(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 202111601128.X (22)申请日 2021.12.24 (71)申请人 中铁四局集团有限公司 地址 230023 安徽省合肥市包河区望江东 路96号 (72)发明人 李然　王圣涛　申志军　潘红桂　 艾鹏鹏　周云飞　徐洪强　方伏浪　 张伟　李奥　罗基伟　徐曈　 齐伟伟　李建业　 (74)专利代理 机构 合肥天明专利事务所(普通 合伙) 34115 代理人 金凯 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/20(2020.01) (54)发明名称 一种基于管间土拱特性的深埋管幕支护效 果评价方法 (57)摘要 本发明提供一种基于管间土拱特性的深埋 管幕支护效果评价方法， 首先分析管幕横向土拱 特性， 确定管幕所受荷载； 再建立管幕双参数弹 塑性Pasternak地基梁力学模型， 得到管幕变形 及内力的解析表达式； 进而提出管幕作用下的围 岩与初支承 载比计算公式， 并得到特定工况下的 管幕最大变形及围岩与初支承 载比； 再确定管幕 容许最大变形及容许最小围岩与初支承载比， 在 特定工况下对比评价管幕支护效果， 并进行设计 优化。 本发 明通过科学量化得到管幕超前支护的 受力， 具有普适性， 容易被设计人员理解和接受， 考虑了相邻管幕之间的土拱特性的管幕受力， 显 著提高隧道 开挖安全， 通过管幕最大变形和围岩 与初支承载比两个指标参数合理评价管幕的承 载减跨及荷载传递作用， 并能够优化隧道管幕的 设计施工参数， 充分发挥管幕支护的整体性能， 提高隧道管幕设计的科 学性和经济性。 权利要求书5页 说明书11页 附图2页 CN 114398698 A 2022.04.26 CN 114398698 A 1.一种基于管间土拱 特性的深埋管幕支护效果评价方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1、 分析管幕横向土拱 特性， 确定管幕所受荷载； S2、 建立管幕双参数弹塑性Pasternak地基梁模型， 得到管幕变形及内力的解析表达 式； S3、 提出管幕作用下的围岩与初支承载比计算公式， 并得到特定工况下的管幕最大变 形及围岩与初支承载比； S4、 确定管幕容许最大变形及容许最小围岩与初支承载比， 在特定工况下对比评价管 幕支护效果， 并进行设计优化。 2.根据权利要求1所述的一种基于管间土拱特性的深埋管幕支护效果评价方法， 其特 征在于， 所述 步骤S1具体通过以下 方法实现： S11、 根据普氏压力拱理论考虑相邻管幕之间的土拱特性， 建立相应的力学模型： 管幕 视为圆柱形钢管且在隧道拱部外圈环向等距离分布； Ht和Bt分别是开挖隧道的高度和跨度， 隧道外径为R， 围岩重度为γ， 管幕外径为D， 相邻 两管幕距离为D1， 净间距为D2， 相邻两个管 幕的夹角为α， 为围岩摩擦角， R+g为管幕圆弧半径； S12、 从拱顶向两侧依次将每根管幕进行编号， 将压力拱区松动岩体重力看作管幕荷 载， 则任一编号为Cn的管幕对应的荷载高度为Hdn， 与Cn号管幕相邻两个管幕的编号记为Cn‑1 和Cn+1， 且与Cn号管幕的水平夹角记为θn‑1和 θn+1； S13、 在管幕力学模型中， 将相邻两个管幕的中心连线定义为x轴、 相邻两个管幕的垂直 中线定义为y轴建立若干直角坐标系， 通过在每个坐标系内建立土拱轴线对管幕对应的荷 载高度进行解析， 不 考虑岩体抗拉强度， 则该土拱轴线为由方程y＝mx2+n表示的抛物线； S14、 在管幕Cn‑1与Cn间的直角坐标系中， 土拱轴 线与管幕Cn‑1与Cn的交点为V1和V2， 分别 与V1和管幕Cn‑1圆心的连线、 V2和管幕Cn圆心的连线垂直的线段与x轴的交点分别为M1和M2， 假设线段V1Cn‑1、 V2Cn均与土拱轴线相切且与x轴的夹角均为 则线段V1M1、 V2M2与x 轴的夹角为 则V2点的坐标 可表示为 S15、 将V2点的坐标 带入土拱轴线方程， 解得： 土拱轴线上 方的均匀荷载qn‑1和qn‑1通过以下解析式得到： 土拱轴线竖向集中荷载pn‑1与pn+1可表示为： 权　利　要　求　书 1/5 页 2 CN 114398698 A 2对二者取平均值， 得到管幕Cn上方的垂直荷载pn： 3.根据权利要求1所述的一种基于管间土拱特性的深埋管幕支护效果评价方法， 其特 征在于， 所述 步骤S2具体通过以下 方法实现： S21、 将围岩看成均质且连续的弹塑性实体， 那么管幕的挠曲变形具有伯努利 ‑欧拉梁 的力学特性， 由此得到基于Pasternak弹塑性地基梁的管幕力学模型， 根据Pasternak地基 梁的反力解析式通过 下式得到： 其中： p(x)是 围岩地基抗力， k是 围岩基床系数， w(x)是管幕挠曲变形量， Gp是围岩地基 抗剪模量； S22、 考虑隧道支护延滞性、 基床系数变化、 应力释放和地层弹塑性因素， 将管幕沿着开 挖面前进 方向由后向前依次划分成支护封闭区段OA、 支护未封闭区段AB、 未支护区段BC、 塑 性扰动区段CD、 弹性扰动区段DE和未扰动区段EF； S23、 由于单 元受力平衡， 得 出： 其中， V(x)为管幕剪力， M(x)为管幕弯矩， q(x)为管幕所受荷载， b为围岩地基梁宽度， b* 为等效围岩地基宽度， b*＝b[1+(Gp/k)1/2/b]； S24、 基于伯努利 ‑欧拉梁理论， 能够得出管幕的力学响应， 包括管幕偏转角 θ(x)， 纵向 应变 ε(x)， 管幕剪力V(x)， 管幕弯 矩M(x)和管幕挠度变形W(x)的微分解析公式： 通过上述公式(9) ‑(13)， 解出 管幕变形控制微分平衡方程： S25、 考虑管幕土拱 特性与地层 荷载时空效应， 得到Pasternak 地基梁的管幕力学模型： 初支封闭区段OA， 长度为a， 该区段管幕承担的荷载为静荷载， 即q(x)＝q0， q0按普氏理 论公式计算取值； 该区段围岩地基抗力 该区段的控制微分平衡 公式为 权　利　要　求　书 2/5 页 3 CN 114398698 A 3