【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及岩土工程应用，尤其涉及一种基于壳体模型的隧道衬砌位移计算方法及系统。
技术介绍
1、隧道作为地下工程的重要组成部分，扮演着极其重要的交通和运输通道的角色。然而，在隧道使用的过程中，隧道衬砌的变形问题是一个关键的技术难题。隧道衬砌的变形包括内力变化和位移变化，隧道衬砌的变形可能会导致隧道衬砌的失稳、开裂、沉降等问题，从而对隧道的安全性和正常运营带来威胁。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足和实际应用的需求，本专利技术提供了一种基于壳体模型的隧道衬砌位移计算方法及系统，旨在实现隧道衬砌位移的精准计算。
2、第一方面，本专利技术所提供的基于壳体模型的隧道衬砌位移计算方法，包括如下步骤：获取垂直于隧道开挖方向的隧道截面，并基于所述隧道截面拟合隧道放出椭球和隧道松动椭球，所述隧道截面的面积与所述隧道放出椭球垂直于隧道开挖方向的放出椭球截面的截面面积相同，所述隧道放出椭球的一长轴端点与所述隧道截面的底边中点重合，所述隧道松动椭球的一长轴端点与所述底边中点重合；在所述隧道松动椭球垂直于隧道开挖方向的松动椭球截面内，根据土层在竖直方向上的受力平衡微分方程，获得土层在竖直方向上的平均应力，并基于所述平均应力结合隧道截面顶部在水平方向一位置处的土体深度，获得隧道截面顶部在对应位置处的上覆土压力；基于隧道衬砌构建正交曲面坐标系，并基于所述正交曲面坐标系获得所述隧道衬砌的壳体模型，并基于所述壳体模型获取所述隧道衬砌在竖直方向的位移控制微分方程，并通过所述位移控制微分方程结合壳体
3、本专利技术所提供的基于壳体模型的隧道衬砌位移计算方法，其增益在于：本专利技术首先基于椭球体理论获得隧道截面顶部的上覆土压力，再就隧道内施作完成的隧道衬砌，基于壳体模型结合隧道截面顶部的上覆土压力，获得隧道衬砌在竖直方向的位移。本专利技术通过受力及位移两方面分析，实现了对隧道衬砌变形的准确预测，能够为隧道工程的设计、施工和安全管理提供可靠的技术支持。
4、可选地，基于所述隧道截面拟合的隧道放出椭球和隧道松动椭球，其长半轴和短半轴分别满足如下等式：，，，，其中，表示隧道放出椭球的长半轴，表示隧道放出椭球的短半轴，表示隧道松动椭球的长半轴，表示隧道松动椭球的短半轴，表示隧道截面底边中点与隧道截面顶边顶点之间的竖向距离，表示隧道截面底边长度的1/2，表示拟合椭球的扁平度，表示拟合椭球的松动系数。本专利技术通过合理设定隧道放出椭球和隧道松动椭球的相关参数，能够更加精确可靠地模拟隧道内的土体变形情况，从而提高了位移计算的精确性和可靠性。
5、进一步可选地，所述拟合椭球的扁平度的取值范围包括；所述拟合椭球的松动系数的取值范围包括。本专利技术所提供的拟合椭球的扁平度取值范围、拟合椭球的松动系数取值范围，能够使得隧道内的土体变形拟合更加精准。
6、可选地，所述在所述隧道松动椭球垂直于隧道开挖方向的松动椭球截面内，根据土层在竖直方向上的受力平衡微分方程，获得土层在竖直方向上的平均应力，并基于所述平均应力结合隧道截面顶部在水平方向一位置处的土体深度，获得隧道截面顶部在对应位置处的上覆土压力，包括如下步骤：在所述隧道松动椭球垂直于隧道开挖方向的松动椭球截面内，获取所述隧道截面在所述隧道松动椭球内对应的松动区域，所述松动区域为通过所述隧道截面的顶点切线与所述松动椭球截面的两交点，以及两交点关于隧道松动椭球中心点对称的两交点，在松动椭球截面内形成的矩形区域；在所述松动区域内，拟合与隧道截面底边平行土层的莫尔应力圆，并基于所述莫尔应力圆，获得所述土层在水平方向上一位置点处的竖向莫尔应力，所述竖向莫尔应力满足如下等式：，其中，表示土层在水平方向上一位置点处的竖向莫尔应力，表示土层在水平方向上一位置点，在莫尔应力圆上对应点处的大主应力与水平方向的夹角，，表示土体的内摩擦角，表示土层在水平方向上一位置点，在莫尔应力圆上对应点处的主动土压力系数，表示土层在水平方向上一位置点，在莫尔应力圆上对应点处的竖向应力；基于所述松动区域在水平方向上的宽度，获得所述土层在水平方向上任一位置点处的第一平均莫尔应力，所述第一平均莫尔应力满足如下等式：，其中，表示第一平均莫尔应力；基于所述第一平均莫尔应力构建土层在竖直方向上的受力平衡微分方程，并结合土层在松动区域的边界条件，获得所述土层在水平方向上任一位置点处的第二平均莫尔应力，所述第二平均莫尔应力满足如下等式：，，其中，表示第二平均莫尔应力，表示松动区域的半宽，表示土层的重度，表示土体粘聚力，表示土层在水平方向上一位置点，在莫尔应力圆上对应点处的侧向土压力系数，表示土层在水平方向上一位置点的土体深度；基于所述竖向莫尔应力与上覆土压力的转换关系，通过第一平均莫尔应力和第二平均莫尔应力，获得隧道截面顶部在水平方向上一位置点处的竖向应力，所述竖向应力满足如下等式：，表示隧道截面顶部在水平方向上一位置点处的竖向应力。本专利技术通过精确地分析隧道截面顶部的土体受力情况以获得可靠的上覆土压力，为隧道衬砌的位移计算提供了可靠的基础，并能够有效应对不同地质条件和工程情况下的隧道衬砌位移计算需求，为隧道工程设计和施工提供重要的技术支持。
7、进一步可选地，所述松动区域在水平方向上的半宽，满足如下等式：，其中，表示松动区域的半宽，表示拟合椭球的扁平度，表示隧道松动椭球的长半轴，表示隧道截面底边中点与隧道截面顶边顶点之间的竖向距离，表示隧道截面底边长度的1/2。本专利技术通过控制拟合椭球的扁平度和松动系数，能够灵活调节松动区域的形状和大小，从而更好地适应不同地质条件和工程要求。
8、可选地，所述正交曲面坐标系包括轴、轴和轴，其中，轴的方向与隧道开挖方向相同，轴的方向与隧道截面周向相同，轴的方向与隧道衬砌厚度的中面法线相同。本专利技术所构建的坐标系，可以更加有效地建立隧道衬砌的壳体模型，并进一步获取位移控制微分方程，从而更加精确地预测和控制隧道衬砌的变形情况，进而为隧道工程的设计和施工提供更可靠的技术支持，有助于提高隧道工程的安全性和稳定性。
9、可选地，基于隧道衬砌的壳体模型，获取的隧道衬砌在竖直方向的位移控制微分方程，满足如下模型：，其中，表示隧道衬砌在方向上的中面位移，表示隧道衬砌的弹性模量，表示隧道衬砌的厚度，表示隧道衬砌的泊松比，，r表示隧道衬砌的中面主曲率半径，表示隧道衬砌的上覆土压力。本专利技术所提供的位移控制微分方程，可以准确地表征控制隧道衬砌的竖向位移情况。
10、进一步可选地，所述边界条件包括在方向上隧道衬砌两端的竖向位移为0以及转角为0。本专利技术所提供的边界条件，使得计算结果更加符合实际工程情况，有助于工程设计者和施工人员更好地理解和评估隧道衬砌的行为。
11、进一步可选地，通过所述位移控制微分方程结合壳体模型的边界条件，获得的隧道衬砌在竖直方向的位移，满足如下等式：，，其中，表示距离隧道衬砌中心截面起始中心点长度为处的隧道衬砌在竖直方向的位移，表示隧道衬砌一截面中心点与隧道衬砌中心截面起始中心点之间的距离，表示隧道衬砌的厚度，表本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于壳体模型的隧道衬砌位移计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于壳体模型的隧道衬砌位移计算方法，其特征在于，基于所述隧道截面拟合的隧道放出椭球和隧道松动椭球，其长半轴和短半轴分别满足如下等式：，，，，其中，表示隧道放出椭球的长半轴，表示隧道放出椭球的短半轴，表示隧道松动椭球的长半轴，表示隧道松动椭球的短半轴，表示隧道截面底边中点与隧道截面顶边顶点之间的竖向距离，表示隧道截面底边长度的1/2，表示拟合椭球的扁平度，表示拟合椭球的松动系数。
3.根据权利要求2所述的基于壳体模型的隧道衬砌位移计算方法，其特征在于：
4.根据权利要求1所述的基于壳体模型的隧道衬砌位移计算方法，其特征在于，所述在所述隧道松动椭球垂直于隧道开挖方向的松动椭球截面内，根据土层在竖直方向上的受力平衡微分方程，获得土层在竖直方向上的平均应力，并基于所述平均应力结合隧道截面顶部在水平方向一位置处的土体深度，获得隧道截面顶部在对应位置处的上覆土压力，包括如下步骤：
5.根据权利要求4所述的基于壳体模型的隧道衬砌位移计算方法，其特征在于
6.根据权利要求1所述的基于壳体模型的隧道衬砌位移计算方法，其特征在于，所述正交曲面坐标系包括轴、轴和轴，其中，轴的方向与隧道开挖方向相同，轴的方向与隧道截面周向相同，轴的方向与隧道衬砌厚度的中面法线相同。
7.根据权利要求6所述的基于壳体模型的隧道衬砌位移计算方法，其特征在于，基于隧道衬砌的壳体模型，获取的隧道衬砌在竖直方向的位移控制微分方程，满足如下模型：，其中，表示隧道衬砌在方向上的中面位移，表示隧道衬砌的弹性模量，表示隧道衬砌的厚度，表示隧道衬砌的泊松比，，R表示隧道衬砌的中面主曲率半径，表示隧道衬砌的上覆土压力。
8.根据权利要求6所述的基于壳体模型的隧道衬砌位移计算方法，其特征在于，所述边界条件包括在方向上隧道衬砌两端的竖向位移为0以及转角为0。
9.根据权利要求8所述的基于壳体模型的隧道衬砌位移计算方法，其特征在于，通过所述位移控制微分方程结合壳体模型的边界条件，获得的隧道衬砌在竖直方向的位移，满足如下等式：，，其中，表示距离隧道衬砌中心截面起始中心点长度为处的隧道衬砌在竖直方向的位移，表示隧道衬砌一截面中心点与隧道衬砌中心截面起始中心点之间的距离，表示隧道衬砌的厚度，表示隧道衬砌的泊松比，R表示隧道衬砌的中面主曲率半径，表示隧道衬砌的上覆土压力，表示隧道衬砌在方向上长度的一半。
10.一种基于壳体模型的隧道衬砌位移计算系统，其特征在于，包括输入设备、处理器、存储器和输出设备，所述输入设备、所述处理器、所述存储器和所述输出设备相互连接，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器被配置用于调用所述程序指令，执行如权利要求1至9任一项所述的基于壳体模型的隧道衬砌位移计算方法。
...【技术特征摘要】
1.一种基于壳体模型的隧道衬砌位移计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于壳体模型的隧道衬砌位移计算方法，其特征在于，基于所述隧道截面拟合的隧道放出椭球和隧道松动椭球，其长半轴和短半轴分别满足如下等式：，，，，其中，表示隧道放出椭球的长半轴，表示隧道放出椭球的短半轴，表示隧道松动椭球的长半轴，表示隧道松动椭球的短半轴，表示隧道截面底边中点与隧道截面顶边顶点之间的竖向距离，表示隧道截面底边长度的1/2，表示拟合椭球的扁平度，表示拟合椭球的松动系数。
3.根据权利要求2所述的基于壳体模型的隧道衬砌位移计算方法，其特征在于：
4.根据权利要求1所述的基于壳体模型的隧道衬砌位移计算方法，其特征在于，所述在所述隧道松动椭球垂直于隧道开挖方向的松动椭球截面内，根据土层在竖直方向上的受力平衡微分方程，获得土层在竖直方向上的平均应力，并基于所述平均应力结合隧道截面顶部在水平方向一位置处的土体深度，获得隧道截面顶部在对应位置处的上覆土压力，包括如下步骤：
5.根据权利要求4所述的基于壳体模型的隧道衬砌位移计算方法，其特征在于，所述松动区域在水平方向上的半宽，满足如下等式：，其中，表示松动区域的半宽，表示拟合椭球的扁平度，表示隧道松动椭球的长半轴，表示隧道截面底边中点与隧道截面顶边顶点之间的竖向距离，表示隧道截面底边长度的1/2。
6.根据权利要求1所述的基于壳体模型的隧道衬砌位移计算方法，其特征在于，所述正交曲面坐标系包括轴、轴和轴，其中，轴的方向与隧道开挖方向相...
【专利技术属性】
技术研发人员：丁海滨，喻义天，徐长节，孙洋，周鹏，徐松，
申请(专利权)人：华东交通大学，
类型：发明
国别省市：
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