(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 202210990599.2 (22)申请日 2022.08.18 (71)申请人 同济大学 地址 200092 上海市杨 浦区四平路1239号 (72)发明人 张家铭　黄昕　张子新　王帅峰　 周东荣　陈世海　朱小东　金锋　 胡建　 (74)专利代理 机构 上海科律专利代理事务所 (特殊普通 合伙) 31290 专利代理师 叶凤 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 30/13(2020.01) G06F 17/13(2006.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 应用于矩形曲线顶管底幕法施工对既有物 体影响的分析 预测方法 (57)摘要 一种应用 于矩形曲线顶管底幕法施工对既 有物体影 响的分析预测方法， 本发 明提出一套能 够对矩形曲线顶管底幕法施工对既有物体影响 进行预测的方法， 由矩形曲线顶管顶进过程中的 顶推力数据， 计算得到面板阻力数据， 并通过建 立相对坐标系， 利用据弹性力学中半无限空间体 Mindlin解的计算原理， 通过简化矩形曲线顶管 弧形梁的几何模 型， 计算迎面阻力引起物体中各 位置的附加应力， 基于Winkler地基模型， 根据地 基模型、 变形协调条件、 平衡方程等计算物体各 点的竖向沉降情况， 并通过物体几何模型的离散 化， 计算物体各点所受外力， 得到物体合力状态， 计算顶管顶进过程中物体的平动位移和纯转动 等位移情况， 预测矩形曲线顶管顶进过程中物体 位置的动态变位情况。 权利要求书3页 说明书5页 附图5页 CN 115358069 A 2022.11.18 CN 115358069 A 1.一种应用于矩形曲线顶管底幕法施工对既有物体影响的分析预测方法， 应用于顶管 机施工作业， 其特 征在于， 包括： 第一部分： 每根矩形曲线顶管弧形梁在顶进施工过程中掘进系统通过传感系统， 根据 顶管机千斤顶液压油缸压力计算相应的顶推力数据； 作为输入进入第二部分； 第二部分： 由分析 预测系统计算输出 预测物体位移和变形 数据； 第三部分： 分析预测系统根据第 二部分预测结果， 实时显示物体位移和变形数据， 对现 场掘进速度、 刀盘转速、 泥水舱压力施工参数进行调整控制， 对于对位移、 变形敏感的目标 保护物体， 当必 要时如果其位移、 变形超出安全阈值指标， 则进 行人工干预或者调整掘进系 统作业。 2.如权利要求1所述的方法， 其特 征在于， 其中， 第二部： 分析预测系统将连续的顶进过程离散化为数个顶进角度工况的叠加， 以物体前一顶进 角度位移发生后的新位置作为后一顶进角度计算的起始位置； 对于多根弧形梁(n根)组成 底幕的情况， 在第k根弧形梁计算完毕后， 将其视为合外力平衡的状态， 从平衡态出发计算 第k+1根弧形梁的受力状态； 以第k根弧形梁顶进完 毕状态下的位移状态作为初始条件进入 第k+1根弧形梁的计算， 采用叠加原理分析预测系统预测输出矩形曲线顶管底幕法施工中 目标保护物体的位移、 变形状态， 为整个施工过程的安全提供保障。 3.如权利要求2所述的方法， 其特 征在于， 第二部分的预测全过程， 包括： 步骤1： 由矩形曲线顶管弧形梁顶进过程中传感系统提供的顶推力数据， 计算得到第k 根弧形梁的竖向、 水平推力； 步骤2： 根据弹性力学中半无限空间体Mindlin解的计算原理， 通过简化曲线顶管弧形 梁的几何模型， 计算迎面阻力引起物体中各位置附加应力； 步骤3： 基于Winkler地基模型， 以弧形梁k的圆心为坐标原点O， 分别以目标保护物体的 圆柱体轴、 弧形梁k所在截面的水平和竖直方向确 定空间坐标系的x、 y、 z轴， 在该空间坐标 系下， 根据地基模型、 变形协调条件、 平衡方程计算物体各点的竖向变形量 w； 步骤4： 根据步骤2中得到的迎面阻力引起物体中各位置附加应力， 确定物体在顶进过 程中的合外力状态和位移， 并更新物体位置 。 4.如权利要求3所述的方法， 其特 征在于， 步骤1具体包括： 步骤1.1： 获取第k 根弧形梁第j个顶进步的顶推力数据Fj； 步骤1.2： 将顶推力Fj分解为水平和竖直分量， 通过式(1)获得第j个顶进步顶推力水平 和竖向分量ph,j、 pv,j； pv,j＝Fj sinθj ph,j＝Fj cosθj       (1) 式中Fj为测得的总顶推力， θj为顶管当前顶进角度。 5.如权利要求3所述的方法， 其特 征在于， 步骤2具体包括： 步骤2.1： 将目标保护物体简化为等长、 等体积的圆柱体几何模型， 其面域为 ;顶推力 视作全部按均布荷载以迎面阻力的形式施加于弧形梁端面上； 所述迎面阻力近似等于顶推 力大小， 按均布荷载施加在端面上； 步骤2.2基于Mindlin解， 以曲线顶管圆心为坐标原点、 物体长、 短轴、 竖直方向分别为 x、 y、 z轴正方向建立空间坐标系， 计算迎面阻力引起物体表面任意位置 点Q(xq,yq,zq)∈ 的权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115358069 A 2附加应力； 按式(2)和(3)分别求得在第j个顶进步中竖向、 水平荷载pvdξ dη和phdξ dη引起物 体上任一 点 处的附加应力σzv、 σzh： 其中， σz＝σzv+σzh； 式中， dξdη为弧形梁顶进面Ω上的微元， ξ和 η为顶进面上相互垂直的局部坐标， ν为泊 松比， 为第j顶进步顶管端面埋深， R梁为弧形梁半径。 所述弧形梁顶进面， 即迎 面； 其中， 6.如权利要求3所述的方法， 其特 征在于， 步骤3具体包括： 步骤3.1基于Winkler地基模型， 建立物体和地基的变形协调条件、 平衡方程， 确定物体 的变形控制微分方程； 分析顶管顶进引起垂直于圆柱体的附加应力时， 将圆柱体看作是分布荷载作用下的 Winkler弹性地基无限长梁； 得到附加应力对物体 影响的控制方程： EI为物体抗弯刚度， PZ(x)＝σzD为物体上的附加荷载， D为物体直径(按相同面积的圆等效， 下同)； K为地基基床系数， 按Vesic提出的公式， 步骤3.2求 解变形控制微分方程， 获得物体各点的竖向变形量数据w； 物体受集中力P0作用下的解 为： 其中， 将均布荷载视作集中荷载P( ξ )dξ的积分形式， 按式(12)计算并在均布荷载范围内积 分， 得到物体竖向变形量的解析公式( ξ 为积分变量)：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115358069 A 3