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        淺埋偏壓連拱隧道開(kāi)挖工序的數(shù)值模擬

        2022-11-24 03:59:00劉俊佳
        城市道橋與防洪 2022年10期

        劉俊佳

        [同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司,上海市 200092]

        0 引 言

        隨著城市建設(shè)的發(fā)展,城市道路功能需求的逐漸增加,對(duì)隧道斷面的要求也越大[1],建設(shè)中出現(xiàn)了許多大斷面以及超大斷面隧道,目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)建成或在建的雙向八車道隧道有:福州金雞山隧道、大連韓家?guī)X隧道、深圳雅寶隧道,這些隧道均為雙向8 車道,隧道內(nèi)輪廓超過(guò)18 m 的大跨度雙連拱隧道。連拱隧道圍巖荷載分布和支護(hù)力學(xué)特性較為復(fù)雜,施工工序多,巖體和支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差。在二次襯砌施加前,設(shè)計(jì)時(shí)有必要對(duì)開(kāi)挖工序中的初支結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與穩(wěn)定性進(jìn)行分析與驗(yàn)算。

        1 工程概況

        湖南某市政道路需下穿一山體,道路設(shè)計(jì)時(shí)速50 km/h,為雙向8 車道,左右兩側(cè)設(shè)置人非車道。由于城市總體規(guī)劃對(duì)山體保護(hù)的政策,設(shè)計(jì)采用了暗挖法施工。隧道全長(zhǎng)約320 m,隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雙連拱隧道,外加兩側(cè)人非洞室,主洞開(kāi)挖寬度18.3 m,人非洞室開(kāi)挖寬度8.5 m,距離主洞水平距離6 m。隧道圍巖主要為泥質(zhì)板巖及砂質(zhì)板巖,為Ⅳ-Ⅴ級(jí)圍巖。

        根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTG 3660—2020)[2],該隧道主洞屬于大跨度隧道(B≥18 m),人非隧洞屬于小跨度隧道(B<9 m),隧道屬于短隧道(≤500 m)。

        隧道下穿山體平均高度僅有45~60 m,隧道平均埋深僅有20~0 m,按照隧道深淺埋法[3],臨界埋深為48 m,該隧道埋深遠(yuǎn)小于臨界深度,屬于超淺埋。而且隧道所處山體起伏較大,整個(gè)隧道均處于偏壓的受力狀態(tài)。

        隧道采用復(fù)合式襯砌,初支為φ22 系統(tǒng)錨桿+250 mm 厚C25 混凝土+ 鋼筋網(wǎng)片+ 工字鋼,二襯為700 mm 厚C30 鋼筋混凝土。超前支護(hù)形式為φ42的鋼管。采用護(hù)拱+φ108 大管棚輔助進(jìn)洞。洞口山腳處設(shè)置偏壓重力擋墻,與隧道護(hù)拱及二襯結(jié)構(gòu)相連。

        隧道進(jìn)洞口處先行施工護(hù)拱及偏壓擋墻。進(jìn)洞后隧道開(kāi)挖工法采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法,如圖1 所示序號(hào):中導(dǎo)洞先行貫通—開(kāi)挖左右主洞上臺(tái)階外側(cè)—開(kāi)挖左右主洞下臺(tái)階外側(cè)—開(kāi)挖左右主洞上臺(tái)階內(nèi)側(cè)—開(kāi)挖左右主洞下臺(tái)階內(nèi)側(cè)—開(kāi)挖左右主洞中臺(tái)階上、中、下部—開(kāi)挖人非隧洞—隧道頂部淺埋處回填。

        圖1 隧道橫斷面圖(單位:mm)

        由于隧道開(kāi)挖跨度大、開(kāi)挖工序繁多、結(jié)構(gòu)及山體受力復(fù)雜,按《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 土建工程》(JTG 3370.1—2018)應(yīng)進(jìn)行地層荷載法模擬隧道開(kāi)挖過(guò)程中襯砌內(nèi)力及位移,同時(shí)應(yīng)采用強(qiáng)度折減法計(jì)算開(kāi)挖過(guò)程中山體邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算。

        2 反演預(yù)測(cè)方法及模型建立

        2.1 模型簡(jiǎn)介

        選取隧道主洞進(jìn)洞口處偏壓最不利的斷面計(jì)算,該處山體高度45 m,山體自然坡率約1∶1.7,主要地層為強(qiáng)風(fēng)化- 中風(fēng)化板巖,局部含全風(fēng)化泥化夾層。主洞的覆土高度分別為7 m,1 m,內(nèi)側(cè)主洞及人非隧洞處存在斷層碎裂巖。

        采用plaxis 2d 有限元軟件進(jìn)行連拱隧道開(kāi)挖工序的模擬。如圖2 所示,模型長(zhǎng)280 m,高120 m,隧道圍巖類型碎裂巖、強(qiáng)風(fēng)化板巖、中風(fēng)化板巖,采用平面單元模擬。系統(tǒng)錨桿采用植入式桁架單元、隧道襯砌及偏壓擋墻采用板單元模擬。隧道周邊網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化加密。

        圖2 數(shù)值計(jì)算模型

        2.2 計(jì)算參數(shù)及計(jì)算工況

        計(jì)算模型中,巖土體為摩爾庫(kù)倫本構(gòu)、支護(hù)結(jié)構(gòu)為線彈性本構(gòu)。材料參數(shù)如表1 所示。

        表1 主要數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)

        計(jì)算工況應(yīng)盡可能模擬雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程,同時(shí)考慮巖土的時(shí)空效應(yīng),Ⅴ級(jí)圍巖開(kāi)挖的瞬間釋放30%左右的應(yīng)力,剩下的應(yīng)力由初支和二襯來(lái)承擔(dān)。本計(jì)算為提高襯砌結(jié)構(gòu)的安全富裕度,適當(dāng)提高支護(hù)結(jié)構(gòu)期間荷載釋放系數(shù),工況時(shí)設(shè)置初支和二襯荷載釋放系數(shù)分別0.6 和0.4,見(jiàn)表2。

        表2 主要數(shù)值模擬工況

        2.3 結(jié)果分析

        2.3.1 山體穩(wěn)定性

        如圖3 所示,自然狀態(tài)下邊坡的安全系數(shù)為1.7,潛在滑動(dòng)面穿過(guò)碎裂巖從中隔墻的位置剪出。如圖4 所示,偏壓擋墻及中隔墻澆筑完成后安全系數(shù)略有提高為1.9,潛在滑動(dòng)面穿過(guò)中隔墻基底。中隔墻澆筑完成后,中隔墻的位移模式為整體下移,下移量5.3 mm。左右主洞的外側(cè)上臺(tái)階完成初支后安全系數(shù)為2.0,左右主洞的外側(cè)上下臺(tái)階完成初支后安全系數(shù)為2.1,左右主洞的內(nèi)、外側(cè)完成初支后安全系數(shù)為1.8,主洞全部開(kāi)挖完成初支后安全系數(shù)為1.7,如圖5 所示。隧道完成二次襯砌后,山體的安全系數(shù)為2.6,未觀測(cè)到明顯的滑動(dòng)面。

        圖3 原始山體邊坡滑動(dòng)面云圖(安全系數(shù)1.7)

        圖4 中隔墻澆筑完成后邊坡滑動(dòng)面云圖(安全系數(shù)1.9)

        圖5 隧道主洞開(kāi)挖完成后邊坡滑動(dòng)面(安全系數(shù)1.7)

        在隧道開(kāi)挖施加初支的過(guò)程中,山體邊坡的安全系數(shù)先增大后降低。初支全部施加完成后,邊坡穩(wěn)定性和原始邊坡的安全系數(shù)相近,二襯全部施加完成后,山體邊坡安全系數(shù)大幅度增高,山體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

        2.3.2 初支結(jié)構(gòu)內(nèi)力強(qiáng)度

        隨著開(kāi)挖的進(jìn)行,初支結(jié)構(gòu)上內(nèi)力和位移逐漸增大,當(dāng)左右兩主洞開(kāi)挖完成后,初支內(nèi)力最大。由圖6和7 可以看出,在開(kāi)挖過(guò)程中左洞初支所受的軸力始終較大,而左洞初支彎矩先是小于右洞,而后大于右洞。當(dāng)進(jìn)行到圖1 所示的開(kāi)挖工序10 時(shí),即左洞內(nèi)部土被完全挖除之前。右洞所受的軸力較小而彎矩較大,初支結(jié)構(gòu)承受較大的偏心作用,此階段對(duì)右洞的初支結(jié)構(gòu)為不利階段。隨著開(kāi)挖的進(jìn)行到第10步之后,右洞左側(cè)的巖土體被完全挖除轉(zhuǎn)而由初支結(jié)構(gòu)替代后,對(duì)右洞邊坡推力減少,偏壓狀態(tài)得到緩解。盡管左洞承受一定的彎矩,但每步開(kāi)挖過(guò)程中軸壓作用明顯,與中隔墻、偏壓擋墻形成一個(gè)整體,偏壓狀態(tài)處于可控的范圍內(nèi)。

        圖6 開(kāi)挖過(guò)程中主洞初支軸力最大值

        圖7 開(kāi)挖過(guò)程中主洞初支彎矩最大值

        初支包含系統(tǒng)錨桿、噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)片及鋼拱架。主體受力結(jié)構(gòu)是鋼拱架,噴射混凝土分擔(dān)了軸向壓力,系統(tǒng)錨桿可等效成鋼拱架梁的彈性支點(diǎn),從而減小了彎矩。

        本計(jì)算得到的初支結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分布規(guī)律:彎矩和剪力的極值點(diǎn)在左洞左下臺(tái)階右端點(diǎn),彎矩為217.7 kN·m/m,剪力為-333.3 kN/m,軸力為100.5 kN/m;軸力極值點(diǎn)發(fā)生左洞拱頂處軸力為1 672 kN/m,彎矩和剪力數(shù)值較小,可忽略不計(jì);拱腳處(起拱線)彎矩200 kN·m/m,剪力300 kN/m,軸力120 kN/m。

        初支由噴射混凝土和型鋼骨架組成,型鋼間距0.5 m,噴射混凝土厚度0.25 m。

        取每延米型鋼(間距0.5 m)+噴射混凝土的組合截面彎矩設(shè)計(jì)值1.25×217.7=272 kN·m,剪力設(shè)計(jì)值1.25×333.3=416 kN,軸力1.25×100.5=126 kN。由《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70—2010)[4],噴射混凝土分擔(dān)較多的軸力,而不承擔(dān)彎矩。而鋼拱架同時(shí)承擔(dān)全部的彎矩,同時(shí)與噴射混凝土按抗壓剛度分配軸力。如表3 所示,噴射混凝土壓應(yīng)力111/0.25=0.4 MPa<9.6 MPa,噴混凝土強(qiáng)度滿足要求。

        表3 初支結(jié)構(gòu)內(nèi)力表

        每榀鋼拱架(間距0.5 m)彎矩設(shè)計(jì)值136 kN·m,剪力73 kN,軸力7.4 kN。原設(shè)計(jì)為工22b 鋼拱架,建議調(diào)整為工25b。鋼拱架應(yīng)力驗(yàn)算如下,計(jì)算結(jié)果可知,各應(yīng)力驗(yàn)算均滿足要求。

        (1)正應(yīng)力驗(yàn)算

        隧洞內(nèi)部初支全部拆除后,隧道初支的最大變形為26 mm。根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3370.1—2018)[3]第9.2.15 條,變形允許值取l/400=46 337/400=115 mm>26 mm, 滿足要求。變形圖如圖8 所示,最大變形點(diǎn)發(fā)生右洞的拱腳處。此時(shí)應(yīng)盡早施加二襯防止鋼拱架失穩(wěn)。

        圖8 隧道初支變形圖

        如圖9 所示,錨桿計(jì)算軸力最大值為38 kN,小于系統(tǒng)錨桿錨固抗拔力設(shè)計(jì)值為80 kN,滿足要求。

        圖9 隧道主洞系統(tǒng)錨桿軸力圖

        3 結(jié) 語(yǔ)

        (1)中隔墻澆筑完成后,潛在滑動(dòng)面通過(guò)中隔墻基底,且在開(kāi)挖的過(guò)程中中隔墻會(huì)發(fā)生傾斜及下沉。因此在設(shè)計(jì)時(shí)中隔墻基底應(yīng)埋設(shè)注漿鋼管,形成錨樁基礎(chǔ),防止因偏壓狀態(tài)導(dǎo)致的中隔墻滑移或傾斜。

        (2)在邊坡坡腳右側(cè)主洞,隧道偏壓狀態(tài)明顯,隧道開(kāi)挖過(guò)程中初支結(jié)構(gòu)會(huì)承擔(dān)較大的彎矩,尤其是在邊坡坡腳巖土體被移除而初支結(jié)構(gòu)未形成封閉時(shí)受力最不利。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)增加右側(cè)主洞鋼拱架的強(qiáng)度以增大抗彎能力。

        (3)山體滑動(dòng)安全系數(shù)先增加后減小,隧道外側(cè)洞室的開(kāi)挖支護(hù)引起滑動(dòng)安全系數(shù)增加,隨著右洞安全的開(kāi)挖進(jìn)行,安全系數(shù)減小,潛在滑動(dòng)剪出面發(fā)生在左洞左上臺(tái)階處,隧道全部開(kāi)挖后并施加初支后安全系數(shù)與原始山體邊坡相近,這說(shuō)明該開(kāi)挖工序中的初支結(jié)構(gòu)基本上彌補(bǔ)了挖除巖土體的反力作用。施加二襯后邊坡穩(wěn)定性大幅度增加從而體現(xiàn)了盡早施加二襯的必要性。

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