(19)国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 20221078102 2.0 (22)申请日 2022.07.05 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 114840951 A (43)申请公布日 2022.08.02 (73)专利权人 中国长江三峡集团有限公司 地址 100038 北京市海淀区玉渊潭南路1号 (72)发明人 董顺　张晓萌　温栋　 (74)专利代理 机构 北京三聚阳光知识产权代理 有限公司 1 1250 专利代理师 李静玉 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/20(2020.01) F16L 1/028(2006.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 113/14(2020.01) G06F 119/14(2020.01)(56)对比文件 CN 106529150 A,2017.0 3.22 CN 102359659 A,2012.02.2 2 CN 10757 7836 A,2018.01.12 CN 111400645 A,2020.07.10 周浩 等.考虑注浆作用的矩形顶管 竖向土 压力计算模型. 《地质科技 通报》 .2021,第40卷 (第2期), Haifeng Zhang等.A new model to predict so il pressure acti ng on deep burial jacked pipes. 《T unnelling and Underground Space Tec hnology》 .2016, 范毅雄.顶管 管顶竖向土 压力计算探讨. 《特 种结构》 .2020,第37 卷(第6期), 李志杰 等.非开挖水平定向钻 钻杆全尺寸 疲劳试验研究. 《地下空间与工程学报》 .2020,第 16卷(第3期), 李信杰 等.非开挖水平定向钻喷射式反循 环扩孔器设计及其 排屑性能试验. 《科 学技术与 工程》 .2021,第21卷(第21期), 审查员 丁蓬莉 (54)发明名称 适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力 计算方法及装置 (57)摘要 本发明公开了一种适用于不开槽顶管施工 的管顶竖向土压力计算方法及装置， 该方法包 括： 获取不开槽顶管施工区域内土体的宏观参数 和顶管机的超挖量； 根据管道设计参数以及土体 的宏观参数建立离散元模型， 对由超挖量引起的 土体移动过程进行数值模拟， 以确定管顶剪切带 发展高度和剪切带平均宽度； 根据土体的宏观参 数、 管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度计算 不开槽顶管施工管顶竖向土压力。 通过实施本发 明， 采用离散元方法对管顶覆土移动过程进行数 值模拟， 以确定管顶剪切带发展高度和宽度。 由 此， 管顶竖向土压力计算结合了理论分析和离散元数值模拟， 更符合工程实际情况， 计算结果的 准确性较现有理论公式或方法有明显提高。 权利要求书2页 说明书9页 附图6页 CN 114840951 B 2022.09.20 CN 114840951 B 1.一种适用于不 开槽顶管施工的管顶竖向土 压力计算方法， 其特 征在于， 包括： 获取不开槽顶管施工区域内土体的宏观参数和顶管机的超挖量； 根据管道设计参数以及所述土体的宏观参数建立离散元模型， 对由超挖量引起的土体 移动过程进行 数值模拟， 以确定管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度； 根据所述土体的宏观参数、 管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度计算不开槽顶管施 工管顶竖向土 压力； 获取不开槽顶管施工区域内土体的宏观参数和顶管机的超挖量， 包括： 对不开槽顶管施工区域 等间距取样， 获取土样宏观参数； 根据土样宏观参数计算第一土体宏观参数； 将土样混合筛分后获取第二土体宏观参数； 根据不开槽顶管施工区域对应的顶管机相关参数计算顶管机的超挖量； 根据管道设计参数以及所述土体的宏观参数建立离散元模型， 对由超挖量引起的土体 移动过程进行 数值模拟， 以确定管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度， 包括： 根据所述第一土体宏观参数通过 数值试验确定 土颗粒的细观参数； 根据所述第 二土体宏观参数和土颗粒的细观参数生成土颗粒集合体， 所述土颗粒集合 体中土颗粒间的不平衡力通过离 散元迭代计算消除； 基于超挖量和管道直径建立管道模型， 将土颗粒的速度场和位移场归零， 通过离散元 迭代计算模拟由超挖量引起的土体移动过程， 以确定管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽 度； 所述不开槽顶管施工管顶竖向土 压力采用如下公式计算： 式中， 表示管顶竖向土压力， B表示剪切带平均宽度， 表示摩擦角， c表示粘聚力， 表示容重， h表示剪切带发展高度， H表示管道埋深。 2.根据权利要求1所述的适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算方法， 其特征 在于， 所述第一土体宏观参数包括： 容重、 密度、 孔隙率、 粘聚力、 摩擦角和压缩 模量； 所述第二土体宏观参数包括： 土体的平均粒径和土体颗粒级配曲线。 3.根据权利要求1所述的适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算方法， 其特征 在于， 所述剪切带平均宽度由管顶 移动土体截面 面积和剪切带发展高度的比值确定 。 4.根据权利要求1所述的适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算方法， 其特征 在于， 根据所述土体的宏观参数、 管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度计算不开槽顶管 施工管顶竖向土 压力， 包括： 在极限平衡假设条件下， 根据土体抗剪强度线和应力莫尔圆的几何关系推导考虑土体 粘聚力及剪切带 上主应力旋转时的侧向土 压力系数； 基于剪切带发展高度和管道埋深计算附加土荷载； 对不开槽顶管施工管顶上方的微单元土体进行静力平衡分析， 基于所述侧向土压力系 数和所述附加土荷载推导 不开槽顶管施工管顶竖向土 压力计算公式；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114840951 B 2将土体的宏观参数、 管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度代入所述管顶竖向土压力 计算公式对不 开槽顶管施工管顶竖向土 压力进行计算。 5.一种适用于不 开槽顶管施工的管顶竖向土 压力计算装置， 其特 征在于， 包括： 参数获取模块， 用于获取不 开槽顶管施工区域内土体的宏观参数和顶管机的超挖量； 模拟模块， 用于根据管道设计参数以及所述土体的宏观参数建立离散元模型， 对由超 挖量引起的土体移动过程进行 数值模拟， 以确定管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度； 计算模块， 用于根据所述土体的宏观参数、 管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度计 算不开槽顶管施工管顶竖向土 压力； 获取不开槽顶管施工区域内土体的宏观参数和顶管机的超挖量， 包括： 对不开槽顶管施工区域 等间距取样， 获取土样宏观参数； 根据土样宏观参数计算第一土体宏观参数； 将土样混合筛分后获取第二土体宏观参数； 根据不开槽顶管施工区域对应的顶管机相关参数计算顶管机的超挖量； 根据管道设计参数以及所述土体的宏观参数建立离散元模型， 对由超挖量引起的土体 移动过程进行 数值模拟， 以确定管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度， 包括： 根据所述第一土体宏观参数通过 数值试验确定 土颗粒的细观参数； 根据所述第 二土体宏观参数和土颗粒的细观参数生成土颗粒集合体， 所述土颗粒集合 体中土颗粒间的不平衡力通过离 散元迭代计算消除； 基于超挖量和管道直径建立管道模型， 将土颗粒的速度场和位移场归零， 通过离散元 迭代计算模拟由超挖量引起的土体移动过程， 以确定管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽 度； 所述不开槽顶管施工管顶竖向土 压力采用如下公式计算： 式中， 表示管顶竖向土压力， B表示剪切带平均宽度， 表示摩擦角， c表示粘聚力， 表示容重， h表示剪切带发展高度， H表示管道埋深。 6.一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存储有计算机指 令， 所述计算机指令用于使所述计算机执行如权利要求1 ‑4任一项所述的适用于不开槽顶 管施工的管顶竖向土 压力计算方法。 7.一种电子设备， 其特征在于， 包括： 存储器和 处理器， 所述存储器和所述处理器之间 互相通信连接， 所述存储器存储有计算机指 令， 所述处理器通过执行所述计算机指令， 从而 执行如权利要求1 ‑4任一项所述的适用于不 开槽顶管施工的管顶竖向土 压力计算方法。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114840951 B 3