高速铁路大断面黄土隧道施工数值模拟毕业设计(编辑修改稿)

高速铁路大断面黄土隧道施工数值模拟毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

致这本质区别的原因在于被开挖体的形状特征、初始与开挖过程中应力场特性、土体的强度特征以及衬砌的力学性质和过程 ； 不同的开挖方式决定了大跨度深埋黄土隧道的衬砌中内力分布规律根本不同，这就可以对开挖方式与衬砌形状进行优化设计，对工程实践具有明确的指导意义。 在该研究特定的条件下，分步开挖显然比全断面开挖有利 [6]。 长安大学等以现场测试和试验为手段，结合数值仿真分析，对黄土隧道围岩压力及结构受力进行研究。 提出了深埋与浅埋黄土隧道的界定标准，推导出了浅埋黄土隧道围岩压力计算公式，给出了初期支护与二次衬砌荷载分担比例。 在巉柳高速公路土家湾隧道施工过程中，针对饱和黄土围岩无法掘进施工的难题，按照课题研究成果，对饱和黄土地段围岩进行了加固处治，提出的设计方法和施工工艺，为类似地质条件下的黄土隧道设计与施工提供了成功经验 [2]。 但是，对于通过黄土地区的新建客运专线隧道，其埋深增大了，开挖断面也显著增大了 ， 对断面形式和线路要求也提高了，因此上述的研究是不够的。 需 毕业论文报告 5 要进行更为深入的研究。 目前，国内外对高速铁路超大断面黄土隧道设计与施工的研究主要存在以下几个方面的问题 : 由于黄土地层性状复杂，不同地区隧道所处黄土地层其黄土 成因及类型、含水量、湿陷等级等各异，相关工程力学指标和工程特性差异较大 ； 国内目前设计、施工和投入运营的黄土隧道多为单线或双线隧道，对于特大断面黄土隧道，国内外尚无类似的工程实例，无论从设计还是施工方面，均缺乏经验与理论指导 ； 高速客运专线对隧道质量要求更高，施工应有效控制地面沉降、确保有关交通运营设施安全 ； 隧道内线路要求有高度的平顺性，位于湿陷性黄土等软弱地层中的隧道基底应采用有效加固措施，严格控制工后沉降 ； 黄土地区具有地表冲沟发育、黄土边坡陡立等特性，当隧道穿越陡峻的黄土边坡时，会 出现岸坡稳定等问题。 高速铁路隧道的技术性和黄土湿陷特性决定了修筑高速铁路隧道的技术难点。 具体可以说有以下几点 ： ； ； ，以达到线路平顺要求 ； ，保证高速铁路运营期间的安全性和耐久性 ；。 综上所述，郑西客运专线黄土隧道设计与施工地质条件复杂、修建难度大，如何 采取合理有效的工程措施、高标准的进行黄土隧道设计和施工，确保郑西客运专线建成后顺利运营，对隧道设计和施工提出了新的课题，而郑西客运专线超大断面黄土隧道的设计也将是国内外类似隧道工程修建技术的一个新台阶。 本文研究内容 与方法 本文 总结了大断面黄土隧道的研究现状及存在的主要问题，分析了隧道断面分类、高速铁路隧道施工特点、黄土隧道工程特性、黄土地基沉降及其加固的理论。 核心部分 针对高速铁路隧道的技术特点、黄土的工程特性及大断面黄土隧道修筑中存在的关键技术问题，以数值分析作为研究手段，应用大型通用有限元软件 ANSYS 为计算手段 ， 将弧形导坑法与全断面开挖 法 进行了 比 选，并对衬砌结构的安全性进行了评价。 数值分析流程： 通过大量的资料调研工作，明确研究的思路与研究目的，确定研究的关键问题，选择正确适用的计算理论和方法。 对于计算参数的确定，一般采用设计单位地勘部门提供的资料，若没提供，查找类似工程的物理力学参数，或者参考现行规范。 运用大型通用软件 ANSYS 有限元程序进行荷载一结构模式 毕业论文报告 6 计算的。 分析计算结果，对比己有工程的量测数据及规范规定量值，对结果的合理性、可靠性进行判定 :若合理，则通过分析，提出研究结论 ； 若不合理，则需要重新对计算参数进行修正与优化，并重新计算。 有限元分析 流程 如 图 11. NO YES 图 11 研究流程图 资料调研 计算方法选择 计算工况组合 计算参数确定 计算过程实施 计算结果分析 结论 毕业论文报告 7 第二章 高速 铁路黄土隧道相关特性介绍 隧道断面分类 目前如何区分大断面隧道与小断面隧道存在着不同的标准。 日本的划分标准和国际隧道协会的划分标准都是以净空断面积划分的，分别见表 21 和表 22。 按照日本标准和国际隧道协会标准，郑西客专隧道的净空断面为 100 m2，属于大断面隧道。 表 21 日本隧道断面划分标准 划分 净空断面积 /m2 说明 标准断面 70~80 双车道 大断面 80~140 有人行道的双车道隧道 超大断面 140 与路面宽相同的三车道 表 22 国际隧道协会隧道断面划分标准 划分 净空断面积 /m2 超小断面 3 小断面 3~10 中等断面 10~50 大断面 50~100 超大断面 100 高速铁路隧道施工特点 客运专线铁路以其运行速度高、线路平顺性要求高、安全舒适、节约时间等特点，比其他交通工具有更多的优越性。 客运专线的隧道工程具有占地少、环境污染小、结构安全可靠、拆迁量和对城市干扰小等优点，从技术上有以下几个主要特点。 (1)空气动力学效应 列车在高速运行的条件下，对隧道结构的要求主要是空气动力学特性方面的。 高速列车通过隧道时会产生一系列的空气动力学 效应，如压力波动、出口处微气压波、洞内行车阻力增大等，这些均是列车速度目标值比较高的客运专线隧道的显著特点。 空气动力学效应会带来诸如乘客不适，进出口环境噪音，隧道维护人员不安全等一系列问题。 因此，在客运专线铁路隧道设计时，应从车辆和隧道两个方面采取措施，以减缓空气动力学效应。 从隧道方面来说，就是采用单洞双线大断面隧道。 毕业论文报告 8 (2)结构可靠性和耐久性要求高 所谓可靠性，是指结构在规定的时间内，在正常规定的条件下，完成预定功能的能力，包括安全性、适用性和耐久性。 当以概率来度量时，成为结构的可靠度。 所谓结构耐久性，是 指结构及其部件在可能引起材料性能劣化的各种作用下能够长期维持其应有性能的能力。 客运专线隧道由于其运营速度比较高，对结构和各种运营设施所产生的作用影响也就越大，对相应工程结构的可靠性和耐久性的要求也就越高。 例如，客运专线隧道内对衬砌混凝土的裂缝要求就特别严格，因为客运专线隧道内空气压力在不断的变化，特别是洞内会车情况下，压力的波动对结构的表层稳定是不利的。 欧洲及日本的研究成果表明 :同样的一条裂纹，对普速铁路隧道来说在外荷载停止发展后，将不再继续变化，而客运专线隧道就不同了，即使外荷载停止了发展，但在频繁变化的 洞内空气压力波的作用下，裂缝还将继续发展，从而降低隧道衬砌耐久性和使用功能，甚至危及行车安全。 因此，在客运专线隧道设计中，要采取有效措施减少隧道衬砌裂缝。 (3)对线路平顺性要求高 线路的平顺直接影响到行车安全和旅客的舒适度，而时速 200 km/h 以上的客专对线路平顺性要求更高，这就涉及到高速铁路修建的工后沉降控制问题。 国外高速铁路提倡高速铁路工后沉降为零的理念。 以下为德国工后沉降控制标准。 其出发点是 :一旦在运营过程中发生沉降，应限制在结构调整允许的范围内，或者在舒适度允许范围内，通过增设竖曲线半径进行调整。 ① 工后沉降不应超过扣件调节量 5 mm，最大调节量取决于钢轨扣件的类型， 5 mm 是为运营期间列车荷载引起的沉降变形预留的。 ② 长度 20 m 或以上的均匀沉降地段，允许沉降量可增加到上述规定值的 2倍。 ③ 对于路堤高度大于 10 m 及位于两桥间距离大于 5000 m 的路基，若最大工后沉降小于 6 cm且满足调整后的轨道竖曲线半径 ra，即在 350 km/h 速度条件下， 10 m 范围内沉降差不超过 2 mm，不影响无碴轨道高速运营 ； ④ 运营后沉降速率不大于 2 mm/年。 我国客运专线在结合国情，吸收试验段经验 及参考国外现有标准的情况下，提出客运专线工后沉降控制标准 :15 mm。 (4)防灾救援要求高 隧道中运行的主要是高速度的旅客列车，一旦发生事故和灾害，后果比一般铁路要严重的多。 如何尽量避免高速度的旅客列车在隧道内发生事故和灾害，以及旅客列车在隧道内因故停车时，如何快速疏散乘客，发生灾害事故时如何快速救援等，是客运专线隧道应该重点考虑的问题，相对普速客货共线的铁路隧道来讲，客运专线隧道对防止发生事故和灾害以及快速救援的要求更高。 毕业论文报告 9 (5)对环境的影响更加明显 对环境的影响更加明显环境包括 自然环境、生态环境和周边人文环境，客运专线列车以较高的速度运行，其产生的轮轨噪声、机械噪声、弓网噪声和空气动力学等噪声将比普速列车明显，对环境的影响也比普速列车大。 例如，列车进入隧道后，形成压缩波，当压缩波传到隧道出口突然释放形成微气压波时，会对洞口的环境造成一定的影响，严重时会产生爆破音，影响附近的建筑物和居民的正常生活。 所以客运专线隧道的修建就应该更加重视对环境的影响，围绕降低噪声、减少对自然环境、生态环境和周边人文环境的破坏，采取不同于普速铁路隧道的工程措施。 黄土工程特性 黄土是一种在特定地 理环境条件下第四纪以来沉积和成壤的地质体，为构成中国西北黄土高原的主体。 我国黄土分布面积达到 60 余万平方公里，分布连续、地层齐全、厚度大为其主要特点。 五十年代人们将具有以下特征的土定义为典型黄土，这些特征是 :① 棕黄或者浅黄 ； ② 具有孔隙，孔隙度达 40~50 %，有柱状节理 ； ③ 碳酸钙含量 10~20 %，或有钙质结核 ； ④ 地质均一，以粉粒为主，约占60~70 % ； ⑤ 不含大于 mm 的颗粒 ； ⑥ 无层理 ； ⑦ 具垂直节理，天然情况下可保持直立边坡 ； ⑧ 天然含水量小，遇水易剥落侵蚀。 随着对第四纪以来地层及工程性质研究的深 入和工程实践的丰富，地质界和工程界现在普遍认为黄土是早更新世以来在干旱和半干旱这个特定地区沉积并成壤的物质。 黄土是一种具有独特工程性质的特殊性土。 黄土的特殊性除了表现在它的地质特征，微观结构特征以及其它物理性质以外，从岩土工程意义来说，黄土的特殊性质最主要的是它的力学性质特别是强度和湿陷特性。 黄土的强度特性和变形特性主要表现为黄土的结构性、欠压密性和湿陷性。 由于特定的地质环境和物质组成，黄土在沉积过程中形成的结构状态决定着结构本身在新的条件下的变化倾向。 可以这样认为，黄土的结构性是黄土工程性质的本质。 黄土 的结构性表现为具有一定的结构强度，即具有保持土原始基本单元结构形式不被破坏的能力。 这种能力是由土的原始结构强度和土粒间固化连接键强度组成的。 黄土的结构性是导致黄土欠压密性的原因。 黄土的结构强度一旦遭到破坏，如浸水、扰动等，黄土的力学性质就会发生显著变化，处于欠压密状态的黄土在浸水后将产生显著的附加变形即湿陷变形，形成了黄土的湿陷性。 因此可以认为黄土的结构性和欠压密性是黄土具有湿陷性的基本内因。 毕业论文报告 10 黄土地基沉降问题描述 黄土的湿陷性质 黄土的湿陷性是指黄土在一定压力作用下，受水浸湿后，土的结 构遭到破坏而发生显著下沉现象的性质。 一般地，把形成于下更新世 (Q1)的午城黄土和形成于中更新世 (Q2)的离石黄土统称为老黄土。 覆盖在上述黄土及河谷阶地之上的为晚更新世 (Q3)马兰黄土及全新世早期 (Q41)黄土称为新黄土。 在全新世上部，部分地段还有新近堆积黄土存在，称为 Q24 黄土。 研究资料表明，绝大部分 Q Q4黄土具有湿陷性特征，部分 Q2黄土具有湿陷性。 一、湿陷性黄土基本物理性质 :一般颗粒粒径小于 0. 005 mm,颗粒含量以粉粒居多，占 52~74 %，砂粒含量占 11~29 %，粘粒含量占 8~26 % :变化在 0. 85~1. 24 之间，大多数在 1. 0~1. 1 之间。 孔隙比是影响黄土湿陷性的主要指标之一。 :黄土的天然含水量与湿陷性关系密切。 当含水量大于一定比例时，黄土就不具备湿陷性。 当然，这与各地区的黄土分布有关。 :饱和度 Sr愈小，土的湿陷系数愈大。 :是决定黄土性质的另一个重要指标，当液限在 30%以上时，黄土的湿陷较弱且多为自重湿陷性黄土。 二、湿陷性黄土力学性质 :压缩系数介于 0. 1~1. 0 MPa1之间。 Q2和 Q3早期黄土，多为中等偏低压缩性 ； Q3晚期和 Q4黄土多为中等偏高压缩性。 新近堆积黄土一般为高压缩性，且其峰值往往在不到 200 kPa 时出现，压缩系数最大值达到。