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        城市地鐵施工誘發(fā)地表沉降及影響因素?cái)?shù)值分析

        2020-06-19 08:52:47廖忠波
        西部交通科技 2020年3期
        關(guān)鍵詞:錨桿

        摘要:文章以西南某地區(qū)地鐵工程為例,采用有限元軟件MIDAS/GTS建立數(shù)值分析模型,將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,并分別探討了不同錨桿長度和錨桿間距、不同開挖方法條件下以及采用小導(dǎo)管注漿前后的地表沉降變化規(guī)律。結(jié)果表明:地表沉降數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)基本吻合,隧道拱頂、拱腰和拱頂正上方地表處的實(shí)測最大值與數(shù)值模擬值誤差均在10%以內(nèi),證明了模型的準(zhǔn)確性;減小錨桿間距和增大錨桿長度可以有效地減小地表和拱頂沉降,且增大錨桿長度在減小地表沉降方面表現(xiàn)更為優(yōu)越;采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和保留核心土臺階法能有效控制地表沉降,且采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法時(shí)效果最優(yōu);采用小導(dǎo)管注漿之后能使地表沉降減小34.6%,具有較好的實(shí)際效果。

        關(guān)鍵詞:隧道工程;數(shù)值模擬;錨桿;開挖方法;小導(dǎo)管注漿

        0 引言

        近年來,隨著城市化進(jìn)程的加速,越來越多的城市開始規(guī)劃和建設(shè)地鐵。在地鐵的建設(shè)過程中,也遇到了一些問題,諸如隧道開挖誘發(fā)上覆地表過大沉降、鄰近建筑物被破壞以及鄰近地下管線被破壞等,嚴(yán)重威脅城市道路的安全及影響相關(guān)設(shè)施的運(yùn)營,尤其是引起的地表沉降,當(dāng)沉降值過大時(shí)不僅會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,還可能會導(dǎo)致工程事故,威脅人們的生命安全。近年來,一些學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究,主要有:吳賢國、陳華等人[1-2]主要研究土體的內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力等多個指標(biāo)對地表沉降的影響,并分析了地鐵盾構(gòu)施工引起地表沉降的原因及控制方法;王璐、廖利釗等人[3-4]結(jié)合西安地鐵進(jìn)行了探討,采用FLAC3D對盾構(gòu)推進(jìn)過程進(jìn)行了模擬,分析了隧道縱向沉降分布規(guī)律、黃土特性對盾構(gòu)法施工中地表沉降的影響,得出了黃土地區(qū)地表沉降的一般規(guī)律;洪源等人[5]采用FLAC3D對深圳某地鐵線隧道盾構(gòu)施工進(jìn)行數(shù)值模擬,分析了不同施工階段的地表變形及其影響因素,分析結(jié)果表明隨著盾構(gòu)掘進(jìn)的推進(jìn),地表沉降范圍不斷擴(kuò)大,最大沉降值也不斷提高;周憲偉等人[6]采用ANSYS有限元軟件對盾構(gòu)隧道動態(tài)開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬,并考慮了土體的分層特性、土體材料的本構(gòu)非線性以及注漿施工對土體變形的影響,提出了考慮襯砌與土體共同作用的硐周結(jié)點(diǎn)荷載釋放系數(shù)法。

        本文主要以西南某地區(qū)地鐵工程為例,采用有限元軟件MIDAS/GTS建立數(shù)值分析模型,并將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,之后分別探討不同錨桿長度和錨桿間距、不同開挖方法條件下以及采用小導(dǎo)管注漿前后的地表沉降變化規(guī)律,研究結(jié)果和相關(guān)結(jié)論可為工程設(shè)計(jì)和施工提供參考和借鑒。

        1 工程概況

        西南地某地鐵工程YK12+624~YK14+328區(qū)間采用暗挖法施工,全長1 704 m,下穿主城區(qū)繁華的步行街道,地表交通四通八達(dá),地下管線、污水管道錯綜復(fù)雜。該區(qū)間內(nèi)隧道設(shè)計(jì)埋深12~17 m,整體呈現(xiàn)出南高北低的地勢。在該區(qū)段內(nèi),主要以雜填土、黃土、黏土以及粉質(zhì)黏土為主,其中隧道下穿區(qū)域以黃土和黏土為主。工程區(qū)內(nèi)無地表水存在,地下水埋深在16.5~21.5 m范圍內(nèi)。隧道按照雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。圖1為隧道斷面示意圖,隧道最大內(nèi)徑為5.8 m,襯砌厚度為60 cm。

        2 數(shù)值建模

        如圖2(a)所示,為采用有限元軟件MIDAS/GTS建立的數(shù)值分析模型。由于隧道埋深較淺,建模時(shí)模型上表面即為地表,模型左右、前后邊界以及底部均可進(jìn)行位移和邊界約束。土體本構(gòu)模型采用摩爾庫倫本構(gòu)模型。隧道斷面尺寸按照原始尺寸取值,模型長、寬、高分別為100 m、10 m和60 m,網(wǎng)格共計(jì)16 786個,其中土體采用實(shí)體單元。[JP]隧道支護(hù)包括兩部分:即初期支護(hù)和二次支護(hù)。其中初期支護(hù)為“噴漿+錨桿支護(hù)”,噴漿厚度為25 cm;二次支護(hù)為修筑襯砌,厚度為35 cm。初期支護(hù)噴射混凝土和二次支護(hù)分別采用C25和C30混凝土,采用實(shí)體單元建模。如圖2(b)所示,為隧道模型和錨桿布置,錨桿長度為3.0 m,直徑為25 mm,間距為2 m,橫斷面上共計(jì)32根。表1給出了模型從上至下的土體物理力學(xué)參數(shù)。

        3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

        3.1 數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果對比分析

        如下頁圖3所示,為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的正確性,將有限元模型地表沉降數(shù)據(jù)提取出來并與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。由圖3可知,數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)基本吻合,隧道正上方地表處實(shí)測沉降最大值為17.8 mm,數(shù)值模擬結(jié)果最大值為19.2 mm,二者曲線均呈現(xiàn)出高斯分布形式。

        如圖4所示,為實(shí)測隧道拱頂、拱腰和拱頂正上方地表處A點(diǎn)隨時(shí)間的沉降曲線,在初期,三者沉降速率均較快,20 d之后沉降速率逐漸放緩,最終在80 d左右逐漸趨于穩(wěn)定。對比三者可知,地表最大沉降大于隧道內(nèi)壁拱頂沉降,拱腰水平收斂值最小。表2給出了隧道拱頂、拱腰和拱頂正上方地表處A點(diǎn)的實(shí)測最大值與數(shù)值模擬值,三者誤差均在10%以內(nèi),也證明了模型的準(zhǔn)確性。

        3.2 不同錨桿長度和間距條件下的支護(hù)效果分析

        為了探究不同錨桿長度和間距條件下的支護(hù)效果,本文擬定三種工況:(1)工況一:錨桿間距為1.5 m,長度取3.0 m;(2)工況二:錨桿間距為2.0 m,長度取3.0 m,該工況即為實(shí)際施工采用的錨桿尺寸和間距;(3)工況三:錨桿間距為1.5 m,長度取2.5 m。模型其他取值不變。通過監(jiān)測拱頂和地表沉降值來顯示每種工況的支護(hù)效果,如圖5所示(圖中地表沉降即指隧道正上方地表A點(diǎn)沉降,下同)。圖中箭頭表示隧道的開挖方向,可以看到在掌子面處,已經(jīng)有些許沉降,這與掌子面處的土體已經(jīng)受擾動有關(guān)。隨著隧道不斷往前推進(jìn),拱頂和地表沉降緩慢趨于穩(wěn)定。對于工況一,拱頂和地表穩(wěn)定后沉降分別為13.5 mm和17.4 mm;對于工況二,拱頂和地表穩(wěn)定后沉降分別為17.1 mm和19.2 mm;對于工況三,拱頂和地表穩(wěn)定后沉降分別為16.7 mm和21.0 mm。對比工況一和工況二,相同錨桿長度時(shí),當(dāng)錨桿間距減小0.5 m時(shí),拱頂和地表沉降分別減小了21.1%和9.4%;對比工況一和工況三,相同錨桿間距時(shí),當(dāng)錨桿長度增大0.5 m時(shí),拱頂和地表沉降分別減小了19.2%和17.1%。由此可知,減小錨桿間距和增大錨桿長度都可以有效地減小地表和拱頂沉降,且增大錨桿長度在減小地表沉降方面表現(xiàn)更為優(yōu)越。

        3.3 不同開挖方法時(shí)地表沉降對比分析

        為了探究不同開挖方法的優(yōu)越性,本節(jié)將雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、保留核心土臺階法以及全斷面法進(jìn)行對比分析,模型其他取值不變,開挖步及距離參考文獻(xiàn)[7]。如圖6所示,對比三者可知,采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法時(shí)地表沉降最小,其次是保留核心土臺階法,最大的是全斷面法,三者最大沉降值分別為17.8 mm、21.4 mm和71.8 mm。相對于全斷面法,采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和保留核心土臺階法時(shí)沉降分別減小了75.2%和70.2%,說明采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和保留核心土臺階法能有效控制地表等沉降,且采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法時(shí)效果最優(yōu)。

        3.4 采用小導(dǎo)管注漿前后地表沉降對比分析

        在隧道工程中,采用小導(dǎo)管注漿加固地層是非常重要的方法,本工程采用小導(dǎo)管注漿,注漿范圍如圖7所示,加固厚度為1.0 m,加固寬度為5 m。圖8展示了注漿前后的地表沉降值。由圖8可知,采用小導(dǎo)管注漿能顯著減小地表沉降,未采用小導(dǎo)管注漿時(shí)最大沉降為18.5 mm,而采用小導(dǎo)管注漿之后沉降變?yōu)?2.1 mm,采用之后能使沉降減小34.6%,說明采用小導(dǎo)管注漿加固地層具有較好的實(shí)際效果。

        4 結(jié)語

        本文以西南某地區(qū)地鐵工程為例,采用有限元軟件MIDAS/GTS建立了數(shù)值分析模型,并將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比,探討了不同錨桿長度和錨桿間距、不同開挖方法條件下以及采用小導(dǎo)管注漿前后的地表沉降變化規(guī)律,具體結(jié)論如下:

        (1)地表沉降數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)基本吻合,隧道正上方地表處實(shí)測沉降值為17.8 mm,數(shù)值模擬結(jié)果最大值為19.2 mm。隧道拱頂、拱腰和拱頂正上方地表處的實(shí)測最大值與數(shù)值模擬值誤差均在10%以內(nèi),證明了模型的準(zhǔn)確性。

        (2)相同錨桿長度條件下,當(dāng)錨桿間距減小0.5 m時(shí),拱頂和地表沉降分別減小了21.1%和9.4%;相同錨桿間距條件下,當(dāng)錨桿長度增大0.5 m時(shí),拱頂和地表沉降分別減小了19.2%和17.1%。減小錨桿間距和增大錨桿長度均可以有效地減小地表和拱頂沉降,且增大錨桿長度在減小地表沉降方面表現(xiàn)更為優(yōu)越。

        (3)相對于全斷面法,采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和保留核心土臺階法時(shí)沉降分別減小了75.2%和70.2%,說明采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和保留核心土臺階法均能有效控制地表等沉降,且采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法時(shí)效果最優(yōu)。

        (4)采用小導(dǎo)管注漿后能使地表沉降減小34.6%,即小導(dǎo)管注漿加固地層具有較好的實(shí)際效果。

        [1]吳賢國,王彥紅,繆 翔,等.地鐵盾構(gòu)施工誘發(fā)地表沉降關(guān)鍵影響因素分析[J].土木建筑與環(huán)境工程,2015,37(2):8-15.

        [2]陳 華.對地鐵盾構(gòu)施工引起的地表沉降研究分析[J].四川水泥,2018,267(11):263.

        [3]王 璐,劉曉文.西安地鐵盾構(gòu)施工引起地表沉降規(guī)律分析[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2010,22(3):149-152.

        [4]廖利釗,郭 譜,楊 俊.地鐵隧道盾構(gòu)施工地表變形影響因素分析[J].土木建筑工程信息技術(shù),2016(2):84-89.

        [5]洪 源.盾構(gòu)法隧道施工地表沉降變形模擬分析[J].鐵道建筑,2012(4):65-67.

        [6]周憲偉,王幼青,李德海.盾構(gòu)法隧道施工引起地表變形分析[J].低溫建筑技術(shù),2009(2):96-98.

        [7]李茂良,龍欽初.不同開挖方式下淺埋隧道施工數(shù)值模擬分析[J].湖南交通科技,2016(2):221-223.

        作者簡介:廖忠波(1976—),工程師、經(jīng)濟(jì)師,主要從事鐵路、市政、公路等基礎(chǔ)設(shè)施工程的管理工作。

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