[发明专利]一种评估浅埋隧道超挖对拱部塌方影响的方法

说明书

本发明公开了一种评估浅埋隧道超挖对拱部塌方影响的方法。它主要包括如下步骤：根据浅埋隧道超挖情况，确定超挖形状以及超挖面积；计算浅埋隧道塌方体重力做功；计算浅埋隧道塌方体内能耗散；根据最小能耗原理以及边界条件，求解塌方范围以及塌方量大小；改变不同的超挖角度、超挖高度、超挖面积，评估其对浅埋隧道塌方范围以及塌方大小的影响。本发明可以应用于浅埋地下工程中关于拱部超挖对塌方的影响分析，并且能够考虑超挖角度、超挖高度以及超挖面积等因素的影响，为评估超挖影响以及塌方的加固与防治提供理论方法指导。

技术领域

本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一种评估浅埋隧道超挖对拱部塌方影响的方法。

背景技术

随着越来越多的隧道将会修建，如目前川藏线中，隧道占了很大一部分比例。由于受围岩本身地质条件，还有钻爆施工参数等影响，超挖在隧道施工现场是常见的现象。目前相关研究文献基本是研究超挖对围岩变形受力等方面的，既有专利也多为一些检测与控制装置，如专利：一种用于铁路隧道线性超挖控制的间隔装药工具（CN201922381532.5）等。隧道塌方是常见的事故，超挖也是导致隧道塌方的主要诱因，特别是对于浅埋隧道，超挖过大时，会产生冒顶塌方。然而，尚未有文献从理论上分析超挖对浅埋隧道塌方的影响，也缺少相应的评估方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的上述技术问题，提供一种评估浅埋隧道超挖对拱部塌方影响的方法。

本发明的目的是通过如下的技术方案来实现的。

该评估浅埋隧道超挖对拱部塌方影响的方法，包括如下步骤。

（1）根据浅埋隧道超挖情况，确定超挖形状以及超挖面积；超挖形状简化为三角形，其超挖面积由下式确定。

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式中，S_c为超挖区面积；R为隧道拱部半径；θ为超挖角度；h为超挖高度；π为圆周率。

（2）计算浅埋隧道塌方体重力做功，其由下式确定。

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式中，P_γ为浅埋隧道塌方体重力做功；L₁为浅埋隧道地表塌方区宽度的一半，L₂为浅埋隧道洞内塌方区宽度的一半；γ为围岩重度；g(x)为隧道拱部轮廓函数；f(x)为塌方形状函数；v为机动容许速度场；x为直角坐标系中x轴坐标值。

其中，隧道拱部轮廓函数g(x)，具体由下式进行确定。

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式中，H为浅埋隧道埋深。

（3）计算浅埋隧道塌方体内能耗散，其由下式确定。

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式中，P_D为浅埋隧道塌方体内能耗散；为完整围岩岩石的抗压强度；A、B为围岩参数；为f(x)的切线斜率，即一阶导数；为围岩的抗拉强度。

（4）根据最小能耗原理以及边界条件，求解塌方范围以及塌方量大小，其包括如下步骤。

（Ⅰ）由浅埋隧道塌方体重力做功与内能耗散，构建如下函数。

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式中：为浅埋隧道塌方体内能耗散和塌方体重力做功之差。，为泛函数。

（Ⅱ）由泛函数的变分原理，可得其对应的欧拉方程为。

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结合边界条件，求解可得：。

式中，c₁为系数。

（Ⅲ）由几何条件可知。

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