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龙图腾网获悉南华大学申请的专利护盾式TBM开挖卡机三维连续-非连续耦合数值模拟方法获国家发明授权专利权，本发明授权专利权由国家知识产权局授予，授权公告号为：CN115292975B 。

龙图腾网通过国家知识产权局官网在2026-02-24发布的发明授权授权公告中获悉：该发明授权的专利申请号/专利号为：202210322826.4，技术领域涉及：G06F30/23；该发明授权护盾式TBM开挖卡机三维连续-非连续耦合数值模拟方法是由刘鹤;何芳设计研发完成，并于2022-03-29向国家知识产权局提交的专利申请。

本护盾式TBM开挖卡机三维连续-非连续耦合数值模拟方法在说明书摘要公布了：本发明公开了一种护盾式TBM开挖卡机三维连续‑非连续耦合数值模拟方法，涉及岩石力学数值方法领域。本方法包括下列步骤：①建立研究区域地质模型、TBM护盾模型和支护结构模型；②输入参数标定；③地应力平衡；④TBM开挖模拟；⑤TBM护盾卡机判定。本发明计算精度高、模拟效果与工程实际更加符合，适合于TBM开挖围岩大变形、护盾‑围岩相互作用以及护盾卡机模拟，能够为TBM隧道开挖安全施工、卡机预警和事故处理提供决策性指导。

本发明授权护盾式TBM开挖卡机三维连续-非连续耦合数值模拟方法在权利要求书中公布了：1.一种护盾式TBM开挖卡机三维连续-非连续耦合数值模拟方法，其特征在于包括下列步骤： ①建立研究区域地质模型、TBM护盾模型和支护结构模型 三维连续-非连续耦合数值模型建模包括两个步骤： a.建立四面体单元有限元模型，通过常见有限元建模软件生成； b.在四面体单元之间插入初始无厚度的粘聚力单元，通过程序实现，用于损伤破裂模拟； 所述的地质模型足够大以抵消边界效应，模型中地质构造和地层结构与实际一致，采用四面体单元网格划分，并在四面体单元之间插入粘聚力单元； 所述的TBM护盾模型采用三角形单元网格生成，由于护盾材料为高强度钢，模拟中只考虑弹性变形，同时记录围岩与护盾之间的相互作用力； 所述的支护结构模型与实际现场一致，包括豆砾石充填注浆和管片，均采用四面体单元网格划分，并在四面体单元之间插入粘聚力单元； ②输入参数标定 所述输入参数主要包括弹性模量、密度、泊松比、单轴拉伸强度、粘聚力、内摩擦角、接触刚度、粘聚力单元法向和切向变形刚度、拉伸断裂能和剪切断裂能； 取现场研究区域不同地层完整岩样，开展室内三轴压缩实验和直接拉伸实验，获取所述地质模型中不同地层的弹性模量、密度、泊松比、单轴拉伸强度、粘聚力和内摩擦角； 取现场研究区域含不同结构面试样，开展室内结构面剪切实验，获取所述地质模型中不同结构面的粘聚力和内摩擦角； 将所述地质模型中不同地层岩石的接触刚度设置为10倍岩石弹性模量，粘聚力单元法向和切向变形刚度为500倍岩石弹性模量；开展三轴压缩和直接拉伸数值模拟，标定不同地层岩石拉伸断裂能和剪切断裂能； ③地应力平衡 地应力平衡采用如下步骤： a.开展现场地应力测试，获取现场研究区域地应力数值； b.基于未插入初始无厚度粘聚力单元的有限元地质模型，在有限元地质模型边界上施加与实际地应力状态相反的面力，即：如果实际区域边界的地应力为拉应力，则施加相同大小的挤压面力；如果实际区域边界的地应力为压应力，则施加相同大小的拉伸面力；如果实际区域边界上存在剪切应力，则施加与实际剪切应力大小相等但方向相反的剪切力；如果考虑重力，则在有限元地质模型中将重力反置； c.在有限元地质模型底面上施加竖向约束，采用Neo-Hookean超弹性本构进行静力平衡分析,表达式如下： 式中，μ和λ为拉梅常数，通过弹性模量和泊松比确定；η为粘性阻尼，通过密度和弹性模量确定；I为单位张量，D为变形速度张量，通过单元节点速度确定；J为变形梯度行列式，通过单元节点坐标确定；T为柯西应力张量，B为格林应变张量；静力平衡分析可采用常见有限元软件或者程序求解； d.插入粘聚力单元，提取静力平衡分析结果中变形后的有限元地质模型节点坐标作为三维连续-非连续耦合数值模型节点的初始坐标，而有限元地质模型的无变形节点原始坐标作为三维连续-非连续耦合数值模型节点的当前坐标； e.在三维连续-非连续耦合数值模型中与有限元地质模型中施加面力的边界面对应的边界上施加法向位移约束，并在三维连续-非连续耦合数值模型底面施加竖向位移约束；如果考虑重力，则施加真实重力； f.启动三维连续-非连续耦合数值模拟方法主程序，计算至地应力平衡；随着计算时间步的增加，系统总动能迅速减小，地应力平衡条件为系统总动能e小于给定阈值ecr： 式中，m为模型总质量，vcr为速度阈值，不大于0.001ms； ④TBM开挖模拟 在步骤③地应力平衡的基础上，首先一次性开挖3倍隧道直径距离，同时激活一次性开挖范围内豆砾石充填注浆和管片，计算至平衡以消除开挖边界效应；接着以恒定的开挖速率向前推进掌子面和TBM护盾，将护盾前端与掌子面接触的四面体单元删除；当TBM掘进一环管片距离后在护盾后方激活豆砾石充填注浆和管片，实现与现场一致的连续掘进模式模拟； ⑤TBM护盾卡机判定 在步骤④TBM开挖模拟过程中实时记录护盾-围岩相互作用力，当相互作用力沿隧道轴线方向的摩擦力分量总和大于TBM脱困推力时，则表明发生TBM护盾卡机，护盾卡机判据为： 式中，F0为TBM脱困推力，F′为护盾表面沿隧道轴线方向摩擦力，fs为护盾表面与围岩接触位置相互作用力沿隧道轴线方向的摩擦力分量。

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