(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 202210801389.4 (22)申请日 2022.07.08 (71)申请人 苏州大学 地址 215000 江苏省苏州市吴中区石湖西 路188号 (72)发明人 刘维　张宣扬　吴奔　俞淼　 史培新　 (74)专利代理 机构 苏州市中南伟业知识产权代 理事务所(普通 合伙) 32257 专利代理师 李艾 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 30/13(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种计算大纵坡矩形隧道掘进面支护压力 的方法 (57)摘要 本发明公开了一种计算大纵坡矩形隧道掘 进面支护压力的方法、 设备及计算机存储介质， 包括获取楔 形体体积及与地面夹角， 计算楔形体 自重， 获取上部模型体积与周向面积， 基于土拱 效应计算上部模 型的竖向应力， 利用竖向应力与 楔形体上表 面积计算楔形体所受竖向力， 利用楔 形体自重、 竖向力、 楔形体滑动面摩擦力和楔形 体侧面摩擦力， 建立楔形体极限平衡方程， 得土 仓土体对掌子面作用力， 基于土仓土体自重， 利 用土仓土体对掌子面作用力建立土仓土体极限 平衡方程， 得支护压力， 建立大纵坡矩形隧道模 型， 针对工程建设中所遇到的大纵坡 条件下矩形 隧道掘进， 提特有情况下计算极限支护压力和评 价隧道开挖面稳定性的方法， 有效规避工程风 险， 达到预期规划要求。 权利要求书2页 说明书8页 附图9页 CN 115238482 A 2022.10.25 CN 115238482 A 1.一种计算大纵坡矩形隧道掘进面支护压力的方法， 其特 征在于， 包括： 建立大纵坡矩形隧道模型， 所述大纵坡矩形隧道模型包括下部模型和上部模型， 所述 下部模型为楔形体和所述楔形体正前方 的土仓土体， 对应隧道工作面前方土体区域， 上部 模型对应为下部模型土体区域的上覆土体； 获取所述楔形体 体积及与地 面夹角， 计算得 所述楔形体自重G1； 获取所述上部模型体积与周向面积， 基于 土拱效应 计算得所述上部模型的竖向应力σv； 利用所述竖向应力σv与楔形体上表面积计算得 所述楔形体所受竖向力Pv； 利用所述楔形体自重G1、 所述竖向力Pv、 楔形体滑动面摩擦力T1和楔形体侧面摩擦力T2， 建立楔形体极限平衡方程， 得到 土仓土体对掌子面作用力Pt1； 基于土仓土体自重， 利用所述土仓土体对掌子面作用力Pt1建立土仓土体极限平衡方 程， 得到支护压力Pt2。 2.如权利要求1所述一种计算大纵坡矩形隧道掘进面支护 压力的方法， 其特征在于， 所 述获取所述楔形体体积及与地面夹角， 计算得所述楔形体自重G1， 所述楔形体自重计算公 式为： 其中， γ为土体重度， L为顶管宽度， D为顶管高度， α为坡度角， θ为破坏倾角， SΔAFG为所 述楔形体侧面积。 3.如权利要求2所述一种计算大纵坡矩形隧道掘进面支护 压力的方法， 其特征在于， 所 述获取所述上部模型体积与周向面积， 基于土拱效应计算得所述上部模型的竖向应力σv， 所述上部模型的竖向应力σv计算公式为： σv＝κ(γR‑c′) 其中， γ为土体重度， c ′为土体粘聚力， 为土体内摩擦角， K0为土 体侧压力系数， R为土柱体积与其周向面积的比值 4.如权利要求3所述一种计算大纵坡矩形隧道掘进面支护 压力的方法， 其特征在于， 所 述利用所述竖向应力σv与所述楔形体上表面积计算得楔形体所受竖向力Pv， 所述楔形体所 受竖向力Pv计算公式为： Pv＝σvSΔEFGH＝σvDL(sinα +cosα cot θ ) 其中， SΔEFGH为所述上部模型的底面积。 5.如权利要求4所述一种计算大纵坡矩形隧道掘进面支护 压力的方法， 其特征在于， 所 述楔形体滑动面摩擦力T1和所述楔形体侧面摩擦力T2计算公式为： 楔形体倾 斜滑动面应力均匀分布， 土体满足M ‑C破坏准则， 其中， N1为滑移面所受法向压力； 楔形体侧向滑动面的竖向应力随深度呈线性增 加，权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115238482 A 2其中 ， 为 土 体 侧压 力 系数 ， 楔形 体 侧向 滑 动面竖向 应 力 6.如权利要求5所述一种计算大纵坡矩形隧道掘进面支护 压力的方法， 其特征在于， 所 述利用所述楔形体自重G1、 所述竖向力Pv、 楔形体滑动面摩擦力T1和楔形体侧面摩擦力T2， 建立楔形体极限平衡方程， 得到 土仓土体对掌子面作用力Pt1， 所述作用力Pt1计算公式为： 其中， θ 为破坏倾角， α 为坡度角。 7.如权利要求6所述一种计算大纵坡矩形隧道掘进面支护 压力的方法， 其特征在于， 所 述基于土仓土体自重， 利用所述土仓土体对掌子面作用力Pt1建立土仓土体极限平衡方程， 得到支护压力Pt2， 所述支护压力Pt2计算公式为： 其中， d为土 仓土体厚度。 8.如权利要求7所述一种计算大纵坡矩形隧道掘进面支护 压力的方法， 其特征在于， 利 用所述支护压力Pt2得均布支护压力s， 所述均布 支护压力s无量纲 表达式为： 其中， Nγ为重度对极限支护压力影响系数， Nc为粘聚力对极限支护压力影响系数。 9.一种计算大纵坡矩形隧道掘进面支护压力的设备， 其特 征在于， 包括： 数据采集器， 用于采集隧道数据； 存储器， 用于存 储计算机程序； 处理器， 用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至8任一项所述一种计算大纵坡 矩形隧道掘进面支护压力方法的步骤。 10.一种计算机可读存储介质， 其特征在于， 所述计算机可读存储介质上存储有计算机 程序， 所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求 1至8任一项 所述计算大纵坡矩形隧 道掘进面支护压力的方法。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115238482 A 3