[发明专利]一种任意开挖断面隧洞的围岩应力分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种隧洞围岩稳定性分析和评价领域里围岩应力分布的确定方法，它用来在隧洞开挖后的围岩稳定性分析与评价过程中快捷方便高效地确定围岩应力的分布和开展围岩应力分析。

背景技术

通常的，地下隧道围岩应力分析的方法有以下四种。一种是数值计算法，需要对地下隧洞围岩进行弹塑性力学分析，确定具体边界条件下的围岩位移场或应力场，然后根据求得的结果进行围岩应力分析和稳定性评价，以确定地下隧洞结构设计的可靠性和施工方案的合理性。具体计算确定方法有有限元法、边界元法和离散元法等。这个方法的缺点是：针对相类似的工程分析结果往往差异较大，且计算结果与实际情况之间也存在着一定的差距，这与计算时材料模型选取、计算参数取值、计算模式确定及对问题的简化程度等方面是有关的，因此对于数值模拟当前采取的是“定量分析，定性应用”一种理念；其次是效率低，特别是当边界条件发生变化时（荷载及材料属性等），需要针对每一种边界条件重新建模计算应力场或位移场。对于工程问题，每次有限元法或边界元法计算的工作量都较大，所以总效率很低；第二种方法是模型试验，该方法能把工程结构与围岩作为统一体考虑，较好地反映了岩体特性且能模拟复杂工程结构与地质环境。只要能满足一定的相似关系，不必建立复杂的本构关系或进行严密的计算分析，可直接通过测试得出结果，省去了数学、力学上的麻烦。但模型试验也存在尺寸效应、试验难度大以及费用高等不足。第三种方法是现场监控量测，通过该方法可动态地掌握围岩应力、变形及支护结构的工作状态。通过该方法获取的具体位移和应力信息就工程本身实践来讲意义是重大的，但无法对同类问题做规律性研究。第四种方法是解析法，该方法采用数学力学的计算取得围岩应力和位移的闭合解。利用解析方法讨论隧道围岩稳定性的优势在于所获得的是精确解，对计算所涉及到的各参数讨论比较方便并容易得到规律性的认识。然而，受制于数学计算方法研究的缺失，单洞隧道围岩应力场和位移场解析解的研究成果更多地集中在圆形隧道方面，而对于任意开挖断面的隧洞围岩应力分析成果尚未成熟。

现有技术存在的缺点是：(1)运用数值计算方法进行任意开挖断面隧洞围岩应力分析时，针对相类似的工程分析结果往往差异较大，且计算结果与实际情况之间也存在着一定的差距，对实际工程分析时的效率也较低；当前对该方法的使用是基于一种“定量分析，定性应用”的理念。（2）模型试验存在尺寸效应、试验难度大以及费用高等不足。(3) 通过现场监控量测仅能获取具体工程的位移和应力信息，由于实际工程的边界条件千差万别，该方法对同类问题无法做规律性研究。（4）受制于数学计算方法研究的缺失，任意开挖断面隧洞的围岩应力解析解的研究成果主要集中在圆形和椭圆形隧洞方面，对其它任意开挖断面的研究成果不成熟，且未给出解析解显式，通用性差，利用现有成果无法对任意开挖断面的隧洞围岩应力进行弹塑性解析分析。

发明内容

为克服已有的地下隧道任意开挖断面围岩应力分析方法的不足，弥补由于数学力学方法研究的缺失而造成的任意开挖断面隧洞围岩应力解析分析的不成熟，填补任意开挖断面围岩应力尚未有解析解通式的空白，本发明提供一种独特的地下隧洞围岩应力解析分析方法，能高精度和高效率地解决任意开挖断面围岩应力的求解问题，快捷地进行围岩应力分析，使进行任意开挖断面隧洞的围岩应力弹塑性解析分析成为可能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种任意开挖断面隧洞的围岩应力分析方法，包括下述步骤：

（1）建立力学模型：

设围岩容重为γ、侧压力系数为λ、隧道埋深为H及开挖跨度为D，当隧道埋深H与开挖跨度D满足H≥10D时,隧道原始地应力场简化为无穷远处均布的竖向应力、水平应力，剪应力；

（2）建立任意开挖断面与变量ζ的映射函数：

对隧洞的任意开挖断面，将任意开挖断面看成由ζ平面上的单位圆映射而得，从而将单位圆外域映射到任意断面隧洞外域，