【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及盾构隧道施工，尤其是指一种考虑渗流的盾构掘进面失稳计算方法。
技术介绍
1、在盾构隧道掘进技术的发展过程中，确保掘进面的稳定性一直是工程实践中的核心问题。随着隧道建设向更复杂地质条件延伸，尤其是遇到富含地下水的地层时，地下水渗流对掘进面稳定性的影响愈发显著。然而，当前的技术在处理这一复杂问题时仍存在不足。
2、在现有技术中，如专利cn114970122a提供了一种计算盾构隧道掘进面失稳最优支护力的方法及系统，该方法在评估掘进面稳定性时考虑了多种力学因素，为工程实践提供了重要的参考。然而，该技术的一个显著局限在于未能充分考虑地下水渗流过程中孔隙水压力的变化及其对掘进面稳定性的影响。孔隙水压力做功是地下水渗流对土体稳定性产生直接影响的重要机制，其忽略可能导致计算结果的偏差，无法全面反映实际工程中的稳定性状况。
3、因此，有必要发展一种更加全面、准确的盾构掘进面稳定性分析方法，充分考虑渗流作用对开挖面稳定性的影响。
技术实现思路
1、为此，本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术中的多侧重于土体的力学性质及其与支护压力的相互作用，而较少考虑渗流对开挖面稳定性的影响，导致有限支护压力的计算结果出现偏差，无法准确评估开挖面的稳定性的问题。
2、为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种考虑渗流的盾构掘进面失稳计算方法，包括以下步骤：
3、s1：基于盾构掘进面前方渗流场，提取出开挖面前方各个坐标的压力水头值，对所有压力水头值进行数
4、s2：基于所述掘进面渗流经验模型，构建盾构掘进面失稳破坏机制；
5、s3：基于所述盾构掘进面失稳破坏机制，得到有效支护压力。
6、在本专利技术的一个实施例中，s1中，所述掘进面渗流经验模型的表达式为：
7、
8、其中，δh为隧道水头差，hf为开挖面上为固定的压力水头，d为隧道直径，b为拟合参数。
9、在本专利技术的一个实施例中，s2中，构建盾构掘进面失稳破坏机制的方法为：
10、土体为均匀土层，土体有效重度为γ'，有效粘聚力为c'，有效摩擦角为土体破坏满足mohr-coulomb准则，隧道埋深为c，有效支护压力σt'1均匀作用在掘进面ab上；
11、利用整体坐标系o(r,θ)与局部坐标系a(x,y)构建所述盾构掘进面失稳破坏机制的二维平面结构，所述盾构掘进面失稳破坏机制包括螺旋破坏机制和平动破坏机制；其中，所述平动破坏机制是由点a、点b和点f构成的平面区域，且所述平动破坏机制在a点以速度矢量作平动，与水平夹角为α；所述螺旋破坏机制和所述平动破坏机制之间通过速度不连续面af进行过渡，任意设置一个o点作为所述螺旋破坏机制的旋转中心，以角速度ω顺时针转动经过点o'和点a，破坏边界ao'、o'f为对数螺旋线；
12、地下水位到达盾构隧道顶部的距离为hw；在隧道开挖过程中的渗流不会引起地下水位下降的条件下，设置地下水位的边界条件h＝h0，h0为地下水位高程；当隧道端面处于常压下，则所述开挖面上为固定的压力水头隧道水头差δh＝hw-hf，将孔隙水压力u视为作用在土骨架上和运动容许速度场vi边界的外荷载，故在所述盾构掘进面失稳破坏机制中，u作用于破坏边界af、bf、ao'和o'f上，ru为孔隙水压力系数。
13、在本专利技术的一个实施例中，s3中，得到有效支护压力σ′t1的方法如下：
14、s31：在考虑孔隙水压力对盾构掘进面的作用下，对于任意的运动许可速度场vi和应变率场εij，盾构掘进面结构在稳定状态下，系统耗散功率pv和实际外力做功功率pe满足以下约束条件：
15、pv≥pe
16、其中，为单位体积内的应变能，为应变体内部应变率张量，ω为结构体积，s为破坏机制边界体积，ti为应变体边界s上的牵引力矢量，γi为重度矢量，ni为垂直于破坏面的法向量，孔隙水压力做功功率
17、s32：基于所述掘进面渗流经验模型，在所述约束条件下，令和hf＝0，根据所述掘进面渗流经验模型，计算孔隙水压力u作用于边界面af、bf、ao'、o'f的做功功率，得到孔隙水压力做功功率pu；
18、s33：由于破坏边界af、bf、o'f、ao'上的能量耗散功率之和基于所述孔隙水压力做功功率pu和土体重力功率pγ，得到有效支护压力功率
19、s34：基于所述有效支护压力功率计算得到有效支护压力σt1′。
20、在本专利技术的一个实施例中，所述孔隙水压力做功功率pu的计算公式为：
21、pu＝puao′+puo′f+puaf+pubf
22、其中，puao′为孔隙水压力u作用于边界面ao'的做功功率，puo′f为孔隙水压力u作用于边界面o'f的做功功率，puaf为孔隙水压力u作用于边界面af的做功功率，pubf为孔隙水压力u作用于边界面bf的做功功率；
23、所述孔隙水压力u作用于边界面ao'的做功功率puao′的计算方法如下：
24、令ni＝1，u＝ruγ′hao′，得到所述孔隙水压力u作用于边界面ao'的做功功率puao′：
25、
26、所述孔隙水压力u作用于边界面o'f的做功功率puo′f的计算方法如下：
27、令ni＝1，u＝ruγ′ho′f，得到所述孔隙水压力u作用于边界面o'f的做功功率puo′f：
28、
29、所述孔隙水压力u作用于边界面af的做功功率puaf的计算方法如下：
30、令ni＝1，u＝ruγ′haf，得到所述孔隙水压力u作用于边界面af的做功功率puaf：
31、
32、所述孔隙水压力u作用于边界面bf的做功功率pubf的计算方法如下：
33、令ni＝1，u＝ruγ′hbf，得到所述孔隙水压力u作用于边界面bf的做功功率pubf：
34、
35、其中，vao′为ao′上任意一点的速度，xao′为ao′上任意一点的横坐标；vo′f为o'f上任意一点的速度，xo′f为o'f上任意一点的横坐标；vaf为af上任意一点的速度，xaf为af上任意一点的横坐标；vbf为bf上任意一点的速度，xbf为bf上任意一点的横坐标。
36、在本专利技术的一个实施例中，所述有效支护压力功率在开挖面支护力σt′1均匀分布的情况下可表示为：
37、
38、其中，为开挖面支护力矢量，v1为的模。
39、在本专利技术的一个实施例中，所述土体重力功率pγ的计算公式为：
40、
41、其中，xf为f点横坐标，θf为of与竖直方向夹角，θo′为oo′与竖直方向夹角，rf为of长度，ra为oa长度，θa为oa与竖直方向夹角。
42、在本专利技术的一个实施例中，所述有效支护压力σt1′的计算公式如下：
43、
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1.一种考虑渗流的盾构掘进面失稳计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的考虑渗流的盾构掘进面失稳计算方法，其特征在于：S1中，所述掘进面渗流经验模型的表达式为：
3.根据权利要求2所述的考虑渗流的盾构掘进面失稳计算方法，其特征在于：S2中，构建盾构掘进面失稳破坏机制的方法为：
4.根据权利要求3所述的考虑渗流的盾构掘进面失稳计算方法，其特征在于：S3中，得到有效支护压力σt1′的方法如下：
5.根据权利要求4所述的考虑渗流的盾构掘进面失稳计算方法，其特征在于：所述孔隙水压力做功功率Pu的计算公式为：
6.根据权利要求4所述的考虑渗流的盾构掘进面失稳计算方法，其特征在于：所述有效支护压力功率在开挖面支护力σt′1均匀分布的情况下可表示为：
7.根据权利要求6所述的考虑渗流的盾构掘进面失稳计算方法，其特征在于：所述土体重力功率Pγ的计算公式为：
8.根据权利要求7所述的考虑渗流的盾构掘进面失稳计算方法，其特征在于：所述有效支护压力σt1′的计算公式如下：
9.一种考虑
10.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质存储有计算机软件产品，所述计算机软件产品包括的若干指令，用以使得一台计算机设备执行如权利要求1至8任意一项所述的考虑渗流的盾构掘进面失稳计算方法的指令。
...【技术特征摘要】
1.一种考虑渗流的盾构掘进面失稳计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的考虑渗流的盾构掘进面失稳计算方法，其特征在于：s1中，所述掘进面渗流经验模型的表达式为：
3.根据权利要求2所述的考虑渗流的盾构掘进面失稳计算方法，其特征在于：s2中，构建盾构掘进面失稳破坏机制的方法为：
4.根据权利要求3所述的考虑渗流的盾构掘进面失稳计算方法，其特征在于：s3中，得到有效支护压力σt1′的方法如下：
5.根据权利要求4所述的考虑渗流的盾构掘进面失稳计算方法，其特征在于：所述孔隙水压力做功功率pu的计算公式为：
6.根据权利要求4所述的考虑渗流的盾构掘进面失稳计算方法，其特征在于：所述有效支护压力功率...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘维，黄家豪，张宣扬，朱宏宇，姚远，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：
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