(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 202210437402.2 (22)申请日 2022.04.21 (71)申请人 中铁二院工程 集团有限责任公司 地址 610031 四川省成 都市金牛区通锦路 三号 (72)发明人 范磊　朱廷宇　刘黎　杨昌宇　 朱勇　冯冀蒙　张俊儒　 (74)专利代理 机构 四川力久律师事务所 512 21 专利代理师 张迪 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种敞开式TBM开挖隧道的围岩荷载计算方 法 (57)摘要 本发明公开的敞开式TBM开挖隧道的围岩荷 载的计算方法， 首先通过对围岩进行钻芯取样获 取数据， 计算出理论围岩特征曲线， 再利用损伤 区的围岩参数对理论围岩特征曲线进行修正； 然 后利用带有纵向连接钢筋的支护钢架对无纵向 连接钢筋的支护钢架进行数据修正， 得到钢架支 护特征曲线以确定围岩荷载。 本发 明的计算方法 是基于损伤区的因素变化来进行获取围岩荷载， 能够准确反映TBM机械开挖法隧道围岩与支护结 构的作用机理和受力情况， 为掘进机法隧道工程 支护设计提供支撑。 该方法获取的围岩荷载数据 准确度高， 能够为敞开式TBM荷载的确定提供更 精确的预测， 操作简单、 实用性强。 权利要求书3页 说明书7页 附图5页 CN 114756939 A 2022.07.15 CN 114756939 A 1.一种敞开式TBM开挖隧道的围岩荷载的计算方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤1、 获取围岩特 征曲线 步骤11、 对未开挖的围岩(1)岩体进行钻芯取样， 对钻取的岩体进行数据分析， 基于弹 塑性理论计算出理论围岩特 征曲线； 步骤12、 获取敞开式TBM开挖隧道(3)仅由型钢拱架(5)支撑围岩段中的损伤区的钻芯 取样数据， 并用得到的数据值 修正所述步骤11的理论围岩特 征曲线， 即得到围岩特 征曲线； 步骤2、 获取钢架 支护特征曲线 步骤21、 获取 型钢拱架(5)中任意 一榀支护钢架(51)的钢架 支护特征曲线； 步骤22、 获取带有纵向连接钢 筋(52)的型钢拱架(5)的钢 架支护特征曲线， 即得到钢架 支护特征曲线； 步骤3、 将步骤1得到的围岩特征曲线与步骤2得到的钢架支护特征曲线绘制于同一坐 标系中， 两条曲线的交点的纵坐标即为计算得到的围岩荷载； 其中， 步骤1和步骤2的顺序可 以调整， 也可同时进行。 2.根据权利要求1所述的敞开式TBM开挖隧道 的围岩荷载的计算方法， 其特征在于， 所 述围岩特征曲线是以径向位移ua作为横坐标， 径向支护阻力pa作为纵坐标， 绘制得到的曲 线； 所述钢架支护特征曲线 是以钢架支护位移 为横坐标， 钢架支护抗力为 纵坐标， 绘制得到 的曲线。 3.根据权利要求1所述的敞开式TBM开挖隧道 的围岩荷载的计算方法， 其特征在于， 所 述步骤11中， 对钻取的岩 体进行数据分析是指获取钻取岩 体的弹性模量、 泊松比、 粘聚力和 内摩擦角。 4.根据权利要求3所述的敞开式TBM开挖隧道 的围岩荷载的计算方法， 其特征在于， 所 述步骤11中， 围岩(1)岩体的理论围岩特 征曲线由以下 方法计算得到的： 步骤101： 选 定摩尔库伦准则作为围岩的破坏准则， 通过公式一： σtp(1‑sinφ)‑σrp(1+sinφ)‑2c·cosφ＝0 公式一中： σtp为切向应力； σrp为径向应力； φ为内摩擦角； c为粘聚力； 步骤102： 利用公式二计算塑性区边界r0； 公式二为： 公式二中： α 为隧道半径； σy为初始应力； pa为径向支护阻力； φ为内摩擦角； c为粘聚力； 步骤103： 利用公式三计算径向位移ua； 公式三为： 式中： σy为初始应力， E为弹性模量； μ为泊松比； φ为内摩擦角； c为粘聚力； α为隧道半 径； r0为塑性区边界；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114756939 A 2步骤104： 然后以径向位移ua作为横坐标， 径向支护阻力pa作为纵坐标， 绘制得到理论围 岩特征曲线。 5.根据权利要求1所述的敞开式TBM开挖隧道 的围岩荷载的计算方法， 其特征在于， 所 述步骤12中， 具体操作如下： 在敞开式TBM开挖隧道(3)中仅由型钢拱架(5)支撑围岩段中， 相邻支护钢架(51)之间的拱部、 边墙部的损伤区(2)， 分别获取多组损伤厚度的检测数据， 选取损伤厚度最大值的损伤 区域进行钻芯取样， 对钻取 的岩体样本进行数据分析， 并用得 到的数据值 修正所述步骤11的理论围岩特 征曲线， 即得到围岩特 征曲线。 6.根据权利要求1所述的敞开式TBM开挖隧道 的围岩荷载的计算方法， 其特征在于， 所 述步骤12中， 损伤区是指隧道开挖卸荷作用引起的围岩力学性能劣化及岩 体内部节理裂隙 扩展、 岩体声 波波速下降的区域。 7.根据权利要求4所述的敞开式TBM开挖隧道 的围岩荷载的计算方法， 其特征在于， 所 述步骤12中， 获取的损伤区的钻芯取样数据是指检测钻取的岩体样本的残余粘聚力cr和残 余内摩擦角φr； 用得到的数据值修正所述步骤 11的理论围岩特征曲线具体包括： 将残余粘 聚力cr和残余内摩擦角φr两组数据替换步骤11得到的内摩擦角φ和粘聚力c， 带入理论围 岩特征曲线计算公式 中进行修 正。 8.根据权利要求1所述的敞开式TBM开挖隧道 的围岩荷载的计算方法， 其特征在于， 所 述步骤21中的型钢拱架(5)和所述步骤22中的型钢拱架(5)是同一个， 都是敞开式TBM开挖 隧道仅由型钢拱架 支撑围岩段中的型钢拱架。 9.根据权利要求1 ‑8任意一项所述的敞开式TBM开挖隧道的围岩荷载的计算方法， 其特 征在于， 对所述步骤21得到的任意一圈支护钢架(51)的钢架支护 特征曲线进行拟合， 获得 公式四： p＝ k·u； p为钢架的支护抗力， k 为钢架支护刚度， u为支护位移。 10.根据权利要求9所述的敞开式TBM开挖隧道的围岩荷载的计算方法， 其特征在于， 所 述步骤22 中， 带有纵向连接钢筋(52)的型钢拱架(5)的钢架支护 特征曲线主要由以下方法 获得的： 步骤221、 对在敞开式TBM开挖 隧道(3)中仅由型钢拱架(5)支撑围岩段中的型钢拱架 (5)相同规格的支护钢架(51)和纵向连接钢筋(52)进行试验， 分别获取无纵向连接钢筋 (52)的支护钢架(51)、 若干个有不同根数纵向连接钢筋(52)的支护钢架(51)的极限承 载力 和纵向综合刚度； 步骤222、 以无纵向连接钢筋(52)的支护钢架(51)的极限承载力和纵向综合刚度为基 准， 分别计算若干个有不同根数纵向连接钢筋(52)的支护钢架(51)极限承 载力的提高倍数 和纵向综合刚度的提高倍数； 然后以不同根数纵向连接钢筋(52)的横截面总面积为横坐 标， 分别以极限承载力系数提高倍数和纵向综合刚度的提高倍数为 纵坐标， 获取曲线图， 并 分别对极限承载力提高倍数 ‑纵向连接筋横截面总面积曲线和纵向综合刚度提高倍数 ‑纵 向连接筋横截面总面积曲线进行拟合， 得到两个计 算关系公式， 分别为公式五： Fd＝mA+m1和 公式六： Kd＝nA+n1； Fd为极限承载力提高倍数， Kd为纵向综合刚度提高倍数； A为纵向连接钢 筋横截面的总面积； 步骤223、 获取在敞开 式TBM开挖隧道(3)中仅由型钢拱架(5)支撑围岩段中的型钢拱架 (5)中， 一榀支护钢架(51)的纵向连接钢筋(52)的横截面总面积， 然后将纵向连接筋横截面 总面积分别带入步骤2 22的两个计算关系式 中， 得到Fd和Kd；权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114756939 A 3