管幕和横梁作用下大断面开挖变形响应研究

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.01.016

摘要/Abstract

摘要：

基于管幕与横梁作用下大断面开挖相似模型试验，研究开挖引起的管幕变形和地表沉降变化规律.为充分研究参数变化对管幕变形和地表沉降的影响，运用有限元软件建立三维数值模型，以此模型为依据，分析管幕抗弯刚度和横梁抗弯刚度对管幕变形和地表沉降的影响，并根据模糊数学理论对最优刚度匹配进行研究.研究结果表明：管幕结构整体变形类似于“板”，且关于中间管幕对称，管幕跨中断面地表沉降呈“凹槽”型，符合Peck曲线分布；管幕变形和地表沉降均与横梁刚度和管幕刚度呈指数函数关系，且对横梁刚度变化更为敏感；管幕刚度与横梁刚度分别为0.5D和2K时，可以兼顾安全性与经济性.

关键词: 管幕, 模型试验, 管幕变形, 地表沉降, 刚度匹配

Abstract:

Based on the similar model test of large-section excavation under the action of pipe-roof and beam，the variation law of pipe-roof deformation and surface settlement caused by excavation was studied. In order to fully study the influence of parameter changes on the pipe-roof deformation and surface settlement，a three-dimensional numerical model was established by using the finite element software. Based on this model，the effects of the flexural stiffness of the pipe-roof and the beam on the pipe-roof deformation and surface settlement were analyzed，and the optimal stiffness matching was studied according to the fuzzy mathematical theory. The results indicate that the overall deformation of the pipe-roof structure resembles a “plate”and exhibits symmetry about the middle pipe-roof. The surface settlement of the cross section of the pipe-roof forms a “grooved”pattern，conforming to the Peck curve distribution. The pipe-roof deformation and surface settlement are exponential functions of the beam stiffness and the pipe-roof stiffness，with greater sensitivity to changes in the beam stiffness. The safety and economy can be taken into account when the beam stiffness and the pipe-roof stiffness are 0.5D and 2K respectively.

Key words: pipe-roof, model test, pipe-roof deformation, surface settlement, stiffness matching

中图分类号:

TU 94

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图/表 18

图1 市府大路站平面图

Fig. 1 Plan view of Shifu Road station

图2 模型试验装置图（单位：mm）

Fig. 2 Model test device diagram （unit：mm）

图3 LDPE材料弹性模量测试（a）—材料试样；（b）—万能材料试验机.

Fig. 3 Elastic modulus test of LDPE materials

表1 原型和模型土的物理力学参数 (of prototype and model soil)

Table 1 Physico‐mechanical parameters

类型	含水率	湿密度	c	φ	E_s
类型	%	g·cm^-3	kPa	（°）	MPa
原型土	10.4	1.81	1.5	35	36~48
模型土	10.4	1.78	0.98	33.1	1.04

图4 监测点布置图（单位：mm）（a）—管幕变形监测点；（b）—地表沉降监测点.

Fig. 4 Layout of measuring points （unit：mm）

图5 模型试验

Fig. 5 Model test

图6 开挖结束后P1和P2断面的管幕变形

Fig. 6 Pipe‐roof deformation at section P1 and P2 after excavation

图7 P1-3和P2-3处管幕变形随开挖长度变化图

Fig. 7 Variation of pipe‐roof deformation with excavation length at P1‐3 and P2‐3

图8 开挖结束后G3断面的地表沉降

Fig. 8 Surface settlement at section G3 after excavation

图9 G3-6和G4-1处地表沉降随开挖长度变化

Fig. 9 Variation of surface settlement with excavation length at G3‐6 and G4‐1

表2 参数组合

Table 2 Parameter combinations

编号	管幕刚度	横梁刚度
1	0.5D	0.5K
2	0.5D	K
3	0.5D	1.5K
4	0.5D	2K
5	D	0.5K
6	D	K
7	D	1.5K
8	D	2K
9	1.5D	0.5K
10	1.5D	K
11	1.5D	1.5K
12	1.5D	2K
13	2D	0.5K
14	2D	K
15	2D	1.5K
16	2D	2K

图10 计算模型图

Fig. 10 Calculation model

图11 试验值与模拟值对比图

Fig. 11 Comparison between test values and simulated values

图12 管幕变形随管幕抗弯刚度和横梁抗弯刚度变化图

Fig. 12 Variation of pipe‐roof deformation with

图13 地表沉降随管幕抗弯刚度和横梁抗弯刚度变化图

Fig. 13 Variation of surface settlement with

图14 不同参数组合下地表沉降值

Fig. 14 Surface settlement values under different parameter combinations

表3 参数组合及评价指标计算结果 (and calculation results)

Table 3 Parameters of the specimens

编号	y₁₁/mm	y₁₂/万元
3	49.05	29.86
4	45.8	31.12
7	47.9	35.82
8	44.7	37.08
11	47.1	40.12
12	43.45	41.38
14	49.05	42.32
15	44	43.58
16	41.5	44.85

表4 模糊综合评价隶属度ti 计算结果 (of fuzzy comprehensive evaluation)

Table 4 Calculation results of membership ti

i	t_i	i	t_i
1	0.50	6	0.49
2	0.67	7	0.08
3	0.38	8	0.38
4	0.55	9	0.50
5	0.29

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