1、蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計論文)1 緒論1.1 鐵路隧道發(fā)展概述中國幅員遼闊，又是多山的國家，山地面積占 2/3 以上，高原起伏，群山連綿，崇山峻嶺密布，水系發(fā)育，江河縱橫，地質(zhì)復(fù)雜。為發(fā)展鐵路建設(shè)，需要修建大量隧道，而且勢必修建許多長隧道和特長隧道，因而鐵路隧道建設(shè)任務(wù)極其艱巨、復(fù)雜。隧道修建技術(shù)是涵蓋多種專業(yè)、交叉性很強的綜合技術(shù)。近半個世紀以來，中國鐵路隧道修建技術(shù)雖然有很大發(fā)展，但與當代世界鐵路隧道長度不斷增加并向水域發(fā)展的趨勢比較還有一定差距。中國當前鐵路隧道的修建的數(shù)量，已列世界前茅，但 10km 以上的隧道（包括貫通的）只有 4 座，既大瑤山、長梁山雙線隧道和秦嶺 I 、 II 線單線

2、隧道。 20km 以上的長大隧道和水下鐵路隧道還是空白。因此，特長和超長隧道的設(shè)計理論和施工技術(shù)還有待開發(fā)、研究和提高。同時，對于為數(shù)眾多的 500m 以下的短隧道施工機械化程度還不高。對于隧道環(huán)境工程、防災(zāi)技術(shù)以及山區(qū)鐵路隧道普遍存在的各種地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)也許要研究和加強。隧道建設(shè)組織管理水平亟待提高，以適應(yīng)鐵路隧道高質(zhì)量高效率建設(shè)發(fā)展的需要。1.2 隧道概述蘭青二線2號隧道，全長1251m。隧道起訖里程：DK6+498 DK7+749,全長1251m,為雙線隧道，最大埋深約50m為直線隧道。1.2 工程地質(zhì)特征和水文地質(zhì)特征 洞身通過地層為白堊系砂巖夾泥巖，棕紅色，鈣質(zhì)弱膠結(jié)，巖質(zhì)軟弱，節(jié)

3、理較發(fā)育，巖體較破壞，巖石內(nèi)結(jié)構(gòu)不均勻。風(fēng)化層3.79.6cm。級硬土，0=300kpa。弱風(fēng)化層，級軟石，0=500kpa；出口陡坎頂部分布有上更新統(tǒng)粗礫土，級硬土。0=650kpa，進出口陡坎下分布有第四系全更新統(tǒng)坡積角礫土。級硬土。0=650kpa，洞身上覆蓋較厚的上更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土。級普通土，0=150kpa。勘測期間未見地下水，可不考慮地下水對工程的影響。2 洞門結(jié)構(gòu)的設(shè)計及檢算洞口是隧道進出的咽喉，又是隧道施工中的主要通道，洞口位置選的是否合理，將對隧道的施工工期、造價、運營安全等有重大的影響。所以在隧道的線路設(shè)計中，洞口位置的選擇是一項重要的工作。2.1 隧道洞門形式的選擇2.1.

4、1 設(shè)計原則由于隧道洞口所處的地形，地質(zhì)條件不同，隧道洞門的形式也有所不同。目前，鐵路隧道洞門主要有如下幾種形式：(1)環(huán)框式洞門：當洞口石質(zhì)堅硬，且地形陡峻無排水要求時，可僅修建洞口環(huán)框，以起到加固洞口和減少洞口雨后滴水的作用。(2)端墻式洞門：端墻式洞門是最常見的洞門。它適用于地形開闊，石質(zhì)較穩(wěn)定的地區(qū)，由端墻和洞門頂排水溝組成。端墻的作用是抵抗山體縱向推力及支持洞口正面上的仰坡。保持其穩(wěn)定。洞門頂排水溝用來將從仰坡流下來的地表雨水匯集后排走。(3)翼墻式洞門：當洞口地質(zhì)較差，山體縱向推力較大時，可以在端墻式洞門的單側(cè)或雙側(cè)設(shè)置翼墻。翼墻在正面起到抵抗山體縱向推力，增加洞門的抗滑及抗傾覆能

5、力的作用。兩側(cè)面保護路塹邊坡起擋土墻的作用。翼墻頂面與仰坡的延長面相一致，其上設(shè)置水溝，將洞門頂水溝匯集的地表水引至路塹側(cè)溝內(nèi)排走。(4)柱式洞門：當?shù)匦屋^陡，仰坡有下滑的可能，有受地形或地質(zhì)條件的限制，不能設(shè)置翼墻時，可在端墻中部設(shè)置2個或4個斷面較大的柱墩，以增加端墻的穩(wěn)定性。(5)臺階式洞門：當洞門位于傍山側(cè)坡地區(qū)，洞門一側(cè)較高時，為了提高靠山側(cè)仰坡刷坡起坡點，減少仰坡高度，可將端墻頂部改為逐漸升高的臺階形式，以適應(yīng)地形的特點，減少洞門圬工及仰坡開挖數(shù)量，這種洞門也能起到一定的美化作用。(6)斜交式洞門：當隧道洞口線路與地面等高線斜交時，為了縮短隧道長度，減少挖方數(shù)量，可采用平行于等高線

6、與線路成斜交的洞口，一般斜交式洞門與襯砌斜口段應(yīng)整體砌筑。由于斜交式洞門及襯砌斜口段的受力復(fù)雜，施工也不方便，所以只有在十分必要時才采用這種形式的洞門。2.1.2 洞門的選擇鑒于本隧道所處地形有邊坡，有仰坡，故該隧道洞門進口和出口均采用翼墻式洞門。2.2 洞門計算以西寧端(隧道出口)洞門為例，進行洞門結(jié)構(gòu)的檢算。2.2.1 基本計算數(shù)據(jù)隧道進口端圍巖級別為V級，由隧道規(guī)范可以查出：(1)地層特性：邊仰坡坡度1:1.25地層容重=18kN/m3計算摩擦角=45o基底摩擦系數(shù)f=0.4基底控制壓應(yīng)力=0.3MPa(2) 建筑材料容重和容許壓力：頂帽C20混凝土容重1=23kN/m3端、翼墻水泥砂漿

7、砌片石容重2=22kN/m3100號水泥砂漿砌片石容許壓應(yīng)力a=1.5MPa100號水泥砂漿砌片石容許壓應(yīng)力l=0.2MPa(3) 檢算端墻和翼墻應(yīng)力、偏心和穩(wěn)定性要求：墻身截面壓應(yīng)力a墻身截面偏心距e0.3b（b為端、翼墻厚度）基底壓力基底偏心ej滑動穩(wěn)定性系數(shù)Kc1.3傾覆穩(wěn)定性系數(shù)K01.52.2.2 洞門各部分尺寸的擬定 隧道進、出口端采用襯砌斷面加寬值為W=0,軌道類型選用重型(h2=0.80m),各部分尺寸見下圖： 圖2.1 洞門正面圖 根據(jù)洞門圖中所標注的尺寸可知：H=12.70m, Bm=7.36m, h=7.70m, h1=3.15m, h2=0.75m, h3=1.10m,

8、 hy=9.56m, ly=9.85m 圖2.2 洞門側(cè)視圖2.3 洞門檢算2.3.1翼墻墻身截面偏心、應(yīng)力驗算(1) 翼墻墻背主動土壓力E取距翼墻基底1.0m的截面為驗算截面，計算寬度取0.5m，翼墻計算高度h0為：hb= hy-(0.1 hy+0.25)1.25-1.10=9.56-(0.19.56+0.25)1.25-1.107.5m已知：=45o，tan=0.1，tan= 查得：tan=0.5273，=0.1566E=hb20.5=0.5187.520.1566 0.5=39.64kN(2) 傾覆力矩M0M0=Ehb=39.647.5=99.10kN(3) 穩(wěn)定力矩My1)墻身自重P

9、圖2.3 翼墻細部尺寸圖P=0.51.023-(0.4+0.5) 0.323+1.07.522+0.7(7.5-2.0)22+1.02.1180.5=11.5-3.11+165+84.7+37.8 0.5=5.75-1.56+82.5+42.35+18.9=147.94kN2)穩(wěn)定力矩MyMy=5.750.5+(7.5-0.25)0.1-1.560.5+(7.50-0.15)0.1+82.50.5+7.020.1+42.351.0+0.35+5.020.1+18.92.102-0.5 = 7.04-1.93+70.13+67.76+10.40=153.4kN.m(4) 截面偏心及應(yīng)力檢算C=0

10、.37me=-C=-0.37=0.48 0.3b=0.51(可)max=266.56kNm20.27MPaa=1.5MPa(可)(5) 翼墻基底偏心、應(yīng)力及穩(wěn)定性檢算1)墻背主動土壓力EE=(hb+1.10)20.5=188.620.15660.5=52.12kN2)傾覆力矩M0M0=E(hb+1.10)=52.128.60=149.41kN.m3)穩(wěn)定力矩My墻身自重PP=147.94+0.5(2.1+2.2)1.022=195.24kN穩(wěn)定力矩MyMy=5.750.5+(7.5-0.25)0.1+0.5-1.560.5+(7.50-0.15)0.1+0.5+82.50.5+7.020.1+

11、0.5 +42.351.0+0.35+5.020.1+0.5+18.92.102-0.5+0.5+33.40=9.92-2.71+111.38+88.94+19.85+33.40=260.78kN.m4)翼墻基底偏心及應(yīng)力檢算P=Pcos0+Esin0=195.24+52.12=194.27+5.18=199.46kNC=0.56me=-C=-0.56=0.49=0.53mmax=237.45 KNm20.24MPa1.5(可)滑動穩(wěn)定系數(shù)KcKc=2.461.3(可)2.3.2 端墻墻身截面偏心及應(yīng)力檢算(1)端墻墻背主動土壓力E端墻計算條帶寬度取0.5m，計算條帶高度為7.4m，計算條帶中

12、線距線路中線為5.68m。b=0.5+5.680.04=0.73ma=1.2-(0.73-0.5)1.25-1.1-0.5-0.3-(0.73-0.35)0.1=0.65m已知：tan=0.8,=38o40,tan=0.6526,=0.2235h0=0.57mH1=7.40-b-h0=7.40-0.73-0.57=6.10mH1+ h0=6.10+0.57=6.67mh4=1.18m1=H1=186.110.2235=24.54kN/m22=(h4- h0)=18(1.18-0.56)0.2235=2.45 kN/m23=2=2.45=13.85 kN/m2E=E1+ E1=(H1+ h0)

13、30.5+(H1+ h0- h4)(1-3)0.5=0.56.6713.850.5+0.55.4910.690.5=37.76kN(2)傾覆力矩M0M0=( H1+ h0) E1+( H1+ h0- h4) E2=6.6723.09+5.4914.67=54.32kN.m(3)穩(wěn)定力矩My1)墻身自重P 圖2.4 端墻尺寸圖P=(7.40-0.35)1.122-12(0.30.9022)-0.180.922-120.90.0922+0.60.3523-12 0.10.1230.5 = 170.61-2.97-3.56-0.89+4.83-0.120.5=85.31-1.49-1.78-0.45

14、+2.41-0.06=83.95kN2)穩(wěn)定力矩MyMy85.31(7.40-0.35)0.12+1.1276.99kN.m3)偏心應(yīng)力及檢算C=0.27me=-C=-0.27=0.280.3b=0.33mmax=199.91KN/m2=0.2MPa1.3(可)根據(jù)上述計算，隧道洞門結(jié)構(gòu)安全。3 利用fortran程序?qū)σr砌結(jié)構(gòu)進行檢算隧道襯砌結(jié)構(gòu)根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)方法(荷載-結(jié)構(gòu)模型)，假設(shè)襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖全面、緊密地接觸，采用主動荷載加被動荷載(彈性抗力)模式，按照彈性鏈杠法原理來計算襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。3.1圍巖壓力的計算3.1.1計算公式采用容許應(yīng)力法，計算雙線深埋隧道時圍巖壓力按松散壓力考慮，其

15、水平均布壓力的作用標準值可按垂直均布壓力公式及下表確定。(1) 垂直均布壓力q=hh=0.452s-1ww=1+i(B-5)式中， q圍巖垂直均布壓力(kPa) 圍巖重度(kNm3) i當B5m時，i取0.1 h圍巖壓力計算高度(m) s圍巖級別。(2) 水平均布壓力表3.1 圍巖水平均布壓力圍巖級別水平均布壓力05m, 則i=0.1,w=1+i(B-5)=1+0.1(11.22-5)=1.6h=0.452s-1w=0.4524-11.62=5.83mq=h=225.83=128.30kNm水平均布壓力e=0.2q=0.2128.30=25.66kNm故可作出級圍巖襯砌斷面受力圖如圖所示： 圖

16、3.1 級圍巖襯砌斷面受力圖(2) 級圍巖 取水平均布壓力系數(shù)為0.4，圍巖重度=18kNm3，可確定深埋隧道襯砌圍巖的松散壓力為：垂直均布壓力因為B=11.36m5m, 則i=0.1,w=1+i(B-5)=1+0.1(11.36-5)=1.64h=0.452s-1w=0.4525-11.64=11.81mq=h=1811.81=212.54kNm水平均布壓力 e=0.4q=0.4212.54=85.02kNm故可作出級圍巖襯砌斷面受力圖如圖所示:圖3.2 級圍巖襯砌斷面受力圖3.2 襯砌結(jié)構(gòu)及圍巖結(jié)構(gòu)的理想化隧道襯砌是實現(xiàn)拱式結(jié)構(gòu)，軸力和彎矩是主要內(nèi)力，可將其離散化為一些同時承受彎矩、剪力和

17、軸力的偏心受壓等直杠單元所組成的折線形組合體。由鐵路隧道設(shè)計規(guī)范可知，單線電氣化鐵路在進行節(jié)點劃分時，要不少于16個單元，在本設(shè)計中，把襯砌劃分為28個單元，節(jié)點數(shù)為29，隧道襯砌單元劃分如圖所示：圖3.3 隧道襯砌單元劃分示意圖將彈性抗力作用范圍內(nèi)的連續(xù)圍巖，離散為若干條彼此互不相關(guān)的矩形巖柱，巖柱具有彈性地基的性質(zhì)，采用局部變形理論的溫克爾假定，把每個巖柱理想化為一個剛性支座上的彈性鏈杠支撐于襯砌單元的節(jié)點上，它可以軸力的方式把巖柱的作用體現(xiàn)出來。彈性支撐的設(shè)置方向應(yīng)按照襯砌與圍巖的接觸狀態(tài)來確定，本文為了簡化計算，將彈性支撐水平設(shè)置。圍巖的理想化如圖所示： 圖3.4 圍巖的理想化3.3襯

18、砌內(nèi)力的確定按照彈性鏈杠法的基本原理進行襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算。本文利用給定的桿系有限元分析程序計算襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。3.3.1 級圍巖二襯(1) 數(shù)據(jù)的輸入29,17.5,1.5e6,85.02,212.54,2021 0.0,25000.0,0.8544.877,8.200,1,0,1,1,0.854 5.026,7.385,1,1,1,1,0.650 5.126,6.569,1,1,1,1,0.524 5.178,5.754,1,1,1,1,0.500 5.145,4.966,1,1,1,1,0.500 5.005,4.197,1,1,1,1,0.500 4.763,3.453,1,1,1,1

19、,0.500 4.423,2.750,1,1,1,1,0.500 3.990,2.098,1,1,1,1,0.500 3.472,1.512,1,1,1,1,0.500 2.880,1.001,0,1,1,1,0.500 2.225,0.575,0,1,1,1,0.500 1.519,0.259,0,1,1,1,0.500 0.771,0.065,0,1,1,1,0.500 0.000,0.000,0,1,1,1,0.500 -0.771,0.065,0,1,1,1,0.500 -1.519,0.259,0,1,1,1,0.500 -2.225,0.575,0,1,1,1,0.500 -2.8

20、80,1.001,0,1,1,1,0.500 -3.472,1.512,1,1,1,1,0.500 -3.990,2.098,1,1,1,1,0.500 -4.423,2.750,1,1,1,1,0.500 -4.763,3.453,1,1,1,1,0.500 -5.005,4.197,1,1,1,1,0.500 -5.145,4.966,1,1,1,1,0.500 -5.178,5.754,1,1,1,1,0.500 -5.126,6.569,1,1,1,1,0.524 -5.026,7.385,1,1,1,1,0.650 -4.877,8.200,1,0,1,1,0.854(2) 部分程序

21、運行結(jié)果： NODAL FORCE NO. N Q M 1 1219.031 -1132.622 -1.462 2 1207.794 -382.242 -12.144 3 1188.329 -308.900 -15.593 4 1175.349 -216.993 4.620 5 1166.549 -37.271 21.729 6 1157.550 152.456 22.999 7 1147.202 334.774 23.259 8 1134.023 520.762 24.358 9 1113.359 684.417 24.215 10 1080.968 777.456 17.286 11 10

22、36.669 768.539 4.885 12 987.866 651.158 -8.666 13 945.476 384.485 -26.480 14 917.052 15.301 -43.053 15 907.007 -370.479 -50.137 16 917.052 -647.490 -43.053 17 945.476 -789.522 -26.480 18 987.866 -786.642 -8.666 19 1036.669 -696.647 4.885 20 1080.968 -533.068 17.286 21 1113.359 -338.308 24.215 22 113

23、4.023 -151.768 24.358 23 1147.202 26.435 23.259 24 1157.550 198.261 22.999 25 1166.549 305.657 21.729 26 1175.349 277.341 4.620 27 1188.329 286.954 -15.593 28 1207.794 519.141 -12.144 29 1219.031 12.893 1.462 根據(jù)程序運行結(jié)果，做出隧道級圍巖襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖如下圖所示: 圖3.5 級圍巖結(jié)構(gòu)襯砌內(nèi)力圖(左側(cè)為軸力圖,單位kN,右側(cè)為彎矩圖，單位kN.m)3.3.2 級圍巖二襯(1) 數(shù)據(jù)的輸

24、入：29,21.5,3.6e6,25.66,128.30,2021 0.0,25000.0,0.7784.839,8.175,1,0,1,1,0.7784.992,7.366,1,1,1,1,0.5675.097,6.556,1,1,1,1,0.4675.153,5.747,1,1,1,1,0.4505.122,4.961,1,1,1,1,0.4504.985,4.193,1,1,1,1,0.4504.746,3.451,1,1,1,1,0.4504.408,2.749,1,1,1,1,0.4503.977,2.098,1,1,1,1,0.4503.463,1.513,1,1,1,1,0.45

25、02.873,1.002,0,1,1,1,0.4502.220,0.576,0,1,1,1,0.4501.516,0.259,0,1,1,1,0.4500.769,0.065,0,1,1,1,0.4500.000,0.000,0,1,1,1,0.450-0.769,0.065,0,1,1,1,0.450-1.516,0.259,0,1,1,1,0.450-2.220,0.576,0,1,1,1,0.450-2.873,1.002,0,1,1,1,0.450-3.463,1.513,1,1,1,1,0.450-3.977,2.098,1,1,1,1,0.450-4.408,2.749,1,1,1

26、,1,0.450-4.746,3.451,1,1,1,1,0.450-4.985,4.193,1,1,1,1,0.450-5.122,4.961,1,1,1,1,0.450-5.153,5.747,1,1,1,1,0.450-5.097,6.556,1,1,1,1,0.467-4.992,7.366,1,1,1,1,0.567-4.839,8.175,1,0,1,1,0.778(2) 部分程序運行結(jié)果：NODAL FORCENO. N Q M 1 774.819 -16278.807 -1.334 2 767.642 -3426.718 34.632 3 754.583 -1833.636 6

27、3.540 4 745.255 -987.800 99.436 5 737.920 20.405 124.059 6 727.576 979.474 129.204 7 712.036 1842.430 120.988 8 690.447 2498.046 100.271 9 661.464 2891.782 68.36310 624.930 2917.920 27.10211 583.023 2609.088 -19.32012 539.830 2021.641 -62.96513 501.328 1102.740 -101.819 14 474.753 25.777 -130.796 15

28、 465.339 -1072.918 -141.606 16 474.753 -1988.782 -130.796 17 501.328 -2645.713 -101.819 18 539.830 -2921.130 -62.965 19 583.023 -2889.508 -19.320 20 624.930 -2533.312 27.102 21 661.464 -1863.270 68.363 22 690.447 -1005.654 100.271 23 712.036 -26.629 120.988 24 727.576 974.450 129.204 25 737.920 1821

29、.337 124.059 26 745.255 2434.511 99.436 27 754.583 3787.594 63.540 28 767.642 8278.427 34.632 29 774.819 -43.684 1.334根據(jù)程序運行結(jié)果，做出隧道級圍巖襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖如下圖所示: (左側(cè)為軸力圖,單位kN,右側(cè)為彎矩圖，單位kN.m) 圖3.6 級圍巖結(jié)構(gòu)襯砌內(nèi)力圖(左側(cè)為軸力圖,單位kN,右側(cè)為彎矩圖，單位kN.m)3.4襯砌內(nèi)力檢算3.4.1強度檢算方法襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力算出后，必須進行隧道襯砌截面強度檢算，其強度檢算按破損階段法或容許應(yīng)立法進行。拱形隧道屬偏心受壓構(gòu)件，其截面強度

30、檢算 根據(jù)軸力偏心距e0=M/N的大小可分為兩種情況：(1) 抗壓強度控制(e00.2d)混凝土結(jié)構(gòu)的強度可按下式計算： K=式中， Ra混泥土或砌體的抗壓極限強度，可分別按規(guī)范中的表5.3.1或表5.3.7采用。 K安全系數(shù)，按規(guī)范表11.1.11采用。 N軸向力(MN) b截面的寬度(m) h截面的厚度(m) 構(gòu)件的縱向彎曲系數(shù)：對于隧道襯砌、明洞拱圈及墻背緊密回填的邊墻，可取=1.0 軸向力的偏心影響系數(shù)，按規(guī)范表10.2.13采用，或按公式計算： =1.000+0.648()-12.569()2+15.444()3(2) 抗拉強度控制(e00.2d)混凝土結(jié)構(gòu)的強度可按下式計算： K=

31、式中，R1混凝土的抗拉極限強度，按規(guī)范表5.3.1采用。 e0截面偏心距(m) 其他符號意義同前。3.4.2 強度檢算：按照上述混泥土襯砌界面強度檢算方法，利用execl表格進行檢算，其中，混凝土達到抗壓或抗剪極限強度時K=2.0，混凝土達到抗拉極限強度時K=2.4，據(jù)此分別作出隧道級圍巖和級圍巖的檢算結(jié)果如下：表3.2 級圍巖檢算表表3.3 級圍巖檢算表4 襯砌及圍巖結(jié)構(gòu)的ANSYS有限元分析有限元是一種離散化的數(shù)值解法，對于結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的分析而言，它的理論基礎(chǔ)是能量原理，得到的方程組中所含未知數(shù)的性質(zhì)有三種情況：一種是以位移作為未知量的分析法，這種情況稱位移法。位移法采用最小位能原理或虛位

32、移原理進行分析；另一種是以應(yīng)力為未知量的分析法，稱作應(yīng)力法。應(yīng)力解法常采用最小余能原理進行分析；第三種是以一部分位移和一部分應(yīng)力作為未知量的分析法，屬于位移法、應(yīng)力法，稱為混合法，采用修正的能量原理進行分析。通過上述分析介紹可知，虛位移原理或最小位能原理、最小余能原理是有限元的又一重要理論基礎(chǔ)。有限元法的模擬能力強，可以考慮巖土介質(zhì)的非均質(zhì)性、各向異性、非連續(xù)性和材料與幾何非線性等等，且能適用于各種實際的邊界條件。有限元法的缺點是需要將整個物理系統(tǒng)離散成有限自由度的計算模型，并進行分片插值，數(shù)據(jù)量大，耗時長，精度相對較低。有限元法是把要分析的連續(xù)體假想地分割成有限個單元所組成的組合體，簡稱離散

33、化。這些單元僅在頂角處相互聯(lián)接，稱這些聯(lián)接點為結(jié)點。離散化的組合體與真實彈性體的區(qū)別在于：組合體中單元與單元之間的聯(lián)接除了結(jié)點之外再無任何關(guān)聯(lián)。但是這種聯(lián)接要滿足變形協(xié)調(diào)條件，即不能出現(xiàn)裂縫，也不允許發(fā)生重疊。顯然，單元之間只能通過結(jié)點來傳遞內(nèi)力。通過結(jié)點來傳遞的內(nèi)力稱為結(jié)點力，作用在結(jié)點上的荷載稱為結(jié)點荷載。當連續(xù)體受到外力作用發(fā)生變形時，組成它的各個單元也將發(fā)生變形，因而各個結(jié)點要產(chǎn)生不同程度的位移，這種位移稱為結(jié)點位移。在有限元中，常以結(jié)點位移作為基本未知量。并對每個單元根據(jù)分塊近似的思想，假設(shè)一個簡單的函數(shù)近似地表示單元內(nèi)位移的分布規(guī)律，再利用力學(xué)理論中的變分原理或其他方法，建立結(jié)點力

34、與位移之間的力學(xué)特性關(guān)系，得到一組以結(jié)點位移為未知量的代數(shù)方程，從而求解結(jié)點的位移分量。然后利用插值函數(shù)確定單元集合體上的場函數(shù)。顯然，如果單元滿足問題的收斂性要求，那么隨著縮小單元的尺寸，增加求解區(qū)域內(nèi)單元的數(shù)目，解的近似程度將不斷改進，近似解最終將收斂于精確解。4.1 級圍巖ANSYS分析 根據(jù)鐵路隧道設(shè)計規(guī)范中對在五級圍巖中深埋隧道覆蓋厚度值的規(guī)定，級圍巖段隧道埋深厚度區(qū)40m，左右各取50m，向下取50m的范圍的區(qū)域建立模型分析內(nèi)力。圖4.1 CAD圖 圖4.2有限元模型圖 圖4.3 地層變形圖 圖4.3 彎矩圖 圖4.4 軸力圖圖4.6 剪力圖表4.1 級圍巖安全系數(shù)計算表.4.2

35、級圍巖ANSYS分析 根據(jù)鐵路隧道設(shè)計規(guī)范中對在四級圍巖中深埋隧道覆蓋厚度值的規(guī)定，級圍巖段隧道埋深厚度區(qū)25m，左右各取45m，向下取45m的范圍的區(qū)域建立模型分析內(nèi)力。圖4.7 CAD圖圖4.8 有限元模型圖 圖4.9 地層變形圖 圖4.10 軸力圖 圖4.11 彎矩圖圖4.12 剪力圖表4.2 級圍巖檢算表5 蘭青二線二號隧道進口實施性施工組織設(shè)計5.1 編制依據(jù)及編制范圍5.1.1 編制依據(jù)(1)蘭青二線二號隧道襯砌圖洞門圖。(2)業(yè)主關(guān)于蘭青二線二號隧道工程工期要求。(3)鐵道部現(xiàn)行施工技術(shù)規(guī)范、規(guī)則、規(guī)定以及施工定額。(4)當?shù)貧夂颦h(huán)境及現(xiàn)場踏勘資料。(5)本單位綜合管理、施工技術(shù)

36、和機械裝備水平以及類似工程施工中的 經(jīng)驗和工法成果5.1.2編制范圍 蘭青二線二號隧道進口段，里程DK6+498 DK6+749,長1251m5.2工程概述5.2.1工程概況蘭青二線二號隧道起訖里程：DK6+498 DK7+749,全長1251m,為雙線隧道，最大埋深約50m.為直線隧道。表5.1 圍巖分布見下表：序號起點里程終點里程長度圍巖級別1DK6+498DK6+525272DK6+525DK7+74312183DK7+743DK7+74965.2.2工程地質(zhì)和水文地質(zhì)特征：(1) 工程地質(zhì)特征 工程地質(zhì)特征：洞身通過地層為白堊系砂巖夾泥巖，棕紅色，鈣泥質(zhì)弱膠結(jié)，巖質(zhì)較軟，節(jié)理較發(fā)育，巖

37、體較破碎，巖石內(nèi)結(jié)構(gòu)不均勻，風(fēng)化層3.79.6m，級硬土，0=300KPa，弱風(fēng)化層，級軟石，0=500KPa，出口陡坎頂部分布由上更新統(tǒng)粗礫土，級硬土，0=650KPa，進出口陡坎下分布有薄層第四系全更新統(tǒng)坡積角礫土，級硬土，0=650KPa。洞身上覆蓋有較厚的上更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土，級普通土，0=150KPa.(2) 地質(zhì)構(gòu)造工程范圍內(nèi)地層結(jié)構(gòu)簡單，斷裂褶皺構(gòu)造不發(fā)育，涇河下切強烈，新生代以來構(gòu)造運動以整體抬升為主，河流階地發(fā)育，隧道范圍無斷裂和褶皺構(gòu)造，以水平巖層為主。(3) 水文地質(zhì)勘察期間未見地下水，故可不考慮地下水對工程的影響。(4) 防排水設(shè)計防排水設(shè)計：洞內(nèi)設(shè)置雙側(cè)保溫水溝，拱墻背后

38、設(shè)厚度不小于1.2mm的防水板，板后鋪設(shè)無紡布緩沖層，拱墻環(huán)向墻腳縱向設(shè)盲管（溝），墻腳縱向設(shè)80mm軟式透水管盲溝與環(huán)向盲溝聯(lián)通，通過邊墻泄水孔排入洞內(nèi)側(cè)溝。施工縫設(shè)外貼止水帶加中埋式止水條（帶）構(gòu)成復(fù)合防水構(gòu)造，變形縫采用由中埋式止水帶與外貼式止水帶、嵌縫材料構(gòu)成復(fù)合防水構(gòu)造，縱向施工縫設(shè)中埋剛型止水帶和外貼式止水帶。(5) 特殊巖土隧道通過區(qū)泥巖具弱膨脹性。砂巖的膠結(jié)能力較弱。圍巖不穩(wěn)定。5.2.3氣象資料該地區(qū)總體來說氣候干燥，降水較少，晝夜溫差大，大陸性較強。冬季比較寒冷，春季多沙塵暴，夏季氣候相對涼爽。由于該地區(qū)部分屬于溫帶大陸性氣候，氣候特征概括起來就是：冬冷夏熱，年溫差大，降水

39、集中，四季分明，年降雨量較少，大陸性強。干燥少雨，氣候呈極端。氣溫的年、日較差也越大，夏季高溫，冬季寒冷，全年降水少，降水主要集中在夏季。5.2.4 施工環(huán)境(1) 交通條件及場地布置施工場地交通較為不便，交通狀況較差，便道引入困難。結(jié)合現(xiàn)場地形,工程規(guī)模,工期,地形特點,棄渣場和水源等情況,本著因地制宜,充分利用地形,合理布置,統(tǒng)籌安排的原則進行。合理布置大堆材料、施工備品及回收材料堆放場地的位置。運輸便道、場區(qū)道路和臨時排水設(shè)施等，要統(tǒng)一規(guī)劃，做到合理布局、形成網(wǎng)絡(luò)。棄渣場地要容量足夠，且出渣運輸方便。(2) 電力供應(yīng)該地電力供應(yīng)較為不便，需額外引入。(3) 水源隧道洞口明渠內(nèi)長年流水，水

40、質(zhì)較好，施工用水可就近利用。5.2.5 工程重、難點分析及應(yīng)對措施 本隧道所處地段圍巖較為破碎，故應(yīng)采取超前支護手段進行加固，在開挖時，利用光面爆破的爆破方法進行爆破開挖。隧道開挖方法使用新奧法進行開挖。5.3 施工總體方案隧道施工嚴格按照“新奧法”的施工原理進行施工，以控制爆破或機械開挖為主要掘進手段，以錨桿噴射混凝土為主要支護方法，把理論量測和經(jīng)驗相結(jié)合。及時支護，充分利用圍巖的自穩(wěn)性，提高圍巖與支護結(jié)構(gòu)的共同作用。施工過程中，執(zhí)行“短進尺、弱爆破、強支護、早封閉、勤量測”的施工原則。及時進行封閉。總之，在施工中，必須遵循的基本原則是“少擾動早噴錨勤量測緊封閉”：(1)圍巖是隧道的主要承載

41、單元，要在施工中充分保護和愛護圍巖。(2)為了充分發(fā)揮圍巖的結(jié)構(gòu)作用，應(yīng)容許圍巖發(fā)生可控制的變形。(3)變形的控制主要是通過支護阻力(即各種支護結(jié)構(gòu))的效應(yīng)達到的。(4)在施工中，必須進行實地量測控制，及時提出可靠的數(shù)量足夠的量測信息，以指導(dǎo)施工和設(shè)計。(5)在選擇支護手段時，一般應(yīng)選擇能大面積牢固的與圍巖緊密接觸的能及時施設(shè)和應(yīng)變能力強的支護手段。(6)要特別注意，隧道施工過程是圍巖力學(xué)狀態(tài)不斷變化的過程。(7)在任何情況下，使隧道斷面能在較短時間內(nèi)閉合是極為重要的。(8)在隧道施工中，必須建立設(shè)計施工檢驗地質(zhì)預(yù)測量測反饋修正設(shè)計一體化施工管理系統(tǒng)，以不斷提高和完善隧道施工技術(shù)。根據(jù)工程實際

42、情況，安排一支專業(yè)隧道施工隊伍，釆用鉆爆法從隧道進口單口掘進。由于開挖部分的巖性較差，故不采用全斷面開挖法，而采用長臺階開挖法。其開挖的作業(yè)順序為：上半斷面開挖：(1)用兩臂鉆孔臺車鉆眼，裝藥爆破，在地層較軟處利用挖掘機或人工開挖。(2)安設(shè)錨桿和鋼筋網(wǎng)，必要時可加設(shè)鋼支撐，噴射混凝土。(3)用推鏟機將石渣推運到臺階下，再由裝載機裝入車內(nèi)運至洞外。(4)根據(jù)支護結(jié)構(gòu)形成閉合斷面的時間要求，必要時在開挖上半斷面后，可建筑臨時底拱，形成上半斷面的臨時閉合結(jié)構(gòu)，然后在開挖下半斷面時再將臨時底拱挖掉。下半斷面開挖：(1)用兩臂鉆孔臺車鉆眼，裝藥爆破，裝渣直接運至洞外。(2)安設(shè)邊墻錨桿(必要時)和噴混

43、凝土。(3)用反鏟挖掘機開挖水溝，噴底部混凝土，澆筑水溝。5.4 隧道洞口施工洞口開挖前作好天溝等防排水設(shè)施，再行開挖邊仰坡，洞門土石方應(yīng)嚴格按自上而下的開挖順序，邊開挖，邊支護，邊驗收，在洞門部位爆破，應(yīng)根據(jù)實測地形地質(zhì)條件分析，確定包括鉆孔機具、鉆孔參數(shù)、炸藥和雷管參數(shù)在內(nèi)的作業(yè)計劃，合理確定爆破作業(yè)的孔距、排距、爆破孔方向等參數(shù)，盡可能減少對邊坡的破壞，保證成洞圍巖不被破壞。為防止地表水流向洞口，需設(shè)置排水天溝，將水排向洞口兩側(cè)底部，避免地表水沿洞門邊坡漫流。洞門邊坡支護采用錨桿和噴射砼進行支護，必要時增加鋼筋網(wǎng)噴射砼支護，覆蓋層土開挖采用人工自上而下，巖石開挖，采用風(fēng)鉆鉆眼，空壓站供風(fēng)

44、，2#巖石安全炸藥爆破，塑料導(dǎo)爆管起爆，自上而下分層開挖。盡早修建洞門，以策安全。5.5 超前支護及初期支護5.5.1初期支護(1) 施工準備在噴射砼前28天，把噴射砼場地布置圖、機具、操作方法、混合料配合比及外摻劑等，做成詳細報告，提交監(jiān)理工程師，報請批準。(2) 噴射混凝土1)噴射混凝土準備工作在噴射砼前，檢查隧道開挖凈空尺寸，鑿除欠挖部分，對噴射面所有的開裂，崩解破損巖面進行清除和處理；在噴射砼現(xiàn)場備一臺備用濕噴機，以備在機械現(xiàn)場故障時即可投入使用。2)噴射混凝土初噴：清理噴射面后，用高壓風(fēng)、水沖洗巖面，然后采用濕噴機進行噴射砼作業(yè)，噴射時，噴嘴正對受噴面作均勻順時針方向螺旋轉(zhuǎn)動，螺旋直

45、徑2030cm，以使砼噴射密實。當巖面有較大坑洼時，先噴凹處，然后噴平。初噴厚度，摻速凝劑時達到23cm，噴射時，可插入比噴射砼厚度大5cm鐵線，約12m設(shè)一根，作施工控制之用。復(fù)噴：復(fù)噴在初噴終凝、工字鋼拱架架立并固定好后進行，如時間超過1小時，受噴面用風(fēng)、水清洗。其噴射砼方法與初噴時相同。初噴、復(fù)噴砼的回彈物均不得重復(fù)使用。如受噴面有水時，必須根據(jù)試驗結(jié)果增添外摻劑。噴射砼終凝時，即開始灑水養(yǎng)護，養(yǎng)護時間保持14天以上。(3) 錨桿隧道錨桿均采用系統(tǒng)錨桿，錨桿長度L=400cm；環(huán)向間距0.75m，縱向間距0.75m，呈梅花形布置。錨桿均在初噴砼后進行打設(shè)安裝。施工時，錨桿采用風(fēng)鉆鉆眼，其

46、眼口圓順且孔口巖面平整，并盡量使巖面與鉆孔方向垂直，眼鉆完后用高壓風(fēng)清孔，并將錨桿邊旋轉(zhuǎn)邊送入眼孔，檢查眼孔是否平直暢通，不合格者重新鉆眼。在合格的眼孔中插入裝好錨頭的錨桿，安裝止?jié){塞、墊板、螺母，錨桿安裝后外露長度60mm，采用KBY50/70型或性能類似的注漿泵注水泥砂漿，注漿時注意將眼孔中的氣體排出，注漿壓力控制在0.51.0Mpa，并保證錨固段注漿飽滿。(4) 鋼筋網(wǎng)本隧道鋼筋網(wǎng)采用環(huán)向、縱向8圓鋼，網(wǎng)格2020cm，全斷面(不包括仰拱)設(shè)置。在初噴后安裝，鋼筋網(wǎng)緊貼受噴巖面的起伏鋪設(shè)。鋼筋網(wǎng)的混凝土保護層不小于20mm，且與錨桿連接牢固，在進行噴射作業(yè)時不顫動。(5) 鋼構(gòu)件支撐本隧道鋼構(gòu)件采用I20a鋼支撐，間距60cm或75cm；制作時，先在平滑的地板上放出鋼構(gòu)件1：1大樣圖，然后根據(jù)大樣進行鋼構(gòu)件的加工制作。加工前對所用的鋼材進行除銹，對銹蝕比較嚴重的嚴禁使用。安裝時應(yīng)分片進行，清除安裝鋼構(gòu)件部位開挖面的松動巖石和斷面內(nèi)的欠挖部分。然后按測量工定出的位置進行安裝，安裝時嚴格按測量放樣的位置進行。鋼架安裝要點：1)安裝前分批檢查驗收加工質(zhì)量；2)鋼拱架的拱腳應(yīng)有一定的埋置深度，并必須落在原狀土上；3)清除干凈腳底處浮渣，超挖處加設(shè)鋼(木)墊塊，其中間段接頭板用砂子埋??；以防砼堵塞接頭板螺栓孔；4)按設(shè)計焊接定位系