考虑微拱效应的隧道管棚受力机制分析与支护效果评价

李然; 王圣涛; 王静峰; 张顶立; 陈平; 潘红桂; 李奥

doi:10.11779/CJGE20211515

考虑微拱效应的隧道管棚受力机制分析与支护效果评价 English Version

李然^{1, 2, 3,},
王圣涛¹,
王静峰^2, ,,
张顶立³,
陈平¹,
潘红桂¹,
李奥^{3, 4}

1.
合肥工业大学，安徽合肥 230099
2.
中铁四局集团有限公司，安徽合肥 230023
3.
北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室，北京 100044
4.
苏交科集团股份有限公司，江苏南京 210019

基金项目:

国家重点基础研究发展计划项目(“973”计划) 2017YFC0805401

国家自然科学基金项目 51738002

高铁联合基金重点项目 U1934210

详细信息

作者简介:
李然(1995—)，男，博士，工程师，主要从事隧道与地下工程的科学研究工作。E-mail: 17115300@bjtu.edu.cn

通讯作者:
王静峰, E-mail: jfwang008@163.com

中图分类号: TU431
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出版历程
- 收稿日期: 2021-12-19
- 网络出版日期: 2023-03-15
- 刊出日期: 2023-02-28

Mechanical behaviors and supporting effect evaluation of pipe roof in tunneling engineering considering micro-arch effects

LI Ran^{1, 2, 3,},
WANG Shengtao¹,
WANG Jingfeng^2, ,,
ZHANG Dingli³,
CHEN Ping¹,
PAN Honggui¹,
LI Ao^{3, 4}

1.
Hefei University of Technology, Hefei 230009, China
2.
China Tiesiju Civil Engineering Group Co., Ltd., Hefei 230023, China
3.
Key Laboratory for Urban Underground Engineering of Ministry of Education, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China
4.
JSTI Group, Nanjing 210019, China

摘要

摘要: 考虑管间微拱效应、初期支护滞后效应、应力释放时空效应和基床系数变化特性，将管棚在轴向上划分为不同受力区段，建立深浅埋隧道管棚的力学理论模型，进而通过参数分析揭示管棚力学响应受影响规律。研究表明：①管棚在环向上表现为微拱效应，具有承载减跨效果，管棚外载为管间微拱转移的岩土压力；②管棚轴向上体现为长梁效应，发挥荷载传递作用，将超前围岩荷载传递至后方初支；③基于Pasternak弹塑性地基梁理论，推导了管棚挠度和内力的理论解，较既有理论解更贴近实测结果；④提出了围岩/初期支护承载比和管棚挠曲变形以量化评价管棚支护效果，为合理控制管棚变形并有效传递围岩荷载，软岩大跨隧道开挖进尺不得大于2 m，拱顶附近30°范围内的管间距较其他部位应缩短5~10 cm。
- 管棚 /
- 隧道工程 /
- 微拱效应 /
- 受力机制 /
- 变形预测
Abstract: Considering the micro-arch effects between the adjacent pipes, the delay effects of the initial support, the spatio-temporal effects of stress release of the surrounding rock and the coefficient change of subgrade reaction, the pipe roof is longitudinally divided into different sections. The corresponding mechanical model for the pipe roof is established both in the deep- and shallow-buried tunnels. Then, the mechanical response laws of the pipe roof are revealed through the parameter analysis. It is found that: (1) In the transverse direction, the pipe roof shows the micro-arch effects to bear the loads. The external loads on the pipe roof are the rock pressures transferred by the micro arches. (2) In the longitudinal direction, the pipe roof shows the beam effects to transfer the loads from the forward rock to the initial support. (3) Based on the Pasternak theory of elastic-plastic foundation beam, the analytical solutions for the deflection and the internal force of pipe roofs are derived, and the proposed theoretical solutions are more accurate than the existing theoretical ones. (4) The bearing ratio of the surrounding rock to the primary support and the pipe deflection are proposed to evaluate the supporting effects of the pipe proof quantitatively. To reliably control the deformation of the pipe roof and effectively transfer the loads of the surrounding rock, the excavation length of large-span tunnel should be limited in 2 m, and the distance between pipe roofs within 30° near the tunnel vault should be 5~10 cm shorter compared with that of other parts.
- pipe roof /
- tunneling engineering /
- micro-arch effect /
- mechanical behavior /
- deformation prediction

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0. 引言

高速铁路以其速度快、运输能力大、舒适方便等优点成为我国大力发展的交通基础设施。随着高铁网络迅速扩张以及运营速度的不断提高，列车运行引起的沿线地面环境振动问题也逐渐成为人们关注的焦点^[1-2]。近年来，许多学者针对轨道交通地面环境振动开展了大量的理论、数值和现场实测研究^[2]。

本文基于巴黎—布鲁塞尔高铁某路堑段地面环境振动现场实测，分析路堑段地面振动特性和传播衰减规律。在此基础上，推导并建立高铁荷载下路堑段2.5维有限元动力计算模型，对比分析路堑深度和路堑边坡坡度对地面环境振动特性的影响。

1. 高铁路堑段地面振动实测

1.1 测试概况

路堑测试段取自巴黎—布鲁塞尔高速铁路^[3-4]，位于比利时Braffe小镇西北侧，如图 1。线路为有砟轨道，采用UIC 60型钢轨和预应力轨枕，道床由0.3 m厚道砟层和0.2 m厚底砟层组成。测试采用SM-6型振动检波仪，灵敏度28.8 V/m/s，采样频率1000.0 Hz（图 2）。

图 1 路堑测试段

Figure 1. Test sections for field cutting

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图 2 SM-6型振动检波仪

Figure 2. SM-6 geophones for measurement

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如图 3所示，在路堑测试段距轨道9.0~35.0 m范围内依次布置8个测点，监测并记录高速列车通过路堑测试段时引起的地面环境振动。测试段路堑深度为7.2 m，路堑边坡坡度为25.0°。路堑测试段的地基土层分布与物理力学参数如表 1所示。

图 3 路堑测试段截面及测点布置示意图

Figure 3. Arrangement of measuring points for field tests on cutting section

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表 1 路堑测试段土层参数

Table 1. Mechanics parameters for cutting

土层	厚度/m	弹性模量E/MPa	泊松比μ	阻尼比ξ	密度ρ/(kg·m^-3)	剪切波速V_S/(m·s^-1)
道砟层	0.30	150.00	0.30	0.030	1700.0	184.21
底砟层	0.20	250.00	0.30	0.030	1900.0	224.96
①₁粉土	1.35	108.95	0.33	0.077	1600.0	160.00
①₂粉土	1.35	124.45	0.33	0.070	1600.0	171.00
②₁砂土	3.10	256.60	0.29	0.031	2000.0	223.00
②₂砂土	3.10	348.82	0.29	0.050	2000.0	260.00
注：表中土层厚度从道床底面算起，道床底面以上7.2 m厚的土层同①₁。

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列车荷载由TGV高速列车提供，列车由两端各一节动力车厢和中间6节客运车厢组成，其几何尺寸、物理参数分别如图 4和表 2所示。实测时，TGV列车以294.7 km/h的速度通过路堑测试段。

图 4 TGV高速列车示意图

Figure 4. Configuration for TGV high-speed train

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表 2 TGV高速列车参数

Table 2. Parameters of TGV high-speed train

项目	头（尾）车	中间车
车身质量/kg	55790.00	24000.00
转向架质量/kg	2380.00	3040.00
轮对质量/kg	2048.00	2003.00
一级悬挂刚度/(MN·m^-1)	2.45	1.40
一级悬挂阻尼/(kN·s·m^-1)	20.00	120.00
二级悬挂刚度/(MN·m^-1)	2.45	0.45
二级悬挂阻尼/(kN·s·m^-1)	40.00	40.00

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1.2 路堑测试段地面振动时频特性

路堑测试段与轨道不同间距处的地面竖向振动加速度时程曲线如图 5所示。由图可知，距轨道较近处，可从时程曲线中清晰地分辨出由列车轮对引起的一系列周期性分布的振动加速度峰值。距路堑段轨道9.0 m处，头（尾）车引起的地面振动幅值略大于中间车，这主要是由于头（尾）车质量大于中间车所致（表 2）。随测点与轨道间距增加，列车运行引起的地面振动幅值逐渐减小，测点与轨道距离≥19.0 m后，列车轮对的周期性激励作用逐渐模糊。此外，距轨道较远处，中间车引起的地面振动幅值略大于头（尾）车，这主要是由中间车相邻转向架轮对引起的振动叠加效应所致。

图 5 路堑测试段测点与轨道不同距离处地面竖向振动加速度时程曲线

Figure 5. Time histories of vertical ground vibration accelerations of measuring points at various distances from cutting track

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利用Fourier变换对地面振动时程进行处理，得到竖向振动加速度频谱图（图 6）。从图中可知，近轨道处的地面振动频率成分较为丰富，且以20.0~90.0 Hz频段为主。随测点与轨道距离增加，地面振动的中高频成分迅速衰减，而40.0 Hz以下频段的振动衰减速度较慢，测点与轨道距离≥35.0 m后路堑段地面振动主要集中在20.0~40.0 Hz之间。此外，高铁荷载下路堑段地面振动1阶主频随与轨道距离的增加基本维持在26.8 Hz左右，接近列车以294.7 km/h运行条件下的荷载基频（f₁=c/L₁=27.3 Hz，图 4，L₁=3.0 m）^[5]。

图 6 路堑测试段测点与轨道不同距离处地面竖向振动加速度频谱图

Figure 6. Frequency spectra of vertical ground vibration accelerations of measuring points at various distances from cutting track

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1.3 路堑测试段地面振动衰减特性

高铁荷载下路堑测试段地面竖向振动加速度峰值随测点与轨道距离增加的衰减曲线如图 7所示。从图 7分析可知，高铁荷载下路堑段地面环境振动随测点与轨道距离增加的衰减过程大致可分为3个阶段。阶段Ⅰ：距轨道9.0~15.0 m范围内，路堑段地面竖向振动加速度峰值迅速衰减，距轨道15.0 m处的地面振动峰值相较于距轨道9.0 m处减小了50.2%，称为“快速衰减”阶段。阶段Ⅱ：距轨道15.0~27.0 m范围内，路堑段地面竖向振动加速度峰值的衰减速度略小于距轨道15.0 m范围内，称为“较快衰减”阶段。阶段Ⅲ：地面竖向振动加速度峰值的衰减速率随测点与轨道距离增加进一步减缓，称为“缓慢衰减”阶段。此外，从图 7中可以看出，高铁荷载下路堑测试段地面振动峰值在堑顶处（距轨道19.0 m处）有较为明显的振动放大现象，这主要是由于瑞利波在堑顶处发生绕射所致^[6]。

图 7 路堑段地面竖向振动加速度峰值随测点与轨道距离的衰减曲线

Figure 7. Attenuation curves for peak ground accelerations with distance away from cutting track

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2. 2.5维有限元模型的建立与验证

2.5维有限元法通过在列车运行方向上进行波数展开，并对时间t进行Fourier变换，将3维动力问题转换为频域-波数域内的问题进行求解，再对结果进行Fourier逆变换得到时域-空间域内的解答。图 8为本文建立的路堑段2.5维有限元模型，记x方向为列车运行方向，z方向为竖直方向，y方向为水平面内垂直轨道方向，定义对时间t和坐标x的双重Fourier变换如式(1a)所示，对应的逆变换如式(1b)所示。

$\tilde {\bar{u}} ({\xi _x},y,z,\omega ) = \int\limits_{ - \infty }^{ + \infty } {\int\limits_{ - \infty }^{ + \infty } {u(x,y,z,t){{\text{e}}^{{\text{i}}{\xi _x}x}}{{\text{e}}^{ - {\text{i}}\omega t}}{\text{d}}x{\text{d}}t} } \text{，}$

(1a)

$u(x,y,z,t) = \frac{1}{{4{{\rm{\mathsf{π}}}^2}}}\int\limits_{ - \infty }^{ + \infty } {\int\limits_{ - \infty }^{ + \infty } {\tilde {\bar{u}}({\xi _x},y,z,\omega ){{\text{e}}^{ - {\text{i}}{\xi _x}x}}{{\text{e}}^{{\text{i}}\omega t}}{\text{d}}{\xi _x}{\text{d}}\omega } } \text{，}$

(1b)

图 8 高铁路堑段2.5维有限元计算模型示意图

Figure 8. Schematic diagram for 2.5D finite element model

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式中：上标“-”和“~”分别用于表示频域和波数域内的量； $\omega$ 为圆频率； ${\xi _x}$ 为x方向上的波数。

2.1 轨道模型与列车荷载

既有研究表明^[7]，是否考虑钢轨下各部分耦合对列车荷载下地面振动计算结果的影响较小，故本文假定轨道结构在列车荷载下发生整体变形，并将其简化为铺设在路基上的Euler梁，轨道梁在频域-波数域内的动力方程如下：

$(EI\xi _x^4 - m{\omega ^2}){\tilde {\bar{u}}_{\text{r}}} = {\tilde {\bar{f}}_{\text{T}}}({\xi _x},\omega ) + \tilde {\bar{p}}({\xi _x},\omega ) \text{，}$

(2)

式中：EI为轨道结构弯曲刚度； ${u_{\text{r}}}$ 为振动位移；m为轨道结构的综合质量； ${\tilde {\bar{f}}_{\text{T}}}$ 为轨道与路基间的相互作用力； $\tilde {\bar{p}}$ 为列车荷载。

采用连续轴重荷载模拟列车荷载^[1]，其频域-波数域内的表达式为：

$\tilde {\bar{P}}({\xi _x},\omega ) = \sum\limits_{n = 1}^N {\frac{{2{\rm{\mathsf{π}}} }}{c}\delta \left( {{\xi _x} - \frac{{\omega - {\omega _0}}}{c}} \right)} {\chi _n}({\xi _x}) \text{，}$

(3)

式中： ${\chi _n}({\xi _x}) = {p_n}$ $\left[ {{{\text{e}}^{ - {\text{i}}{\xi _x}\sum\limits_{m = 0}^{n - 1} {{L_m}} }} + {{\text{e}}^{ - {\text{i}}{\xi _x}(\sum\limits_{m = 0}^{n - 1} {{L_m}} + a)}} + } \right.$ $\left. {{{\text{e}}^{ - {\text{i}}{\xi _x}(\sum\limits_{m = 0}^{n - 1} {{L_m}} + a + b)}} + {{\text{e}}^{ - {\text{i}}{\xi _x}(\sum\limits_{m = 0}^{n - 1} {{L_m}} + 2a + b)}}} \right]$ ；N为列车车厢数量； ${p_n}$ 为列车第n节车厢的单个轮对荷载； ${L_m}$ （m=1, 2, 3, …）为第m节车厢的长度， ${L_0}$ 为第1节车厢第1组轮对至坐标原点的距离；a为单个转向架下2个轮对间的距离；b为同一车厢下2个转向架的间距。

2.2 路堑段2.5维有限元模型

Xia等^[8]研究指出，轨道交通荷载引起的土体应变量一般为10^-5或更小量级，产生的振动波属于弹性波。因此，本文将地基土体视为黏弹性介质，其本构方程如下：

${\sigma _{ij}} = 2{\mu _d}{\varepsilon _{ij}} + {\lambda _d}{\delta _{ij}}e \text{，}$

(4)

式中： ${\sigma _{ij}}$ 为应力张量； ${\varepsilon _{ij}} = ({u_{i,j}} + {u_{j,i}})/2$ ，为应变张量； ${\delta _{ij}}$ 为Dirac函数； $e$ 为体应变；i，j代表空间坐标系x，y和z轴； ${\lambda _d}$ 和 ${\mu _{\text{d}}}$ 为考虑材料阻尼的Lamé常数，由式（5）算得。

${\lambda }_{\text{d}}=\lambda （1+2\beta \text{i}） \text{；} {\mu }_{\text{d}}=\mu （1+2\beta \text{i}）。$

(5)

式中： $\lambda = E\nu /[(1 + \nu )(1 - 2\nu )]$ ； $\mu = E/2(1 + \nu )$ ；E为弹性模量； $\nu$ 为泊松比；β为阻尼比；i为虚数单位。

将本构方程代入动力方程 ${\sigma _{ij,j}} + {F_i} = \rho {\ddot u_i}$ ，得到以位移表示的运动方程：

${\mu _{\text{d}}}{u_{i,jj}} + ({\lambda _{\text{d}}} + {\mu _{\text{d}}}){u_{j,ji}} = \rho {\ddot u_i} \text{，}$

(6)

式中，ρ为密度，上标“··”表示对时间的2阶导数。

利用式（1a）对上式进行双重Fourier变换，结合应力边界条件 ${\tilde \sigma _{ij}}{n_j} - {\tilde f_i} = 0$ ，基于Galerkin法，并采用8节点等参单元进行离散，整理得到频域-波数域内的有限元控制方程，其矩阵形式如下：

$\left(\tilde{\bar{\boldsymbol{K}}}-\omega^2 \boldsymbol{M}\right) \tilde{\bar{\boldsymbol{U}}}=\tilde{\bar{\boldsymbol{F}}}\text{，}$

(7)

式中： $\tilde{\bar{\boldsymbol{K}}}$ 为刚度矩阵； ${{\boldsymbol{M}}}$ 为质量矩阵； $\tilde{\bar{\boldsymbol{U}}}$ 为位移列阵； $\tilde{\bar{\boldsymbol{F}}}$ 为等效节点力列阵。

为消除模型截断边界处的反射波对计算结果造成影响，基于笔者先前的研究^[1]，采用无限元边界作为模型的边界条件。此外，高速铁路地面环境振动特性研究中通常仅考虑单次列车荷载作用，不同于列车循环荷载，单次列车荷载引起的土体固结沉降可忽略不计^[1]。因此，本文所建立路堑段2.5维有限元模型中各部分之间采用共节点的方式链接。

2.3 数值方法验证

为验证本文2.5维有限元方法的正确性，基于前文TGV列车（表 2、图 4）和路堑测试段参数（图 3、表 1），建立高铁荷载下路堑段2.5维有限元模型。考虑车速294.7 km/h，路堑段地面竖向振动加速度峰值随测点与轨道距离衰减的实测与计算结果如图 9所示。由图可知，本文建立的2.5维有限元模型能较好地反映出高铁荷载下地面振动随测点与轨道距离的衰减趋势，与实测值相比，计算误差不超过13%，满足精度要求，验证了模型的正确性和可靠性。

图 9 地面振动峰值随与轨道距离变化的实测与计算结果

Figure 9. Measured and calculated results of variations of peak ground vibration acceleration

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3. 路堑参数对地面振动的影响

考虑单线轨道，建立如图 8所示的路堑段2.5维有限元模型，模型宽100.0 m、深35.0 m，路堑底面宽度为8.6 m。选取CRTS II型板式无砟轨道^[5]，并模拟为铺设在路基上的Euler梁。地基土体的弹性模量E、泊松比 $\nu$ 、阻尼比ξ、密度ρ和瑞利波速v_R分别为64.0 MPa，0.38，0.05，1850.0 kg/m³，382.68 km/h。综合考虑计算效率与精度，选取6节编组的CRH380 AL型动车组作为列车荷载^[5]，分析路堑设计参数对地面环境振动特性的影响。

3.1 路堑深度的影响

考虑车速为380.0 km/h，路堑边坡坡度为1.00∶1.25，不同路堑深度条件下（2.0，4.0，6.0，8.0 m）地面竖向振动加速度峰值随测点与轨道中心距离的变化曲线如图 10所示，并增设0.0 m的无路堑工况进行对比分析。由图 10可知，不同路堑深度条件下的地面振动均小于无路堑工况（0.0 m）。既有研究指出近轨道处的地面振动衰减由几何阻尼主导^[9]，路堑的存在增加了近轨道处的几何阻尼，从而减小了高铁运行引起的地面振动加速度峰值，且减振效果随路堑深度增加逐渐增强。当路堑深度≥6.0 m时，继续增加路堑深度将难以进一步有效减小地面环境振动。此外，由于堑顶处的瑞利波绕射^[6]，不同路堑深度条件下（2.0，4.0，6.0，8.0 m）其堑顶处附近（分别距轨道中心6.8，9.3，11.8，14.3 m）均可观察到地面振动的局部放大现象。

图 10 不同路堑深度下地面振动随测点与轨道中心距离的变化曲线

Figure 10. Variation of ground vibration with different cutting depths

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3.2 路堑边坡坡度的影响

我国高速铁路路堑边坡的设计坡度通常介于1.00∶1.75~1.00∶0.75之间^[10]。考虑路堑深度为6.0 m，图 11为车速380.0 km/h时不同路堑边坡坡度条件下（1.00∶1.75~1.00∶0.75）地面竖向振动加速度峰值随测点与轨道中心距离的衰减曲线。由图 11（a）可知，当路堑边坡坡度在1.00∶1.25~1.00∶0.75（38.7°~53.1°）范围内时，地面环境振动随路堑边坡坡度的增大而减小。这主要与瑞利波在堑顶处的绕射程度有关，既有研究指出^[6]，当路堑边坡坡度在40.0°~60.0°范围内时，堑顶处瑞利波的绕射随坡度增大而减小，从而降低了高铁运行引起的路堑段地面振动。此外，随着路堑边坡坡度的进一步减小（图 11（b）），坡度变化对地面振动加速度峰值的影响较小。因此，实际工程中在保证路堑边坡安全稳定的前提下，较陡的路堑边坡更有利于减小高铁荷载下路堑段的地面环境振动。

图 11 不同路堑边坡坡度下地面振动随测点与轨道中心距离的变化曲线

Figure 11. Variation of ground vibration with different cutting slope angles

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4. 结论

（1）列车轴重对路堑段近轨道处的地面振动幅值有重要影响，随测点与轨道距离的增加，地面振动幅值逐渐衰减，中间车相邻转向架轮对引起的叠加效应对地面振动幅值的影响逐渐增强。

（2）路堑段地面振动随测点与轨道距离的衰减过程大致可分为3个阶段，且堑顶处有较明显的振动局部放大现象。中高频成分振动的衰减速率明显大于其他频段，且振动1阶主频由列车荷载的基频（f₁=c/L₁）主导。

（3）高铁荷载下地面振动随路堑深度增加而减小。当路堑深度超过某一限值（本文为6.0 m）时，继续增加路堑深度难以进一步有效降低地面环境振动。

（4）路堑段地面振动随路堑边坡坡度的增大而减小。在保证路堑边坡稳定性的前提下，较陡的路堑边坡更有利于减小高铁运行引起的地面环境振动。

图 1 管棚微拱力学模型与数值模型

Figure 1. Mechanical and numerical models for micro-arch effects between neighbouring pipes

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图 2 管棚环向微拱效应数值云图

Figure 2. Numerical diagram of circumferential micro-arch effects between neighbouring pipes

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图 3 管间微拱剪切耗散能量云图

Figure 3. Shear dissipation energy of micro arches between neighbouring pipes

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图 4 不同注浆厚度下剪切耗散能分布

Figure 4. Distribution of shear dissipation energy under different grouting thicknesses

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图 5 深埋工况下管棚荷载模式

Figure 5. Load mode of pipe proof under deeply buried condition

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图 6 Pasternak地基梁模型示意图

Figure 6. Schematic diagram of Pasternak foundation beam model

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图 7 管棚纵梁分段

Figure 7. Longitudinal beam section of pipe roof

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图 8 管棚纵梁荷载模型

Figure 8. Load model for longitudinal beam of pipe roof

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图 9 Pasternak地基梁梁端增设虚拟节点

Figure 9. Adding virtual nodes at end of Pasternak foundation beam

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图 10 管棚实测挠度分布与理论分布对比

Figure 10. Comparison between measured and theoretical deflection distributions of pipe roof

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图 11 管棚挠度分布与开挖进尺s关系曲线

Figure 11. Relation curves between deflection distribution of pipe roof and excavation footages

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图 12 围岩/初期支护承载比η_p与开挖进尺s关系曲线

Figure 12. Relation curves between bearing ratio of surrounding rock/initial support η_p and excavation footages

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图 13 管棚挠度分布与管间距D₁关系曲线

Figure 13. Relation curves between deflection distribution of pipe roof and spacing D₁

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图 14 围岩/初期支护荷载与管棚间距D₁关系曲线

Figure 14. Relation curves between bearing ratio of surrounding rock/ initial support η_p and spacing D₁

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参考文献(23)

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