(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 20221081702 9.3 (22)申请日 2022.07.12 (71)申请人 中国建设基础设施有限公司 地址 100044 北京市海淀区三里河路9号 申请人 天津大学 (72)发明人 周强　赵佳鹏　周海祚　郑刚　 于晓旋　夏博洋　 (74)专利代理 机构 天津市北洋 有限责任专利代 理事务所 12 201 专利代理师 李丽萍 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 119/02(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 地下深埋隧道开挖围岩损伤区范围预测方 法 (57)摘要 本发明公开了一种地下深埋隧道开挖围岩 损伤区范围的预测方法， 主要包括： 定义隧道开 挖围岩损伤准则； 对隧道进行基本假设限定； 建 立隧道开挖围岩应力分布解析式； 推导得到用于 判断隧道 开挖围岩损伤区范围的理论模型； 确定 所述隧道的几何参数和围岩的应力和强度参数； 计算得到不同角度下的隧道围岩损伤区范围。 本 发明通过建立地下深埋隧道开挖围岩的应力分 布理论公式， 推导得到了围岩损伤区范围 的理论 预测模型， 提出了几种实用的模型解法， 可以方 便地计算出隧道周围不同角度的损伤范围， 为深 埋隧道的开挖支护设计提供了理论技术指导， 有 效提高了隧道在岩体中开挖的安全性。 权利要求书2页 说明书7页 附图2页 CN 115098929 A 2022.09.23 CN 115098929 A 1.一种地下深埋隧道开挖围岩损伤区范围预测方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤一、 定义隧道开挖围岩损伤准则： 根据围岩的应力重分布情况按照式(1)定义隧道开挖围岩损伤准则， σ1‑σ3＝Aσu (1) 式(1)中， σ1为围岩的最大主应力， σ3为围岩的最小主应力， σu为围岩的单轴抗压强度， A 为岩石的相关系数， A＝0.5作为损伤区的判断准则； 步骤二、 建立隧道开挖围岩应力分布解析式， 包括： 步骤2‑1)设定隧道为无限长度， 其断面为圆形， 并且隧道围岩的性质一致， 基于平面应 变假定， 取隧道的任一横截面作为研究对象， 进行围岩开挖损伤区范围的预测； 步骤2‑2)确定所述隧道的几何参数和围岩的应力和强度参数： 所述隧道的几何参数包 括隧道的半径R0； 所述围岩的应力和强度参数包括： 围岩的竖向荷载p0、 侧压系数λ、 横向荷 载 λp0、 围岩的单轴抗压强度σu， 其中， 0< λ<1； 步骤2‑3)根据一般圆巷应力解析解的叠加法得到圆形隧道围岩的应力分布解析式： 式(2)中， σr为隧道围岩径向正应力， r为损伤半径， θ为隧道围岩角度， σθ为隧道围岩环 向正应力， τr θ为隧道围岩剪应力； 步骤三、 推导得到用于判断隧道开挖围岩损伤区范围的理论模型： 作为研究对象的横 截面处于平面应变状态， 推导得到围岩的最大主应力σ1、 最小主应力 σ3的关系式： 式(3)中， σx为隧道围岩x方向正应力， σy为隧道围岩y方向正应力， τxy为隧道围岩剪应 力； 围岩的应力状态分别在直角坐标系与极坐标系存在转换关系如下： 将式(1)、 式(3)、 式(4)联立得到围岩损伤区在极坐标 下的判断表达式： 权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115098929 A 2将式(2)代入式(5)， 且A＝0.5， 得到关于隧道围岩角度θ和损伤半径r的理论模型， 该理 论模型表征了隧道周围全角度的岩体损伤区范围； 步骤四、 输入隧道 的几何参数和围岩的应力和强度参数数值后， 计算得到 隧道围岩任 意角度的损伤区范围预测值； 包括以下几种情形： 1)对于隧道周围水平方向， 隧道围岩角度 θ ＝0 °或者180°， 围岩的损伤半径 r如下： 2)对于隧道周围竖直方向， 隧道围岩角度 θ ＝90 °或者180°， 围岩的损伤半径 r如下： 式(6)和式(7)中， 3)对于隧道周围除水平方向和竖直方向之外的其他角度， 利用步骤三所建立的理论模 型采用数值 解法计算得到该角度下围岩的损伤半径 r。 2.根据权利要求1所述的地下深埋隧道开挖围岩损伤区范围预测方法， 其特征在于， 步 骤四中， 对于隧道周围除水平方向和竖直方向之外的其他角度， 利用步骤三所建立的理论 模型， 并采用数 学软件MATLAB的fzero 函数计算得到该角度下围岩的损伤半径 r。 3.根据权利要求1所述的地下深埋隧道开挖围岩损伤区范围预测方法， 其特征在于， 步 骤四中， 对于隧道周围除水平方向和竖直方向之外的其他角度， 利用步骤三所建立的理论 模型， 并基于 C++语言利用二分法得到该角度下围岩的损伤半径 r。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115098929 A 3