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        北京地區(qū)小凈距隧道下穿高速鐵路路基段的施工影響*

        2022-08-23 12:02:12高利琴易領(lǐng)兵呂兆龍鄭力銘聶善軍劉勝歡
        城市軌道交通研究 2022年8期
        關(guān)鍵詞:有限元結(jié)構(gòu)施工

        高利琴 易領(lǐng)兵 呂兆龍 鄭力銘 權(quán) 威 聶善軍 胡 楠 劉勝歡

        (1.河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院水利工程系, 450008, 鄭州; 2.中國(guó)交通建設(shè)股份有限公司, 100088, 北京;3.鄭州一建集團(tuán)有限公司, 450099, 鄭州;4.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司, 100088, 北京;5.中國(guó)建筑第八工程局有限公司, 200122, 上?!蔚谝蛔髡? 講師)

        目前,小凈距暗挖隧道施工對(duì)鄰近既有盾構(gòu)隧道、房屋、市政管線、普速鐵路等設(shè)施影響的研究較多[1-10]。由于小凈距暗挖區(qū)間隧道下穿高速鐵路的情況較少出現(xiàn),故小凈距暗挖隧道施工對(duì)高速鐵路影響的研究極少。

        本文以某下穿既有高速鐵路路基段的新建小凈距暗挖區(qū)間工程為背景,用Madis/GTS有限元軟件對(duì)施工過程進(jìn)行了模擬分析,研究施工過程中既有高速鐵路的路基位移變化特征,收集相關(guān)的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),用于總結(jié)位移變化規(guī)律,并驗(yàn)證有限元模擬計(jì)算的可行性。

        1 工程概況

        本研究選取北京地鐵昌平線南延伸段(以下稱為“昌南線”)清河站北側(cè)區(qū)間(以下稱為“清河北區(qū)間”)作為研究對(duì)象。清河北區(qū)間長(zhǎng)1 070.2 m,設(shè)計(jì)里程為K31+499.797—K32+569.997。清河北區(qū)間有多種結(jié)構(gòu)形式,從小里程段起依次為:高架段,長(zhǎng)203.4 m;路基段,長(zhǎng)130.3 m;U型槽明挖段,長(zhǎng)211.9 m;地下明挖框架段,長(zhǎng)129.6 m;地下暗挖段,長(zhǎng)250 m;合槽明挖框架段,長(zhǎng)145 m。

        清河北區(qū)間的地下暗挖段下穿京張高鐵(北京—張家口高速鐵路),二者位置關(guān)系圖如圖1所示。清河北區(qū)間采取了初期支護(hù)加強(qiáng)措施,且左右線初期支護(hù)凈距為903~1 145 mm。下穿處的京張高鐵里程為K24+120附近。

        清河北區(qū)間穿越段為平直段,總長(zhǎng)72 m,對(duì)應(yīng)里程為 K32+303.000—K32+375.000。下穿范圍的場(chǎng)地地下水位埋深為27.0 m。暗挖二次襯砌結(jié)構(gòu)底板埋深約為17.0 m,未進(jìn)入地下水范圍。

        北京地鐵19號(hào)線支線清河站兩側(cè)區(qū)間為預(yù)留,與昌南線工程同期實(shí)施,建成后可與昌南線及北京既有地鐵M13號(hào)線在清河站換乘。工程位置關(guān)系如圖1所示。

        a) 平面圖

        b) 剖面圖圖1 下穿高鐵路基工程位置關(guān)系圖

        清河北區(qū)間下穿處的京張高鐵為路基段。路基基床厚度為1.2 m。其中,基床表層為厚0.6 m的級(jí)配碎石,中粗砂層厚0.1 m,基床底層厚0.5 m。京張高鐵地處嚴(yán)寒地區(qū),凍結(jié)影響范圍填料應(yīng)符合防凍脹要求?;蔡盍霞皦簩?shí)的標(biāo)準(zhǔn)要求見表1。

        路基基床以下部位填料最大粒徑不宜大于300 mm或攤鋪厚度的2/3。填料及壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

        2 有限元計(jì)算模型的模擬計(jì)算

        2.1 有限元計(jì)算模型的建立

        根據(jù)相關(guān)資料,采用Midas/GTS有限元分析軟件建立三維空間施工模型,并對(duì)不同施工工況進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算初始條件為新建工程尚未施工,且既有高鐵路基處于變形穩(wěn)定狀態(tài)。

        表1 路基基床厚度、填料及壓實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)要求

        表2 路基基床以下部位填料及壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)表

        基于施工過程中的空間效應(yīng),對(duì)新建清河北區(qū)間地下暗挖段地層和既有的京張高鐵路基結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體建模,如圖2所示。

        圖2 清河北區(qū)間下穿京張高鐵的三維地層-結(jié)構(gòu)模型圖

        為確保三維模型有足夠的計(jì)算精度并盡量減少收斂時(shí)間,本次計(jì)算對(duì)模型范圍作如下限定:沿長(zhǎng)度方向取700 m,寬度方向取150 m,垂直方向上從地表以下取80 m。模型中:地面超載取20 kPa,高鐵列車荷載取50 kN/m;板、墻結(jié)構(gòu)采用二維板單元模擬,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用板單元模擬,本構(gòu)關(guān)系為彈性;路基段、土層采用實(shí)體單元,本構(gòu)關(guān)系為摩爾庫(kù)倫(M-C);采用固定位移邊界,上邊界取至地面,為自由面;4個(gè)側(cè)面地層邊界限制水平位移;下部邊界限制豎向位移。昌南線的結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

        圖3 昌南線清河北區(qū)間的結(jié)構(gòu)模型圖

        由于本工程下穿段施工步序較復(fù)雜,故本文簡(jiǎn)化為6個(gè)主要施工步序:步序1,初始地應(yīng)力平衡;步序2,昌南線暗挖段全斷面注漿;步序3,昌南暗挖段開挖;步序4,昌南線暗挖段支護(hù);步序5,施加列車荷載;步序6,昌南線暗挖段的二次襯砌施工。為節(jié)約篇幅,僅選取有代表性的工況進(jìn)行研究。工況一為昌南線暗挖區(qū)間施作完初期支護(hù)后,工況二為昌南線暗挖區(qū)間施作二次襯砌后。

        土體及車站的材料參數(shù)見表3。

        表3 材料參數(shù)表

        2.2 計(jì)算結(jié)果分析

        在工況一和工況二下,京張高鐵路基結(jié)構(gòu)的水平位移和沉降計(jì)算結(jié)果如圖4—7所示。

        圖4 工況一水平位移云圖

        圖5 工況二水平位移云圖Fig.5 Nephogram of horizontal displacement undercondition II

        圖6 工況一沉降云圖Fig.6 Nephogram of vertical settlement under workingcondition I

        圖7 工況二沉降云圖Fig.7 Nephogram of vertical settlement under workingcondition II

        由圖4—7可知:

        1) 工況一下,高鐵路基結(jié)構(gòu)水平位移最大值為0.01 mm,沉降最大值為0.28 mm;

        2) 工況二下,高鐵路基結(jié)構(gòu)水平位移最大值為0.01 mm,沉降最大值為1.15 mm。

        3 實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

        現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)可及時(shí)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),以便現(xiàn)場(chǎng)施工及時(shí)調(diào)整參數(shù),保證京張高鐵線的運(yùn)行安全。本文選取主測(cè)斷面位置進(jìn)行分析。主測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖如圖8所示。

        圖8 主測(cè)斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.8 Layout of monitoring points of main survey section

        工況二下的主測(cè)斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)見圖9。

        圖9 主測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)Fig.9 Monitoring point data of main survey section

        由圖9可知,主測(cè)斷面的最大沉降監(jiān)測(cè)值為1.05 mm。而有限元模型模擬計(jì)算結(jié)果中的最大沉降值為1.15 mm。二者基本一致,說明模型準(zhǔn)確性較好。

        4 變形控制

        4.1 其他類似項(xiàng)目

        為更加全面地反映北京地區(qū)新建小凈距暗挖隧道對(duì)既有結(jié)構(gòu)沉降的影響程度,現(xiàn)整理5個(gè)已完工類似項(xiàng)目的既有結(jié)構(gòu)沉降如表4。由表4可知:當(dāng)采取合理的施工方法和防護(hù)措施時(shí),可將新施工暗挖隧道對(duì)既有結(jié)構(gòu)的沉降控制在合理范圍;其他類似項(xiàng)目的既有結(jié)構(gòu)沉降最大值為4.83 mm,最小值為2.35 mm。

        對(duì)比類似項(xiàng)目數(shù)據(jù)可知,清河北區(qū)間隧道下穿對(duì)京張高鐵路基的沉降影響是可控的。

        表4 北京地區(qū)新建小凈距暗挖隧道下穿時(shí)既有結(jié)構(gòu)的沉降

        4.2 控制指標(biāo)

        根據(jù)TB 10182—2017《公路與市政管線下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》,對(duì)于列車設(shè)計(jì)運(yùn)行速度為200~250 km/h的線路,軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值如表5所示。

        表5 200~250 km/h線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值表

        從有限元模型計(jì)算結(jié)果及實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來看,新建小凈距暗挖隧道施工引起的高鐵路基結(jié)構(gòu)的沉降及水平位移均較小。

        基于工程實(shí)際特點(diǎn)、現(xiàn)有常規(guī)測(cè)量?jī)x器的監(jiān)測(cè)精度、運(yùn)營(yíng)安全要求及變形預(yù)測(cè)結(jié)果,在京張高鐵的路基及軌道預(yù)測(cè)變形值、結(jié)構(gòu)驗(yàn)算應(yīng)力的基礎(chǔ)上,考慮一定的安全裕度,可確定京張高鐵的路基結(jié)構(gòu)及軌道變形控制指標(biāo)。為能及時(shí)采取措施控制京張高鐵的變形,本文提出將控制值的70%作為預(yù)警值,將控制值的80%作為報(bào)警值。變形控制值如表6及表7所示。

        表7 結(jié)構(gòu)變形速率控制值表

        5 結(jié)論

        1) 既有高鐵的路基水平位移及沉降均滿足控制標(biāo)準(zhǔn)。

        2) 監(jiān)測(cè)數(shù)值與模擬數(shù)值結(jié)果基本一致,驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性。

        3) 數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示:清河北區(qū)間施作完初期支護(hù)后,京張高鐵路基結(jié)構(gòu)水平位移最大值為0.01 mm,豎向位移最大值為0.28 mm;清河北區(qū)間施作二次襯砌后,高鐵路基結(jié)構(gòu)水平位移最大值為0.01 mm,沉降最大值為1.15 mm。

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