(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 202111517565.3 (22)申请日 2021.12.13 (71)申请人 北京工业大 学 地址 100124 北京市朝阳区平乐园10 0号 (72)发明人 狄启光　李刚　夏俊卫　李鹏飞　 陶琦　罗振平　 (74)专利代理 机构 北京国坤专利代理事务所 (普通合伙) 11491 代理人 王峰刚 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种基于非关联流动法则的隧道开挖面稳 定性分析方法 (57)摘要 本发明属于盾构隧道施工技术领域， 公开了 一种基于非关联流动法则的隧道开挖面稳定性 分析方法， 包括： 通过建立数值模型确定剪胀角 对隧道掌子面的显著影 响； 利用数值模拟验证三 维破坏机制的合理性并进一步确定非关联对隧 道掌子面稳定性的影响； 由所提出的模型、 数值 模拟和现有方法获得的结果进行比较； 所述系统 包括： 数值模拟模块， 理论模型构建模块和计算 对照模块。 本发 明提供的基于非关联流动法则的 隧道开挖面稳定性分析方法， 通过建立数值模型 来验证剪胀角对隧道掌子面的显著 影响； 然后提 出一种新的三维破坏机制来研究非关联对隧道 掌子面稳定性的影响； 最后由所提出的模型、 数 值模拟和现有方法获得的结果进行比较 。 权利要求书4页 说明书15页 附图15页 CN 114254420 A 2022.03.29 CN 114254420 A 1.一种基于非关联流动法则的隧道开挖面稳定性分析方法， 其特征在于， 所述基于非 关联流动法则的隧道开挖面稳定性分析方法通过建立数值模型说明剪胀角对隧道掌子面 的显著影响； 利用数值模拟验证三维破坏机制的合理性并进一步确定非关联对隧道掌子面 稳定性的影响； 采用现有方法验证本文所提出机制。 2.如权利要求1所述的基于非关联流动法则的隧道开挖面稳定性分析方法， 其特征在 于， 所述基于非关联流动法则的隧道开挖面稳定性分析 方法包括以下步骤： 步骤一， 开展数值模拟， 验证剪胀角的影响； 步骤二， 基于数值模拟结果， 提出理论模型， 并与数值模拟结果对比， 验证理论模型的 合理性， 进一 步分析非关联法则对盾构隧道开挖面稳定性的影响； 步骤三， 将所提出模型与现有方法对比， 对比分析所得到的破坏区域和极限支护力σT的 值。 3.如权利要求2所述的基于非关联流动法则的隧道开挖面稳定性分析方法， 其特征在 于， 步骤一中， 所述 开展数值模拟， 验证剪胀角的影响包括： (1)建立数值模型， 通过有限差分软件FLAC3D 建立数值模型， 用于确定非关联流动规则 在粘性摩擦土中的影响； 土体的特征在于摩尔 ‑库仑屈服准则， 土壤参数如下： 单位重量γ 为20kN/m3， 弹性体积模量为20MPa， 泊松比ν为0.35； 地面上的载荷为零， 横向边界上法向位 移、 底部法向位移和水平位移的边界条件是固定的； (2)分析剪胀角的影响， 当剪胀角为5 °时， 破坏面积较大， 破坏带的轮廓近似于截断椭 球形状； 随着剪胀角增 加到25°， 破坏区的面积变小， 破坏区的形状 变成椭圆形。 4.如权利要求2所述的基于非关联流动法则的隧道开挖面稳定性分析方法， 其特征在 于， 步骤二中， 所述基于数值模拟结果， 提出理论模型包括： 土材料 的破坏准则采用莫尔库 仑准则， 岩土材料遵守相关的流动规则； 岩土材料通常服 从非关联流动定律， 剪胀系数由下 式定义： 其中， 剪胀系数η 的取值范围为0～ 1； 当η＝1时， 表明土体服从相关的流动规律； 鉴于土 体通常服从非关联流动规则， 通过修改基于极限分析方法解决土体稳定性问题， 修改公式 如下： 其中， c*和 分别表示 修正的内聚力和修 正的摩擦角； 基于多块破坏机制和三维3D数值模拟， 使用依赖于五个角度参数α、 β1、 β2、 β3和β4的新型 三维改进破坏机制确定剪胀系数对掌子面稳定性的影响； 设置直径 为D， 覆盖深度为C， 支护 压力和地表荷载分别用 σT与σS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4所述的基于非关联流动法则的隧道开挖面稳定性分析方法， 其特征在 于， 所述理论模型的几何性质包括： 变量是βi(for1≤i≤4)和 αi； 基于几何关系， 描述如下：权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 114254420 A 2将椭圆的半轴长度分别定义为a1(b1)， ai+1(bi+1)(1≤i≤4)， a5(b5)和a6(b6)； 第一个截 锥体与隧道面的交点是一个椭圆， 椭圆的半轴长推导如下： 第一个块体与隧道工作面相交的椭圆面积A1如下： 其他椭圆的半轴长推导如下： 其中， 权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 114254420 A 3