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开挖过程中地下新管幕结构变形与内力数值分析

张占军  
【摘要】:近年来,随着城市地下空间的深度开发,为有效的利用地下空间资源,大深度、大断面的地下工程不断被设计人员所采用,并成为一种发展趋势。对于大型地下空间施工而言,采用单一施工方法,技术上或经济上总有一定局限性。在现有技术水平的基础上并经过技术扩展,研究可进行大型或超大型地下空间的施工方法。针对这种情况,本文选用一种新的大断面地下结构施工方法—新管幕(New Tubular Roof,简称NTR)工法。采用NTR工法建造的结构通常称为NTR结构。NTR工法起源于韩国,在国内首次应用,但对于NTR工法的理论研究相对于实践研究是滞后的,虽然NTR工法应用逐渐增多,但其理论研究相对较弱。因此,有必要对NTR结构体系及施工方法进行系统的研究。 本文采用FLAC~3D商用软件对选用的某NTR结构体系在开挖全过程中的强度与变形问题进行了非线性有限元分析。主要内容和方法包括以下几个方面: (1)开挖过程中的NTR结构与土体变形分析 NTR结构在土体开挖过程中会产生变形。一般来说,在第一步开挖时,结构的位移比较大,后面的开挖步骤结构的位移比较小。随着土体的开挖,不同的位置有不同的变形趋势,结构顶部和结构底部均朝内部方向变形,结构拱腰部位有朝向外的水平位移。因此,第一步开挖对结构变形产生的影响很大,是施工监测的重点;由于跨度比较大,中板竖向位移比较大。因此,在开挖中板以下的土体的时候要及时的制作中板的竖向支撑,减少中板的竖向位移。 NTR结构在施工开挖过程中围岩的塑性区发展具有一定的规律性。土体开挖后,由于拱顶上部土体的下沉,在拱肩部位出现张拉屈服带,与水平面大致有45°夹角。拱内部出现大体积的塑性区,拱脚部分也出现少量的塑性区。随着开挖进行,上面的塑性带几乎没有进一步的发展,拱内的塑性区逐渐被挖掉。拱脚的塑性区随着开挖的进行有些扩大。 (2)开挖过程中的NTR结构内力分析 NTR结构在施工开挖过程中内力分布规律和传递途径在不断变化。环梁最大压应力由上向下移动,出现三个关键部位,最早出现在第一步开挖的断面处,随后出现在中板的部位,在最后停留在中板稍下方的地方。在开挖下部土体的时候,中板以上环梁部分的受力没有明显的变化,由于中板制作完成之后中板与环梁形成一个整体,空间刚度比较大,内力的分配得到均匀化。 在施工过程中,NTR结构的变形与内力分布具有规律性。本文所提出的分析方法以及数值计算结果可作为工程设计与施工的参考。


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