(19)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 202210904634.4 (22)申请日 2022.07.29 (71)申请人 武汉理工大 学 地址 430070 湖北省武汉市洪山区珞狮路 122号 (72)发明人 李斌　陈其豪　 (74)专利代理 机构 武汉科皓知识产权代理事务 所(特殊普通 合伙) 42222 专利代理师 俞琳娟 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) (54)发明名称 浅埋偏压隧道不对称围岩压力分布确定方 法及装置 (57)摘要 本发明提供浅埋偏压隧道不对称围岩压力 分布确定方法及装置， 能够 使支护反力较好的符 合地形条件， 从而弥补现有数值迭代方法只能解 决对称分布的围岩压力问题， 并进一步提高计算 效率， 节约计算时间。 方法包 括： 步骤1， 构建不对 称围岩压力分布模型； 在该模型中， 右、 右侧垂直 围岩压力和左、 右侧顶部、 底部水平围岩压力形 成一组特征围岩压力， 且基于关系式根据特征围 岩压力组中任一围岩压力能够得到其他围岩压 力； 步骤2， 确定模型等效节点力； 根据一组特征 围岩压力， 确定其作用下隧道上各节 点的等效节 点力； 步骤3， 通过迭代的方式， 在不计算强度折 减系数的情况下， 确定一个围岩压力， 并根据关 系式换算得到其 他围岩压力。 权利要求书5页 说明书10页 附图7页 CN 115186360 A 2022.10.14 CN 115186360 A 1.浅埋偏压隧道不对称围岩压力分布确定方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤1， 构建不对称围岩压力分布模型； 建立多心圆偏压隧道模型， 将多心圆隧道轮廓划分为一系列、 首尾相连的单元， 每个单 元由两个节点相连而成， 相邻单 元共用一个节点； 根据隧道埋深， 确定竖向荷载分布； 根据隧道两侧埋深的比值， 任意确定隧道一侧的竖 向荷载， 计算隧道另一侧的竖向荷载， 对浅埋隧道， 相同埋深位置的水平荷载通过竖向荷载 乘以土层的侧压力系数， 得到两侧埋深不同且隧道顶部偏压荷载为一端高另一端低的整个 隧道的不对称围岩压力分布 模型； 在该模型中， 设右侧垂直围岩压力为Qv1， 左侧垂直围岩压 力Qv2， 左侧顶部水平围岩压力为Qhl1， 左侧底部水平围岩压力为Qhl2， 右侧顶部水平围岩压力 为Qhr1， 右侧底部水平围岩压力为Qhr2； Qv1、 Qv2、 Qhl1、 Qhl2、 Qhr1和Qhr2形成一组浅埋偏压隧道特 征围岩压力， 且基于以下关系式根据浅埋偏压隧道特征围岩压力组中任一围岩压力能够得 到其他围岩压力： Qv2＝Qv1+γ·D/ η， Qhl1＝Qv2·λ， Qhl2＝(Qv2+γ·h)·λ， Qhr1＝Qv1·λ， Qhr2＝(Qv1+γ·h)·λ； 式中， γ为土体的重度， λ为侧压力系数， μ为岩土体泊松比， η为地表斜率， D为隧道的宽 度； 步骤2， 确定模型等效节点力； 根据一组浅埋偏压隧道特 征围岩压力， 确定其作用下隧道上 各节点的等效节点力； 步骤3， 通过迭代的方式， 在不计算强度折减系数的情况下， 确定浅埋偏压 隧道特征围 岩压力组中一个围岩压力， 并根据步骤1的关系式换算得到其他围岩压力， 从而确定浅埋偏 压隧道不对称围岩压力分布情况。 2.根据权利要求1所述的浅埋偏压隧道不对称围岩压力分布确定方法， 其特 征在于： 其中， 在步骤2中， 设坐标原点O在隧道的中心， x表示水平方向， y表示竖直方向， 位于隧 道左右两侧的两个节点j点和m点坐标分别为(xj， zj)和(xm， zm)， 与j点相邻的两个节点分别 为i点和k点， 与m点相 邻的两个节点分别为l点和n点， 则其围岩 压力作用下的等效节 点荷载 确定方法如下： 步骤2‑1， j点的竖向围岩压力为Qvj＝Qv1+γ·(0.5D‑xj)/η， 水平围岩压力Qhrj＝Qhr1+ λ·γ·(z1‑zj)； m点的竖向围岩压力为Qvm＝Qv1+γ·(0.5D‑xm)/η， 水平围岩压力为Qhlm＝ Qhl1+λ·γ·(z1‑zm)， 侧压力系数 λ＝ μ/(1 ‑μ )； 步骤2‑2， j点的等效节点力为： Fx＝Qhrj·(|zi‑zj|+|zj‑zk|)/2， Fz＝Qvj·(|xi‑xj|+|xj‑ xk|)/2； m点的等效节 点力为： Fx＝Qhlm·(|zl‑zm|+|zm‑zn|)/2， Fz＝Qvm·(|xl‑xm|+|xm‑xn|)/ 2。 3.根据权利要求1所述的浅埋偏压隧道不对称围岩压力分布确定方法， 其特 征在于： 其中， 在步骤3中， 设特 征围岩压力组中任一围岩压力为 求解目标Q*， 赋予初始值 步骤3‑1， 采用步骤2根据被赋值的围岩压力确定围岩压力组中其他围岩压力， 进而换 算得到节点的等效节 点力并反向施加到模型隧道轮廓上作为施加的支护反力， 然后根据以权　利　要　求　书 1/5 页 2 CN 115186360 A 2下情况进行 稳定状态判断和范围调整： 如果( α‑θ )1≤0， 说明计算结果为稳定状态， 且施加的支护反力大于围岩压力， 因此， 在 下一次迭代计算中， 将围岩压力更改为 α为节点的最大不平衡力与模型的平均 节点力的比值， θ 为收敛 标准； 如果( α‑θ )1＝0， 说明计算结果刚好达 到临界稳定状态， 则 等于待求围岩压力； 如果( α‑θ )1＞0， 说明当计算结果为不稳定状态， 且施加的支护反力小于目标支护反力， 在下一次迭代计算中将围岩压力更改为 步骤3‑2， 采用步骤3 ‑1不断迭代计算， 直至两个相邻迭代 计算的状态关系满足( α ‑θ )n· ( α‑θ )n‑1＜0时， 将这两个支护反力的较小值设为 围岩压力下限 较大值设为 围岩压力 上限 步骤3‑3， 在确定了围岩压力的下限 和上限 后， 取其平均值 作为当前围岩压力计算节点支护反力， 并按以下情况进行稳定状态判断 和围岩压力调整： 如果( α‑θ )n+1≤0， 说明计算结果为稳定状态， 且施加的支护反力大于围岩压力， 因此， 在下一次迭代计算中， 将下一迭代步围岩压力上限改写为 下限保持为 不 变， 即 如果( α‑θ )n+1＝0， 说明计算结果刚好达 到临界稳定状态， 则 等于待求围岩压力； 如果( α‑θ )n+1＞0， 说明当计算结果为不稳定状态， 且施加的支护反力小于目标支护反 力， 将下一迭代步围岩压力下限改写为 上限保持为 不变， 即 步骤3‑4， 采用步骤3 ‑3不断迭代计算， 直至上下限差值小于规定的收敛标准δ， 将上下 限的平均值作为所求围岩压力Q*； 步骤3‑5， 将围岩压力Q*带入不对称围岩压力分布模型， 根据围岩压力的相关关系， 得到 围岩压力组中其它围岩压力数值， 进 而得到整个隧道围岩压力分布情况。 4.根据权利要求3所述的浅埋偏压隧道不对称围岩压力分布确定方法， 其特 征在于： 其中， 在步骤3 ‑1中： 1)对相关参数进行初始化， 包括收敛容差δ， 围岩压力初始值 上下限初始值 两端埋深ha、 hb， 根据围岩压力初始值与隧道埋深计算洞周 偏压荷载 分布； 2)导入数值模型， 设置材 料参数， 对 模型进行初始化计算； 3)根据偏压荷载分布， 由隧道开挖断面节点坐标计算各个节点所需的支护反力， 并且 施加到节点上； 4)进行数值计算， 判断上下限容差是否小于规定值， 如若满足则停止迭代， 此时的围岩 压力即为所求； 5)读取数值计算的最大不平衡力比α， 若有( α ‑θ )n＜0， 说明计算结果稳定， 则将下一迭 代步的支护反力改为一半， 即 若有( α‑θ )n＝0， 说明此时已达到临界稳定状态， 可停止迭代， 并将支护反力作为围岩压力计算结果； 若有( α ‑θ )n＞0， 说明计算结果不稳定，权　利　要　求　书 2/5 页 3 CN 115186360 A 3