一种地震荷载条件下的隧道开挖面稳定性分析方法与流程

技术特征：
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：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σ
s
；此外，均匀压力用σ
t
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β
i
(for1≤i≤4)和α1，分别将椭圆的半轴长度定义为a1(b1),a
i 1
(b
i 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：半轴长推导如下：其中：
两个截锥体i和i 1之间的面积a1和a
i,i 1
(1≤i≤4)如下：a
i,i 1
＝πa
i,i 1
b
i,i 1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)a5＝πa5b5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)a6＝πa6b6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)截锥体的体积v1,v
i
(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k
h
g与k
v
g为掌子面的地震力，关系式表示如下：k
v
g＝ξk
h
g
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)式中k
h
和k
v
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：p
e
≤p
v
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)外荷载的功率p
e
，包括支护压力的功率p
t
、附加荷载的功率p
s
、土单位重量的功率p
γ
以及水平和垂直地震力产生的总功率p
γ
'，由式(16)-(20)计算；p
t
＝-a1cosασ
t
v1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)p
s
＝v5sin(2β2 2β4 α)a6σ
s
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)(17)p
e
＝p
t
p
s
p
γ
p
γ
'
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)
基于上限定理，结合方程(15)-(19)通过以下方式获得：其中n
γ
,n
c
和n
s
是无量纲系数，分别代表土壤重量、黏聚力和附加荷载的影响，并且n
γ
与n
s
通过公式计算；基于数值模拟结果，n
c
和n
s
与以下经典公式相关：粘性摩擦土中的最优解可以基于五个变量α,β1,β2,β3,β4通过使用方程中(21)的数学程序最大化获得。7.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，所述步骤二中，验证理论模型在分析隧道掌子面稳定性时的合理性，具体过程为：以验证基于非关联流动规律的理论模型在盾构隧道地震稳定性研究中的准确性，将理论模型所得结果与数值模拟结果进行对比；通过有限差分计算机程序进行一系列数值分析，以计算极限支护压力和破坏区域。8.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，所述步骤三中，通过理论方法进行参数分析，包括：水平地震效应系数的影响和竖向地震效应系数的影响；水平地震效应系数的影响包括：水平地震效应系数对极限支护压力的影响和水平地震效应系数对破坏区域的影响；竖向地震效应系数的影响包括：竖向地震效应系数对极限支护压力的影响和竖向地震效应系数对破坏区域的影响。

技术总结
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。是在具有高摩擦角或单位重量的土壤中。是在具有高摩擦角或单位重量的土壤中。


技术研发人员：狄启光 李刚 夏俊卫 李鹏飞 陶琦 罗振平
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2021.12.13
技术公布日：2022/3/15