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      高速鐵路黃土隧道施工變形規(guī)律及預(yù)留變形量研究

      2021-01-22 12:25:26馬禧祥
      科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2021年6期
      關(guān)鍵詞:仰拱拱頂黃土

      馬禧祥,陳 彥

      引言

      鐵路隧道施工過程中的安全問題一直都是阻礙其發(fā)展的重要因素,相比于普通隧道而言,黃土隧道施工的不穩(wěn)定因素更多,其施工過程中存在的安全隱患也更大。為提高高速鐵路黃土隧道施工安全性控制,在施工前對地質(zhì)核查顯得尤為關(guān)鍵,經(jīng)分析地質(zhì)環(huán)境對隧道施工的影響規(guī)律后,制定合理的施工方案,可盡量避免黃土隧道施工過程中安全事故的發(fā)生。

      在確定隧道條件、圍巖等級和施工方法的變形儲備時,目前一般采用工程類比法,研究中大多也停留在定性描述上,很少有定量分析。通??紤]開挖深度、隧道寬度和支護(hù)方式來確定預(yù)留變形量,但在鐵路黃土隧道施工中分析表明并不完全適合。上面以銀西鐵路上閣村黃土隧道工程為例,通過現(xiàn)場實測和統(tǒng)計分析,分析其變形規(guī)律,研究其變形儲備,為工程建設(shè)提供一些啟示。

      1 我國黃土分布情況及黃土特性

      1.1 我國黃土分布情況

      黃土在我國疆土上的分布范圍是比較廣博的,我國黃土分布面積約64萬km2,占國土面積6.3%。主要分布在陜甘寧、新疆、吉林、黑龍江,在該地區(qū)修建高速鐵路,黃土隧道的施工是在所難免的事情。當(dāng)前我國已經(jīng)完成的帶有黃土隧道的鐵路線有鄭西客運專線,寶蘭客運專線,蒙華鐵路等[1]。銀西鐵路控制性工程上閣村隧道大地構(gòu)造單位屬中朝準(zhǔn)地臺的陜甘寧坳,該區(qū)以深厚的黃土覆蓋,上伏第三系紅黏土,白堊系為基底巖層,產(chǎn)狀水平為主,褶皺和斷裂不發(fā)育。

      1.2 黃土基本特性

      黃土顆粒成分以粉粒(直徑為0.075~0.005mm)為主,約占50%~75%,幾乎沒有大于0.25mm的顆粒;成分均勻,一般無明顯層理,有堆積間斷的剝蝕面和埋藏的古土壤層;具柱狀節(jié)理,垂直節(jié)理發(fā)育,直立性強;表層多具濕陷性,易產(chǎn)生潛蝕,形成陷穴。軟塑黃土特有的物理力學(xué)性質(zhì),使得在軟塑黃土地層中修建隧道時會存在滲漏水、變形、掉塊、坍塌等施工風(fēng)險。

      2 高速鐵路黃土隧道施工的難點

      2.1 黃土的濕陷性

      大部分黃土在浸水后,會受到上部土層本身重量的影響或者其他外界壓力的附加,其本身結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化,進(jìn)而導(dǎo)致存在的土壤發(fā)生極為明顯的變形。在黃土隧道施工中,淺埋隧道地面擾動較大,加之地表降水的滲透易形成地表開裂,隨著孔隙水的上滲土體自重加大,而黃土大孔隙、粘結(jié)性差的特點會加重濕陷上沉,對隧道土體結(jié)果造成破壞,形成破裂漏斗,初期支護(hù)受外力擠壓變形,造成隧道坍塌或冒頂。

      2.2 隧道洞口黃土偏壓

      黃土地區(qū)地形通常高低不平,甚至?xí)幸恍O為陡峭的地段,隧道在施工過程中容易在其洞口形成黃土層的偏壓,在偏壓和隧道開挖的雙重作用上,隨著圍巖應(yīng)力的釋放,將導(dǎo)致隧道洞口段土體發(fā)生變形,進(jìn)而出現(xiàn)一定的水平位移。黃土隧道圍巖強度較低,一旦遇水軟化將會產(chǎn)生隧道深埋側(cè)山體產(chǎn)生上滑的偏壓推力,對淺埋鍘圍巖產(chǎn)生擠壓效應(yīng),導(dǎo)致地表開裂現(xiàn)象,在偏壓力作用上,極易引起邊坡失穩(wěn)、溜塌。

      2.3 部分黃土地段含水量高

      在黃土隧道施工中,某些段落土體含水量過高,使圍巖遇水后強度大幅度降低,黃土長期侵浸在大量的水分中,其性能結(jié)構(gòu)會發(fā)生明顯改變,圍巖逐漸失去自穩(wěn)能力,導(dǎo)致其土質(zhì)中含有的水量越來越高,最終造成黃土由本身的脆性變?yōu)榱烁尤菀鬃冃蔚乃苄訹1]。會造成隧道支護(hù)承受的荷載越來越大,最終因為承載壓力突破其極限值而發(fā)生變形,甚至是坍塌。

      2.4 黃土地層中存在沙土層

      黃土隧道施工過程中是比較容易遇到黃土地層中存在沙土層的狀況,沙土層本身的土質(zhì)與黃土地層的土質(zhì)是存在較大差別的。尤其在其含水量上,沙土層本身就含水分較少,并且對于水分的存留能力也比較差。這樣的土質(zhì)特性會導(dǎo)致黃土層與沙土層之間的粘結(jié)不夠牢固,一旦進(jìn)行隧道開挖,沙土層無法與底部黃土層凝結(jié)在一起,隧道會更容易出現(xiàn)坍塌,而如果在此過程中又遇到外界水流的沖擊,其土層就容易被水流帶走進(jìn)而出現(xiàn)黃土溜滑的狀況。

      2.5 局部沖溝、陷穴發(fā)育

      黃土地區(qū)地表由于沖蝕千溝萬壑,沖溝多為狹窄的V形橫斷面,溝緣明顯,縱剖面傾斜陡急。同時由于黃土顆粒大、疏松多孔、易崩解、濕陷性強等特點,地表水由地面徑流沿著黃土中的裂隙和孔隙上滲進(jìn)行潛蝕,破壞了黃土的原有結(jié)構(gòu)或使土粒流失、產(chǎn)生洞穴,最后引起地面崩塌所形成大量陷穴,對隧道施工危害極大。

      3 黃土隧道施工變形規(guī)律

      在隧道施工過程中,根據(jù)圍巖等級布設(shè)了監(jiān)控量測點,并開展了大量監(jiān)控量測工作,收集匯總了相關(guān)監(jiān)控量測數(shù)據(jù),按隧道埋深、含水量變化、仰拱封閉情況分別對數(shù)據(jù)變化繪制了曲線圖,并進(jìn)行了分析,揭示了一定的變形規(guī)律。

      3.1 隧道變形與隧道埋深的關(guān)系

      3.1.1 拱頂上沉及速率與埋深統(tǒng)計圖見圖1。(1)經(jīng)統(tǒng)計,拱頂上沉最大值51cm出現(xiàn)在隧道埋深20m處;(2)拱頂上沉超過20cm的數(shù)值全面分布在隧道埋深60m以內(nèi),其中有64%分布在隧道埋深30m以內(nèi),同時隧道埋深30m以內(nèi)初支噴層開裂占全部開裂的63%。

      3.1.2 凈空變形特征值與埋深分布圖見圖2。(1)水平收斂最大值為18cm在隧道埋深40m處;(2)凈空變形不論拱頂上沉,還是水平收斂隨埋深分布呈現(xiàn)出淺埋變形大、深埋變形小的形態(tài)。

      圖2 凈空變形特征值與埋深分布圖

      3.1.3 凈空變形特征值與埋深分布圖見圖3。(1)凈空變形特征值(上沉與收斂之比)平均值在埋深小于30m時達(dá)到5以上,埋深在30m~60m之間時達(dá)到3以上,60m~140m為1.3,即淺埋時上沉顯著大于收斂,深埋時二者趨于接近;(2)凈空變形特征值隨埋深分布呈現(xiàn)出淺埋數(shù)值大、深埋數(shù)值小的規(guī)律。

      圖3 凈空變形特征值與埋深分布圖

      3.2 隧道變形與黃土含水量的關(guān)系

      隧道拱頂上沉與含水量分布圖見圖4。(1)土體含水量最大值31%時拱頂上沉量46cm;(2)經(jīng)統(tǒng)計中高含水量的拱頂上沉值約為一般含水量的1.5倍,高含水量的拱頂上沉值為一般含水量2倍以上;(3)表明含水量高低是影響拱頂上沉的重要因素。

      3.3 隧道變形與仰拱封閉的關(guān)系

      圖4 拱頂上沉與含水量分布圖

      3.3.1 拱頂上沉與仰拱封閉距離的關(guān)系曲線見圖5。(1)變化曲線顯示隨著仰拱封閉距離變大,拱頂上沉數(shù)值也不斷變大,仰拱封閉距離30m處拱頂上沉數(shù)值是12m處的1.12倍~1.22倍。(2)含水量變大,同一斷面拱頂上沉數(shù)值也變大,含水量20%以上時拱頂上沉值是含水量20%以上時的1.22倍~1.44倍。

      圖5 拱頂上沉與仰拱封閉關(guān)系曲線

      3.3.2 水平位移與仰拱封閉距離的關(guān)系曲線見圖6。(1)變化曲線顯示隨著仰拱封閉距離變大,拱腰水平位移數(shù)值也不斷變大,仰拱封閉距離30m處拱頂上沉數(shù)值是12m處的1.75倍~2.0倍。(2)含水量變大,同一斷面水平位移數(shù)值也變大,含水量20%以上時水平位移值是含水量20%以上時的1.75倍~2.0倍。

      圖6 水平位移與仰拱封閉關(guān)系曲線

      3.3.3 隧道變形與仰拱封閉距離關(guān)系見圖7。(1)拱頂上沉在仰拱封閉距離超過30m后仍呈現(xiàn)規(guī)律性增大,35m處是30m處的1.11倍,45m處達(dá)到30m處的1.65倍;(2)水平收斂在仰拱封閉距離超過30m后也呈現(xiàn)規(guī)律性增大,35m處是30m處的1.06倍,45m處達(dá)到30m處的1.36倍。

      圖7 變形與仰拱封閉距離關(guān)系圖

      4 黃土隧道施工預(yù)留變形量分析

      4.1 分析結(jié)果

      黃土隧道施工過程中的圍巖變形是不可避免的,隧道開挖過程中拱頂上沉和周邊收斂變形較大,仰拱封閉后變形速度減小,變形趨于穩(wěn)定[2]。隧道預(yù)留變形量的數(shù)值應(yīng)該根據(jù)黃土隧道受含水量以及埋深影響發(fā)生變形的規(guī)律來確定,要盡量確保預(yù)留的變形量能夠滿足施工過程中隧道變形的需求,幫助隧道施工過程中的支護(hù)設(shè)置更加安全可靠。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計分析結(jié)果,拱部預(yù)留變形量根據(jù)含水量情況應(yīng)適當(dāng)加大,邊墻部位可適當(dāng)減小。

      4.2 預(yù)留變形量取值建議

      由于隧道支護(hù)與黃土地層相互作用的復(fù)雜性,以及與隧道初期支護(hù)變形影響因素的不確定性,現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)仍有一定的離散性[3]。綜合數(shù)據(jù)分析,結(jié)合隧道現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)及施工控制結(jié)果,對高速鐵路黃土隧道預(yù)留變形量根據(jù)隧道不同部位和土體含水量變化,得出以上預(yù)留變形量建議值。

      (1)隧道邊墻預(yù)留變形量建議取10cm。(2)隧道拱部預(yù)留變形量:土體含水量<17%時建議取20cm;17%≤土體含水量<25%時建議取30cm;土體含水量≥25%時建議取40cm。

      5 結(jié)束語

      高速鐵路黃土隧道施工過程中的變形是存在一定的規(guī)律,需要在施工之前對該規(guī)律的變化及其影響因素進(jìn)行分析,并據(jù)此來確定施工預(yù)留變形量,并對預(yù)留變形量進(jìn)行驗證試驗,確保黃土隧道施工的安全與質(zhì)量。

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