黄土隧道是如何建成的?


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  黄土隧道

  黄土隧道的施工方法与工程实践

  进入21世纪,地下工程建设任重道远,在我国公路建设中,越岭长隧道成为不可或缺的组成部分。由于其具有缩短线路、改善线形、保护环境等多种优点,越岭长隧道在各类运输方式中有着不可替代的作用。

  

  图片来源:pixabay

  隧道工程广泛应用于铁路、公路、矿井和水利等工程建设的诸多领域。根据用途,可以将隧道分为铁路隧道、公路隧道、煤炭和金属等矿山运输的巷道和洞室、水工隧道、军工工程和人民防空用地下通道和洞库、市政隧道和窑洞等。隧道工程结构由人工衬砌和天然围岩共同构成,围岩是主要承载体。由于在地质作用下形成的历史时期不同,可以将天然围岩分为岩体围岩和土体围岩。在工程建设高速发展的时代,隧道结构工程面临着重大的机遇和挑战,岩体围岩隧道和土体围岩隧道建设均取得迅猛发展。

  气候环境的变化促使黄土的形成。黄土广泛分布于中国、美国的中西部和俄罗斯的南部等世界许多地区,总面积约1300万 km2,占陆地面积的9.3%。我国黄土地区总面积达 63.1 万 km2,主要分布在陕西、山西、河南、河北、山东、内蒙古、辽宁、吉林、新疆、青海、甘肃、宁夏等12个省和自治区,占我国国土面积的 6.6%左右,其中黄土最厚的区域在黄河支流——泾河与洛河流域的中游甘陕地区 。黄土可分为老黄土和新黄土。老黄土由早更新世的午城黄土(Q1 )和中更新世的离石黄土(Q2 )组成,一般不具有湿陷性。新黄土由晚更新世马兰黄土(Q3 )和全新世的新近堆积黄土(Q4 )组成,都具有湿陷性。随着我国交通建设的迅速发展和西部大开发的不断深入,黄土围岩隧道已经成为土体围岩隧道的重要组成部分,并广泛应用于铁路、公路、城市地下工程、水利、矿山建设、军事和人防等工程建设之中。

  改革开放 40 年来,公路建设迅猛发展,高等级公路的快速发展,更使得公路中隧道的数量与规模迅速增加,施工技术也日益成熟。随着西部大开发战略的实施,我国西部地区的公路网路建设初具规模,但与东南地区的交通网络相比仍有较大差距。由于黄土分布的广泛性和典型的工程特性,想要弥补这一差距,就不得不考虑提高黄土隧道的施工技术。黄土结构较为松散,且遇水迅速失去强度,因而受到学术界及工程界的广泛重视。

  我国黄土隧道的修建起步较晚,基本借鉴了铁路隧道在此方面已有的科研成果,《铁路工程设计手册》规定,对黄土区浅埋隧道围岩压力采用谢家烋公式进行计算,而深埋隧道采用修正卡柯公式进行计算,并指出对黄土区隧道不宜按计算摩擦角或围岩类别确定隧道围岩压力,应根据实测的黄土物理力学指标进行设计。黄土隧道,特别是大跨径、大断面隧道,其防水等级较高,面对黄土强度较低的情况时是否应该在施工时考虑开挖扰动变形大的特点?黄土隧道广泛采用的两层衬砌中每个组成部分的荷载特性如何?黄土隧道施工与其结构形式及参数选取有何关联?现有的设计施工方法合理性及经济性如何?一系列的问题都值得工程界及学术界研究探讨。本书将针对以上亟待解决的问题,介绍作者多年来的相关研究成果及研究思路。

  全书共6章,第1章为绪论,介绍国内外研究现状及隧道断面的分类;第2章为黄土隧道的施工方法,介绍目前各类断面下黄土隧道常用的施工方法;第 3 章为中断面黄土隧道的施工方法,主要对中断面黄土隧道全断面开挖法、上下台阶法、台阶分部开挖法、CD法等施工方法下的地表变形和拱顶下沉、控制点位移、安全系数及施工特点进行分析;第 4 章为大断面黄土隧道的施工方法,主要对大断面黄土隧道中台阶分部开挖法、单侧壁导坑开挖法、CD 开挖法、CRD 开挖法、双侧壁导坑开挖法的地表变形和拱顶下沉、控制点位移等进行分析;第 5 章为特大断面黄土隧道的施工方法,主要对 CD 法、CRD 法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、三台阶七步开挖法等施工方法的围岩位移及安全系数进行分析;第6章为黄土隧道动态施工实例,主要分析了天平铁路隧道施工中的黄土隧道,包括牛头山黄土隧道和方家湾黄土隧道。

  正文展示

  

  本书目录

  目录

  前言

  第1章 绪论 1

  1.1 引言 1

  1.2 黄土隧道施工方法2

  1.3 黄土隧道国内外研究现状 3

  1.3.1 黄土隧道开挖方法的研究现状 3

  1.3.2 黄土隧道地震作用下稳定性的研究现状 4

  1.4 隧道断面的分类 5

  1.5 本书的主要内容 6

  参考文献 6

  第2章 黄土隧道的施工方法 8

  2.1 概述 8

  2.2 全断面开挖法 10

  2.3 台阶法 11

  2.4 单侧壁导坑法 13

  2.5 中隔壁法 13

  2.6 交叉中隔壁法 15

  2.7 双侧壁导坑法 16

  2.8 环形开挖预留核心土法 17

  2.9 本章小结 19

  参考文献 19

  第3章 中断面黄土隧道的施工方法 21

  3.1 概述 21

  3.2 基本理论 22

  3.2.1 中断面黄土隧道概述 22

  3.2.2 抗剪强度折减法及收敛准则 22

  3.2.3 一致边界条件 24

  3.2.4 屈服条件和破坏准则 26

  3.2.5 弹性常数对地震动安全系数的影响 27

  3.3 计算模型及参数 29

  3.3.1 计算模型 29

  3.3.2 计算参数 29

  3.4 模拟过程及结果分析 30

  3.4.1 全断面开挖法 30

  3.4.2 上下台阶法 32

  3.4.3 台阶分部开挖法 37

  3.4.4 CD法 44

  3.5 安全系数 56

  3.5.1 全断面开挖法 56

  3.5.2 上下台阶法 58

  3.5.3 台阶分部开挖法 60

  3.5.4 CD法 63

  3.6 结果比较 65

  3.7 本章小结 66

  参考文献66

  第4章 大断面黄土隧道的施工方法 68

  4.1 概述 68

  4.1.1 分析模型 68

  4.1.2 计算采用的准则 69

  4.1.3 计算参数 69

  4.1.4 计算步骤和控制点 69

  4.2 台阶分部开挖法的动态数值模拟 70

  4.2.1 上部弧形导坑开挖计算结果及分析 70

  4.2.2 核心土开挖后计算结果及分析 73

  4.2.3 下部台阶开挖后计算结果及分析 75

  4.2.4 开挖结束后控制点位移 77

  4.3 单侧壁导坑开挖法的动态数值模拟 78

  4.3.1 先行导坑上部开挖计算结果及分析 78

  4.3.2 先行导坑下部开挖计算结果及分析 81

  4.3.3 后行洞上部开挖计算结果及分析 83

  4.3.4 后行洞下部开挖计算结果及分析 85

  4.3.5 临时支撑拆除后开挖计算结果及分析 87

  4.3.6 开挖结束后控制点位移 90

  4.4 CD开挖法的动态数值模拟 90

  4.4.1 先行导坑上部开挖计算结果及分析 91

  4.4.2 先行导坑下部开挖计算结果及分析 93

  4.4.3 后行洞上部开挖计算结果及分析 95

  4.4.4 后行洞下部开挖计算结果及分析 97

  4.4.5 临时钢支撑拆除后计算结果及分析 100

  4.4.6 开挖结束后控制点位移 102

  4.5 CRD开挖法的动态数值模拟 102

  4.5.1 先行导坑上部开挖计算结果及分析 103

  4.5.2 先行导坑下部开挖计算结果及分析 105

  4.5.3 后行洞上部开挖计算结果及分析 107

  4.5.4 后行洞下部开挖计算结果及分析 109

  4.5.5 临时钢支撑拆除后计算结果及分析 112

  4.5.6 开挖结束后控制点位移 114

  4.6 双侧壁导坑开挖法的动态数值模拟 114

  4.6.1 先行导坑开挖后计算结果及分析 114

  4.6.2 后行导坑开挖后计算结果及分析 117

  4.6.3 中部上半断面开挖后计算结果及分析 119

  4.6.4 中部下半断面开挖后计算结果及分析 121

  4.6.5 临时钢支撑拆除后计算结果及分析 124

  4.6.6 开挖结束后控制点位移 126

  4.7 本章小结 126

  参考文献 127

  第5章 特大断面黄土隧道的施工方法 128

  5.1 概述 128

  5.2 计算模型的建立 128

  5.2.1 计算模型 128

  5.2.2 单元选择 129

  5.2.3 网格划分 129

  5.2.4 计算参数 130

  5.2.5 加载与求解 130

  5.3 计算结果及结果分析 132

  5.3.1 CD法 132

  5.3.2 CRD法 149

  5.3.3 单侧壁导坑法 166

  5.3.4 双侧壁导坑法 179

  5.3.5 三台阶七步开挖(预留核心土)法 202

  5.3.6 三台阶七步开挖(预挖核心土)法 221

  5.4 安全系数 240

  5.4.1 CD法 240

  5.4.2 CRD法 241

  5.4.3 单侧壁导坑法 243

  5.4.4 双侧壁导坑法 244

  5.4.5 三台阶七步开挖(预留核心土)法 245

  5.4.6 三台阶七步开挖(预挖核心土)法 246

  5.4.7 安全系数 248

  5.4.8 开挖结束后控制点位移 248

  5.5 本章小结 248

  参考文献 249

  第6章 黄土隧道动态施工实例 250

  6.1 概述 250

  6.2 牛头山黄土隧道动态施工数值仿真 251

  6.2.1 分析模型 251

  6.2.2 计算参数 251

  6.2.3 模拟过程及结果分析 251

  6.2.4 安全系数 257

  6.3 方家湾黄土隧道动态施工数值仿真 259

  6.3.1 分析模型 259

  6.3.2 计算参数 260

  6.3.3 模拟过程及结果分析 260

  6.3.4 施工结束后控制点位移 278

  6.3.5 安全系数 278

  6.4 本章小结 279

  参考文献 280

  本文摘选自程选生著《黄土隧道的施工方法与工程实践》一书。内容有删节,标题为编者所加。

  

  《黄土隧道的施工方法与工程实践》

  程选生 著

  北京:科学出版社, 2019.6

  

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  黄土隧道

  黄土隧道的施工方法与工程实践

  进入21世纪,地下工程建设任重道远,在我国公路建设中,越岭长隧道成为不可或缺的组成部分。由于其具有缩短线路、改善线形、保护环境等多种优点,越岭长隧道在各类运输方式中有着不可替代的作用。

  

  图片来源:pixabay

  隧道工程广泛应用于铁路、公路、矿井和水利等工程建设的诸多领域。根据用途,可以将隧道分为铁路隧道、公路隧道、煤炭和金属等矿山运输的巷道和洞室、水工隧道、军工工程和人民防空用地下通道和洞库、市政隧道和窑洞等。隧道工程结构由人工衬砌和天然围岩共同构成,围岩是主要承载体。由于在地质作用下形成的历史时期不同,可以将天然围岩分为岩体围岩和土体围岩。在工程建设高速发展的时代,隧道结构工程面临着重大的机遇和挑战,岩体围岩隧道和土体围岩隧道建设均取得迅猛发展。

  气候环境的变化促使黄土的形成。黄土广泛分布于中国、美国的中西部和俄罗斯的南部等世界许多地区,总面积约1300万 km2,占陆地面积的9.3%。我国黄土地区总面积达 63.1 万 km2,主要分布在陕西、山西、河南、河北、山东、内蒙古、辽宁、吉林、新疆、青海、甘肃、宁夏等12个省和自治区,占我国国土面积的 6.6%左右,其中黄土最厚的区域在黄河支流——泾河与洛河流域的中游甘陕地区 。黄土可分为老黄土和新黄土。老黄土由早更新世的午城黄土(Q1 )和中更新世的离石黄土(Q2 )组成,一般不具有湿陷性。新黄土由晚更新世马兰黄土(Q3 )和全新世的新近堆积黄土(Q4 )组成,都具有湿陷性。随着我国交通建设的迅速发展和西部大开发的不断深入,黄土围岩隧道已经成为土体围岩隧道的重要组成部分,并广泛应用于铁路、公路、城市地下工程、水利、矿山建设、军事和人防等工程建设之中。

  改革开放 40 年来,公路建设迅猛发展,高等级公路的快速发展,更使得公路中隧道的数量与规模迅速增加,施工技术也日益成熟。随着西部大开发战略的实施,我国西部地区的公路网路建设初具规模,但与东南地区的交通网络相比仍有较大差距。由于黄土分布的广泛性和典型的工程特性,想要弥补这一差距,就不得不考虑提高黄土隧道的施工技术。黄土结构较为松散,且遇水迅速失去强度,因而受到学术界及工程界的广泛重视。

  我国黄土隧道的修建起步较晚,基本借鉴了铁路隧道在此方面已有的科研成果,《铁路工程设计手册》规定,对黄土区浅埋隧道围岩压力采用谢家烋公式进行计算,而深埋隧道采用修正卡柯公式进行计算,并指出对黄土区隧道不宜按计算摩擦角或围岩类别确定隧道围岩压力,应根据实测的黄土物理力学指标进行设计。黄土隧道,特别是大跨径、大断面隧道,其防水等级较高,面对黄土强度较低的情况时是否应该在施工时考虑开挖扰动变形大的特点?黄土隧道广泛采用的两层衬砌中每个组成部分的荷载特性如何?黄土隧道施工与其结构形式及参数选取有何关联?现有的设计施工方法合理性及经济性如何?一系列的问题都值得工程界及学术界研究探讨。本书将针对以上亟待解决的问题,介绍作者多年来的相关研究成果及研究思路。

  全书共6章,第1章为绪论,介绍国内外研究现状及隧道断面的分类;第2章为黄土隧道的施工方法,介绍目前各类断面下黄土隧道常用的施工方法;第 3 章为中断面黄土隧道的施工方法,主要对中断面黄土隧道全断面开挖法、上下台阶法、台阶分部开挖法、CD法等施工方法下的地表变形和拱顶下沉、控制点位移、安全系数及施工特点进行分析;第 4 章为大断面黄土隧道的施工方法,主要对大断面黄土隧道中台阶分部开挖法、单侧壁导坑开挖法、CD 开挖法、CRD 开挖法、双侧壁导坑开挖法的地表变形和拱顶下沉、控制点位移等进行分析;第 5 章为特大断面黄土隧道的施工方法,主要对 CD 法、CRD 法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、三台阶七步开挖法等施工方法的围岩位移及安全系数进行分析;第6章为黄土隧道动态施工实例,主要分析了天平铁路隧道施工中的黄土隧道,包括牛头山黄土隧道和方家湾黄土隧道。

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  本书目录

  目录

  前言

  第1章 绪论 1

  1.1 引言 1

  1.2 黄土隧道施工方法2

  1.3 黄土隧道国内外研究现状 3

  1.3.1 黄土隧道开挖方法的研究现状 3

  1.3.2 黄土隧道地震作用下稳定性的研究现状 4

  1.4 隧道断面的分类 5

  1.5 本书的主要内容 6

  参考文献 6

  第2章 黄土隧道的施工方法 8

  2.1 概述 8

  2.2 全断面开挖法 10

  2.3 台阶法 11

  2.4 单侧壁导坑法 13

  2.5 中隔壁法 13

  2.6 交叉中隔壁法 15

  2.7 双侧壁导坑法 16

  2.8 环形开挖预留核心土法 17

  2.9 本章小结 19

  参考文献 19

  第3章 中断面黄土隧道的施工方法 21

  3.1 概述 21

  3.2 基本理论 22

  3.2.1 中断面黄土隧道概述 22

  3.2.2 抗剪强度折减法及收敛准则 22

  3.2.3 一致边界条件 24

  3.2.4 屈服条件和破坏准则 26

  3.2.5 弹性常数对地震动安全系数的影响 27

  3.3 计算模型及参数 29

  3.3.1 计算模型 29

  3.3.2 计算参数 29

  3.4 模拟过程及结果分析 30

  3.4.1 全断面开挖法 30

  3.4.2 上下台阶法 32

  3.4.3 台阶分部开挖法 37

  3.4.4 CD法 44

  3.5 安全系数 56

  3.5.1 全断面开挖法 56

  3.5.2 上下台阶法 58

  3.5.3 台阶分部开挖法 60

  3.5.4 CD法 63

  3.6 结果比较 65

  3.7 本章小结 66

  参考文献66

  第4章 大断面黄土隧道的施工方法 68

  4.1 概述 68

  4.1.1 分析模型 68

  4.1.2 计算采用的准则 69

  4.1.3 计算参数 69

  4.1.4 计算步骤和控制点 69

  4.2 台阶分部开挖法的动态数值模拟 70

  4.2.1 上部弧形导坑开挖计算结果及分析 70

  4.2.2 核心土开挖后计算结果及分析 73

  4.2.3 下部台阶开挖后计算结果及分析 75

  4.2.4 开挖结束后控制点位移 77

  4.3 单侧壁导坑开挖法的动态数值模拟 78

  4.3.1 先行导坑上部开挖计算结果及分析 78

  4.3.2 先行导坑下部开挖计算结果及分析 81

  4.3.3 后行洞上部开挖计算结果及分析 83

  4.3.4 后行洞下部开挖计算结果及分析 85

  4.3.5 临时支撑拆除后开挖计算结果及分析 87

  4.3.6 开挖结束后控制点位移 90

  4.4 CD开挖法的动态数值模拟 90

  4.4.1 先行导坑上部开挖计算结果及分析 91

  4.4.2 先行导坑下部开挖计算结果及分析 93

  4.4.3 后行洞上部开挖计算结果及分析 95

  4.4.4 后行洞下部开挖计算结果及分析 97

  4.4.5 临时钢支撑拆除后计算结果及分析 100

  4.4.6 开挖结束后控制点位移 102

  4.5 CRD开挖法的动态数值模拟 102

  4.5.1 先行导坑上部开挖计算结果及分析 103

  4.5.2 先行导坑下部开挖计算结果及分析 105

  4.5.3 后行洞上部开挖计算结果及分析 107

  4.5.4 后行洞下部开挖计算结果及分析 109

  4.5.5 临时钢支撑拆除后计算结果及分析 112

  4.5.6 开挖结束后控制点位移 114

  4.6 双侧壁导坑开挖法的动态数值模拟 114

  4.6.1 先行导坑开挖后计算结果及分析 114

  4.6.2 后行导坑开挖后计算结果及分析 117

  4.6.3 中部上半断面开挖后计算结果及分析 119

  4.6.4 中部下半断面开挖后计算结果及分析 121

  4.6.5 临时钢支撑拆除后计算结果及分析 124

  4.6.6 开挖结束后控制点位移 126

  4.7 本章小结 126

  参考文献 127

  第5章 特大断面黄土隧道的施工方法 128

  5.1 概述 128

  5.2 计算模型的建立 128

  5.2.1 计算模型 128

  5.2.2 单元选择 129

  5.2.3 网格划分 129

  5.2.4 计算参数 130

  5.2.5 加载与求解 130

  5.3 计算结果及结果分析 132

  5.3.1 CD法 132

  5.3.2 CRD法 149

  5.3.3 单侧壁导坑法 166

  5.3.4 双侧壁导坑法 179

  5.3.5 三台阶七步开挖(预留核心土)法 202

  5.3.6 三台阶七步开挖(预挖核心土)法 221

  5.4 安全系数 240

  5.4.1 CD法 240

  5.4.2 CRD法 241

  5.4.3 单侧壁导坑法 243

  5.4.4 双侧壁导坑法 244

  5.4.5 三台阶七步开挖(预留核心土)法 245

  5.4.6 三台阶七步开挖(预挖核心土)法 246

  5.4.7 安全系数 248

  5.4.8 开挖结束后控制点位移 248

  5.5 本章小结 248

  参考文献 249

  第6章 黄土隧道动态施工实例 250

  6.1 概述 250

  6.2 牛头山黄土隧道动态施工数值仿真 251

  6.2.1 分析模型 251

  6.2.2 计算参数 251

  6.2.3 模拟过程及结果分析 251

  6.2.4 安全系数 257

  6.3 方家湾黄土隧道动态施工数值仿真 259

  6.3.1 分析模型 259

  6.3.2 计算参数 260

  6.3.3 模拟过程及结果分析 260

  6.3.4 施工结束后控制点位移 278

  6.3.5 安全系数 278

  6.4 本章小结 279

  参考文献 280

  本文摘选自程选生著《黄土隧道的施工方法与工程实践》一书。内容有删节,标题为编者所加。

  

  《黄土隧道的施工方法与工程实践》

  程选生 著

  北京:科学出版社, 2019.6

  

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