(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 202210478016.8 (22)申请日 2022.04.28 (71)申请人 江苏南京地质工程勘察院 地址 210041 江苏省南京市雨 花台区油坊 桥贾东村10 5号 申请人 河海大学 (72)发明人 徐成华　于丹丹　李兆　刘刚　 施威　骆祖江　付延玲　 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/13(2020.01) G06F 17/11(2006.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种盾构施工引发地 面沉降模拟预测方法 (57)摘要 本发明提供一种盾构施工引发地面沉降模 拟预测方法， 包括如下步骤： 建立概念模 型； 建立 数学模型； 确定初始条件； 确定边界条件； 进行变 量声明和数据初始化； 对所有单元进行循环计算 处理； 引入 所述的边界条件形成方程右端项并进 行求解； 对所述的概念模型划分应力期， 每个应 力期为一个时间步； 对一个时间步内的自由面和 黏塑性进行计算处理； 对一个时间步内的所有单 元进行计算处理； 对一个时间步内的所有高斯点 进行计算处理； 计算应力， 判断弹性单元、 黏塑性 单元、 过渡单元是否屈服； 求解方程判断是否收 敛； 计算完毕后， 输出水位、 孔压、 应力、 位移的计 算结果。 本发 明对盾构施工中地面沉降预测的效 率和准确性高， 可应用于地铁施工地面沉降预 测。 权利要求书3页 说明书9页 附图2页 CN 114722681 A 2022.07.08 CN 114722681 A 1.一种盾构施工引发地 面沉降模拟预测方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： S1、 建立概念模型， 模拟盾构施工过程； 利用有效单元/无效单元方法模拟盾构隧道的动态开挖过程， 设定盾构施工模拟过程 中的相关单 元， 包括： 管片单 元、 浆体单 元、 土体单 元、 盾构单 元、 和盾尾空隙单 元； S2、 建立动态变化数 学模型， 包括： 比奥固结 方程， 土体本构模型和参数动态变化模型； (1)比奥固结 方程 假设土体为饱和土体， 其土骨架变形为线弹性、 微小变形， 土体中地下水渗流符合达西 定律， 且认为 地下水不可压缩， 其 三维比奥固结 方程如下： 其中:σ′是有效正应力； τ是剪应力； u是孔隙水压力； γ是土的重度； k为渗透系数； εv是 土体应变； γw是水的重度； (2)土体本构模型 将土体的总 应变增量dε分为弹塑性应变增量 dεep， 黏弹性应变增量 dενe,和黏塑性应变 增量dενp， 则具有流变特性的土体中任意 点在任意时刻的应 变增量为： dε＝dεep+dεν e+dενp                      式二 其中， 弹塑性应变增量： dεep＝[C]dσ′ 其中[C]是弹 塑性柔度矩阵； 黏弹性应 变增量： 其中， ηe＝E1/Ke,E1是kelvin体黏弹性模量， Ke是黏滞系数， [A]是应力矩阵； 黏塑性应 变增量： 其中， F是破坏准则函数， Qs是塑性势函数； (3)参数动态变化模型 根据Kozeny ‑Carman公式和土力学中孔隙度的定义推得孔隙度 n和渗透系数k的动态表 达式：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114722681 A 2其中， n0是初始孔隙度， k0是初始渗透系数， εv是体应变； 采用邓肯－张非线性模型， 将土体的本构关系推广到非线性， 则本构关系{Δσ }＝[D] {Δ ε }中矩阵[D]中的弹性常数E， v不再视为常量， 而 是随着应力状态改变而改变， 其切线弹 性模量和 切线泊松比的表达式如下: 其中： Rf是破坏比， c是黏 聚力， 是内摩擦角， σ1是第一主应力， σ3是第三主应力， n是弹 性模量与固结压力曲线的斜率， α， G为土体常规三轴压缩实验结果所绘曲线截距， F是本构 模型参数， Pa是大气压强； S3、 确定初始条件， 包括： 地应力初始条件、 位移初始条件和孔隙水压力初始条件； (1)地应力初始条件： 采用土体的自重应力估算土体的初始应力： 其中， σz, σx为土体的初始 垂向和水平应力， z为计算 点深度， K0为静止侧压力系数； (2)位移初始条件： w(x,y,z,t)|t‑0＝0                             式五 (3)孔隙水压力初始条件： u(x,y,z,t)|t‑0＝u0(x,y,z)                           式六 其中， u0是计算域内初始孔隙水压力； S4、 确定边界条件， 包括： 孔隙水压力边界条件、 流量边界条件、 自由面边界条件和位移 边界条件；权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114722681 A 3