道中管片和所述下行直 线隧道中管片的外径； uz1和uz2分别为所述上行曲线隧道中管片和 所述下行直线隧道中管 片竖直向下移动的位移参数。 3.如权利要求2所述的一种基于不同开挖路径的叠交隧道深层土体位移场预测方法， 其特征在于， 步骤S2包括以下步骤： (S21)基于三维随机介质理论， 推导出所述上行曲线隧道由土体损失导致的深层土体 位移场Sc1的理论公式， 包括以下步骤： 在三维直角坐标系下， 点(x0,y0,z0)处的单位体积空隙引起深层土体中任一点(x,y,z)权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114417454 A 2处的竖向位移为： 式中， r(z)为单位体积空隙在z方向上的主要影响半径， 且r(z)＝z/tanβ， 其中β 为隧道 上部围岩的主 要影响角， 可根据地质勘测资料选取； 将所述盾构机盾尾处的三维间隙概化为垂直于所述上行曲线隧道轴线的二维模型中 的理论间隙参数， 在不考虑所述盾构 机盾尾处同步注浆的情况下， 所述上行曲线隧道、 所述 下行直线隧道盾尾间隙参数分别为Gp1＝2(Rc–r1)、 Gp2＝2(Rs–r2)； 所述盾构机沿所述上行 曲线隧道的轴线的掘进长度为lc， 对单位体积空隙在所述盾构 机盾壳处三维间隙体积域内进行三重积分， 所述三维间隙体积域为厚度为Gp1的圆环沿所述 曲线行进lc长度所围成的空间体积， 以得到预测所述上行曲线隧道由土体损失导致的深层 土体位移场Sc1解： 式中： q、 θ均为 函数自变量； L1为所述上 行曲线隧道中盾构机 长度； (S22)将盾壳与土体间摩擦力f1沿三维直角坐标系的x轴、 y轴方 向进行分解， 得到空间 曲面上作用的面分布力水平分量： fx1＝f1cos( θ +π/2)、 fy1＝f1sin( θ +π/2)； 水平分量在单位 面积上沿坐标轴的集中力分别为： 获得沿x轴 、 y轴方向的集中力作用下引起深层土体中点(x,y,z)的竖向位移分别为： 式中： 为函数自变量； 当半无限体内点(x0,y0,z0)作用有沿x轴、 y轴正方向的单位集 中力时， 引起深层土体内 任意点(x,y,z)的沉降值 wx、 wy可由改进的Mi ndlin公式解得到： 式中： G为土体剪切弹性模量； μ为泊松比； (S23)对所述上行曲线隧道由土体损失导致的深层土体位移场Sc1、 沿x轴方向的集中力 作用下引起深层土体中点(x,y,z)的竖向位移Wx1以及沿y轴方向的集中力作用下引起深层 土体中点(x,y,z)的竖向位移Wy1进行叠加， 得到所述上行曲线隧道由开挖导致的深层土体权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114417454 A 3