1、二 * 届 毕 业 设 计高速铁路大断面黄土隧道施工数值模拟学 院：*专 业：*姓 名：*学 号：*指导教师：*完成时间：20*年 6 月 10 号二*年六月毕业论文报告摘 要郑州至西安的客运专线为国内首批拟建的高速客运专线，该线位于中国黄土分布的中心地带，全线穿过黄土段的隧道累计里程长达 65 km。黄土因其具有特殊的成分和性质而在工程地质中占据特殊的地位，其工程特征表现出与普通岩石隧道相当大的差异，郑州至西安铁路客运专线黄土隧道特征最具典型性,围岩属 V 级 Q3 新黄土。该线隧道均为双线隧道，开挖面积达 174 m2，是目前国内开挖断面最大的黄土隧道。本文总结了大断面黄土隧道的研究现状及
2、存在的主要问题，分析了隧道断面分类、高速铁路隧道的技术特点、黄土隧道工程特性、黄土地基沉降及其加固的理论，并在综合分析当前大断面黄土隧道发展的基础上，依托郑西客运专线凤凰岭黄土隧道工程背景，以解决高速铁路大断面黄土隧道关键施工技术为出发点，应用大型通用有限元软件 ANSYS 为计算手段，对湿陷性黄土隧道全断面施工方法和弧形导坑法的安全性进行了对比的分析和研究，得出了一些结论和建议。关键词：大断面，黄土隧道，弧形导坑法，数值模拟毕业论文报告ABSTRACTThe first batch domestic proposed high-speed passenger dedicated line i
3、s from Zhengzhou to Xi an. The line is located in the 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 considerabl
4、e difference with ordinary rock tunnel. The line from 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,
5、which is unprecedented in China, and there is no 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-s
6、peed railway tunnel, the engineering properties of 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
7、the key construction technology in loess tunnel of 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:
8、large cross section, loess tunnel, numerical simulation, arc pilot tunnel method毕业论文报告目 录第一章 绪论 .11.1 黄土隧道研究的背景及意义 .11.2 国内外黄土隧道研究现状及存在的问题 .11.3 本文研究内容与方法 .5第二章 高速铁路黄土隧道相关特性介绍 .72.1 隧道断面分类 .72.2 高速铁路隧道施工特点 .72.3 黄土工程特性 .92.4 黄土地基沉降问题描述 .102.4.1 黄土的湿陷性质 .102.4.2 黄土的湿陷性评价 .102.4.3 黄土隧道地基的湿陷性问题 .112.5
9、黄土地基加固处理方法 .122.6 复合地基现有沉降理论与方法 .12第三章 数值模拟方法简介 .143.1 有限元的基本思想和优点 .143.2 有限元数值模拟过程 .143.3 Ansys 软件介绍 .163.4 Ansys 软件平面弹塑性分析过程 .173.4.1 计算假定 .183.4.2 弹塑性分析选项设置 .183.4.3 单元的生死 .20第四章 高速铁路大断面黄土隧道施工数值模拟分析 .224.1 凤凰岭隧道工况 .224.2 建立模型 .224.2.1 弧形导坑法 .234.2.2 全断面开挖 .244.3 分部开挖 .254.3.1 弧形导坑法 .254.3.2 全断面开挖
10、 .314.4 模拟结果及分析 .344.4.1 弧形导坑法 .344.4.2 全断面开挖 .354.4.3 对比分析 .35结论 .37致谢 .38参考文献 .39毕业论文报告0第一章 绪论1.1 黄土隧道研究的背景及意义目前己经开工建设的郑西客运专线，为我国首批拟建高速铁路客运专线，线路东起中原中心城市郑州市，向西经洛阳市、三门峡市、渭南市，西止西北门户西安市，经豫、陕两省，横贯中州大地和关中平原东部，全长 484.518 km。郑西客运专线位于中国黄土分布中心地带，沿线黄土分布广泛，约占线路总长 90 %左右。黄土一般发育于气候干燥、降雨量少，蒸发量大的干旱半干早地区，由于其特定的生成环
11、境、发生历史、气候条件、物质成分等，因而在沉积过程中形成了其特有的结构形式，表现出独特的物理、化学和力学性质。特别是受水浸蚀后结构迅速破坏而发生显著下沉现象，对建筑工程的安全稳定和正常使用有着巨大的影响。历史上，由于对黄土性质认识不足，采取措施不力而造成工程事故的事件时有发生，迫使工厂停工倒闭者有之，迫使居民搬迁者有之，更有甚者，建筑物在施工过程中即发生严重的变形破坏，导致施工中断。这类事故在我国黄土地区不同程度的存在，给我国国民经济带来重大的损失 1.由于黄土结构较为疏松、强度低，加之其特有的湿陷性特征，黄土隧道在施工和运营中，出现了各种各样的问题。具体有:a.施工过程中喷射混凝土突然开裂，
12、格栅严重弯曲变形；b.围岩不能自稳，变形很大，发生塌方；c.隧道发生涌水问题:d.隧道洞身基础发生湿陷；d.衬砌开裂，地表发生裂缝和错台现象。我国黄土地区幅员辽阔，面积达六十多万平方公里，郑西客运专线位于中国黄土分布中心地带，该线隧道穿过黄土段落较长。目前建成运营的黄土隧道多为单线或双线( 双车道) 隧道，特大断面黄土隧道(例如郑西客运专线上的黄土隧道，隧道开挖跨度达 16 m，开挖面积约 170 m2)还没有先例，应当采用何种施工方法，缺乏经验与理论指导，需要进一步进行研究。本课题正是依托郑西客运专线大断面黄土隧道工程。综上所述，对大断面黄土隧道进行系统的研究是必要的。随着国家西部大开发政策
13、的推行，在西部广大黄土地区进行基础建设正日益加强。我国的铁路建设也正在进入以客运专线建设为标志的跨越式发展新时期。对于大断面黄土隧道的设计及施工，现行的铁路隧道设计规范显然己不适合，也没有现成的工程可类比。因此对大断面黄土隧道进行深入系统的研究已显得非常迫切，开展大断面黄土隧道的研究工作有着重要的现实意义。1.2 国内外黄土隧道研究现状及存在的问题肥沃的黄土地孕育了中华文明。黄土在我国西北有着广泛的分布，占国土毕业论文报告1面积约 63 万平方公里。在黄土修筑窑洞已经有几千年的历史。但是对黄土地下建筑设计计算理论进行系统研究，还是从 60 年代初开始的。以往在地下洞室设计计算所采用的模型是“
14、荷载一结构 ”模型，即把作用衬砌上的围岩压力作为外加荷载施加到模型上，只要荷载确定了，就像地面建筑结构一样，利用结构力学理论，进行衬砌的设计计算。所以在地下洞室的设计计算中，围岩压力的确定就成为问题的关键。黄土地下洞室也不例外，黄土洞设计计算理论的研究，主要有四个阶段:(1) 20 世纪五六十年代的设计以普氏理论为基础。按照普氏理论设计的陇海线三门峡至撞关段 13 座双线黄土隧道分别于 19591960 年建成，至 1964 发现了不同程度的裂缝。大量工程实践表明:普氏理论对我国黄土洞室不适用。随后引起对黄土洞室围岩压力问题的系统研究。(2)根据时间经验，在 60 年代初提出以工程地质类比法指
15、导设计，并对黄土按底下洞室稳定性要求作了相应的分类。(3) 70 年代提出了以工程地质类比为主，力学计算为辅，必要时用实测的方法指导设计。(4) 90 年代至今，随着计算技术的发展，土体应力一应变关系的研究逐渐深入，出现了各种各样的弹塑性应力一应变模型。在这种基础上提出了许多弹塑性的数值方法。这一时期修建的宝中铁路和候月铁路隧道工程积累了丰富的经验。近 20 年来随着计算技术的迅速发展，土体应力一应变关系的研究逐渐深入，出现了各种各样的弹塑性应力一应变模型。然而由于土体结构的复杂性，不同的应力水平和路径都会影响它的应力一应变关系，要全面反映土体的力学特性往往是相当困难的。一般说来，力学模型越接
16、近所研究的对象，其形式越复杂，描述模型特性的力学参数越多。由于参数测定过程中的偶然误差及参数本身所反映的物理力学特征的随机性，使得参数测定值总在一定范围内波动，因而往往与精确的理论描述不相称。作为理论模型应全面反映客观实体，使人们能更深刻地认识自然，并为改造自然提供依据，作为工程应用，则力求使模型既能抓住所研究对象的最本质东西，又简单实用。一个最好的模型应是既能解决工程问题且又是最简单的模型 2。从 60 年代对黄土地下洞室的围岩压力开展系统的研究以来，经陕西建研院，西北建筑设计院等单位在甘肃、山西、陕西及河南等省近十个工程点进行了综合性的现场量测，并对这些地区的黄土洞室做了广泛的调查。通过大
17、量的生产实践、现场量测及调查研究，从量和质方面对黄土洞室的围岩压力有了较深入的认识:(1)塌方一般首先发生在拱肩或两侧，然后随着洞形及应力条件恶化向洞顶毕业论文报告2发展。塌方的主要特征是脆性剪切破坏。(2)现有的黄土洞室埋深大多在 20 50 m，这些洞室的衬砌大部分是“薄”衬砌(相对于普氏理论计算出的衬砌厚度)。这些衬砌有些虽然在拱腰内缘出现拉裂缝，但却能保持相对稳定。(3)洞室土体变形不是局限于洞周附近一个小范围内，而是在由洞壁直至地表的一个很大范围内连续变化，逐渐减小，衬砌后在洞周一定范围内没有发现土体变形有突然的、明显的变化。(4)与土体变形相似，作用在衬砌上的围岩压力也没有突然性，
18、它是随着掘进与时间的增长而增长。(5)双线隧道上的土体破坏一般不能形成所谓普氏压力拱，采用普氏理论设计与实际压力分布不符。(6)双线隧道上实测的竖向压力分布是两端大、中间小，呈“反拱形” 。有不小的侧向压力，且拱圈部分比边墙要大。(7)根据调查统计，土体的破裂角一般为 58 63 。李宁，朱运明，谢定义等针对南水北调中线穿黄连接段大断面饱和黄土隧洞的成洞条件问题，应用岩土工程软件对几种可能的方案进行了施工仿真试验研究。研究认为，新奥法施工以调动围岩自身的承载能力，减少支护衬砌的工作荷载为宗旨，其成洞条件应从围岩应力、变形与支护结构的内力强度上同时加以考虑。从而提出:围岩的最大变形不超过洞径的
19、1 %；围岩的应力集中引起的塑性区范围不超过锚杆加固区:锚杆的拉力不超过允许拉拔力: 喷层或衬砌的内力满足其强度要求。研究结果表明:新奥法施工方案在该大断面高水头饱和黄土围岩中能够成洞；只需紧跟掌子面喷护，挂网 25 cm 加系统锚杆形成柔性支护圈即可维持围岩稳定；双洞中心相距 2.5 倍洞径时应力与变形的相互影响小于 5 %； 双洞合一的掏槽一次永久衬砌方案也可成洞，且施工技术要求最低，但洞周变形最大(约 140 mm) ； 双洞合一的预制混凝土超前压桩衬砌方案虽施工工艺复杂，但却能最大限度的限制围岩变形(最大沉降小于10 mm)，在重要建筑物底下穿过时，可能是首选方案 3。郭增玉、张朝鹏等
20、研究探讨了宝鸡火车站地下商场工程高湿度 Q2 黄土的非线性流变本构模型和参数。该工程是首次在西北黄土地区推广逆作法施工的地下人防工程，结构与施工设计主要采用工程类比法。逆作法工程的经验表明:采用这种方法的地下结构稳定性和施工工效与施工过程中的时空分配合理性密切相关。在黄土地区已往开挖工程的经验还表明:高湿度 Q2 黄土在施工开挖中具有明显的时效特征。研究指出高湿度 Q2 黄土粘弹性阶段为线性粘弹性体，粘塑性阶段为非线性粘塑性体。在此基础上，建立了高湿度 Q2 黄土的非线性流变本构模型并确定了相应的模型参数 4。毕业论文报告3大量的工程实践表明，无支护黄土硐室一般均不能保持长期稳定。在现有的工程
21、中常用的洞形及高跨比下黄土铜室的塌方首先发生在拱肩或两侧，然后随着洞形及应力条件的恶化向洞顶发展，塌方的主要特征是脆性剪切破坏。一旦作了支护，只要其后工程地质、水文地质条件无异常变化，则通常总能保持稳定。土体变形不是局限于洞周附近的一个小范围内，而是由洞周直至地表的一个很大范围内。在洞周一定范围内没有发现土体变形有突然的、明显的变化，而是由洞周至地表逐渐减少，最大变形发生在拱顶。对于埋深 2050 m，跨度610 m 的洞室，拱顶最大下沉量约 35 cm，地表沉降量很小，土体变形随着掘进和时间的增长而增长，增长速率开始较快，以后逐渐减慢，并趋于稳定，基本稳定时间 3 4 个月。土体变形和时间关
22、系可用双曲线描述。作为工程应用，当应力小于比例极限时，深层黄土可足够近似地被看作是直线变形体，运用直线变形体理论来研究，当应力超过比例极限时，深层黄土可作为弹塑性体，运用相应的弹塑性理论来研究，塑性条件可采用莫尔库仑准则。进入塑性状态后，其应力一应变关系也可用邓肯一张的双曲模型或其他组合曲线模型 1。韩斌、朱庭勇等研究指出，黄土地区修建各种建筑物时，要充分考虑建造区域黄土的湿陷性。研究结论:(1)黄土的湿陷性对地铁框架结构的影响是很明显的，施工过程中，需加强支护，如喷锚支护或超前支护，以有效地控制地面沉降和围岩变形，减少衬砌受拉，并在地铁框架结构受拉区加设承拉钢筋。(2)黄土发生湿陷，水是其中
23、的主要因素，因此在施工过程中要注意地下水和排水管道的渗漏水造成黄土湿陷，做好防排水措施，施工用水和围岩渗水要及时排除。若出现湿陷，则需要采取相应的措施处理湿陷黄土。(3)边墙出现受拉区，在施工过程中，要加强监测 5.凌荣华等研究了大跨度深埋黄土隧道在其它条件不变的前提下，隧道开挖时黄土的变形破坏规律和衬砌中内力的分布规律，指出:黄土大跨度深埋隧道在不同开挖方式下的变形破坏规律是存在本质区别的，导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
24、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，提出的设计方毕业论文报告4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
25、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:1、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；2、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；3、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
26、应采用有效加固措施，严格控制工后沉降；4、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：a.确定合理的隧道结构及断面尺寸解决空气动力学带来的不良现象；b.选取合理的支护参数和施工方法确保大断面黄土隧道的施工安全；c.采用适当的地基加固措施控制地基工后沉降，以达到线路平顺要求；d.制定适当的衬砌参数，保证高速铁路运营期间的安全性和耐久性；e.合理地选择施工中的防排水处理措施以消除黄土湿陷特性影响。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
27、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。1.3 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
28、行了评价。毕业论文报告5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 1-1.NOYES图 1-1 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
