(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 202210543943.3 (22)申请日 2022.05.18 (71)申请人 中铁十五局集团有限公司 地址 200000 上海市 静安区共和新路6 66号 6楼 申请人 中铁十五局集团城市轨道交通工程 有限公司 (72)发明人 李少华　李建旺　祁文睿　张庆军　 彭元栋　姚铁军　焦雷　刘富强　 张扬　乔昕涛　姬胤佐　胡伟　 (74)专利代理 机构 洛阳公信知识产权事务所 (普通合伙) 41120 专利代理师 常晓虎 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01)G06F 30/20(2020.01) G06Q 10/04(2012.01) (54)发明名称 曲线隧道时空域地层应力预测方法及可读 存储介质 (57)摘要 本发明提供一种曲线隧道时空域地层应力 预测方法及可读存储介质， 其中的预测方法包 括： S1、 建立空间间隙导致土体变形的动态变化 模型， 得到单位体积间隙导致周围土体体积随时 间的改变量函数； S2、 基于三维随机介质理论， 推 导单位体积间隙作用下的地层应变； S3、 基于岩 土体的弹性应力 ‑应变关系， 得到单位体积间隙 导致的地层应力解答； S4、 基于时间t， 求解考虑 时间效应的盾构施工期由单位体积间隙引起的 各方向地层应力的计算公式； S5、 推导不同时刻 由实际三维地层损失间隙引起的地层应力解答， 本发明充方考虑了盾构隧道三维空间状态， 为解 决现有计算技术不能准确反映盾构隧道施工引 起三维地层应力分布特征的问题， 具有较高的工 程应用及推广价 值。 权利要求书3页 说明书6页 附图2页 CN 115062374 A 2022.09.16 CN 115062374 A 1.曲线隧道时空域 地层应力预测方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1、 建立空间间隙导致土体变形的动态变化模型， 得到单位体积间隙导致周围土体体 积随时间的改变量 函数； S2、 基于三维随机介质理论， 推导单位体积间隙作用下的地层应 变计算公式； S3、 基于岩土体的弹性应力 ‑应变关系， 得到单位体积间隙导 致的地层应力解 答； S4、 基于时间t， 求解考虑时间效应的盾构施工期由单位体积间隙引起的各方向地层应 力的计算公式； S5、 基于空间球体的三维积分原理， 推导不同时刻由实际三维地层损 失间隙引起的地 层应力解 答。 2.根据权利要求1所述的曲线隧道时空域地层应力预测方法， 其特征在于， 步骤S1具体 包括： S11、 引入时间t， 在t＝0的初 始时刻， 空间土体产生一半径为Ri的球形间隙， 其导致土体 中任意点朝向间隙球心收缩变形， 假设变形量仅与该点到间隙球心的距离Ro有关， 定义以 间隙中点为球心、 半径为Ro的球面， 为等收缩球面， 在t＝∞的最终时刻， 等收缩球面收缩变 形的体积与初始时刻球形间隙的体积相同， 将该体积大小定义 为Vi； S12、 假设在球形间隙影响下， 周围土体体积的改变量是时间 的函数， 即V(t)； 则等收缩 球面随时间的体积变化率为d(V(t))/dt， 且与等收缩球面最终收缩变形的体积Vi与t时刻 土体体积改变量V(t)之差成正比， 即： 式中： A为土体 变形速度系数； S13、 给定初始条件： 进而求解出： V(t)＝Vi(1‑e‑At) 假设初始时刻球形间隙的体积为1， 即可得到单位体积间隙导致周围土体体积随时间 的改变量： V′(t)＝1‑e‑At。 3.根据权利要求2所述的曲线隧道时空域地层应力预测方法， 其特征在于， 步骤S2具体 包括： S21、 在空间笛卡尔坐标系中， 假设点(x0,y0,z0)处有一单位体积间隙， 其导致周围土体 任意点(x,y,z)处沿m轴 、 z轴的位移计算结果分别为： 其中， m轴为x轴或y轴， 且(m,n)＝(x,y)或(y,x)； R(z)为单位体积间隙在竖轴上的重要权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115062374 A 2影响半径， 且R(z)＝(z –z0)/tanα， α 为隧道上 方土体的重要影响角， 可依据地勘报告取值； S22、 在点(x0,y0,z0)处的单位体积间隙作用下， 地层中 的点(x,y,z)  处沿m轴、 z轴的应 变计算结果分别为： 4.根据权利要求3所述的曲线隧道时空域地层应力预测方法， 其特征在于， 步骤S3具体 包括： 岩土体的弹性应力 ‑应变关系为： 式中： G为岩土体的剪切模量； 根据岩土体的弹性应力 ‑应变关系得到单位体积间隙产生沿m轴 、 z轴的地层应力解 答： 5.根据权利要求4所述的曲线隧道时空域地层应力预测方法， 其特征在于， 步骤S4具体 包括： 基于时间t， 对考虑时间效应的盾构施工期由单位体积间隙引起的各方向地层应力作 如下假定： σ′k(t)＝σ′k·V′(t) 式中： k＝x， y， 或z， 即σ ′x(t)、 σ′y(t)、 σ′z(t)分别表示t时刻单位体积间隙引起沿x轴、 y 轴、 z轴的地层应力。 6.根据权利要求5所述的曲线隧道时空域地层应力预测方法， 其特征在于， 步骤S5具体 包括： 假如盾构掘进路径不仅是直线， 还可以为空间平面内的曲线； 假设隧道曲率半径为Q， 对应的函数自变量为q； 隧道中心线弧长为L， 对应的函数自变量为θ； 盾壳沿着该长度方向 所围成的实际三维体积为Vo， 盾尾衬砌结构边 界沿着该长度方向所围成的实际三维体积为 Vi， 基于空间球体的三维积分原理， 得到盾构施工过程中的t时刻， 实际三维地层损失间隙 引起沿x轴 、 y轴、 z轴的地层应力解 答：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115062374 A 3