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    科學技術論文

    川藏鐵路大渡河特大橋錨洞對隧道安全影響評價

    時間:2021年08月26日 所屬分類:科學技術論文 點擊次數:

    摘要:為進一步解決川藏鐵路在復雜條件下的施工難題,以川藏鐵路大渡河特大橋為工程依托,通過數值分析得到大橋錨洞與隧道的合理施工方案并對其安全性進行分析評價。結果表明:大渡河特大橋采取先施工錨洞再施工隧道的施工方案能夠更好的保證安全性,在施工

      摘要:為進一步解決川藏鐵路在復雜條件下的施工難題,以川藏鐵路大渡河特大橋為工程依托,通過數值分析得到大橋錨洞與隧道的合理施工方案并對其安全性進行分析評價。結果表明:大渡河特大橋采取先施工錨洞再施工隧道的施工方案能夠更好的保證安全性,在施工過程中需注意軟弱破碎帶的圍巖加固、支護與監測;結合隧道錨變形、隧道錨與巖體間的剪應力和塑性區分布等計算結果,發現隧道錨極限抗拔主要由隧道錨與巖體間的剪應力控制,隧道先施工時,拉薩側錨洞施工對靠近洞口的隧道影響最大,需加強對相鄰段近接隧道的位移監測。

      關鍵詞:川藏鐵路;錨洞;隧道;數值模擬;安全性研究

    隧道工程建設

      川藏鐵路地形環境極其艱險、不良地質發育,給工程建設帶來了極大的風險和挑戰。因此,探究適用于川藏鐵路的施工方案并進行安全性評價顯得極為迫切和需要。隧道錨具有工程量小、承載能力大和對周圍環境影響小的特點[2,且隨著科學技術的發展,智能化模型和設備正逐步應用于隧道錨施工[3,因此,隧道錨常作為懸索橋錨碇形式。目前,對隧道錨的研究主要集中于特殊地層的隧道錨特性研究[5、邊坡和滑坡對隧道錨的影響[8、隧道錨承載特性及破壞模式1013以及隧道錨力學模型的建立等1416。

      此外,顏冠峰等17對隧道錨的動力響應進行分析,研究結果對于隧道錨在地震動作用下的受力特性具有借鑒作用;楊懋偲等18采用改進的灰色模型對隧道錨的極限承載力進行預測,并驗證了該方法的合理性;楊星宇,楊忠平等1920分別研究了重力相似條件和幾何尺寸對隧道錨的影響;文麗娜等[21對隧道錨蠕變特性進行分析,結果表明錨碇蠕變不會影響懸索橋的長期穩定性。綜上所述,目前對于隧道錨的研究主要集中于其自身承載特性和破壞模式以及外界環境對其影響,鮮有對隧道錨與隧道間的合理施工方案及其安全性進行分析。依托川藏鐵路大渡河特大橋對隧道錨的施工方案進行分析并進行安全性評價,研究結果對于大渡河特大橋及類似工程的施工和設計具有一定的借鑒和參考作用。

      1工程概況

      大渡河特大橋位于川藏鐵路雅安至康定段,該段由雅安市進入甘孜州境內,線路于天全縣新溝鄉穿二郎山,在瀘定縣城附近跨大渡河,再沿川藏公路G318、瓦斯溝穿大雪山至康定?紤]到大渡河兩岸地形地貌條件以及橋梁超大跨等因素影響,大渡河特大橋采用懸索橋形式,錨碇采用隧道錨。主塔采用形鋼筋混凝土結構,成都側高塔高262m,拉薩側矮塔高135m,墩身采用C60混凝土,兩主塔均采用直徑2.5m、3.0m鉆孔群樁基礎。隧道錨與鐵路隧道均穿越多條軟弱夾層,且受主纜橫向角度影響,最小凈距僅16.76m,施工交叉程度高。

      2計算模型及參數

      大渡河特大橋成都側地質條件較為復雜,巖層中分布大量軟弱夾層,巖體破碎,且左岸隧道錨尺寸較大(受主纜高強鋼絲散開面積影響,隧道錨前錨面尺寸較大,決定了隧道錨整體尺寸較大),錨塞體部分穿過軟弱夾層,因此,選取成都側對隧道錨和鐵路隧道施工方案及安全性進行研究。

      而拉薩側隧道錨與鐵路隧道凈距較小,隧道錨散索鞍支墩、前錨室、錨塞體及后錨室和鐵路隧道洞口段、洞口邊坡防護工程空間上疊加并存,施工交叉程度高,且隧道為變截面隧道(車站隧道),因此,選取拉薩側研究隧道錨施工對近距離變截面隧道的影響。其中,成都側模型整體尺寸為550m×0m×40(長×寬×高),拉薩側模型整體尺寸為550m×00×80m(長×寬×高)。巖土體采用摩爾庫倫準則,模型底邊固定約束,四周法向約束,頂端自由。

      3施工方案比選

      通過設置先施工鐵路隧道后施工隧道錨、先施工隧道錨后施工鐵路隧道和二者同時施工種工況對隧道模型最大變形進行研究。不同施工工況下隧道模型變形曲線及其最大值:(1)采用種工況的隧道最大變形值均發生在離隧道洞口210~240m軟弱夾層破碎段,因此,在施工過程中應該加強該段施工措施,并加強監控量測,確保施工安全。(2)采用種工況開挖隧道錨洞室時,最大變形的產生部位均位于兩側隧道錨穿過的軟弱夾層段(左側隧道錨洞室開挖深度為160~205m處,右側開挖深度約為147~192m處)。建議在隧道錨開挖至此段時采取縮短開挖進程、加強施工監測等措施,密切關注隧道錨洞室及上方隧道的變形,做好應急預案。(3)采用先隧后錨、先錨后隧和隧錨同步種工況施工過程中,模型最大變形值均在18mm左右,產生于隧道錨剖面。鐵路隧道剖面產生最大變形的工況由小到大為先錨后隧、先隧后錨、隧錨同步,分別為8.92,8.95,9.64mm。

      4隧道錨極限抗拔安全系數分析

      為探究隧道錨的極限抗拔安全系數,對隧道錨的變形、隧道錨與圍巖間的剪應力變化及塑性點分布進行研究。大渡河特大橋單根主纜采用217根索股,單根索股由91根φ5.77mm的鍍鋅鋁合金鍍層高強鋼絲組成。本次有限元計算采用后推荷載模擬主纜力荷載,以主附工況下最大拉力431267kN為倍工況荷載取值。成都側隧道錨后錨面尺寸為16.52mm×24.00m。(1)同理可得其他后推荷載(2~10倍工作荷載)的計算結果。(2)隨著主纜力荷載的增大,隧道豎向位移表現為線性增大趨勢,表明隧道錨施加主纜力荷載對隧道的變形影響較大,且在10倍工作荷載內,隧道錨周圍巖土體仍處于彈性變形階段。當工作荷載由倍增加至10倍時,隧道錨最大位移由2.54mm增加至31.62mm,隧道剖面最大位移由1.16mm增加至13.53mm。

      (3)隧道錨與巖體間剪應力變化規律表明1~6倍主纜力工作荷載作用下隧道錨與巖體間剪應力變化幅度較小,當后推荷載大于倍主纜力荷載后,隧道錨與巖體間剪應力變化百分比發生急劇上升,隧道錨與巖體水平剪應力變化百分比由0.23%上升至20.64%。倍主纜力荷載是隧道錨與巖體間剪應力發生較大變化的特征點。

      (4)塑形點分布圖表明,隧道錨在1~8倍主纜力工作荷載作用下界面塑性區未出現貫通或只出現少量貫通現象,可認為尚未達到抗拔極限承載力狀態。當對隧道錨錨塞體施加主纜力荷載至10倍工作荷載時,隧道錨錨塞體界面出現大面積塑性區,說明隧道錨達到抗拔極限承載力狀態。(5)綜合不同倍數主纜力工作荷載作用下隧道錨變形曲線、隧道錨與圍巖間剪應力變化百分比曲線以及塑性點,可知隧道錨的抗拔安全系數由隧道錨與巖體間的界面剪應力所控制,推斷大渡河特大橋成都側隧道錨的極限抗拔安全系數為.0。

      5錨洞施工對隧道的影響研究考慮到隧道錨施工周期較長,現場很難做到先錨后隧施工方案,同時,為探明隧道錨施工對鐵路隧道的影響,選取拉薩側研究隧道錨施工對車站隧道的影響。默認為在隧道錨開挖前,鐵路隧道已施工完畢,拉薩岸隧道錨長180m,上下游同時開挖,第至第階段,每階段開挖隧道錨20,完成錨洞洞身開挖。第10階段施工隧道錨錨塞體,第11階段至第16階段施加后推荷載。隧道錨及鐵路隧道開挖均采用控爆形式,爆破振速應控制在.0cm/以下。

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      6結論

      (1)隧道錨對鐵路隧道安全影響的主要因素為兩洞先后施工順序、兩洞之間距離及爆破開挖振速。(2)先錨洞后隧道施工方案的安全性相對較好,建議采用先錨后隧施工方案。最大變形均處于軟弱夾層破碎帶,在隧道開挖至軟弱夾層處時應密切關注錨洞的變形,采取縮短開挖進程、加強施工監測等措施。(3)隧道錨抗拔安全系數由隧道錨與巖體界面間的剪應力所控制,成都側隧道錨抗拔安全系數。(4)隧道錨洞施工對隧道洞口段影響最大,最大位移為2.22mm。隧道施工超前時,在拉薩側錨洞開挖至120~180m時應加強對相鄰段近接隧道的位移監測。

      參考文獻:

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      [2]顏冠峰王明年李睿峰等大渡河橋隧道錨力學響應研究及承載力判定[J].地下空間與工程學報,2019,15(4):11491155.

      [3]王中豪郭喜峰楊星宇基于人工智能算法的隧道錨承載能力評價[J].西南交通大學學報,2021,56(3):534540

      [4]李維樹王中豪李棟等隧道錨現場縮尺模型試驗中的伺服控制與采集系統[J].地下空間與工程學報,2018,14(S1):98102.

      [5]楊星宇周火明王中豪等層狀泥巖隧道錨圍巖滑動破壞特性研究[J].地下空間與工程學報,2019,15(3):755761.

      [6]王鵬宇軟巖地區懸索橋隧道錨設計研究[J].鐵道工程學報,2019,36(8):5155.

      [7]吳相超劉新榮李棟梁等軟巖泡水隧道錨變形破壞模型試驗[J].巖土力學,2016,37(4):10231030.

      作者:馬云飛

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