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黄土地铁暗挖隧道浸水湿陷变形工程特性分析
【摘 要】黄土隧道围岩发生湿陷变形时,将会引起衬砌结构不均匀沉降,从而威胁隧道的安全运行.针对典型地铁地层结构建立数值模型和现场试验,得到饱和状态下的土性参数.然后,模拟隧道围岩及支护结构,分析了隧道黄土围岩不同浸水条件下黄土地基湿陷压缩应力条件的变化规律.
【关键词】黄土隧道；湿陷压缩应力；地表水入渗；地下水位抬升
1.引言
湿陷性黄土具有大孔隙、结构性、湿陷性和水敏性等性质,天然低湿度下具有明显高强度和低压缩性的黄土,一旦浸水或增湿时会发生强度骤降和变形突增的特性.它们在定量上的不可忽视性和在定性上的急速发展性,是黄土变形影响其上建筑物稳定性的突出问题[1].
湿陷性黄土隧道是指衬砌结构位于湿陷性黄土地层的隧道,在黄土地区公路、铁路和城市地铁工程中比较普遍.在含有地下水的黄土层中修建隧道,由于黄土在干燥时很坚固,承压力也较高,施工可顺利进好.当其受水浸湿后,呈不同程度的湿陷性,会突然发生下沉现象,使开挖后的围岩迅速丧失自稳能力,如果支护措施满足不了变化后的情况,极容易造成坍塌[2].本文针对地铁湿陷性黄土隧道工程,从地表积水入渗及地下水位抬升两种情况出发,主要分析黄土隧道浸水后其对衬砌结构的影响,为湿陷性黄土隧道地基的加固治理提供指导[3].
2.暗挖区间隧道黄土湿陷性数值模拟分析
2.1 数值模拟湿陷性黄土的难点
岩土界常用的本构模型包括摩尔一库仑模型、剑桥模型、邓肯一张模型等.这些模型大都适用于粘土或者是砂性土的计算,不能反映湿陷性黄土湿陷变形的特点.考虑到上述各种常用计算模型的优点与不足,本文采用董晓明博士提出的“密模修正法”进行湿陷性黄土的数值模拟[4].
“密模修正法”从分析土体强度三大指标开始考虑: ①对变形模量E0、粘聚力c,摩擦角φ 同时进行修正; ②单独对变形模量E0 进行修正; ③同时对粘聚力c, 摩擦角φ 进行修正[4-5].其中方法二考虑黄土湿陷后的大变形特点,变形模量对变形影响最大,对变形模量E 进行折减.其中围岩采用平面应变单元,初支、二衬采用梁单元,锚杆采用杆单元.方法三对其中的两个指标进行折减,故又称“折减法”,“折减法”一般应用于基坑稳定分析、边坡稳定分析中; 本文采用方法一,因其涉及三个强度指标,在操作过程中需要对黄土浸水湿陷后的所有指标进行试验量测,故精确度相对比较高.
2.2 数值模型
本文通过对两种工况进行分析,第一种工况即自上而下浸水（地表积水入渗）型,未浸水( Ⅰ 0)、杂填土浸水（Ⅰ 1）、黄土状土1 浸水（Ⅰ 2）、黄土状土2 浸水（Ⅰ 3）.由于隧道下伏地基的均匀湿陷会引起隧道衬砌结构产生较大的沉降变形量,属于大变形有限元分析问题,这种基于工程原型建立的模型的大变形往往会导致有限元计算结果不易收敛.
对于第二种工况即自下而上浸水（地下水位抬升）型,未浸水（Ⅱ 0）、黄土状土2 浸水（Ⅱ 1）、黄土状土1 浸水（Ⅱ 2）、杂填土浸水（Ⅱ 3）,采取二维网格模型进行计算.两种模型均采用映射网格划分,以下工况模型均用符号代替.重力加速度为离心加速度,方向沿Y 轴方向竖直向下.
图2.2~ 图2.3 为两种模型八种工况二衬轴力图,从图中对比发现：二次衬砌轴力均为负值,表现为压力.最大轴力均出现在拱肩偏下靠近拱腰位置处,模型Ⅰ,拱腰Ⅰ 0、Ⅰ 1、Ⅰ 2、Ⅰ 3 最大值分别为-440.4kN、-440.9 kN、-439.8 kN、-277.3 kN；最小轴力出现在隧道拱顶处,Ⅰ 0、Ⅰ 1、Ⅰ 2、Ⅰ 3 最小值分别为-182.7kN、-182.7 kN、-182.2kN、-115.3kN.
模型Ⅱ拱腰Ⅱ 0、Ⅱ 1、Ⅱ 2、Ⅱ 3 最大值分别为-435.0kN、-440.9kN、-440.0kN、-438.2kN；最小轴力出现在隧道拱顶处,Ⅱ 0、Ⅱ 1、Ⅱ 2、Ⅱ 3 最小值分别为-183.0 kN、-186.2kN、-185.7kN、-185.7 kN.由此分析出,地表水对二衬轴力影响不大,地下水位上升对二衬轴力影响比较大,所以,在施工过程中应将地下水位控制在黄土层以下.
图2.4~ 图2.5 为两种模型八种工况二衬弯矩图,从图中对比发现：二次衬砌轴力大部分为负值,表现为压力.二次衬砌弯矩沿洞周左右分布对称；模型Ⅰ,二次衬砌最大负弯矩值出现在左、右拱脚处；最大负弯矩值为-150.7kN；最大正弯矩均出现在拱底处,最大正弯矩值为213.7kN；浸水对二衬弯矩基本没有影响.模型Ⅱ,浸水对Ⅱ 0、Ⅱ 1 影响不大,Ⅱ 2 浸水后变化比较明显.浸水之后Ⅱ 2、Ⅱ 3 相对变化不大.由此分析出,地表积水入渗对二衬轴力影响不大,地下水位上升对二衬轴力影响比较大,所以,在黄河汛期施工时,应采取降水措施,将地下水位控制在黄土层以下.
结论：
1）地表水对二衬轴力影响不大,地下水位上升对二衬轴力影响比较大,所以,在施工过程中应将地下水位控制在黄土层以下.
2）地表积水入渗对二衬轴力影响不大,地下水位上升对二衬轴力影响比较大.
3）在黄河汛期施工时,应采取降水措施,将地下水位控制在黄土层以下.
隧道论文范文结:
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