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偏压连拱隧道施工数值模拟及方案比选 第六图书馆 对在建的西安汉中高速公路上的皇冠偏压连拱隧道进行二维有限元数值模拟分析,从应力、应变角度对比分析了先开挖浅埋侧 和先开挖深埋侧两种不同开挖顺序对隧道围岩、初期支护、二次衬砌及中隔墙的影响,为偏压连拱隧道的设计和施工提供了科学 依据及技术指导。对在建的西安汉中高速公路上的皇冠偏压连拱隧道进行二维有限元数值模拟分析,从应力、应变角度对比分 析了先开挖浅埋侧和先开挖深埋侧两种不同开挖顺序对隧道围岩、初期支护、二次衬砌及中隔墙的影响,为偏压连拱隧道的设计 和施工提供了科学依据及技术指导。连拱隧道 偏压 数值模拟山西建筑宁鹏 康辰 [1]长安大学硕士研究生,陕西西 安710054 [2]陕西省公路勘察设计院桥梁隧道设计研究所,陕西西安7100682007第六图书馆 第 3 3卷 第 2 4期 2 0 0 7年 8 月 山 西 建 筑 S HANXI ARCHI TECrURI Vo 1 ． 3 3 No． 2 4 A u g ． 2 0 0 7 3 1 5 文章编号 1 0 0 9 ． 6 8 2 5 2 0 0 7 2 4 0 3 1 5 0 3 偏压连拱隧道施工数值模拟及方案比选 宁 鹏 康 辰 摘要 对在建的西安一汉中高速公路上的皇冠偏压连拱隧道进行二维有限元数值模拟分析， 从应力、 应变角度对比分 析了先开挖浅埋侧和先开挖深埋侧两种不同开挖顺序对隧道 围岩、 初期支护、 二次衬砌及中隔墙的影响， 为偏压连拱隧 道的设计和施工提供了科学依据及技术指导。 关键词 连拱隧道， 偏压， 数值模拟 中图分类号 U4 5 5 ． 4 文献标识码 A 1 工程 概况 皇冠隧道位于陕西省西汉高速公路户洋段 ， 该隧道设计为连 拱形式， 全长 2 9 2 ． 5 m， 工程区域内地形起伏较大， 受地形影响隧 道存在明显的偏压现象 ， 围岩为石英片岩夹灰色细晶大理岩， 节 理较发育 ， 以Ⅳ级为主， 加之埋深较浅， 因此有必要对隧道的开挖 过程进行数值模拟、 计算及分析， 以确定合理的开挖顺序指导施 工， 如图 1 所示为该隧道Ⅳ级围岩对应的衬砌结构设计图。 图 1 连拱 隧道 Ⅳ级 围岩衬砌横断面 2 计算模型及模拟简述 2 ． 1 计算模型及边界条件 计算选取皇冠隧道一典型断面， 该断面围岩拟定为Ⅳ级， 斜 坡倾角约为 2 7 。 ， 浅埋侧最小覆盖厚度为 8 1“ 12 ， 洞顶最大埋深为 1 6 m。计算采用线弹性平面应变模型 ， 岩体初始应力场只考虑自 重应力。模型水平方向两侧各取 3倍的隧道跨度为限， 竖直方向 下侧取 3倍的洞高为限， 上侧按实际地形尺寸。模型两侧边界约 束水平方向位移， 下侧约束竖直方向位移， 模型及网格划分如图 2 所示 。 图 2 计算模型及网格划分 本计算模拟了两种施工工序， 工序 1 模拟先开挖隧道浅埋侧 对应的施工工序 ， 工序 2模拟先开挖隧道深埋侧对应的施工工序。 工序 1的施工步骤 1 开挖中导洞； 2 施作中导洞临时支护； 3 砌筑中隔墙 ； 4 开挖浅埋侧洞室上部； 5 施作浅埋侧洞室上部 初期支护 ； 6 开挖浅埋侧洞室下部； 7 施作浅埋侧洞室下部初期 支护 ； 8 开挖深埋侧洞室上部； 9 施作深埋侧洞室上部初期支护； 1 0 开挖深埋侧洞室下部； 1 1 施作深埋侧洞室下部初期支护； 1 2 拆除临时支护 ， 模筑二衬。 工序 2的施 工步骤 1 开挖 中导洞 ； 2 施 作 中导洞临 时支护 ； 3 砌筑中隔墙 ； 4 开挖深埋侧洞室上部； 5 施作深埋侧洞室上部 初期支护 ； 6 开挖深埋侧洞室下部； 7 施作深埋侧洞室下部初期 支护 ； 8 开挖浅埋侧洞室上部； 9 施作浅埋侧洞室上部初期支护； 1 0 开挖浅埋侧洞室下部； 1 1 施作浅埋侧洞室下部初期支护； 1 2 拆除临时支护 ， 模筑二衬。 2． 2地应 力释 放 的模 拟 地应力释放模拟的方法有“ 反转应力释放法” 和“ 地应力 自动 释放法” 。两者的区别在于 1 由“ 反转应力释放法” 得到的位移 收稿 日期 2 0 0 7 ． 0 3 ． 2 3 作者简介 宁鹏 1 9 8 2 一 ， 男 ， 长安大学硕士研究生 ， 陕西 西安7 1 0 0 5 4 康辰 1 9 8 2 ． ， 男 ， 助理工程师 ， 陕西省公路勘察设计院桥梁隧道设计研究所 ， 陕西 西安7 1 0 0 6 8 维普资讯 第六图书馆 ． 3 1 6 ． 考 荤 背 山 西建筑 为实际开挖卸载后的位移 ， 应力则需与初始地应力叠加才为实际 开挖卸载后的应力； 由“ 地应力 自 动释放法” 得到的应力为实际开 挖卸载后的应力 ， 得到的位移则需与初始地应力作用下产生的位 移相减。2 “ 地应力 自动释放法” 可以反映因隧道开挖产生的围 岩应力重分布对衬砌结构的影响， 而“ 反转应力释放法” 则不行。 本计算采用“ 地应力自动释放法” 模拟应力释放。 据有关资料隧道开挖瞬时围岩要进行应力释放， 释放率为 4 0 ％左右。本计算围岩应力分三次释放 开挖瞬时释放 4 0 ％， 施 作初期支护后释放 4 0 ％， 二次衬砌浇筑完成后释放其余的 2 0 ％。 2 ． 3 围岩、 初期支护、 二次衬砌等的模拟 围岩、 初期支护、 二次衬砌均采用 P l a n e 4 2单元模拟 ， 锚杆在 隧道施工和结构受力中主要起着加固地层、 提高围岩 自承能力的 作用， 而自身的受力对结构影响不大， 因此在计算中将锚杆所涉 及的范围作为加固层处理， 计算中采用提高加固层内围岩的有关 计算参数模拟支护效果。有关围岩及支护计算参数见表 1 。 表 1 有 限元计算物理力学参数 项目 弹性模量 E／ G P a 泊松比 容重 7 ／ k N IT I 一 3 备注 Ⅳ级 围岩 1 ． 5 0 ． 3 5 1 9 初期支护 C 2 5 2 8 5 0 2 2 2 3 喷射混凝土 体荷载 G1 0 二次衬砌及 中隔墙 3 0 0 ．2 2 5 5 模筑混凝土 加固层 4 0 ． 3 2 2 3 计算结果及分析 3 ． 1 初期 支护的计算结果分析 见表 2 ， 图 3 表 2 初期支护应力及位移 浅埋侧 大主 浅埋侧 小主应 浅埋侧最大 深埋侧大主 深埋侧小主 深埋侧最大 应力 S 1 ／ MP a 力 S 3 ／ MP a 位移 ／ n m a 应力 S 1 ／ MP a 应 力 S 3 ／ MP a 位移 ／ r r m a 1 3 6 7 2 5 3 0 8 4 8 4 0 2． 9 9 0． 4 5 l 2 4 2 8 2 3 0 0 9 4 8 ． 8 1 3 ． 9 2 0 ． 4 7 表 3 二次衬砌应力及位移 浅埋侧大主 浅埋侧小主 浅埋侧最 深埋侧大主 深埋侧小主 深埋侧最大 应力 S 1 ／ MP s ． 应 力 ,q 3 ／ MP a 大位移 ／ n m a 应 力 S 1 ／ MP fl 应力 3 ／ MP a 位 移／ n m a 0 ． 9 6 1 9 7 0 7 2 0 9 5 1 9 0 1 0 4 1 ． 0 3 2 2 5 0． 7 1 1 ． 0 1 2 ． 0 3 1 0 2 由表2 及初期支护应力、 应变云图 见图 3 可以得出以下结论 1 2 1 2 序 1 的初期支护大、 小主应力最大值小于工序 2的初期 支护大、 小主应力最大值 ； Nr 】 Una N S ⅡP 1 2 ]B4 E 1 2 Ⅱ ． 0 3 2 4 5 9 0 ． 1 U 7 7 L r 7 5 十U ，7 殪 十U ， ．9 3 3 6 o 7 ． 2 8 E0 7 ． 4 6 7 E07． 6 5 4 E07 ． 8 4 E0 7 图 3工序 1 初期支护大主应力 S。 2 无论采取哪种施工工序 ， 浅埋侧的大 、 小主应力的最大值 都出现在初期支护与中隔墙相接处 ； 深埋侧的大主应力的最大值 出现在起拱线外侧， 小主应力的最大值出现在初期支护与中隔墙 相接处 ； 3 工序 1的初期支护最大位移值小于工序 2的初期支护最 大位移值， 两侧初期支护的最大位移均出现在拱顶偏深埋侧处。 3 ． 2 二次衬砌的计算结果分析 见表 3 ， 图4 ， 图 5 由表 3及二次衬砌应力、 应变云图 见图4 ， 图 5 可以得出结 论 1 I序 1 的二次衬砌大、 小主应力最大值小于工序 2的二次 衬砌大 、 小主应力最大值； 2 无论采取哪种施工工序， 二次衬砌大 主应力的最大值都集中在仰拱拱脚外侧 ， 小主应力最大值都集中 在仰拱深埋侧拱脚内侧； 3 两种工序对应的二次衬砌最大位移值 相差不大， 两侧二次衬砌最大位移均出现在拱顶偏深埋侧处。 N口 A L 8 C 曩 I I C S ⅡP 1 4 ] B4 1 mE 1 4 S I AV G 0 3 3 0 8 8 S Ⅸ 9 5 5 7 6 2 Q o 0 2 1 2 3 9 2 4 2 4 7 8 3 6 3 71 7 5 8 4 9 5 6 6 1 0 6 1 9 6 3 1 8 5 8 7 5 3 0 9 7 9 7 4 3 3 7 0 9 5 5 7 6 2 图 4工序 1 二次衬砌大主应力 S 。 Nm A I鲫I r r I C S ⅡP 9 9 9 9 I HM A V G R S Y S0 ．0 o 1 0 3 5 3 3 9 E一 Ⅸ ． 0 o 1 0 3 5 ．3 3 9 E一0 3 ． 4 9 4 E一0 ． 3． 6 4 9 E一0 3 ． 舳 亚 一0 3 9 5 舡 一0 3 ．4 1 7 E一0 3 ． 5 7 m 一0 3． 7 2 一0 3 8 8 m 一0 3 0 o 1 0 3 5 图 5工序 1 二次衬砌位移 3 ． 3 中隔墙的计算结果分析 见表 4 ， 图6， 图7 表 4 中隔墙应力及 位移 工序 大主应力 S 1 最大值／ MP a 小主应力 S 3 最大值／ MP a 最大位移／ m m 1 4 ． 7 7 8． 9 3 0． 7 6 2 4 ． 6 9 8 8 0 ． 7 7 由表 4及中隔墙应力、 应变云图 见图6 ， 图 7 可以得出以下 结论 I刁 I 『r I S I EP1 4 厄 4 叽 ■ N| 】 Un0 N S ⅡP 9 9 9 9 I H H Av E D S Y S0 ．7 6 皿 一0 3 ．5 1 7 E一0 3 Ⅱ ． 7 6 5 E一0 3 5 1 7 E一0 3 ． 5 7 2 E一0 3 ． 6 2 7 E一0 3 6 8 2 E一0 3 ． 7 3 7 E 0 3 ．5 4 5 E一0 3 ． 6 0 E 0 3 ． 6 5 5 E 0 3 ． 7 1 0 E 0 3 ． 7 6 5 E一0 3 图 7工序 1中隔墙 位移 1 工序 1的中隔墙大、 小主应力最大值稍大于工序 2的中隔 墙大、 小主应力最大值 ； 2 无论采取哪种施工工序， 中隔墙大主应力的最大值都集中 在中隔墙底下侧偏浅埋处， 小主应力最大值都集中在中隔墙底上 侧偏浅埋处； 3 两种工序对应的中隔墙最大位移值相差不大； 维普资讯 第六图书馆 第 3 3卷 第 2 4期 2 0 0 7年 8月 山 西 建 筑 S HANXI ARCHI TE v r URE Vo 1 ． 3 3 NO． 2 4 Au g ． 2 0 0 7 31 7 文章编号 1 0 0 9 6 8 2 5 2 0 0 7 2 4 0 3 1 7 0 2 桥梁工程人工挖孔灌注桩施工方法及技术措施 滕 杰 锋 摘要 结合桥梁工程人工挖孔灌注桩基础， 在工程实践中已得到广泛应用的现状， 总结了多项工程施工经验， 对其主要 优点、 使用范围、 施工方法和技术措施做介绍， 可供同行参考。 关键词 桥梁工程， 人工挖孔桩 ， 主要优点， 使用范围， 技术措施 中图分类号 T U7 5 3 ． 3 文献标识码 A 在公路桥梁基础中， 大量用到桩基础， 按施工方法可分为沉 入桩、 钻孔灌注桩和人工挖孔灌注桩， 其中人工挖孔灌注桩是以 人力为主， 辅以小型机具和安全设施就地挖孔灌注混凝土制桩 ， 其特有的大承载力、 质量好、 费用低、 省水电、 不污染、 无振动等诸 多优点得到了许多设计、 施工单位的认可。 文中通过对采用人工挖孔桩基础的工程实践积累的一些经 验， 并就挖孔桩的适用范围、 施工方法、 技术措施做介绍， 以供同 行参考。 1 挖孔桩的主要优点 1 挖孔桩属于干法施工范围， 变隐蔽施工为看得见摸得着的 直观施工， 诸如工程地质的分层厚度和土质类别； 桩孔设计尺度； 桩身配筋的位置和标高； 混凝土的灌注均匀和密实性情况等， 均 可随时测控 ， 施工质量可靠， 承载力大。 2 挖孔桩的桩身截面可根据需要设计成圆形或方形； 可挖成 扩底桩， 充分利用桩端地基压强高的优势。 3 挖孔桩以人力操作为主， 施工机具简单， 省水省电， 不用泥 浆， 无噪音， 无振动 ， 不污染， 有利于环境保护。 4 挖孔桩施工可根据整体进度要求 ， 采取多孔 同步挖孔， 统 4 由于受地形偏压， 从 中隔墙的整体位移来看， 无论采取哪 种施工工序， 中隔墙均产生向浅埋侧的扭转变形。 4 结语 1 偏压连拱隧道受力复杂， 其合理的施工方法应根据实际地 形、 地质情况及工期确定； 2 根据本计算所选取的计算模型及参 数， 不同的施工工序对围岩、 衬砌、 中隔墙的影响各有利弊， 但综 合考虑可以得出， 先开挖浅埋侧的施工工序比先开挖深埋侧的施 工工序更为合理； 3 无论采取哪种施工工序， 浅埋侧初期支护应 力最大值都集中在初期支护与中隔墙相接处， 深埋侧初期支护应 力最大值集中在初期支护与中隔墙相接处和外侧起拱线处 ， 二次 衬砌应力最大值集中在仰拱拱脚处， 中隔墙均向浅埋侧倾斜并产 一 检查验收， 统一灌注混凝土， 便于调整管理 ， 缩短施工期限。 5 挖孔桩与功能相近的钻孔桩相 比， 桩身混凝土坍落度小， 水灰比小 ， 桩顶超灌高度减小， 均可节约水泥。挖孔桩不用泥浆， 可免除开挖泥浆池、 排浆沟， 免除施工中清池疏沟， 清除废余泥 浆 ， 完工后填池平沟及凿除桩头等， 可缩短工期 ， 节约费用。 2 挖孔桩的适用范 围 挖孔灌注桩可用于粘性土、 砂土、 砾石土、 碎石、 岩石等各类 土石， 最好是无地下水或少量地下水 ， 且较密实的土层或风化岩 层， 具体适用条件如下 1 荷载较大， 地基上部土层软弱， 适宜的 地基持力层位置较深， 采用浅基础或人工地基在技术上、 经济上 不合理时。2 河床冲刷较大 ， 河道不稳定或冲刷深度不易计算正 确， 如采用浅基础施工困难或不能保证基础安全时。3 挖孔桩的 孔深以2 0 m左右为宜， 不宜超过 3 0 m。当工程地质条件较好 ， 地 下渗水少， 孔深 1 0 m 以内， 且不做 护壁时， 开挖孔径不可小于 8 0 c m。4 当孔深超过 1 0 m时， 孔径不宜小于 1 0 0 c r n ， 且一般都 需护壁， 当孔深 2 0 m左右时， 桩径不宜小于 1 2 0 c r n ， 且必须进行 孔壁支护 。 3 挖孔桩的施工方法 生扭转变形； 4 中隔墙的底部是应力集 中区和受力复杂区， 因此， 对其强度和稳定性要足够重视。 参考文献 [ 1 ] 王文正． 公路双连拱 隧道开挖方法及施工过程数值模拟研究 [ D] ． 西安 长安大学研究生学位论文， 2 0 0 3 ． [ 2 ] 胡学兵， 乔玉英． 偏压连拱隧道施工方法数值模拟研究[ J ] ． 地 下空间与工程学报， 2 0 0 5 ， 1 3 3 7 4 3 7 8 ． [ 3 ] 赵丹， 朱向前， 彭丽敏 ． 偏压连拱隧道- r - ,N序分析[ J ] ． 西 部探矿工程 ， 2 0 0 6 ， 1 3 1 4 1 ． 1 4 4 ． [ 4 ] 何川， 林 刚， 汪会帮． 公路双连拱隧道[ M] ． 北京 人 民交 通 出版 社 ． 2 0 0 5 ． Nu me r i c a l s i mu l a t i o n a n d s c h e me c o mpa r i s o n f 0 r c o n s t r u c t i o n of d o u bl e ． a r c h t u nne l s u nd e r un s y mme t r i c a l pr e s s u r e NI NG P le l l g KANG Ch e n Ab s t r a c t B a s e d u p o n t wo - d i me n s i o n a l f i n i t e e l e me n t n u me r i c a l s i mu l a t io n o f Hu a n g g u a n d o u b l e a r c h t u n n e l s u n d e r u n s y r r ma e t ric a l p r e s s u r e ， f r o m s t r e s s a n d s t r a i n a s p e c t s t h e i n fl u e n c e s o f t wo e x c a v a t i o n me t h o d s f i r s t e x cav a t i o n s h a l l o w t u n n e l o r f i r s t e x cav a t io n d e e p t u n n e l o n s u r r o u n d i n g r o c k s ，p r i ma r y s u p p o r t ，s e c o n d a r y l i n i n g a n d mi d p art i t io n are comp ara t iv e l y a n aly z e d，wh i c h p r o v i d e g o o d r e f e r e n c e s f o r d esi g n and const r u c t i o n o f d o u b l arc h t un n e l s un d e r un s y mme t ri c a l p r e s s u r e ． Ke y wo r d s d o u b l e ． a r c h t un n e l ，l a t e r al p r e s s u r e ，n u me r i c a l s i mula t i o n 收稿 日期 2 0 0 7 0 3 3 1 作者简介 滕杰锋 1 9 6 7 一 ， 男 ， 工程师 ， 广西桂林市路通工程建设公 司， 广西 桂林5 4 1 0 0 2 维普资讯