(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 202210357494.3 (22)申请日 2022.04.06 (71)申请人 芜湖市轨道 （隧道） 交通工程质量 安 全监督站 地址 241000 安徽省芜湖市鸠江区皖江 财 富广场A2座五楼519室 申请人 合肥工业大 学 (72)发明人 郭斌　刘武　商兆涛　张振华　 王佐才　李凡　熊峰　夏琴　 张红彬　过申磊　黄晓康　王朋朋　 (74)专利代理 机构 合肥和瑞知识产权代理事务 所(普通合伙) 34118 专利代理师 王挺 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01)G06F 30/23(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06F 111/04(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 江水渗流对穿江隧道开挖影响的分析方法 (57)摘要 本发明公开了江水渗流对穿江隧道开挖影 响的分析方法， 建立隧道开挖力学分析模型和开 挖隧道江水渗流分析模型； 基于隧道 开挖力学分 析模型， 进行隧道开挖过程的力学分析， 得到隧 道开挖面上的开挖荷载； 基于开挖隧道江水渗流 分析模型， 进行渗流场分析和开挖荷载作用下的 隧道应力与变形分析， 得到洞周围岩内部微结构 的变化； 根据岩体内部微结构变化， 采用岩体渗 透性演化方程进行洞周围岩渗透张量的计算， 并 将其传递到渗流分析模型中； 采用双场交叉迭代 算法进行江水渗流过程开挖隧道围岩应力、 变形 与渗流过程的求解。 本发明还分析江水变化与 岩 体结构特征变化在穿江隧道开挖施工中对江底 沉降变形的影响， 具有创新意义， 工程应用前景 广泛。 权利要求书5页 说明书14页 附图6页 CN 114676486 A 2022.06.28 CN 114676486 A 1.江水渗流对穿江隧道开挖影响的分析 方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1， 建立隧道开挖力学分析模型； S2， 基于隧道开挖力学分析模型， 通过将隧道开挖区域挖除， 建立开挖隧道江水渗流分 析模型； S3， 基于隧道开挖力学分析模型， 进行隧道开挖 过程的力学分析， 得到隧道开挖面上的 开挖荷载； S4， 基于开挖隧道江水渗流分析模型， 进行初始渗流场分析， 分析开挖隧道江水渗流分 析模型中的水压力； 将开挖隧道 江水渗流分析模型中水压力的分析结果代入隧道开挖力学 分析模型中， 基于隧道开挖力学分析模型， 进行开挖载荷和水压力共同作用下 的隧道应力 与变形分析， 分析洞周围岩内部微结构的变化； S5， 建立岩体渗透率演化方程， 并根据洞周围岩内部微结构的变化， 计算洞周围岩的岩 体渗透率； S6， 将岩体渗透率代入开挖隧道江水渗流分析模型中， 继续进行渗流场分析， 更新开挖 隧道江水渗流分析模 型中的水压力， 按照步骤S4～S5的方式， 采用交叉迭代 算法， 分析江水 渗流过程中隧道的应力与变形， 以及洞周围岩内部微结构的变化。 2.根据权利要求1所述的江水渗流对穿江隧道开挖影响的分析方法， 其特征在于， 步骤 S1中， 建立隧道开挖力学分析模型， 具体包括以下步骤： S11， 根据穿江隧道工程地质条件、 隧道尺寸结构与布置以及江水条件， 采用八节点六 面体单元， 建立隧道初始有限元计算模型即初始模型； 其中， 初始模型的顶部为江底， 整个 模型均处于江 水位以下， Z方向为竖直方向， 围岩为饱和状态； S12， 对初始模型的底部和两侧均施加零 位移法向约束； S13， 根据实际隧道工程特点， 采用初始自重应力计算或采用侧压力系数分析的方式， 设置初始模型的初始应力； 所述初始自重应力 计算的具体方式为： 根据江水深度在初始模型顶部设置均匀分布的 水压力荷载， 在隧道自重荷载作用下对初始模型 的应力进行计算， 根据应力计算结果设置 初始模型的初始应力； 所述侧压力系数分析的具体方式为： 根据侧 压力系数Kc， 采用如下计算公式， 对初始模 型的的初始应力进行设置： σz0＝γwHw+γrHr σx0＝σy0＝Kcσz0 其中， σz0为竖直方向的初始应力， σx0为水平面沿x方向的初始应力， σy0为水平面沿y方 向的初始应力， γw和γr分别为水和围岩的重度， Hw和Hr分别为江 水深度和围岩埋深。 3.根据权利要求1所述的江水渗流对穿江隧道开挖影响的分析方法， 其特征在于， 步骤 S2中， 建立 开挖隧道江 水渗流分析模型， 具体包括以下步骤： S21， 在隧道开挖力学分析模型的基础上， 将隧道开挖区域挖除， 建立隧道江水渗流有 限元计算模型即江 水渗流模型； S22， 设置江 水渗流模型的边界与初始条件； 江水渗流模型的边界具体为： 模型两侧和底部边界设为隔水边界； 顶部设为固定水压 力边界， 顶部的固定水压力边界值根据江水位高程确定； 在隧道开挖后， 隧道洞周边界水压权　利　要　求　书 1/5 页 2 CN 114676486 A 2力降为1标准大气压； 江水渗流模型的初始条件具体为： 初始时， 江水渗流模型的内部水压力从顶部到底部 呈梯形分布。 4.根据权利要求1所述的江水渗流对穿江隧道开挖影响的分析方法， 其特征在于， 步骤 S3中， 通过在隧道开挖面节点上施加等效的开挖荷载来模拟隧道 施工开挖过程； 隧道开挖面节点上 所施加的开挖荷载的有限元求 解过程， 具体如下 所示： 岩体在初始时刻处于平衡 状态， 且应力状态σij及变形历史ui已知； 施工开挖后岩体体积由Ω0变为Ω， 在应力边界Sσ上产生边界面力增量 在位移边界 Su上产生位移增量 使体积Ω内的应变增量Δ εij、 应力增量Δσij和位移增量Δui满足下 列控制方程及边界条件： Δσij,j+Δbi＝0inΩ 其中， Δσij,j为应力增量的偏导数， Δbi为岩体体积力增量， 为弹性应变增量， 为非弹性应变增量， 为岩体的弹性刚度张量； nj为应力边界Sσ的法向量； Δui,j、 Δuj,i为 位移增量的偏导数； 采用有限单元法进行求解， 设K0、 u0、 F0分别为岩体开挖前初始应力场条件下的刚度矩 阵、 位移向量、 开挖面节点力向量， 下 标0代表未开挖， 则： K0u0＝F0 隧道开挖时， 用K1， u1， Fexv1分别表示岩体开挖后的刚度矩阵、 位移向量、 开挖面节点力 向量， 下标1表示开挖， 则： K1u1＝Fexv1 其中， BT为几何矩阵的对称矩阵； NT为插值形函数矩阵的对称矩阵； b为边界面体力矢 量； σ0为岩体的初始应力； Ωexv1为开挖掉的区域； 为边界面力； 岩体开挖后的开挖面节点力向量Fexv1即为在隧道开挖面节点上施加的等效开挖荷载。 5.根据权利要求1所述的江水渗流对穿江隧道开挖影响的分析方法， 其特征在于， 步骤 S4中， 在开挖隧道江水渗流分析模型的基础上， 采用TOUGHREACT 软件进行初始渗流场分析， 若洞周围岩中流体饱和且只有一种液相组分 即水， 则流体运动控制方程的表达形式为：权　利　要　求　书 2/5 页 3 CN 114676486 A 3