(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 202210580049.3 (22)申请日 2022.05.25 (71)申请人 武汉市市政建设集团有限公司 地址 430056 湖北省武汉市经济技 术开发 区春晓路6号 申请人 中国地质大 学 （武汉） (72)发明人 李忠超　于东东　霍超　吴斌　 谭冲　梁荣柱　黄超群　刘律　 黄栋　李徐德　彭静　 (74)专利代理 机构 武汉星泽知识产权代理事务 所(特殊普通 合伙) 42279 专利代理师 杨晓燕 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/20(2020.01)G06F 111/04(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种新建隧道上穿情况下既有盾构隧道纵 向变形分析方法 (57)摘要 一种新建隧道上穿情况下既有盾构隧道纵 向变形分析方法， 包括步骤： S1、 将既有盾构隧道 沿纵向简化为一根放置在地基上的弹性连续梁， 建立既有盾构隧道等效连续梁模型； S2、 将土体 与隧道的相互耦合作用施加于所述等效连续梁 模型上， 求得隧道节点竖向位移与土体竖向自由 位移的函数关系； S3、 求得新建隧道开挖卸荷作 用下层状地基土的土体竖向自由位移， 推导得出 既有盾构隧道的纵向位移分布。 本发 明考虑土体 的天然成层性， 减少了相应的地基参数选取和均 质化处理步骤， 可以更真实反映新建隧道开挖卸 荷作用下既有盾构隧道纵向变形规律； 同时， 耦 合方法更能反映天然地基因弹性模量改变而出 现的应力集中或应力扩散现象。 权利要求书3页 说明书9页 附图4页 CN 115048692 A 2022.09.13 CN 115048692 A 1.一种新建隧道上穿情况下既有盾构隧道纵向变形分析方法， 其特征在于， 包括以下 步骤： S1、 将既有盾构隧道沿纵向简化为一根放置在地基上的弹性连续梁， 建立既有盾构隧 道等效连续梁 模型； S2、 将土体与隧道的相互耦合作用施加于所述等效连续梁模型上， 求得隧道节点竖向 位移与土体竖向 自由位移的函数关系； S3、 求得新建隧道开挖卸荷作用下层状地基土的土体竖向自由位移， 推导得出既有盾 构隧道的纵向位移分布。 2.根据权利要求1所述的新建隧道上穿情况下既有盾构隧道纵向变形分析方法， 其特 征在于， 所述步骤S1 中， 根据有限元的方法将既有盾构隧道离散成n个梁 单元， 共计n +1个节 点； 不考虑既有盾构隧道轴向变形的影响， 将隧道始端和末端视为固定约束， 其余部 分作用 竖向附加应力。 3.根据权利要求1所述的新建隧道上穿情况下既有盾构隧道纵向变形分析方法， 其特 征在于， 所述 步骤S2中， 隧道 节点竖向位移与土体竖向 自由位移的函数关系推导具体如下： 步骤S21、 假设既有盾构隧道不存在时， 新建隧道开挖会引起下方既有盾构隧道节点处 土体竖向 自由位移向量{w}， 则{w}可表示 为： {w}＝{w(1),w(2),w(3), …,w(i),…,w(n),w(n+1)} 式中， w(i)为第i个节点处土体竖向 自由位移； 步骤S22、 以既有盾构隧道为分析对象， 当隧道与周围土体耦合至稳定状态时， 隧道受 到来自周围土体的隧道非均匀分布力fg(y)， 由fg(y)引起的相应竖向位移为wg(y)， 将wg(y) 转化为隧道节点竖向位移向量{wg}， 则{wg}表示为 {wg}＝{wg(1),wg(2),…,wg(i),…,wg(n),wg(n+1)} 式中， wg(i)为隧道非均匀分布力fg(y)引起第i个隧道 节点位置处的竖向位移； 步骤S23、 忽略既有盾构隧道轴向变形的影响， 将作用在隧道上的隧道非均匀分布力fg (y)转化为隧道节点力向量{Fg}， {Fg}表示为： {Fg}＝{Fg(1),Fg(2),Fg(3),…,Fg(i),…,Fg(n),Fg(n+1)} 式中， Fg(i)为土体作用在第i个隧道 节点位置处的竖向力； 步骤S24、 根据单个梁单元节点两竖向自由刚度矩阵， 设置边界约束条件， 得到隧道整 体刚度矩阵[K]表示 为： 式中， EI为既有盾构隧道纵向等效抗弯刚度， l 为单个梁单 元长度； 由隧道整体刚度矩阵[K]得到隧道节点力向量{Fg}与隧道节点竖向位移向量{wg}之间 的关系为： {Fg}＝[K]{wg}权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115048692 A 2步骤S25、 以既有盾构隧道周围土体为研究对象， 当隧道与周围土体耦合至稳定状态 时， 稳定状态下土体受到来自隧道的土体非均匀分布力fs(y)， 将fs(y)转化为土体节点力向 量{fs}， {fs}与隧道节点力向量{Fg}大小相等、 方向相反： {fs}＝‑{Fg}； 土体非均匀分布力与隧道 节点处的土体竖向位移关系为： {ws}＝[R]{fs} 式中， {ws}为{fs}作用下隧道节点处的土体竖向位移向量； [R]为土体柔度矩阵， 具有对 称性， 表示 为： 步骤S26、 由隧道与土体不分离假设， 得到隧道与周围土体间的整体耦合方程 为： {wg}＝{w}+{ws} 步骤S27、 结合步骤S2 1～S26， 推导得到新建隧道上穿开挖引起既有盾构隧道的隧道节 点竖向位移与土体竖向 自由位移的函数关系为： ([R][K]+[E]){wg}＝{w} 式中， [E]为单位矩阵。 4.根据权利要求3所述的新建隧道上穿情况下既有盾构隧道纵向变形分析方法， 其特 征在于， 所述步骤S3中， 新建隧道开挖卸荷作用下层状地基土的土体竖向自由位移计算方 法为： 步骤S31、 新建隧道开挖后使得周围土体产 生卸荷效应， 利用弹性力学Mindlin解， 求得 隧道开挖引起 点(xr,yr,zr)竖向方向第j层土体点(xr,yr,zrj)处的竖向应 变 εzj(zrj)为： 式中， σzj(zrj)为第j层土体点(xr,yr,zrj)处的竖向应力； σxj(zrj)为第j层土体点(xr,yr, zrj)处的纵向应力； σyj(zrj)为第j层土体 点(xr,yr,zrj)处的横向应力； vj为第j层土体的泊松 比； Erj为第j层土体的卸荷弹性模量； 步骤S32、 对步骤S31中的竖向应 变 εzj(zrj)积分得到第j层土体的竖向位移wj为： 式中， hj为第j层土体厚度； 步骤S33、 考虑天然地基的成层性， 根据分层总和法叠加得到新建隧道下方点(xr,yr, zr)处土体竖向 自由位移w 为： 式中， m为隧道开挖影响范围内土层数。 5.根据权利要求4所述的新建隧道上穿情况下既有盾构隧道纵向变形分析方法， 其特 征在于， 所述步骤S33 中， 根据开挖引起的第m层土体竖向附加应力σzm不大于其有效自重应权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115048692 A 3