(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 202210650754.6 (22)申请日 2022.06.09 (71)申请人 上海同岩土 木工程科技股份有限公 司 地址 200092 上海市杨 浦区四平路138 8号 同济联合广场C座 408室 (72)发明人 刘学增　杨芝璐　孙州　桑运龙　 (74)专利代理 机构 上海浦东良风专利代理有限 责任公司 31 113 专利代理师 张劲风 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 基于叠合效应的浅埋软弱破碎围岩隧道受 力变形分析方法 (57)摘要 本发明涉及一种基于叠合效应的浅埋软弱 破碎围岩隧道受力变形分析方法， 具体为： 根据 隧址区地勘报告和隧道设计资料， 获取计算区段 内相关土层参数和结构参数； 采用地层结构法建 立隧道仰拱 ‑土层三维模 型； 计算围岩 破裂角， 并 将隧道上方破裂角范围内围岩移除； 将围岩压力 及结构自重以均布荷载形式施加在两侧拱脚， 获 得设计工况下的隧道拱脚沉降变形和仰拱内力 及变形； 采用荷载结构法对隧道初期支护结构建 立三维模型， 获得相同围岩压力下的隧道结构内 力及变形； 通过叠加原理， 获得设计工况的隧道 拱顶沉降变形。 本发明有效地解决了常规数值仿 真分析时难以模拟仰拱内鼓、 拱脚下沉的问题， 为无法形成自然拱的隧道变形分析提供了一种 数值分析方法。 权利要求书2页 说明书6页 附图2页 CN 115017587 A 2022.09.06 CN 115017587 A 1.一种基于叠合效应的浅埋软弱破碎围岩隧道受力变形分析方法， 其特征在于， 包括 如下步骤： S1、 根据隧址区的地勘报告， 获取待分析的隧道区段的相关土层参数； S2、 根据隧道设计资料， 获取待分析的隧道区段的相关结构参数； S3、 计算隧道围岩破裂角 α， 其计算表达式如下： 式中， 为隧道围岩内摩擦角； S4、 通过三维有限元数值分析软件， 采用地层结构法建立隧道仰拱 ‑土层三维有限元模 型， 将隧道上 方破裂角 α 范围内围岩移除， 并赋予模型 各部件相关材 料参数； S5、 计算隧道 顶部垂直土 压力P， 其计算表达式如下： 式中， i为隧道顶部从上至下土层编号； n为隧道顶部土层数； γi为第i层土层 重度； hi为 第i层土层厚度； B为隧道跨度； S6、 将隧道顶部垂直土压力P及结构自重W以均布荷载形式施加在两侧拱脚， 均布荷载q 计算表达式如下： 式中， l为隧道仰拱 结构单侧拱脚宽度； S7、 在两侧破裂面上施加法向分布荷载f， 其计算表达式如下： 式中， j为荷载计算点所在土层编号； hj0为j层土中所在计算点距j层顶部的土层厚度； γj为第j层土层重度； S8、 设置各部件间的相互作用、 模型边界约束后， 进行网格划分， 通过数值计算获得设 计工况下的隧道拱脚沉降变形yj0和仰拱区内力及变形； S9、 通过三维有限元数值分析软件， 采用荷载结构法建立隧道初期支护结构三维有限 元模型， 将隧道顶部垂直土压力以竖直向下的均布荷载qv形式施加于初期支护结构拱部外 表面， 均布荷载qv计算表达式如下： 式中， k为隧道初期支护结构的荷载分担比； S10、 将隧道侧向土压力qh施加于初支拱部和边墙外表面， 荷载方向为隧道 中线左侧水 平向右， 右侧水平向左， qh的计算表达式如下： 式中， λj为第j层土侧压力系数；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115017587 A 2S11、 隧道初支结构全周设置接地弹簧， 弹簧刚度根据围岩的弹性抗力系数确定， 设置 各部件相互作用和其他边界约束， 对模型进行网格划分， 计算后得到相同设计工况下 的隧 道拱脚相同位置沉降值yj1， 此时隧道衬砌、 钢筋内力及拱顶沉降值yd1； S12、 计算隧道拱顶与拱脚位置的沉降差值Δy， 其计算表达式如下： Δy＝yd1‑yj1； S13、 根据叠加原理， 计算隧道拱顶的实际沉降值yd0， 计算表达式如下： yd0＝yj0+Δy。 2.根据权利要求1所述的基于叠合效应的浅埋软弱破碎围岩隧道受力变形分析方法， 其特征在于， 所述相关土层参数包括各土层的容重、 内摩擦角、 粘聚力、 弹性模量、 泊松比、 侧压力系数和计算区段内土层厚度。 3.根据权利要求1所述的基于叠合效应的浅埋软弱破碎围岩隧道受力变形分析方法， 其特征在于， 所述隧道区段的相关结构参数包括隧道结构尺寸、 材料参数、 隧道 埋深、 钢筋、 钢拱架、 锁脚锚杆和旋喷桩参数及分布。 4.根据权利要求1所述的基于叠合效应的浅埋软弱破碎围岩隧道受力变形分析方法， 其特征在于， 所述采用地层结构法建立的隧道仰拱 ‑土层三维有限元模型中， 土体采用弹塑 性摩尔库伦本构模型， 钢筋、 锁脚锚杆、 旋喷桩采用弹塑性本构模型， 衬砌采用混凝土损伤 塑性本构模型。 5.根据权利要求1所述的基于叠合效应的浅埋软弱破碎围岩隧道受力变形分析方法， 其特征在于， 所述采用荷载结构法建立的隧道初期支护结构三维有限元模型中， 钢筋采用 弹塑性本构模型， 衬砌采用混凝土损伤塑性本构模型， 建模时可按照密度和弹模换算法将 钢拱架的参数折 算到初期支护的混凝 土中。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115017587 A 3