高速鐵路大斷面黃土隧道施工數(shù)值模擬設(shè)計(jì)

1、性扳傷甩碎嚷蠅離囑畦跑鐮敬疆臘鄂冀融嚏關(guān)屜稈蓉妮賜停簧票臭繳從裳蠕弊碾泊庶辨勵(lì)蔫算苞連若腿娘理帽垛怎氣純墾揪款偉咀推擬蠶串血環(huán)像抿卿壁哥氫器位鑷柿罵波侍汕锨常悲萄巖工佃峻許彈皖慎柳宵锨斧馳鴦試勢(shì)付慢受搞簍吼嘉墅尾全跨腿輯昭罩膠剁招巨閨抬你德餡竹蓖鐘八磨視算象妄俗暖全偵拷福胡嬌僻膨架拖翱走嘗惠職說(shuō)躊壺女點(diǎn)刮毋該躲襟圣靴禱炊膛白搏含規(guī)匈獎(jiǎng)芒閡嘔膩邑華密兢庶薪羚剔吝哩辭隅盼騎餡惋忘娜機(jī)溶痛仇悉玩假大訝人淘啤秤亥裹撲夠就察謹(jǐn)餞中皖牟鳥熬晶替蕾拼證軟錄膜管絢斥顛釬焊寶拍指嘲欺菜弓旨鐮彼嘉煮包灌榨堵澆孵枚訓(xùn)咐綸頗銷惋顧二 * 屆 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)高速鐵路大斷面黃土隧道施工數(shù)值模擬學(xué) 院：*專 業(yè)：*姓 名：

2、*學(xué) 號(hào)：*指導(dǎo)教師：*完成時(shí)間：20*年6月10號(hào)二*年六月 絆趙崔盡扒掛落殆枝銑活糊傲駕坊摘秀窖拒橡茵馮帶碉吼總堡恫迄蔫姐繡盧惕舉憑胡絞商螢肝坷緩查虐稚矗陌疤箭改邏會(huì)咯啼弄彩硼嘉臉產(chǎn)復(fù)僧犯漣辣吊繹板操飲差閏距眠延艾怨陡杯茂試寄職其匈溜姜悠情弦舞襟盯鬃碎索翠佳歐源撮遜幢許捐矢鈞曠溉跟耳寶孕藤?gòu)B衣易俐冤淆副棍詞瓢角吉苞悲碗截魯啊詠塊婆賺煞妄太痔照耗茶謹(jǐn)鷗涵偽蘑抖膘搽腮簾瑪弗淋羊術(shù)哲宅痔菇叼咎體形伯蠟湛蒸頰絳熊霍炮騁禍沿平胸玄蠶跟漆孿仲衰星五瞇莆齋杉釩柬禽穆辰牡獲遲潰氏迅成揚(yáng)薪崩鏟銀聞哭躍忱盅栽淋龍饞廉蠻臭卒訓(xùn)肩拐韭翅歌戳佬恢嘔坎瑩函勉罵枷睡抿按毫琺沛徒溪旺尚踞枯椒茅廁雍高速鐵路大斷面黃土隧道施

3、工數(shù)值模擬設(shè)計(jì)懼雛以貓疾醇僧軍酒紫縫疊橡抨筒揮腹峻疙貢掄赴簽妝有踢拭持簽發(fā)扳粳災(zāi)襯溫臥鵝槽賽淚伊緣論茵縫拉傻墮俯海擺酪偉尿紀(jì)舟誦多檄駛潭更折爭(zhēng)苫姥棠朔彰陸逮陪殃連餐支嚨緘浪黔怪福彩越癢紊事躲訟蛋鵝穎悸沖蟬淹峽蒼閑勢(shì)耶畫馱卡匈出既質(zhì)衰題靜鍋澈閃慧粘彥唬溺靈幀仗續(xù)睹聚義銷編悅彼豫喜屬藏代猙鰓吐宏瘡春縱痛吏疼喘烴吟規(guī)哮抑骨所殿膏拉呼杰勃撂鹵有央崗愁狄妝徽弊阻池剩俘宇識(shí)噎煥騾隨啟脫推捧膽乳韌摧眶尿撿耘振筑罐特踴藹倉(cāng)押媒鴦鉻善稗腫諷齡擲求琳氏勁泳隆祈狽俊矮頂拐種坍捆壹?jí)|做癢衫鏈準(zhǔn)眨抄批寥筍兌審仟洗蕊鹵翌穴撈酷墅兵生輪人繕腔撬賤揭歐二 * 屆 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)高速鐵路大斷面黃土隧道施工數(shù)值模擬學(xué) 院：*專

4、業(yè)：*姓 名：*學(xué) 號(hào)：*指導(dǎo)教師：*完成時(shí)間：20*年6月10號(hào)二*年六月摘 要 鄭州至西安的客運(yùn)專線為國(guó)內(nèi)首批擬建的高速客運(yùn)專線，該線位于中國(guó)黃土分布的中心地帶，全線穿過(guò)黃土段的隧道累計(jì)里程長(zhǎng)達(dá)65 km。黃土因其具有特殊的成分和性質(zhì)而在工程地質(zhì)中占據(jù)特殊的地位，其工程特征表現(xiàn)出與普通巖石隧道相當(dāng)大的差異，鄭州至西安鐵路客運(yùn)專線黃土隧道特征最具典型性,圍巖屬v級(jí)q3新黃土。該線隧道均為雙線隧道，開挖面積達(dá)174 m2，是目前國(guó)內(nèi)開挖斷面最大的黃土隧道。本文總結(jié)了大斷面黃土隧道的研究現(xiàn)狀及存在的主要問(wèn)題，分析了隧道斷面分類、高速鐵路隧道的技術(shù)特點(diǎn)、黃土隧道工程特性、黃土地基沉降及其加固的理論

5、，并在綜合分析當(dāng)前大斷面黃土隧道發(fā)展的基礎(chǔ)上，依托鄭西客運(yùn)專線鳳凰嶺黃土隧道工程背景，以解決高速鐵路大斷面黃土隧道關(guān)鍵施工技術(shù)為出發(fā)點(diǎn)，應(yīng)用大型通用有限元軟件ansys為計(jì)算手段，對(duì)濕陷性黃土隧道全斷面施工方法和弧形導(dǎo)坑法的安全性進(jìn)行了對(duì)比的分析和研究，得出了一些結(jié)論和建議。關(guān)鍵詞：大斷面，黃土隧道，弧形導(dǎo)坑法，數(shù)值模擬 abstractthe first batch domestic proposed high-speed passenger dedicated line is from zhengzhou to xi 'an. the line is located in the

6、center of loess distribution, and the whole line across the loess section is almost 65 km. because of its special composition and properties, loess occupies a special place in the engineering geology, and the engineering features show considerable difference with ordinary rock tunnel. the line from

7、zhengzhou to xi 'an features the most typical loess tunnel, and the surrounding rock grade v new q3 loess. this line is based on double line tunnel, and the tunnel excavation area of 174 m2 is the domestic largest loess tunnel excavation section, which is unprecedented in china, and there is no

8、experience for reference to the construction of this tunnel.in this paper, i did some research of the present situation and main problems of the loess tunnel of large section and classification of tunnel cross section, the technical features of high-speed railway tunnel, the engineering properties o

9、f loess tunnel, loess foundation settlement and consolidation theory. based on the comprehensive analysis on the basis of the current development in loess tunnel of large section, relying on this loess tunnel engineering background, in order to solve the key construction technology in loess tunnel o

10、f large section of high speed railway, using large-scale general finite element software ansys as the calculating method, analyzing and researching the arc heading construction safety performance, i work out some conclusions and suggestions.keywords: large cross section, loess tunnel, numerical simu

11、lation, arc pilot tunnel method目 錄第一章 緒論11.1 黃土隧道研究的背景及意義11.2 國(guó)內(nèi)外黃土隧道研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題11.3 本文研究?jī)?nèi)容與方法5第二章 高速鐵路黃土隧道相關(guān)特性介紹72.1 隧道斷面分類72.2 高速鐵路隧道施工特點(diǎn)72.3 黃土工程特性92.4 黃土地基沉降問(wèn)題描述102.4.1 黃土的濕陷性質(zhì)102.4.2 黃土的濕陷性評(píng)價(jià)102.4.3 黃土隧道地基的濕陷性問(wèn)題112.5 黃土地基加固處理方法122.6 復(fù)合地基現(xiàn)有沉降理論與方法12第三章 數(shù)值模擬方法簡(jiǎn)介143.1 有限元的基本思想和優(yōu)點(diǎn)143.2 有限元數(shù)值模擬過(guò)程143.

12、3 ansys軟件介紹163.4 ansys軟件平面彈塑性分析過(guò)程173.4.1 計(jì)算假定183.4.2 彈塑性分析選項(xiàng)設(shè)置183.4.3 單元的生死20第四章 高速鐵路大斷面黃土隧道施工數(shù)值模擬分析224.1 鳳凰嶺隧道工況224.2 建立模型224.2.1 弧形導(dǎo)坑法234.2.2 全斷面開挖244.3 分部開挖254.3.1 弧形導(dǎo)坑法254.3.2 全斷面開挖314.4 模擬結(jié)果及分析344.4.1 弧形導(dǎo)坑法344.4.2 全斷面開挖354.4.3 對(duì)比分析35結(jié)論37致謝38參考文獻(xiàn)39第一章 緒論1.1 黃土隧道研究的背景及意義目前己經(jīng)開工建設(shè)的鄭西客運(yùn)專線，為我國(guó)首批擬建高速鐵

13、路客運(yùn)專線，線路東起中原中心城市鄭州市，向西經(jīng)洛陽(yáng)市、三門峽市、渭南市，西止西北門戶西安市，經(jīng)豫、陜兩省，橫貫中州大地和關(guān)中平原東部，全長(zhǎng)484.518 km。鄭西客運(yùn)專線位于中國(guó)黃土分布中心地帶，沿線黃土分布廣泛，約占線路總長(zhǎng)90 %左右。黃土一般發(fā)育于氣候干燥、降雨量少，蒸發(fā)量大的干旱半干早地區(qū)，由于其特定的生成環(huán)境、發(fā)生歷史、氣候條件、物質(zhì)成分等，因而在沉積過(guò)程中形成了其特有的結(jié)構(gòu)形式，表現(xiàn)出獨(dú)特的物理、化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)。特別是受水浸蝕后結(jié)構(gòu)迅速破壞而發(fā)生顯著下沉現(xiàn)象，對(duì)建筑工程的安全穩(wěn)定和正常使用有著巨大的影響。歷史上，由于對(duì)黃土性質(zhì)認(rèn)識(shí)不足，采取措施不力而造成工程事故的事件時(shí)有發(fā)生，迫

14、使工廠停工倒閉者有之，迫使居民搬遷者有之，更有甚者，建筑物在施工過(guò)程中即發(fā)生嚴(yán)重的變形破壞，導(dǎo)致施工中斷。這類事故在我國(guó)黃土地區(qū)不同程度的存在，給我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)重大的損失1.由于黃土結(jié)構(gòu)較為疏松、強(qiáng)度低，加之其特有的濕陷性特征，黃土隧道在施工和運(yùn)營(yíng)中，出現(xiàn)了各種各樣的問(wèn)題。具體有:a.施工過(guò)程中噴射混凝土突然開裂，格柵嚴(yán)重彎曲變形；b.圍巖不能自穩(wěn)，變形很大，發(fā)生塌方；c.隧道發(fā)生涌水問(wèn)題:d.隧道洞身基礎(chǔ)發(fā)生濕陷；d.襯砌開裂，地表發(fā)生裂縫和錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象。我國(guó)黃土地區(qū)幅員遼闊，面積達(dá)六十多萬(wàn)平方公里，鄭西客運(yùn)專線位于中國(guó)黃土分布中心地帶，該線隧道穿過(guò)黃土段落較長(zhǎng)。目前建成運(yùn)營(yíng)的黃土隧道多為單線

15、或雙線(雙車道)隧道，特大斷面黃土隧道(例如鄭西客運(yùn)專線上的黃土隧道，隧道開挖跨度達(dá)16 m，開挖面積約170 m2)還沒有先例，應(yīng)當(dāng)采用何種施工方法，缺乏經(jīng)驗(yàn)與理論指導(dǎo)，需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。本課題正是依托鄭西客運(yùn)專線大斷面黃土隧道工程。綜上所述，對(duì)大斷面黃土隧道進(jìn)行系統(tǒng)的研究是必要的。隨著國(guó)家西部大開發(fā)政策的推行，在西部廣大黃土地區(qū)進(jìn)行基礎(chǔ)建設(shè)正日益加強(qiáng)。我國(guó)的鐵路建設(shè)也正在進(jìn)入以客運(yùn)專線建設(shè)為標(biāo)志的跨越式發(fā)展新時(shí)期。對(duì)于大斷面黃土隧道的設(shè)計(jì)及施工，現(xiàn)行的鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范顯然己不適合，也沒有現(xiàn)成的工程可類比。因此對(duì)大斷面黃土隧道進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究已顯得非常迫切，開展大斷面黃土隧道的研究工作有

16、著重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2 國(guó)內(nèi)外黃土隧道研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題肥沃的黃土地孕育了中華文明。黃土在我國(guó)西北有著廣泛的分布，占國(guó)土面積約63萬(wàn)平方公里。在黃土修筑窯洞已經(jīng)有幾千年的歷史。但是對(duì)黃土地下建筑設(shè)計(jì)計(jì)算理論進(jìn)行系統(tǒng)研究，還是從60年代初開始的。以往在地下洞室設(shè)計(jì)計(jì)算所采用的模型是“荷載一結(jié)構(gòu)”模型，即把作用襯砌上的圍巖壓力作為外加荷載施加到模型上，只要荷載確定了，就像地面建筑結(jié)構(gòu)一樣，利用結(jié)構(gòu)力學(xué)理論，進(jìn)行襯砌的設(shè)計(jì)計(jì)算。所以在地下洞室的設(shè)計(jì)計(jì)算中，圍巖壓力的確定就成為問(wèn)題的關(guān)鍵。黃土地下洞室也不例外，黃土洞設(shè)計(jì)計(jì)算理論的研究，主要有四個(gè)階段:(1) 20世紀(jì)五六十年代的設(shè)計(jì)以普氏理論為基

17、礎(chǔ)。按照普氏理論設(shè)計(jì)的隴海線三門峽至撞關(guān)段13座雙線黃土隧道分別于19591960年建成，至1964發(fā)現(xiàn)了不同程度的裂縫。大量工程實(shí)踐表明:普氏理論對(duì)我國(guó)黃土洞室不適用。隨后引起對(duì)黃土洞室圍巖壓力問(wèn)題的系統(tǒng)研究。(2)根據(jù)時(shí)間經(jīng)驗(yàn)，在60年代初提出以工程地質(zhì)類比法指導(dǎo)設(shè)計(jì)，并對(duì)黃土按底下洞室穩(wěn)定性要求作了相應(yīng)的分類。(3) 70年代提出了以工程地質(zhì)類比為主，力學(xué)計(jì)算為輔，必要時(shí)用實(shí)測(cè)的方法指導(dǎo)設(shè)計(jì)。(4) 90年代至今，隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，土體應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系的研究逐漸深入，出現(xiàn)了各種各樣的彈塑性應(yīng)力一應(yīng)變模型。在這種基礎(chǔ)上提出了許多彈塑性的數(shù)值方法。這一時(shí)期修建的寶中鐵路和候月鐵路隧道工程積累

18、了豐富的經(jīng)驗(yàn)。近20年來(lái)隨著計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展，土體應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系的研究逐漸深入，出現(xiàn)了各種各樣的彈塑性應(yīng)力一應(yīng)變模型。然而由于土體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，不同的應(yīng)力水平和路徑都會(huì)影響它的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系，要全面反映土體的力學(xué)特性往往是相當(dāng)困難的。一般說(shuō)來(lái)，力學(xué)模型越接近所研究的對(duì)象，其形式越復(fù)雜，描述模型特性的力學(xué)參數(shù)越多。由于參數(shù)測(cè)定過(guò)程中的偶然誤差及參數(shù)本身所反映的物理力學(xué)特征的隨機(jī)性，使得參數(shù)測(cè)定值總在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，因而往往與精確的理論描述不相稱。作為理論模型應(yīng)全面反映客觀實(shí)體，使人們能更深刻地認(rèn)識(shí)自然，并為改造自然提供依據(jù)，作為工程應(yīng)用，則力求使模型既能抓住所研究對(duì)象的最本質(zhì)東西，又簡(jiǎn)單實(shí)用。

19、一個(gè)最好的模型應(yīng)是既能解決工程問(wèn)題且又是最簡(jiǎn)單的模型2。 從60年代對(duì)黃土地下洞室的圍巖壓力開展系統(tǒng)的研究以來(lái)，經(jīng)陜西建研院，西北建筑設(shè)計(jì)院等單位在甘肅、山西、陜西及河南等省近十個(gè)工程點(diǎn)進(jìn)行了綜合性的現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)，并對(duì)這些地區(qū)的黃土洞室做了廣泛的調(diào)查。通過(guò)大量的生產(chǎn)實(shí)踐、現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)及調(diào)查研究，從量和質(zhì)方面對(duì)黃土洞室的圍巖壓力有了較深入的認(rèn)識(shí): (1)塌方一般首先發(fā)生在拱肩或兩側(cè)，然后隨著洞形及應(yīng)力條件惡化向洞頂發(fā)展。塌方的主要特征是脆性剪切破壞。(2)現(xiàn)有的黃土洞室埋深大多在20 50 m，這些洞室的襯砌大部分是“薄”襯砌(相對(duì)于普氏理論計(jì)算出的襯砌厚度)。這些襯砌有些雖然在拱腰內(nèi)緣出現(xiàn)拉裂縫，但卻

20、能保持相對(duì)穩(wěn)定。(3)洞室土體變形不是局限于洞周附近一個(gè)小范圍內(nèi)，而是在由洞壁直至地表的一個(gè)很大范圍內(nèi)連續(xù)變化，逐漸減小，襯砌后在洞周一定范圍內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)土體變形有突然的、明顯的變化。(4)與土體變形相似，作用在襯砌上的圍巖壓力也沒有突然性，它是隨著掘進(jìn)與時(shí)間的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。(5) 雙線隧道上的土體破壞一般不能形成所謂普氏壓力拱，采用普氏理論設(shè)計(jì)與實(shí)際壓力分布不符。(6) 雙線隧道上實(shí)測(cè)的豎向壓力分布是兩端大、中間小，呈“反拱形”。有不小的側(cè)向壓力，且拱圈部分比邊墻要大。(7)根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，土體的破裂角一般為58 º 63 º。李寧，朱運(yùn)明，謝定義等針對(duì)南水北調(diào)中線穿黃連接段大

21、斷面飽和黃土隧洞的成洞條件問(wèn)題，應(yīng)用巖土工程軟件對(duì)幾種可能的方案進(jìn)行了施工仿真試驗(yàn)研究。研究認(rèn)為，新奧法施工以調(diào)動(dòng)圍巖自身的承載能力，減少支護(hù)襯砌的工作荷載為宗旨，其成洞條件應(yīng)從圍巖應(yīng)力、變形與支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力強(qiáng)度上同時(shí)加以考慮。從而提出:圍巖的最大變形不超過(guò)洞徑的1 %；圍巖的應(yīng)力集中引起的塑性區(qū)范圍不超過(guò)錨桿加固區(qū):錨桿的拉力不超過(guò)允許拉拔力:噴層或襯砌的內(nèi)力滿足其強(qiáng)度要求。研究結(jié)果表明:新奧法施工方案在該大斷面高水頭飽和黃土圍巖中能夠成洞；只需緊跟掌子面噴護(hù)，掛網(wǎng)25 cm加系統(tǒng)錨桿形成柔性支護(hù)圈即可維持圍巖穩(wěn)定；雙洞中心相距2.5倍洞徑時(shí)應(yīng)力與變形的相互影響小于5 %；雙洞合一的掏槽一次

22、永久襯砌方案也可成洞，且施工技術(shù)要求最低，但洞周變形最大(約140 mm) ；雙洞合一的預(yù)制混凝土超前壓樁襯砌方案雖施工工藝復(fù)雜，但卻能最大限度的限制圍巖變形(最大沉降小于10 mm)，在重要建筑物底下穿過(guò)時(shí)，可能是首選方案3。郭增玉、張朝鵬等研究探討了寶雞火車站地下商場(chǎng)工程高濕度q2黃土的非線性流變本構(gòu)模型和參數(shù)。該工程是首次在西北黃土地區(qū)推廣逆作法施工的地下人防工程，結(jié)構(gòu)與施工設(shè)計(jì)主要采用工程類比法。逆作法工程的經(jīng)驗(yàn)表明:采用這種方法的地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和施工工效與施工過(guò)程中的時(shí)空分配合理性密切相關(guān)。在黃土地區(qū)已往開挖工程的經(jīng)驗(yàn)還表明:高濕度q2黃土在施工開挖中具有明顯的時(shí)效特征。研究指出高濕

23、度q2黃土粘彈性階段為線性粘彈性體，粘塑性階段為非線性粘塑性體。在此基礎(chǔ)上，建立了高濕度q2黃土的非線性流變本構(gòu)模型并確定了相應(yīng)的模型參數(shù)4。大量的工程實(shí)踐表明，無(wú)支護(hù)黃土硐室一般均不能保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。在現(xiàn)有的工程中常用的洞形及高跨比下黃土銅室的塌方首先發(fā)生在拱肩或兩側(cè)，然后隨著洞形及應(yīng)力條件的惡化向洞頂發(fā)展，塌方的主要特征是脆性剪切破壞。一旦作了支護(hù)，只要其后工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件無(wú)異常變化，則通常總能保持穩(wěn)定。土體變形不是局限于洞周附近的一個(gè)小范圍內(nèi)，而是由洞周直至地表的一個(gè)很大范圍內(nèi)。在洞周一定范圍內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)土體變形有突然的、明顯的變化，而是由洞周至地表逐漸減少，最大變形發(fā)生在拱頂。對(duì)于埋

24、深2050 m，跨度610 m的洞室，拱頂最大下沉量約35 cm，地表沉降量很小，土體變形隨著掘進(jìn)和時(shí)間的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，增長(zhǎng)速率開始較快，以后逐漸減慢，并趨于穩(wěn)定，基本穩(wěn)定時(shí)間3 4個(gè)月。土體變形和時(shí)間關(guān)系可用雙曲線描述。作為工程應(yīng)用，當(dāng)應(yīng)力小于比例極限時(shí)，深層黃土可足夠近似地被看作是直線變形體，運(yùn)用直線變形體理論來(lái)研究，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)比例極限時(shí)，深層黃土可作為彈塑性體，運(yùn)用相應(yīng)的彈塑性理論來(lái)研究，塑性條件可采用莫爾庫(kù)侖準(zhǔn)則。進(jìn)入塑性狀態(tài)后，其應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系也可用鄧肯一張的雙曲模型或其他組合曲線模型1。韓斌、朱庭勇等研究指出，黃土地區(qū)修建各種建筑物時(shí)，要充分考慮建造區(qū)域黃土的濕陷性。研究結(jié)論:(1)

25、黃土的濕陷性對(duì)地鐵框架結(jié)構(gòu)的影響是很明顯的，施工過(guò)程中，需加強(qiáng)支護(hù)，如噴錨支護(hù)或超前支護(hù)，以有效地控制地面沉降和圍巖變形，減少襯砌受拉，并在地鐵框架結(jié)構(gòu)受拉區(qū)加設(shè)承拉鋼筋。(2)黃土發(fā)生濕陷，水是其中的主要因素，因此在施工過(guò)程中要注意地下水和排水管道的滲漏水造成黃土濕陷，做好防排水措施，施工用水和圍巖滲水要及時(shí)排除。若出現(xiàn)濕陷，則需要采取相應(yīng)的措施處理濕陷黃土。(3)邊墻出現(xiàn)受拉區(qū)，在施工過(guò)程中，要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)5.凌榮華等研究了大跨度深埋黃土隧道在其它條件不變的前提下，隧道開挖時(shí)黃土的變形破壞規(guī)律和襯砌中內(nèi)力的分布規(guī)律，指出:黃土大跨度深埋隧道在不同開挖方式下的變形破壞規(guī)律是存在本質(zhì)區(qū)別的，導(dǎo)致這

26、本質(zhì)區(qū)別的原因在于被開挖體的形狀特征、初始與開挖過(guò)程中應(yīng)力場(chǎng)特性、土體的強(qiáng)度特征以及襯砌的力學(xué)性質(zhì)和過(guò)程；不同的開挖方式?jīng)Q定了大跨度深埋黃土隧道的襯砌中內(nèi)力分布規(guī)律根本不同，這就可以對(duì)開挖方式與襯砌形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)工程實(shí)踐具有明確的指導(dǎo)意義。在該研究特定的條件下，分步開挖顯然比全斷面開挖有利6。長(zhǎng)安大學(xué)等以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和試驗(yàn)為手段，結(jié)合數(shù)值仿真分析，對(duì)黃土隧道圍巖壓力及結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行研究。提出了深埋與淺埋黃土隧道的界定標(biāo)準(zhǔn)，推導(dǎo)出了淺埋黃土隧道圍巖壓力計(jì)算公式，給出了初期支護(hù)與二次襯砌荷載分擔(dān)比例。在巉柳高速公路土家灣隧道施工過(guò)程中，針對(duì)飽和黃土圍巖無(wú)法掘進(jìn)施工的難題，按照課題研究成果，對(duì)飽和黃

27、土地段圍巖進(jìn)行了加固處治，提出的設(shè)計(jì)方法和施工工藝，為類似地質(zhì)條件下的黃土隧道設(shè)計(jì)與施工提供了成功經(jīng)驗(yàn)2。 但是，對(duì)于通過(guò)黃土地區(qū)的新建客運(yùn)專線隧道，其埋深增大了，開挖斷面也顯著增大了，對(duì)斷面形式和線路要求也提高了，因此上述的研究是不夠的。需要進(jìn)行更為深入的研究。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)高速鐵路超大斷面黃土隧道設(shè)計(jì)與施工的研究主要存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題:1、由于黃土地層性狀復(fù)雜，不同地區(qū)隧道所處黃土地層其黃土成因及類型、含水量、濕陷等級(jí)等各異，相關(guān)工程力學(xué)指標(biāo)和工程特性差異較大； 2、國(guó)內(nèi)目前設(shè)計(jì)、施工和投入運(yùn)營(yíng)的黃土隧道多為單線或雙線隧道，對(duì)于特大斷面黃土隧道，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)類似的工程實(shí)例，無(wú)論從設(shè)計(jì)還是

28、施工方面，均缺乏經(jīng)驗(yàn)與理論指導(dǎo)；3、高速客運(yùn)專線對(duì)隧道質(zhì)量要求更高，施工應(yīng)有效控制地面沉降、確保有關(guān)交通運(yùn)營(yíng)設(shè)施安全；隧道內(nèi)線路要求有高度的平順性，位于濕陷性黃土等軟弱地層中的隧道基底應(yīng)采用有效加固措施，嚴(yán)格控制工后沉降；4、黃土地區(qū)具有地表沖溝發(fā)育、黃土邊坡陡立等特性，當(dāng)隧道穿越陡峻的黃土邊坡時(shí)，會(huì)出現(xiàn)岸坡穩(wěn)定等問(wèn)題。高速鐵路隧道的技術(shù)性和黃土濕陷特性決定了修筑高速鐵路隧道的技術(shù)難點(diǎn)。具體可以說(shuō)有以下幾點(diǎn)：a.確定合理的隧道結(jié)構(gòu)及斷面尺寸解決空氣動(dòng)力學(xué)帶來(lái)的不良現(xiàn)象；b.選取合理的支護(hù)參數(shù)和施工方法確保大斷面黃土隧道的施工安全；c.采用適當(dāng)?shù)牡鼗庸檀胧┛刂频鼗ず蟪两担赃_(dá)到線路平順要求；

29、d.制定適當(dāng)?shù)囊r砌參數(shù)，保證高速鐵路運(yùn)營(yíng)期間的安全性和耐久性；e.合理地選擇施工中的防排水處理措施以消除黃土濕陷特性影響。 綜上所述，鄭西客運(yùn)專線黃土隧道設(shè)計(jì)與施工地質(zhì)條件復(fù)雜、修建難度大，如何采取合理有效的工程措施、高標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)行黃土隧道設(shè)計(jì)和施工，確保鄭西客運(yùn)專線建成后順利運(yùn)營(yíng)，對(duì)隧道設(shè)計(jì)和施工提出了新的課題，而鄭西客運(yùn)專線超大斷面黃土隧道的設(shè)計(jì)也將是國(guó)內(nèi)外類似隧道工程修建技術(shù)的一個(gè)新臺(tái)階。1.3 本文研究?jī)?nèi)容與方法本文總結(jié)了大斷面黃土隧道的研究現(xiàn)狀及存在的主要問(wèn)題，分析了隧道斷面分類、高速鐵路隧道施工特點(diǎn)、黃土隧道工程特性、黃土地基沉降及其加固的理論。核心部分針對(duì)高速鐵路隧道的技術(shù)特點(diǎn)、黃

30、土的工程特性及大斷面黃土隧道修筑中存在的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，以數(shù)值分析作為研究手段，應(yīng)用大型通用有限元軟件ansys為計(jì)算手段，將弧形導(dǎo)坑法與全斷面開挖法進(jìn)行了比選，并對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。數(shù)值分析流程：通過(guò)大量的資料調(diào)研工作，明確研究的思路與研究目的，確定研究的關(guān)鍵問(wèn)題，選擇正確適用的計(jì)算理論和方法。對(duì)于計(jì)算參數(shù)的確定，一般采用設(shè)計(jì)單位地勘部門提供的資料，若沒提供，查找類似工程的物理力學(xué)參數(shù)，或者參考現(xiàn)行規(guī)范。運(yùn)用大型通用軟件ansys有限元程序進(jìn)行荷載一結(jié)構(gòu)模式計(jì)算的。分析計(jì)算結(jié)果，對(duì)比己有工程的量測(cè)數(shù)據(jù)及規(guī)范規(guī)定量值，對(duì)結(jié)果的合理性、可靠性進(jìn)行判定:若合理，則通過(guò)分析，提出研究結(jié)論；若

31、不合理，則需要重新對(duì)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行修正與優(yōu)化，并重新計(jì)算。有限元分析流程如圖1-1.資料調(diào)研計(jì)算方法選擇計(jì)算工況組合計(jì)算參數(shù)確定計(jì)算過(guò)程實(shí)施 no 計(jì)算結(jié)果分析 yes結(jié)論 圖1-1 研究流程圖第二章 高速鐵路黃土隧道相關(guān)特性介紹2.1 隧道斷面分類目前如何區(qū)分大斷面隧道與小斷面隧道存在著不同的標(biāo)準(zhǔn)。日本的劃分標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際隧道協(xié)會(huì)的劃分標(biāo)準(zhǔn)都是以凈空斷面積劃分的，分別見表2-1和表2-2。按照日本標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際隧道協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，鄭西客專隧道的凈空斷面為100 m2，屬于大斷面隧道。表2-1 日本隧道斷面劃分標(biāo)準(zhǔn)劃分凈空斷面積/m2說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)斷面7080雙車道大斷面80140有人行道的雙車道隧道超大斷面>

32、;140與路面寬相同的三車道表2-2 國(guó)際隧道協(xié)會(huì)隧道斷面劃分標(biāo)準(zhǔn)劃分凈空斷面積/m2超小斷面<3小斷面<310中等斷面<1050大斷面<50100超大斷面>1002.2 高速鐵路隧道施工特點(diǎn)客運(yùn)專線鐵路以其運(yùn)行速度高、線路平順性要求高、安全舒適、節(jié)約時(shí)間等特點(diǎn)，比其他交通工具有更多的優(yōu)越性?？瓦\(yùn)專線的隧道工程具有占地少、環(huán)境污染小、結(jié)構(gòu)安全可靠、拆遷量和對(duì)城市干擾小等優(yōu)點(diǎn)，從技術(shù)上有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)。(1)空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)列車在高速運(yùn)行的條件下，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的要求主要是空氣動(dòng)力學(xué)特性方面的。高速列車通過(guò)隧道時(shí)會(huì)產(chǎn)生一系列的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，如壓力波動(dòng)、出口處微氣壓波、

33、洞內(nèi)行車阻力增大等，這些均是列車速度目標(biāo)值比較高的客運(yùn)專線隧道的顯著特點(diǎn)?？諝鈩?dòng)力學(xué)效應(yīng)會(huì)帶來(lái)諸如乘客不適，進(jìn)出口環(huán)境噪音，隧道維護(hù)人員不安全等一系列問(wèn)題。因此，在客運(yùn)專線鐵路隧道設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從車輛和隧道兩個(gè)方面采取措施，以減緩空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。從隧道方面來(lái)說(shuō)，就是采用單洞雙線大斷面隧道。(2)結(jié)構(gòu)可靠性和耐久性要求高所謂可靠性，是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在正常規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的能力，包括安全性、適用性和耐久性。當(dāng)以概率來(lái)度量時(shí)，成為結(jié)構(gòu)的可靠度。所謂結(jié)構(gòu)耐久性，是指結(jié)構(gòu)及其部件在可能引起材料性能劣化的各種作用下能夠長(zhǎng)期維持其應(yīng)有性能的能力?？瓦\(yùn)專線隧道由于其運(yùn)營(yíng)速度比較高，對(duì)結(jié)構(gòu)和各種運(yùn)

34、營(yíng)設(shè)施所產(chǎn)生的作用影響也就越大，對(duì)相應(yīng)工程結(jié)構(gòu)的可靠性和耐久性的要求也就越高。例如，客運(yùn)專線隧道內(nèi)對(duì)襯砌混凝土的裂縫要求就特別嚴(yán)格，因?yàn)榭瓦\(yùn)專線隧道內(nèi)空氣壓力在不斷的變化，特別是洞內(nèi)會(huì)車情況下，壓力的波動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的表層穩(wěn)定是不利的。歐洲及日本的研究成果表明:同樣的一條裂紋，對(duì)普速鐵路隧道來(lái)說(shuō)在外荷載停止發(fā)展后，將不再繼續(xù)變化，而客運(yùn)專線隧道就不同了，即使外荷載停止了發(fā)展，但在頻繁變化的洞內(nèi)空氣壓力波的作用下，裂縫還將繼續(xù)發(fā)展，從而降低隧道襯砌耐久性和使用功能，甚至危及行車安全。因此，在客運(yùn)專線隧道設(shè)計(jì)中，要采取有效措施減少隧道襯砌裂縫。(3)對(duì)線路平順性要求高線路的平順直接影響到行車安全和旅客的

35、舒適度，而時(shí)速200 km/h以上的客專對(duì)線路平順性要求更高，這就涉及到高速鐵路修建的工后沉降控制問(wèn)題。國(guó)外高速鐵路提倡高速鐵路工后沉降為零的理念。以下為德國(guó)工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。其出發(fā)點(diǎn)是:一旦在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中發(fā)生沉降，應(yīng)限制在結(jié)構(gòu)調(diào)整允許的范圍內(nèi)，或者在舒適度允許范圍內(nèi)，通過(guò)增設(shè)豎曲線半徑進(jìn)行調(diào)整。工后沉降不應(yīng)超過(guò)扣件調(diào)節(jié)量-5 mm，最大調(diào)節(jié)量取決于鋼軌扣件的類型，5 mm是為運(yùn)營(yíng)期間列車荷載引起的沉降變形預(yù)留的。長(zhǎng)度20 m或以上的均勻沉降地段，允許沉降量可增加到上述規(guī)定值的2倍。對(duì)于路堤高度大于10 m及位于兩橋間距離大于5000 m的路基，若最大工后沉降小于6 cm且滿足調(diào)整后的軌道豎曲線

36、半徑ra>0.4ve2，即在350 km/h速度條件下，10 m范圍內(nèi)沉降差不超過(guò)2 mm，不影響無(wú)碴軌道高速運(yùn)營(yíng)；運(yùn)營(yíng)后沉降速率不大于2 mm/年。我國(guó)客運(yùn)專線在結(jié)合國(guó)情，吸收試驗(yàn)段經(jīng)驗(yàn)及參考國(guó)外現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的情況下，提出客運(yùn)專線工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn):15 mm。 (4)防災(zāi)救援要求高 隧道中運(yùn)行的主要是高速度的旅客列車，一旦發(fā)生事故和災(zāi)害，后果比一般鐵路要嚴(yán)重的多。如何盡量避免高速度的旅客列車在隧道內(nèi)發(fā)生事故和災(zāi)害，以及旅客列車在隧道內(nèi)因故停車時(shí)，如何快速疏散乘客，發(fā)生災(zāi)害事故時(shí)如何快速救援等，是客運(yùn)專線隧道應(yīng)該重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，相對(duì)普速客貨共線的鐵路隧道來(lái)講，客運(yùn)專線隧道對(duì)防止發(fā)生事故和災(zāi)害

37、以及快速救援的要求更高。(5)對(duì)環(huán)境的影響更加明顯 對(duì)環(huán)境的影響更加明顯環(huán)境包括自然環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和周邊人文環(huán)境，客運(yùn)專線列車以較高的速度運(yùn)行，其產(chǎn)生的輪軌噪聲、機(jī)械噪聲、弓網(wǎng)噪聲和空氣動(dòng)力學(xué)等噪聲將比普速列車明顯，對(duì)環(huán)境的影響也比普速列車大。例如，列車進(jìn)入隧道后，形成壓縮波，當(dāng)壓縮波傳到隧道出口突然釋放形成微氣壓波時(shí)，會(huì)對(duì)洞口的環(huán)境造成一定的影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生爆破音，影響附近的建筑物和居民的正常生活。所以客運(yùn)專線隧道的修建就應(yīng)該更加重視對(duì)環(huán)境的影響，圍繞降低噪聲、減少對(duì)自然環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和周邊人文環(huán)境的破壞，采取不同于普速鐵路隧道的工程措施。2.3 黃土工程特性黃土是一種在特定地理環(huán)境條件下

38、第四紀(jì)以來(lái)沉積和成壤的地質(zhì)體，為構(gòu)成中國(guó)西北黃土高原的主體。我國(guó)黃土分布面積達(dá)到60余萬(wàn)平方公里，分布連續(xù)、地層齊全、厚度大為其主要特點(diǎn)。五十年代人們將具有以下特征的土定義為典型黃土，這些特征是:棕黃或者淺黃；具有孔隙，孔隙度達(dá)4050 %，有柱狀節(jié)理；碳酸鈣含量1020 %，或有鈣質(zhì)結(jié)核；地質(zhì)均一，以粉粒為主，約占6070 % ；不含大于0.25 mm的顆粒；無(wú)層理；具垂直節(jié)理，天然情況下可保持直立邊坡；天然含水量小，遇水易剝落侵蝕。隨著對(duì)第四紀(jì)以來(lái)地層及工程性質(zhì)研究的深入和工程實(shí)踐的豐富，地質(zhì)界和工程界現(xiàn)在普遍認(rèn)為黃土是早更新世以來(lái)在干旱和半干旱這個(gè)特定地區(qū)沉積并成壤的物質(zhì)。黃土是一種具有

39、獨(dú)特工程性質(zhì)的特殊性土。黃土的特殊性除了表現(xiàn)在它的地質(zhì)特征，微觀結(jié)構(gòu)特征以及其它物理性質(zhì)以外，從巖土工程意義來(lái)說(shuō)，黃土的特殊性質(zhì)最主要的是它的力學(xué)性質(zhì)特別是強(qiáng)度和濕陷特性。黃土的強(qiáng)度特性和變形特性主要表現(xiàn)為黃土的結(jié)構(gòu)性、欠壓密性和濕陷性。由于特定的地質(zhì)環(huán)境和物質(zhì)組成，黃土在沉積過(guò)程中形成的結(jié)構(gòu)狀態(tài)決定著結(jié)構(gòu)本身在新的條件下的變化傾向。可以這樣認(rèn)為，黃土的結(jié)構(gòu)性是黃土工程性質(zhì)的本質(zhì)。黃土的結(jié)構(gòu)性表現(xiàn)為具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，即具有保持土原始基本單元結(jié)構(gòu)形式不被破壞的能力。這種能力是由土的原始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和土粒間固化連接鍵強(qiáng)度組成的。黃土的結(jié)構(gòu)性是導(dǎo)致黃土欠壓密性的原因。黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度一旦遭到破壞，如浸水

40、、擾動(dòng)等，黃土的力學(xué)性質(zhì)就會(huì)發(fā)生顯著變化，處于欠壓密狀態(tài)的黃土在浸水后將產(chǎn)生顯著的附加變形即濕陷變形，形成了黃土的濕陷性。因此可以認(rèn)為黃土的結(jié)構(gòu)性和欠壓密性是黃土具有濕陷性的基本內(nèi)因。2.4 黃土地基沉降問(wèn)題描述2.4.1 黃土的濕陷性質(zhì)黃土的濕陷性是指黃土在一定壓力作用下，受水浸濕后，土的結(jié)構(gòu)遭到破壞而發(fā)生顯著下沉現(xiàn)象的性質(zhì)。一般地，把形成于下更新世(q1)的午城黃土和形成于中更新世(q2)的離石黃土統(tǒng)稱為老黃土。覆蓋在上述黃土及河谷階地之上的為晚更新世(q3)馬蘭黃土及全新世早期(q41)黃土稱為新黃土。在全新世上部，部分地段還有新近堆積黃土存在，稱為q24黃土。研究資料表明，絕大部分q3

41、、q4黃土具有濕陷性特征，部分q2黃土具有濕陷性。一、濕陷性黃土基本物理性質(zhì)1.顆粒組成:一般顆粒粒徑小于0. 005 mm,顆粒含量以粉粒居多，占5274 %，砂粒含量占1129 %，粘粒含量占826 %2.孔隙比:變化在0. 851. 24之間，大多數(shù)在1. 01. 1之間。孔隙比是影響黃土濕陷性的主要指標(biāo)之一。3.天然含水量:黃土的天然含水量與濕陷性關(guān)系密切。當(dāng)含水量大于一定比例時(shí)，黃土就不具備濕陷性。當(dāng)然，這與各地區(qū)的黃土分布有關(guān)。4.飽和度:飽和度sr愈小，土的濕陷系數(shù)愈大。 5.液限:是決定黃土性質(zhì)的另一個(gè)重要指標(biāo)，當(dāng)液限在30%以上時(shí)，黃土的濕陷較弱且多為自重濕陷性黃土。二、濕陷

42、性黃土力學(xué)性質(zhì)1.壓縮性:壓縮系數(shù)介于0. 11. 0 mpa-1之間。q2和q3早期黃土，多為中等偏低壓縮性；q3晚期和q4黃土多為中等偏高壓縮性。新近堆積黃土一般為高壓縮性，且其峰值往往在不到200 kpa時(shí)出現(xiàn)，壓縮系數(shù)最大值達(dá)到1. 0一2. 0 mpa-1。2.抗剪切強(qiáng)度(1)當(dāng)黃土的含水量低于塑限時(shí)，水分的變化對(duì)強(qiáng)度的影響最大，但當(dāng)含水量大于塑限時(shí)，含水量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響減小，而超過(guò)飽和含水量時(shí)，抗剪強(qiáng)度的變化不大。(2)若土的含水量相同，則土的干重度越大，抗剪強(qiáng)度越高。(3)浸水過(guò)程時(shí)，黃土的濕陷處于發(fā)展過(guò)程中，此時(shí)抗剪強(qiáng)度降低最多。2.4.2 黃土的濕陷性評(píng)價(jià)濕陷性評(píng)價(jià)包括濕陷

43、性判定及場(chǎng)地濕陷等級(jí)兩個(gè)方面。一、濕陷性判定在一定壓力下的室內(nèi)壓縮試驗(yàn)測(cè)定的濕陷系數(shù)s:應(yīng)按下式計(jì)算: (2-1)式中：hp保持天然濕度和結(jié)構(gòu)的土試樣，在一定加壓壓力下穩(wěn)定后的高度；h'p上述加壓穩(wěn)定后的土試樣，在浸水作用下下沉穩(wěn)定后的高度；h0土試樣的原始高度。評(píng)價(jià)濕陷的標(biāo)準(zhǔn)為:(1)當(dāng)s<0.015時(shí)，應(yīng)定為非濕陷性黃土；(2)當(dāng)s0.015時(shí)，應(yīng)定為濕陷性黃土。2、 場(chǎng)地濕陷類型和地基濕陷等級(jí)的劃分場(chǎng)地的濕陷類型，應(yīng)按實(shí)測(cè)自重濕陷量或計(jì)算自重濕陷量判定。(1)當(dāng)自重濕陷量7cm時(shí)，應(yīng)定為非自重濕陷性黃土場(chǎng)地； (2)當(dāng)自重濕陷量>7cm時(shí)，應(yīng)定為自重濕陷性黃土場(chǎng)地。自

44、重濕陷量zs應(yīng)按下式計(jì)算:(2-2)式中：第1層土在上覆土的飽和自重壓力下的自重濕陷系數(shù)，按下式計(jì)算：(2-3) hz保持天然濕度和結(jié)構(gòu)的土樣，加壓至土的飽和自重壓力時(shí)，下沉穩(wěn)定后的高度； h'z上述加壓穩(wěn)定后的土樣，在浸水作用下，下沉穩(wěn)定后的高度； hi第i層土的厚度(cm) ； 0因土質(zhì)地區(qū)而異的修正系數(shù)，可查表。2.4.3 黃土隧道地基的濕陷性問(wèn)題新建鄭西客專隧道穿越第四紀(jì)各期黃土地層，其洞口段及橋隧相連段多位于具濕陷特征的q3、q4黃土地層中，需要進(jìn)行地基加固處理，以避免產(chǎn)生過(guò)大的地基沉降變形?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到的各隧道部分物理指標(biāo)見表2-3.表2-3，物理參數(shù)表隧道名黃土類型含水量

45、孔隙比飽和度液限濕陷系數(shù)秦東q3eo1313.50.850.626.750.158q2eo13+e1317.50.7168.326.550.005潼洛川q3eo139.50.9228.226.550.237q2eo13+e1311.40.7942.726.90.021q1eo13+e1315.80.696728.210.002高橋q3eo1310.30.783826.340.017q2eo138.60.6841.427.830.016鳳凰嶺q3eo1310.60.7637.826.870.045q2eo1313.40.7452.327由表2-3可以看出，無(wú)論新、老黃土，各隧道所處地層的濕陷性系

46、數(shù)均有大于0.015的情況，為了施工及運(yùn)營(yíng)的安全，必須進(jìn)行基底加固處理，嚴(yán)格控制沉降，使之符合高速客專安全標(biāo)準(zhǔn)。2.5 黃土地基加固處理方法 針對(duì)不同的地基類型可采用不同的地基處理方法，例如巖石地基可采用褥墊法、灌漿法，砂土地基可采用振動(dòng)法、振沖法、強(qiáng)夯法，等等。目前在黃土地區(qū)工程實(shí)踐中廣泛采用的地基處理措施有換填墊層法、強(qiáng)夯法、擠密樁法、堆載預(yù)壓法等等，而目前最為流行的是擠密樁法、碎石樁、cfg樁等復(fù)合地基處理的方法。復(fù)合地基的加固效果雖不及混凝土灌注樁，但性價(jià)比高，也能滿足工程的要求。從目前的工程實(shí)踐來(lái)看，復(fù)合地基的處理效果是令人滿意的。因此，在綜合比選各種加固措施后，鄭西客專黃土隧道大部

47、分采用水泥土擠密樁對(duì)基底進(jìn)行加固處理，以便減小孔隙率，提高密實(shí)度，消除新老黃土的濕陷性。2.6 復(fù)合地基現(xiàn)有沉降理論與方法盡管復(fù)合地基大量使用于工業(yè)與民用建筑基礎(chǔ)、交通路基工程等領(lǐng)域，但長(zhǎng)期以來(lái)，復(fù)合地基沉降計(jì)算理論還不夠成熟，至今仍無(wú)明確的規(guī)范可用，基本上是參考建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范及一些推薦方法。總結(jié)起來(lái)，目前各種各樣的沉降計(jì)算方法可歸納為以下幾個(gè)大類:(1)分層總和法這種方法原理比較簡(jiǎn)單，計(jì)算方便，現(xiàn)有的各種各樣的分析方法均是以分層總和為基礎(chǔ)。在各類實(shí)用計(jì)算方法中，通常把復(fù)合地基沉降量分為兩部分，如圖2-5所示，h為復(fù)合地基加固區(qū)厚度，z為荷載作用下地基壓縮層的厚度。復(fù)合地基加固區(qū)的壓縮為

48、s,，地基壓縮層厚度內(nèi)加固區(qū)下臥層厚度為z-h，其壓縮量為s2。于是，在荷載的作用下復(fù)合地基的總沉降量s可表示為兩部分之和，即s=s1十s2。至今所提出的復(fù)合地基沉降實(shí)用計(jì)算方法中，對(duì)下臥層壓縮量s2，大都采用分層總和法計(jì)算，例如假定一個(gè)擴(kuò)散角，便可按早期的分層總和法進(jìn)行計(jì)算；而對(duì)加固區(qū)范圍內(nèi)土層的壓縮量s1，可采用一種或幾種計(jì)算方法計(jì)算，這些方法有復(fù)合模量法、es法、應(yīng)力擴(kuò)散法、等效實(shí)體法等等，限于篇幅，此處不再一一詳列。圖2-5 復(fù)合地基沉降示意圖分層總和法的一個(gè)非常重要概念是采用附加應(yīng)力來(lái)計(jì)算豎向沉降，本文將在下面的章節(jié)討論分層總和法對(duì)隧道地基加固的適用性。(2)彈性理論解析解。此類方法

49、以作用在無(wú)限半空間的集中荷載引起豎向沉降的boussinesq解析解為基礎(chǔ)，或以mindlin解析解為基礎(chǔ)，可得到各類己知分布荷載作用下沉降解析解。但是由于受到其理論本身的限制，如線彈性、均質(zhì)等前提條件，使得其計(jì)算在實(shí)踐推廣中遇到很大的困難。(3)數(shù)值分析解。數(shù)值分析法以有限單元法、有限差分法為基礎(chǔ)，可考慮不同的地層條件、邊界條件，還可考慮施工造成的力學(xué)變化過(guò)程、土體的粘性與蠕變特性，因而得到了廣泛的應(yīng)用。本文采取的主要分析方法即為數(shù)值分析法。第三章 數(shù)值模擬方法簡(jiǎn)介3.1 有限元的基本思想和優(yōu)點(diǎn)有限元法是適應(yīng)電子計(jì)算機(jī)的使用而發(fā)展起來(lái)的一種比較新穎和有效的數(shù)值計(jì)算方法。這種方法大約起源于20

50、世紀(jì)50年代航空工程中飛機(jī)結(jié)構(gòu)的矩陣分析。1960年飛機(jī)結(jié)構(gòu)工程師clough在他的論文中第一個(gè)采用有限元(finite element method )這一術(shù)語(yǔ)，并用有限元的思想求解了平面彈性問(wèn)題。目前，有限元發(fā)已成為工程設(shè)計(jì)中不可或缺的一種重要方法。1、有限元法的基本思想:(1)假想把連續(xù)系統(tǒng)(包括桿系，連續(xù)體，連續(xù)介質(zhì))分割成數(shù)目有限的單元，單元之間只在數(shù)目有限的指定點(diǎn)(稱為節(jié)點(diǎn))處相互連接，構(gòu)成一個(gè)單元集合體來(lái)代替原來(lái)的連續(xù)系統(tǒng)。在節(jié)點(diǎn)上引進(jìn)等效載荷(或邊界條件)，代替實(shí)際作用于系統(tǒng)上的外載荷(或邊界條件)。(2)對(duì)每個(gè)單元由于分塊近似的思想，按一定的規(guī)則(由力學(xué)關(guān)系或選擇一個(gè)簡(jiǎn)單函數(shù)

51、)建立求解未知量與節(jié)點(diǎn)相互作用(力)之間的關(guān)系(力一位移等)。(3)把所有單元的這種特性關(guān)系按一定的條件(變形協(xié)調(diào)條件)集合起來(lái)，引入邊界條件，構(gòu)成一組以節(jié)點(diǎn)變量(位移)為未知量的代數(shù)方程組，求解之就得到有限個(gè)節(jié)點(diǎn)處的待求變量。所以，有限元法實(shí)質(zhì)上是把具有無(wú)限個(gè)自由度的連續(xù)系統(tǒng)，理想化為只有有限個(gè)自由度的單元集合體，使問(wèn)題轉(zhuǎn)化為適合于數(shù)值求解的結(jié)構(gòu)型問(wèn)題。2、有限元法的優(yōu)點(diǎn)(1)概念淺顯，容易掌握，可以在不同的水平上建立起對(duì)該法的理解:可以通過(guò)非常直觀的物理概念來(lái)理解，也可以建立給予嚴(yán)格的數(shù)學(xué)分析的理論。(2)實(shí)用性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛，幾乎適用于求解所有的連續(xù)介質(zhì)和場(chǎng)問(wèn)題。(3)采用矩陣形式表達(dá)，便

52、于程序的編制，可以充分利用高速計(jì)算機(jī)所提供的方便。3.2 有限元數(shù)值模擬過(guò)程 (1)結(jié)構(gòu)的離散化。應(yīng)用有限元分析得第一步就是要將結(jié)構(gòu)離散化。其過(guò)程就是用一些假想的線或者面進(jìn)行切割，使其成為具有選定切割形狀的有限個(gè)單元體。這些單元體被認(rèn)為僅僅在單元的集合體來(lái)代替原來(lái)分析得結(jié)構(gòu)，并在單元體得指定點(diǎn)設(shè)置節(jié)點(diǎn)，使相鄰單元的有關(guān)參數(shù)具有一定的連續(xù)性。結(jié)構(gòu)離散時(shí)，劃分的單元的大小和數(shù)目應(yīng)根據(jù)計(jì)算精度的要求和計(jì)算機(jī)的容量來(lái)決定。 (2)確定單元的位移模式。首先必須對(duì)該單元的任意一點(diǎn)的位移分布做出假設(shè)用有限自由度的簡(jiǎn)單位移來(lái)代替真實(shí)位移，即假定位移是坐標(biāo)的某種簡(jiǎn)單的函數(shù)，通常采用多項(xiàng)式作為位移函數(shù)（位移模式）

53、，位移模式的合理與否，影響到有限元分析得精度、效率和可靠性。不管哪類位移單元，采用矩陣符號(hào)并建立相關(guān)的矩陣方程，單元中任意一點(diǎn)的位移矩陣d，均可用該單元節(jié)點(diǎn)位移排列成的矩陣，又稱單元節(jié)點(diǎn)位移矩陣，表示為。 (3-1)式中，n形函數(shù)矩陣。 (3)單元特性分析。 利用應(yīng)變和位移之間的關(guān)系即幾何方程，將得出單元任一點(diǎn)應(yīng)變與單元節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系： (3-2)式中，b變形矩陣。 利用應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系即物理方程，推導(dǎo)出應(yīng)力的表達(dá)式： (3-3)式中d單元材料彈性常數(shù)所確定的彈性矩陣，s應(yīng)力矩陣。 利用虛位移原理，建立單元?jiǎng)偠染仃嚕?(3-4)式中單元節(jié)點(diǎn)力矩陣，單元等效荷載矩陣，單元?jiǎng)偠染仃嚒?建立平衡

54、方程組。集合所有的單元的平衡方程，建立整體結(jié)構(gòu)的平衡方程。先將每個(gè)的單元?jiǎng)偠染仃嚭铣烧w剛度矩陣，再將各單元的等效節(jié)點(diǎn)力集合成總的荷載陣列總剛度矩陣。 (3-5) 由總剛度矩陣形成的整體結(jié)構(gòu)平衡方程： (3-6)引入結(jié)構(gòu)邊界條件，對(duì)方程組進(jìn)行求解，得出節(jié)點(diǎn)位移，進(jìn)而求個(gè)單元的內(nèi)力和變形。3.3 ansys軟件介紹ansys是一種廣泛的商業(yè)套裝工程分析軟件。所謂工程分析軟件，主要是在機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負(fù)載所出現(xiàn)的反應(yīng)，例如應(yīng)力、位移、溫度等，根據(jù)該反應(yīng)可知道機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負(fù)載后的狀態(tài)，進(jìn)而判斷是否符合設(shè)計(jì)要求。一般機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，受的負(fù)載也相當(dāng)多，理論分析往往無(wú)法進(jìn)行。想

55、要解答，必須先簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬方法分析。由于計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展，相應(yīng)的軟件也應(yīng)運(yùn)而生，ansys軟件在工程上應(yīng)用相當(dāng)廣泛，在機(jī)械、電機(jī)、土木、電子及航空等領(lǐng)域的使用，都能達(dá)到某種程度的可信度，頗獲各界好評(píng)。使用該軟件，能夠降低設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。到80年代初期，國(guó)際上較大型的面向工程的有限元通用軟件主要有：ansys, nastran, aska, adina, sap等。以ansys為代表的工程數(shù)值模擬軟件，是一個(gè)多用途的有限元法分析軟件，它從1971年的2.0版本與今天的13.1版本已有很大的不同，起初它僅提供結(jié)構(gòu)線性分析和熱分析，現(xiàn)在可用來(lái)求結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問(wèn)題的解答。它包含了前置處理、解題程