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1、二 * 届 毕 业 设 计高速铁路大断面黄土隧道施工数值模拟学 院：*专 业：*姓 名：*学 号：*指导教师：*完成时间：20*年6月10号二*年六月 毕业论文报告摘 要 郑州至西安的客运专线为国内首批拟建的高速客运专线，该线位于中国黄土分布的中心地带，全线穿过黄土段的隧道累计里程长达65 km。黄土因其具有特殊的成分和性质而在工程地质中占据特殊的地位，其工程特征表现出与普通岩石隧道相当大的差异，郑州至西安铁路客运专线黄土隧道特征最具典型性,围岩属V级Q3新黄土。该线隧道均为双线隧道，开挖面积达174 m2，是目前国内开挖断面最大的黄土隧道。本文总结了大断面黄土隧道的研究现状及存在的主要问题，
2、分析了隧道断面分类、高速铁路隧道的技术特点、黄土隧道工程特性、黄土地基沉降及其加固的理论，并在综合分析当前大断面黄土隧道发展的基础上，依托郑西客运专线凤凰岭黄土隧道工程背景，以解决高速铁路大断面黄土隧道关键施工技术为出发点，应用大型通用有限元软件ANSYS为计算手段，对湿陷性黄土隧道全断面施工方法和弧形导坑法的安全性进行了对比的分析和研究，得出了一些结论和建议。关键词：大断面，黄土隧道，弧形导坑法，数值模拟 ABSTRACTThe first batch domestic proposed high-speed passenger dedicated line is from Zhengzho
3、u to Xi an. The line is located in the center of loess distribution, and the whole line across the loess section is almost 65 km. Because of its special composition and properties, loess occupies a special place in the engineering geology, and the engineering features show considerable difference wi
4、th ordinary rock tunnel. The line from Zhengzhou to Xi an features the most typical loess tunnel, and the surrounding rock grade V new Q3 loess. This line is based on double line tunnel, and the tunnel excavation area of 174 m2 is the domestic largest loess tunnel excavation section, which is unprec
5、edented in China, and there is no experience for reference to the construction of this tunnel.In this paper, I did some research of the present situation and main problems of the loess tunnel of large section and classification of tunnel cross section, the technical features of high-speed railway tu
6、nnel, the engineering properties of loess tunnel, loess foundation settlement and consolidation theory. Based on the comprehensive analysis on the basis of the current development in loess tunnel of large section, relying on this loess tunnel engineering background, in order to solve the key constru
7、ction technology in loess tunnel of large section of high speed railway, using large-scale general finite element software ANSYS as the calculating method, analyzing and researching the arc heading construction safety performance, I work out some conclusions and suggestions.KEYWORDS: large cross sec
8、tion, loess tunnel, numerical simulation, arc pilot tunnel method目 录第一章 绪论11.1 黄土隧道研究的背景及意义11.2 国内外黄土隧道研究现状及存在的问题11.3 本文研究内容与方法5第二章 高速铁路黄土隧道相关特性介绍72.1 隧道断面分类72.2 高速铁路隧道施工特点72.3 黄土工程特性92.4 黄土地基沉降问题描述102.4.1 黄土的湿陷性质102.4.2 黄土的湿陷性评价102.4.3 黄土隧道地基的湿陷性问题112.5 黄土地基加固处理方法122.6 复合地基现有沉降理论与方法12第三章 数值模拟方法简介14
9、3.1 有限元的基本思想和优点143.2 有限元数值模拟过程143.3 Ansys软件介绍163.4 Ansys软件平面弹塑性分析过程173.4.1 计算假定183.4.2 弹塑性分析选项设置183.4.3 单元的生死20第四章 高速铁路大断面黄土隧道施工数值模拟分析224.1 凤凰岭隧道工况224.2 建立模型224.2.1 弧形导坑法234.2.2 全断面开挖244.3 分部开挖254.3.1 弧形导坑法254.3.2 全断面开挖314.4 模拟结果及分析344.4.1 弧形导坑法344.4.2 全断面开挖354.4.3 对比分析35结论37致谢38参考文献39第一章 绪论1.1 黄土隧道
10、研究的背景及意义目前己经开工建设的郑西客运专线，为我国首批拟建高速铁路客运专线，线路东起中原中心城市郑州市，向西经洛阳市、三门峡市、渭南市，西止西北门户西安市，经豫、陕两省，横贯中州大地和关中平原东部，全长484.518 km。郑西客运专线位于中国黄土分布中心地带，沿线黄土分布广泛，约占线路总长90 %左右。黄土一般发育于气候干燥、降雨量少，蒸发量大的干旱半干早地区，由于其特定的生成环境、发生历史、气候条件、物质成分等，因而在沉积过程中形成了其特有的结构形式，表现出独特的物理、化学和力学性质。特别是受水浸蚀后结构迅速破坏而发生显著下沉现象，对建筑工程的安全稳定和正常使用有着巨大的影响。历史上，
11、由于对黄土性质认识不足，采取措施不力而造成工程事故的事件时有发生，迫使工厂停工倒闭者有之，迫使居民搬迁者有之，更有甚者，建筑物在施工过程中即发生严重的变形破坏，导致施工中断。这类事故在我国黄土地区不同程度的存在，给我国国民经济带来重大的损失1.由于黄土结构较为疏松、强度低，加之其特有的湿陷性特征，黄土隧道在施工和运营中，出现了各种各样的问题。具体有:a.施工过程中喷射混凝土突然开裂，格栅严重弯曲变形；b.围岩不能自稳，变形很大，发生塌方；c.隧道发生涌水问题:d.隧道洞身基础发生湿陷；d.衬砌开裂，地表发生裂缝和错台现象。我国黄土地区幅员辽阔，面积达六十多万平方公里，郑西客运专线位于中国黄土分
12、布中心地带，该线隧道穿过黄土段落较长。目前建成运营的黄土隧道多为单线或双线(双车道)隧道，特大断面黄土隧道(例如郑西客运专线上的黄土隧道，隧道开挖跨度达16 m，开挖面积约170 m2)还没有先例，应当采用何种施工方法，缺乏经验与理论指导，需要进一步进行研究。本课题正是依托郑西客运专线大断面黄土隧道工程。综上所述，对大断面黄土隧道进行系统的研究是必要的。随着国家西部大开发政策的推行，在西部广大黄土地区进行基础建设正日益加强。我国的铁路建设也正在进入以客运专线建设为标志的跨越式发展新时期。对于大断面黄土隧道的设计及施工，现行的铁路隧道设计规范显然己不适合，也没有现成的工程可类比。因此对大断面黄土
13、隧道进行深入系统的研究已显得非常迫切，开展大断面黄土隧道的研究工作有着重要的现实意义。1.2 国内外黄土隧道研究现状及存在的问题肥沃的黄土地孕育了中华文明。黄土在我国西北有着广泛的分布，占国土面积约63万平方公里。在黄土修筑窑洞已经有几千年的历史。但是对黄土地下建筑设计计算理论进行系统研究，还是从60年代初开始的。以往在地下洞室设计计算所采用的模型是“荷载一结构”模型，即把作用衬砌上的围岩压力作为外加荷载施加到模型上，只要荷载确定了，就像地面建筑结构一样，利用结构力学理论，进行衬砌的设计计算。所以在地下洞室的设计计算中，围岩压力的确定就成为问题的关键。黄土地下洞室也不例外，黄土洞设计计算理论的
14、研究，主要有四个阶段:(1) 20世纪五六十年代的设计以普氏理论为基础。按照普氏理论设计的陇海线三门峡至撞关段13座双线黄土隧道分别于19591960年建成，至1964发现了不同程度的裂缝。大量工程实践表明:普氏理论对我国黄土洞室不适用。随后引起对黄土洞室围岩压力问题的系统研究。(2)根据时间经验，在60年代初提出以工程地质类比法指导设计，并对黄土按底下洞室稳定性要求作了相应的分类。(3) 70年代提出了以工程地质类比为主，力学计算为辅，必要时用实测的方法指导设计。(4) 90年代至今，随着计算技术的发展，土体应力一应变关系的研究逐渐深入，出现了各种各样的弹塑性应力一应变模型。在这种基础上提出
15、了许多弹塑性的数值方法。这一时期修建的宝中铁路和候月铁路隧道工程积累了丰富的经验。近20年来随着计算技术的迅速发展，土体应力一应变关系的研究逐渐深入，出现了各种各样的弹塑性应力一应变模型。然而由于土体结构的复杂性，不同的应力水平和路径都会影响它的应力一应变关系，要全面反映土体的力学特性往往是相当困难的。一般说来，力学模型越接近所研究的对象，其形式越复杂，描述模型特性的力学参数越多。由于参数测定过程中的偶然误差及参数本身所反映的物理力学特征的随机性，使得参数测定值总在一定范围内波动，因而往往与精确的理论描述不相称。作为理论模型应全面反映客观实体，使人们能更深刻地认识自然，并为改造自然提供依据，作为工程应用，则力求使模型既能抓住所研究对象的最本质东西，又简单实用。一个最好的模型应是既能解决工程问题且又是最简单的模型2。 从60年代对黄土地下洞室的围岩压力开展系统的研究以来，经陕西建研院，西北建筑设计院等单位在甘肃、山西、陕西及河南
