[发明专利]一种土质地层深埋不等跨隧道围岩压力确定方法

权利要求书

1.一种土质地层深埋不等跨隧道围岩压力确定方法，包括如下步骤：

(1)建立T₁洞与T₂洞土质深埋不等跨隧道围岩压力破坏模式；该破坏模式中，由于深埋，围岩破坏仅存在隧道周边，未波及到地表；该破坏模式可以考虑两个隧道跨度不相等、埋深不相等的情况，即T₁洞与T₂洞跨度不同，T₁洞、T₂洞的埋深不同；其中，T₁洞为大跨洞，T₂洞为小跨洞；

(2)土质围岩采用非线性破坏准则，其中，计算黏聚力由下式确定：

式中，c_t为计算黏聚力；m为非线性系数；c₀为土体初始黏聚力；σ_t为轴向拉应力；为计算摩擦角；

(3)计算各破坏块体之间的速度关系与边长关系，其包括如下步骤：

(Ⅰ)确定各破坏块体部分的速度场：

T₁洞上部破坏块体为三角形块体ΔB₁J₁O₁与梯形块体O₁J₁OC₁组成，速度为v₀，竖直向下；T₁洞左侧破坏块体为三角形块体ΔB₁AB，移动速度为v₁，相对速度为v_0,1；各破坏块体之间速度矢量与间断线夹角大小等于土质围岩的计算摩擦角各破坏块体速度满足矢量闭合；α为T₁洞左侧块体BA边与BB₁边的夹角；β为T₁洞左侧块体AB₁边与BB₁边的夹角；

以同样的方式可以推导出其它块体速度矢量关系；其中，T₁洞右侧破坏块体CDC₁M₀的角度、速度以α'、β'、θ、v'标识，α'为CD边与CM₀边的夹角，β'为CD边与DM₀边的夹角，θ为DC₁边与DM₀边的夹角，v'为破坏块体ΔDC₁M₀的速度；T₂洞左侧破坏块体M₀F₁EF的角度、速度以α”、β”、θ'、v”标识，α”为FE边与FM₀边的夹角，β”为FE边与EM₀边的夹角，θ'为EF₁边与EM₀边的夹角，v”为破坏块体ΔEF₁M₀的速度；T₂洞右边破坏块体ΔG₁HG角度、速度以α”'、β”'、v”'标识，α”'为GH边与GG₁边的夹角，β”'为G₁H边与GG₁边的夹角，v”'为破坏块体ΔG₁HG的速度；

(Ⅱ)计算各破坏块体速度与边长的关系：

由上述破坏模式各破坏块体之间的几何关系，可以得到各破坏块体边长之间的关系如下：

对于T₁洞左侧三角形块体ΔB₁AB：

AB₁＝AB tanα＝h₁tanα

BB₁＝AB/cosα＝h₁/cosα；

式中，α为T₁洞左侧块体B₁B边与AB边的夹角；h₁为T₁洞的拱顶高度；

对于T₁洞右侧块体CDC₁M₀：

式中，α'为T₁洞右侧块体CD边与CM₀边的夹角；θ为DC₁边与DM₀边的夹角；

对于T₁洞上部块体B₁J₁OC₁：

式中，BT₁为T₁洞的跨度；

由上述破坏模式与速度矢量关系，可以得到T₁洞左侧三角形块体ΔB₁AB速度v₁、v_0,1与速度v₀的关系如下：

对于T₁洞右侧块体CDC₁M₀，速度v'₁、v'_0,1、v'₁₁、v'_10,1与速度v₀的关系如下：

(4)计算深埋隧道周边破坏范围内土质围岩重力做功功率，其包括如下步骤：

(Ⅰ)T₁洞周边破坏块体由以下几部分组成：T₁洞上部三角形块体ΔB₁J₁O₁与梯形块体O₁J₁OC₁、T₁洞左侧三角形块体ΔB₁AB、T₁洞右侧三角形块体ΔCDM₀与三角形块体ΔDC₁M₀；计算各个部分面积：

(Ⅱ)确定隧道周边各破坏块体土体重力做功功率计算公式如下：

对于T₁洞，土体重力做功功率为：

同理，对于T₂洞，土体重力做功功率为：

式中：γ为土体重度；为T₁洞周边各破坏块体土体重力做功功率；为T₂洞周边各破坏块体土体重力做功功率；P_W为两不等跨隧道即T₁洞和T₂洞周边整个破坏块体土体重力做功功率；为T₂洞洞顶上部四边形块体G₁J₂OF₁的面积；为T₂洞右侧三角形块体HG₁G的面积；为T₂洞左侧三角形块体EF₁M₀的面积；为T₂洞左侧三角形块体EFM₀的面积；

(5)计算深埋不等跨隧道周边破坏范围内土质围岩内能耗散功率，其由下式确定：

内能耗散功率P_C为各破坏块体间断线上的能量耗散功率之和，对于间断线B₁J₁与J₁O上的能量耗散功率：

则能量耗散功率为：

式中，为T₁洞周边各破坏块体间的内能耗散功率；为T₂洞周边各破坏块体间的内能耗散功率；P_C为两不等跨隧道即T₁洞和T₂洞周边整个破坏块体的内能耗散功率；

(6)计算支护反力做功功率，其由以下步骤确定：

(Ⅰ)在深埋隧道中，隧道顶板支护反力q和边墙支护反力e存在如下关系：

q＝Ke

令k₁＝(q₂-q₁)/q_aBT₁；k₂＝(q₃-q₄)/q_bBT₂；q_a＝(q₁+q₂)/2；q_b＝(q₃+q₄)/2；

式中，q_a为T₁洞顶板平均支护力；q_b为T₂洞顶板平均支护力；q₁为T₁洞顶板左侧支护反力；q₂为T₁洞顶板右侧支护反力；q₃为T₂洞顶板左侧支护反力；q₄为T₂洞顶板右侧支护反力；K、k₁、k₂为待定系数；BT₁为T₁洞的跨度；BT₂为T₂洞的跨度；

(Ⅱ)支护反力做功功率由下式确定：

式中，为T₁洞支护反力做功功率；为T₂洞支护反力做功功率；P_T为两不等跨隧道即T₁洞和T₂洞支护反力总做功功率；h₁为T₁洞的拱顶高度；h₂为T₂洞的拱顶高度；

(7)根据能量守恒原理，并结合约束条件，求解支护反力，即可得到围岩压力，其包括如下步骤：

(Ⅰ)根据能量守恒原理，土体重力做功功率与内能耗散功率的差值等于支护反力做功功率，即：

P_W-P_C＝P_T；

(Ⅱ)根据上述公式，可得支护反力q_a、q_b：

(Ⅲ)根据速度矢量闭合及各破坏块体几何条件，各角度参数须满足下式所示的约束条件：

式中，BD为T₁洞与T₂洞之间的净距；

(Ⅳ)由于小净距隧道之间相互影响，为保证隧道围岩压力计算结果可靠，以隧道跨度值作为支护反力计算安全系数，令m₁＝BT₁/(BT₁+BT₂)，m₂＝BT₂/(BT₁+BT₂)，令q＝(q_a*m₁)+(q_b*m₂)，其中m₁、m₂根据T₁洞、T₂洞的跨度值确定，表示两隧道相对跨度的大小；q为考虑跨度影响的T₁洞、T₂洞的平均竖向支护力；

(Ⅴ)由一组角度α、α'、α”、α”'、θ、θ'及可确定其破坏模式形状，可完全确定其形状，并得到对应真值解q，即在满足约束条件的情况下，采用优化方法求得q的最大值，即可求得两隧道的支护反力，即为土质地层深埋下各不等跨隧道的围岩压力值。