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        淺埋黃土隧道開挖變形分析及預測

        2021-09-22 18:17:40楊衛(wèi)蔣開玥
        甘肅科技縱橫 2021年8期
        關鍵詞:有限元

        楊衛(wèi) 蔣開玥

        前言:由于中國地鐵的高速發(fā)展,很多城市開始修建地鐵,地鐵的修建為人類拓展了地下空間,帶來了交通的便利。黃土隧道暗挖需要考慮的是地層產(chǎn)生的沉降,如何在開挖過程中控制好沉降是需要我們解決的主要問題。以蘭州軌道交通為工程背景,借助Midas-GTS-NX有限元軟件進行建模計算,分析在黃土中使用暗挖法進行開挖,模擬計算開挖過程最大沉降區(qū)域以及最大沉降量;運用PECK公式,利用工程實測數(shù)據(jù)繪制地表沉降槽橫向沉降過程圖,掌握對隧道開挖產(chǎn)生的沉降量的預測,通過PECK公式算出了蘭州黃土地層淺埋暗挖法施工時,地層損失率數(shù)值約為2.55%。

        關鍵詞:黃土隧道;有限元;暗挖法;沉降預測

        中圖分類號:U459.1

        0? 引? 言

        根據(jù)以前的施工來看,目前黃土隧道暗挖需要考慮的就是地層產(chǎn)生的沉降,沉降是不可避免的,在城市中這種現(xiàn)象特別嚴重,如何在開挖過程中控制好沉降是需要我們解決的。馬禧祥等人[1]為了提高在黃土土質條件下隧道施工的穩(wěn)定性,進一步改良施工措施,對黃土地鐵隧道施工的變形規(guī)律進行分析,并根據(jù)分析結果對隧道施工過程中如何控制地表沉降進行了探討。陳朝陽等人[2]運用FLAC3D的interface單元,通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗研究隧道洞身穿越巖土分界的變形和受力規(guī)律,確定施工變形控制措施。劉旭全[3]等人以西安地鐵5號線為依托通過現(xiàn)場施工試驗及現(xiàn)場監(jiān)測,研究分析既有隧道變形規(guī)律,得出地鐵盾構掘進施工參數(shù)動態(tài)取值范圍并提出隧道變形控制措施?;魸櫩芠4]等人對富水黃土隧道地表沉降、洞周土體變形及力學效應進行了研究,得出地表沉降以及洞周土體變形的變化規(guī)律。李龍福[5]等人通過Madis GTS/NX軟件探討了淺埋沖溝段黃土暗挖隧道地層變形破壞模式。于介[6]以黃土塬區(qū)淺埋大斷面隧道工程為實例,基于三維地質仿真模型方法通過分析支護受力和變形,來改良黃土的結構性能,降低隧道掘進過程中的地表沉降量。楊波[7]等人以敖包溝隧道工程為例,采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測的方法對黃土隧道的變形規(guī)律及隧道出口段預留變形量合理取值范圍進行了分析研究,從而指導隧道施工降低地表沉降。

        由于黃土的性質,給在黃土區(qū)修建鐵路帶來了很多麻煩,施工中需要解決很多由黃土產(chǎn)生的問題。因此,針對淺埋黃土隧道開挖變形數(shù)值模擬及預測技術展開研究,掌握黃土沉降變化規(guī)律,為淺埋黃土隧道的施工提供指導。

        1? 三維數(shù)值計算參數(shù)及模型建立

        1.1 計算參數(shù)

        通過室內試驗,隧道圍巖參數(shù)如表1所示。

        隧道支護結構參數(shù)如表2所示。

        1.2 模型建立

        隧道開挖以二臺階法為例。將10米長的隧道平均分成了5份,設定先開挖上臺階然后及時支護,接著開挖下臺階并及時支護,以此往后。詳細步驟是:

        第一步為開挖上臺階至2米處,接著噴射混凝土進行支護。

        第二步為開挖下臺階至2米處,接著噴射混凝土進行支護。

        第三步為開挖上臺階至4米處,接著噴射混凝土進行支護。

        第四步為開挖上臺階至6米處,接著噴射混凝土進行支護。

        第五步為開挖下臺階至6米處,接著噴射混凝土進行支護。

        第六步為開挖上臺階至8米處,接著噴射混凝土進行支護。

        第七步為開挖下臺階至8米處,接著噴射混凝土進行支護。

        第九步為開挖下臺階至10米處,接著噴射混凝土進行支護。

        第十步為開挖下臺階至10米處,接著噴射混凝土進行支護。施工模擬圖見圖1所示。

        2? 結算結果與分析

        2.1 二臺階1米開挖

        在1米開挖的情況下,分析其沉降量隨著施工步驟的變化。通過表3和圖7可以看出,沉降量較大的是拱頂節(jié)點和上土層節(jié)點,拱頂節(jié)點,上土層節(jié)點和拱身位置的節(jié)點都隨著施工的過程,沉降量在不斷的增加,但是增加量在減小。其中,拱頂?shù)某两盗孔罱K達到了27毫米,上土層節(jié)點沉降量最終達到了18毫米,隧道底部的節(jié)點沉降量無明顯的變化。

        2.2 二臺階2米開挖

        在2米開挖的情況下,現(xiàn)在單獨取出與1米開挖時相同的節(jié)點,分析其沉降量隨著施工步驟的變化。通過表4圖12可以看出,沉降量較大的是拱頂節(jié)點和上土層節(jié)點,拱頂節(jié)點,上土層節(jié)點和拱身位置的節(jié)點都隨著施工的過程,沉降量在不斷的增加,但是增加量在減小。其中,拱頂處的沉降量最終達到了26毫米,上土層節(jié)點的沉降量最終達到了17毫米,隧道底部的節(jié)點沉降量無明顯的變化。

        2.3 二臺階5米開挖

        在5米開挖的情況下,現(xiàn)在單獨取出與之前相同節(jié)點,分析其沉降量隨著施工步驟的變化。通過表5圖16可以看出,沉降量較大的是拱頂節(jié)點和上土層節(jié)點,拱頂節(jié)點,上土層節(jié)點和拱身位置的節(jié)點都隨著施工的過程,沉降量在不斷的增加,但是增加量在減小。其中,拱頂處的沉降量最終達到了26毫米,上土層節(jié)點沉降量最終達到了17毫米,隧道底部的節(jié)點沉降量無明顯的變化。

        3? 地表沉降預測

        3.1 地表沉降槽分析

        地鐵區(qū)間隧道一般為并行雙線隧道,而在實際施工過程中為了消除左右隧道的相互影響,通常采用分段施工,即左線超前于右線一段距離進行施工,或是右線超前于左線一段距離。由于隧道的開挖而引起的地表沉降,無論是沉降的深度、寬度又或是地表沉降相對于隧道軸線的位置,其地表沉降都是一個緩慢發(fā)展的過程。

        第一階段,假設左線超前于右線一段距離進行施工,剛開始右線隧道離觀測斷面道距離較遠,左線隧道的開挖對觀測斷面逐漸產(chǎn)生影響。如圖17(a)圖所示。

        第二階段,隧道左線開挖至觀測斷面,隧道右線開挖也逐漸對沉降觀測斷面產(chǎn)生影響。這個階段,地表沉降作用進一步加劇,沉降觀測點在左、右隧道開挖作用的共同影響下,沉降槽逐漸變寬、變深。如圖17(b)圖所示。

        第三階段,經(jīng)過一段時間的施工,左線隧道開挖已經(jīng)過觀測斷面-D,右線隧道則開挖至距離觀測斷面3.5D處。這個階段,右線隧道的開挖是對觀測斷面產(chǎn)生影響的主要因素,從而導致在這一過程中沉降槽中心開始出現(xiàn)了明顯的橫向變形,如圖18(a)圖所示。

        第四階段,隨著施工的進行,左線隧道掌子面距離觀測斷面較遠,右線隧道正好開挖至觀測斷面。這個階段,右線隧道的開挖仍是對觀測斷面產(chǎn)生影響的主要因素而左線隧道的開挖影響基本可以忽略。整個過程中,沉降槽中心的橫線位移更為劇烈,位置由左側距離兩條隧道中線4m左右位置逐漸靠近雙線的中心線,其后,從兩條隧道中線位置橫線移動至右側距離兩條隧道中線4m左右位置。并且地表沉降的寬度、深度也進一步加大。如圖18(b)圖所示。

        第五階段,當右線隧道開挖經(jīng)過觀測斷面-D,此時左線隧道的掌子面距離觀測斷面較遠。這個階段,右線隧道開挖對觀測斷面影響逐漸減小。觀測斷面逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。最終,地表沉降槽穩(wěn)定在了右側距離兩條隧道中線4m位置。如圖19所示。

        通過以上分析,將具體監(jiān)測斷面各點的最終沉降量進行分析,得到基于PECK公式的方程為:

        S=-24.017-36.219e^(-0.5×((X-4.8952)/9.8204)^2 )? ? ? ? ? ? ? ? ? (1)

        上面式子中:S為位移變形值(mm);X為距離雙隧道中心線的間距。根據(jù)以上公式,當間距X取4.8952時,此時位移變形值有極小值,也就是在此間距時,地表最大沉降值S_max在此處取得最大值,為60.236mm。蘭州地區(qū)黃土狀土,按照粘性土對待,沉降槽寬度參數(shù)K取為0.7,地表位移觀測段隧道埋深為9米,所以由公式i=Kz_0可計算出此處的沉降槽寬度為:

        i=Kz_0=0.7*9=6.3m? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (2)

        再根據(jù)隧道直徑為6.9米,由公式S_max=(0.313V_L D^2)/i進行變化可得到地層損失率表達式為:

        V_L=(s_max.i)/(0.313D^2 )? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(3)

        將隧道直徑、沉降槽寬度、地表最大沉降值S_max 的數(shù)值均帶入上式,可得到蘭州黃土地層淺埋暗挖法施工時,DK32+317斷面地層損失率數(shù)值為2.55%。

        3.2 沉降量預測

        以蘭州地區(qū)為例,蘭州地區(qū)為黃土狀土,按照粘性土對待,沉降槽寬度參數(shù)K取為0.7,地表位移觀測段隧道埋深按10米計算,得到i=7。由上文中計算得到的地層損失率數(shù)值為VL=2.55%,隧道直徑D按7米計算。利用式(3)可計算出最大沉降量S_max=54.67mm。

        4? 結論

        通過利用Midas-GTS-NX軟件的建模模擬計算,可以得出以下結論:

        (1)在三種開挖情況下最大沉降量的位置和數(shù)值基本無差別,最大沉降量的位置主要集中在拱頂部分和拱頂上的土體表面處,沉降量在27mm左右。對比三種不同米數(shù)開挖方法,可以分析出,開挖米數(shù)越小,沉降的控制就更加的精確。但是實際工程中,開挖的米數(shù)越多,工程任務就會越繁雜。

        (2)在沉降預測方面,針對蘭州地區(qū)黃土狀土通過PECK公式,按照粘性土對待,則地表沉降槽寬度參數(shù)K取為0.7,沉降觀測段的隧道埋深為9米,可預測出此處的沉降槽寬度為6.3米;已知隧道直徑為6.9米,可得到蘭州黃土地層淺埋暗挖法施工時,某斷面地層損失率數(shù)值為2.55%。通過PECK公式以及地層損失率就可以計算在相同土質地區(qū)的最大沉降量為54.67mm。

        參考文獻

        [1]馬禧祥,陳彥.高速鐵路黃土隧道施工變形規(guī)律及預留變形量研究[J].科技創(chuàng)新與應用,2019,(06):79-81.

        [2]陳朝陽,高新強,熊華濤.淺埋黃土隧道洞身穿越巖土分界受力變形特征[J].地下空間與工程學報,2020,16(S1):270-277.

        [3]劉旭全,劉驚東,宋領弟.黃土地層盾構下穿既有地鐵隧道施工參數(shù)及變形控制試驗研究[J].現(xiàn)代城市軌道交通,2020,(07):56-61.

        [4]霍潤科,秋添,李曙光,曹新祥,錢美婷.不同加固方案下富水黃土隧道地層變形規(guī)律分析[J].長江科學院院報,2020,37(07):96-104.

        [5] 李龍福,潘祖瑛,江東平. 淺埋黃土隧道施工沖溝段地層變形研究[J]. 地下空間與工程學報,2018,14(S2):774-780+802.

        [6]于介.黃土塬區(qū)淺埋大斷面隧道施工變形分析與控制技術[J/OL].隧道建設(中英文):1-8[2020-01-05 17:19].

        [7]楊波,肖凱成,楊新安.臺階法開挖黃土隧道圍巖變形規(guī)律[J].南昌大學學報(理科版),2015,39(06):559-562.

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