【正文】 ； Q3晚期和 Q4黃土多為中等偏高壓縮性。 :是決定黃土性質(zhì)的另一個(gè)重要指標(biāo)，當(dāng)液限在 30%以上時(shí)，黃土的濕陷較弱且多為自重濕陷性黃土。當(dāng)然，這與各地區(qū)的黃土分布有關(guān)。 :黃土的天然含水量與濕陷性關(guān)系密切。 一、濕陷性黃土基本物理性質(zhì) :一般顆粒粒徑小于 0. 005 mm,顆粒含量以粉粒居多，占 52~74 %，砂粒含量占 11~29 %，粘粒含量占 8~26 % :變化在 0. 85~1. 24 之間，大多數(shù)在 1. 0~1. 1 之間。在全新世上部，部分地段還有新近堆積黃土存在，稱為 Q24 黃土。一般地，把形成于下更新世 (Q1)的午城黃土和形成于中更新世 (Q2)的離石黃土統(tǒng)稱為老黃土。因此可以認(rèn)為黃土的結(jié)構(gòu)性和欠壓密性是黃土具有濕陷性的基本內(nèi)因。黃土的結(jié)構(gòu)性是導(dǎo)致黃土欠壓密性的原因。黃土 的結(jié)構(gòu)性表現(xiàn)為具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，即具有保持土原始基本單元結(jié)構(gòu)形式不被破壞的能力。由于特定的地質(zhì)環(huán)境和物質(zhì)組成，黃土在沉積過(guò)程中形成的結(jié)構(gòu)狀態(tài)決定著結(jié)構(gòu)本身在新的條件下的變化傾向。黃土的特殊性除了表現(xiàn)在它的地質(zhì)特征，微觀結(jié)構(gòu)特征以及其它物理性質(zhì)以外，從巖土工程意義來(lái)說(shuō)，黃土的特殊性質(zhì)最主要的是它的力學(xué)性質(zhì)特別是強(qiáng)度和濕陷特性。隨著對(duì)第四紀(jì)以來(lái)地層及工程性質(zhì)研究的深 入和工程實(shí)踐的豐富，地質(zhì)界和工程界現(xiàn)在普遍認(rèn)為黃土是早更新世以來(lái)在干旱和半干旱這個(gè)特定地區(qū)沉積并成壤的物質(zhì)。我國(guó)黃土分布面積達(dá)到 60 余萬(wàn)平方公里，分布連續(xù)、地層齊全、厚度大為其主要特點(diǎn)。所以客運(yùn)專線隧道的修建就應(yīng)該更加重視對(duì)環(huán)境的影響，圍繞降低噪聲、減少對(duì)自然環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和周邊人文環(huán)境的破壞，采取不同于普速鐵路隧道的工程措施。 畢業(yè)論文報(bào)告 9 (5)對(duì)環(huán)境的影響更加明顯 對(duì)環(huán)境的影響更加明顯環(huán)境包括 自然環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和周邊人文環(huán)境，客運(yùn)專線列車以較高的速度運(yùn)行，其產(chǎn)生的輪軌噪聲、機(jī)械噪聲、弓網(wǎng)噪聲和空氣動(dòng)力學(xué)等噪聲將比普速列車明顯，對(duì)環(huán)境的影響也比普速列車大。 (4)防災(zāi)救援要求高 隧道中運(yùn)行的主要是高速度的旅客列車，一旦發(fā)生事故和災(zāi)害，后果比一般鐵路要嚴(yán)重的多。 ③ 對(duì)于路堤高度大于 10 m 及位于兩橋間距離大于 5000 m 的路基，若最大工后沉降小于 6 cm且滿足調(diào)整后的軌道豎曲線半徑 ra，即在 350 km/h 速度條件下， 10 m 范圍內(nèi)沉降差不超過(guò) 2 mm，不影響無(wú)碴軌道高速運(yùn)營(yíng) ； ④ 運(yùn)營(yíng)后沉降速率不大于 2 mm/年。 ① 工后沉降不應(yīng)超過(guò)扣件調(diào)節(jié)量 5 mm，最大調(diào)節(jié)量取決于鋼軌扣件的類型， 5 mm 是為運(yùn)營(yíng)期間列車荷載引起的沉降變形預(yù)留的。以下為德國(guó)工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。 (3)對(duì)線路平順性要求高 線路的平順直接影響到行車安全和旅客的舒適度，而時(shí)速 200 km/h 以上的客專對(duì)線路平順性要求更高，這就涉及到高速鐵路修建的工后沉降控制問(wèn)題。歐洲及日本的研究成果表明 :同樣的一條裂紋，對(duì)普速鐵路隧道來(lái)說(shuō)在外荷載停止發(fā)展后，將不再繼續(xù)變化，而客運(yùn)專線隧道就不同了，即使外荷載停止了發(fā)展，但在頻繁變化的 洞內(nèi)空氣壓力波的作用下，裂縫還將繼續(xù)發(fā)展，從而降低隧道襯砌耐久性和使用功能，甚至危及行車安全?？瓦\(yùn)專線隧道由于其運(yùn)營(yíng)速度比較高，對(duì)結(jié)構(gòu)和各種運(yùn)營(yíng)設(shè)施所產(chǎn)生的作用影響也就越大，對(duì)相應(yīng)工程結(jié)構(gòu)的可靠性和耐久性的要求也就越高。當(dāng)以概率來(lái)度量時(shí)，成為結(jié)構(gòu)的可靠度。從隧道方面來(lái)說(shuō)，就是采用單洞雙線大斷面隧道?？諝鈩?dòng)力學(xué)效應(yīng)會(huì)帶來(lái)諸如乘客不適，進(jìn)出口環(huán)境噪音，隧道維護(hù)人員不安全等一系列問(wèn)題。 (1)空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng) 列車在高速運(yùn)行的條件下，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的要求主要是空氣動(dòng)力學(xué)特性方面的。 表 21 日本隧道斷面劃分標(biāo)準(zhǔn) 劃分 凈空斷面積 /m2 說(shuō)明 標(biāo)準(zhǔn)斷面 70~80 雙車道 大斷面 80~140 有人行道的雙車道隧道 超大斷面 140 與路面寬相同的三車道 表 22 國(guó)際隧道協(xié)會(huì)隧道斷面劃分標(biāo)準(zhǔn) 劃分 凈空斷面積 /m2 超小斷面 3 小斷面 3~10 中等斷面 10~50 大斷面 50~100 超大斷面 100 高速鐵路隧道施工特點(diǎn) 客運(yùn)專線鐵路以其運(yùn)行速度高、線路平順性要求高、安全舒適、節(jié)約時(shí)間等特點(diǎn)，比其他交通工具有更多的優(yōu)越性。日本的劃分標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際隧道協(xié)會(huì)的劃分標(biāo)準(zhǔn)都是以凈空斷面積劃分的，分別見表 21 和表 22。分析計(jì)算結(jié)果，對(duì)比己有工程的量測(cè)數(shù)據(jù)及規(guī)范規(guī)定量值，對(duì)結(jié)果的合理性、可靠性進(jìn)行判定 :若合理，則通過(guò)分析，提出研究結(jié)論 ； 若不合理，則需要重新對(duì)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行修正與優(yōu)化，并重新計(jì)算。對(duì)于計(jì)算參數(shù)的確定，一般采用設(shè)計(jì)單位地勘部門提供的資料，若沒(méi)提供，查找類似工程的物理力學(xué)參數(shù)，或者參考現(xiàn)行規(guī)范。核心部分 針對(duì)高速鐵路隧道的技術(shù)特點(diǎn)、黃土的工程特性及大斷面黃土隧道修筑中存在的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，以數(shù)值分析作為研究手段，應(yīng)用大型通用有限元軟件 ANSYS 為計(jì)算手段 ， 將弧形導(dǎo)坑法與全斷面開挖 法 進(jìn)行了 比 選，并對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。 綜上所述，鄭西客運(yùn)專線黃土隧道設(shè)計(jì)與施工地質(zhì)條件復(fù)雜、修建難度大，如何 采取合理有效的工程措施、高標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)行黃土隧道設(shè)計(jì)和施工，確保鄭西客運(yùn)專線建成后順利運(yùn)營(yíng)，對(duì)隧道設(shè)計(jì)和施工提出了新的課題，而鄭西客運(yùn)專線超大斷面黃土隧道的設(shè)計(jì)也將是國(guó)內(nèi)外類似隧道工程修建技術(shù)的一個(gè)新臺(tái)階。 高速鐵路隧道的技術(shù)性和黃土濕陷特性決定了修筑高速鐵路隧道的技術(shù)難點(diǎn)。需 畢業(yè)論文報(bào)告 5 要進(jìn)行更為深入的研究。在巉柳高速公路土家灣隧道施工過(guò)程中，針對(duì)飽和黃土圍巖無(wú)法掘進(jìn)施工的難題，按照課題研究成果，對(duì)飽和黃土地段圍巖進(jìn)行了加固處治，提出的設(shè)計(jì)方法和施工工藝，為類似地質(zhì)條件下的黃土隧道設(shè)計(jì)與施工提供了成功經(jīng)驗(yàn) [2]。 長(zhǎng)安大學(xué)等以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和試驗(yàn)為手段，結(jié)合數(shù)值仿真分析，對(duì)黃土隧道圍巖壓力及結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行研究。 (3)邊墻出現(xiàn)受拉區(qū)，在施工過(guò)程中，要加強(qiáng)監(jiān)測(cè) [5]. 凌榮華等研究了大跨度深埋黃土隧道在其它條件不變的前提下，隧道開挖時(shí)黃土的變形破壞規(guī)律和襯砌中內(nèi)力的分布規(guī)律，指出 :黃土大跨度深埋隧道在不同開挖方式下的變形破壞規(guī)律是存在本質(zhì)區(qū)別的， 導(dǎo)致這本質(zhì)區(qū)別的原因在于被開挖體的形狀特征、初始與開挖過(guò)程中應(yīng)力場(chǎng)特性、土體的強(qiáng)度特征以及襯砌的力學(xué)性質(zhì)和過(guò)程 ； 不同的開挖方式?jīng)Q定了大跨度深埋黃土隧道的襯砌中內(nèi)力分布規(guī)律根本不同，這就可以對(duì)開挖方式與襯砌形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)工程實(shí)踐具有明確的指導(dǎo)意義。 (2)黃土發(fā)生濕陷，水是其中的主要因素，因此在施工過(guò)程中要注意地下水和排水管道的滲漏水造成黃土濕陷，做好防排水措施，施工用水和圍巖滲水要及時(shí)排除。 韓斌、朱庭勇等研究指出，黃土地區(qū)修建各種建筑物時(shí)，要充分考慮建造區(qū)域黃土的濕陷性。作為工程應(yīng)用，當(dāng)應(yīng)力小于比例極限時(shí)，深層黃土可足夠近似地被看作是直線變形體，運(yùn)用直線變形體理論來(lái)研究，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)比例極限時(shí)，深層黃土可作為彈塑性體，運(yùn)用相應(yīng)的彈塑性理論來(lái)研究，塑性條件可采用莫爾庫(kù)侖準(zhǔn)則。對(duì)于埋深 20~50 m，跨度 6~10 m 的洞室，拱頂最大下沉量約 3~5 cm，地表沉降量很小，土體變形隨著掘進(jìn)和時(shí)間的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，增長(zhǎng)速率開始較快，以后逐漸減慢，并趨于穩(wěn)定，基本穩(wěn)定時(shí)間 3 ~4 個(gè) 月。土體變形不是局限于洞周附近的一個(gè)小范圍內(nèi)，而是由洞周直至地表的一個(gè)很大范圍內(nèi)。在現(xiàn)有的工程中常用的洞形及高跨比下黃土銅室的塌方首先發(fā)生在拱肩或兩側(cè)，然后隨著 畢業(yè)論文報(bào)告 4 洞形及應(yīng)力條件的惡化向洞頂發(fā)展，塌方的主要特征是脆性剪切破壞。在此基礎(chǔ)上，建立了高濕度 Q2 黃土的非線性流變本構(gòu)模型并確定了相應(yīng)的模型參數(shù) [4]。在黃土地區(qū)已往開挖工程的經(jīng)驗(yàn)還表明 :高濕度 Q2黃土在施工開挖中具有明顯的時(shí)效特征。該工程是首次在西北黃土地區(qū)推廣逆作法施工的地下人防工程 ，結(jié)構(gòu)與施工設(shè)計(jì)主要采用工程類比法。研究結(jié)果表明 :① 新奧法施工方案在該大斷面高水頭飽和黃土圍巖中能夠成洞 ； 只需緊跟掌子面噴護(hù)，掛網(wǎng) 25 cm加系統(tǒng)錨桿形成柔性支護(hù)圈即可維持圍巖穩(wěn)定 ； ② 雙洞中心相距 倍洞徑時(shí)應(yīng)力與變形的相互影響小于 5 %； ③ 雙洞合一的掏槽一次永久襯砌方案也可成洞，且施工技術(shù)要求最低，但洞周變形最大 (約 140 mm) ； ④ 雙洞合一的預(yù)制混凝土超前壓樁襯砌方案雖施工工藝復(fù)雜，但卻能最大限度的限制圍巖變形 (最大沉降小于 10 mm)，在重要建筑物底下穿過(guò)時(shí)，可能是首選方案 [3]。研究認(rèn)為，新奧法施工以調(diào)動(dòng)圍巖自身的承載能力，減少支護(hù)襯砌的工作荷載為宗旨，其成洞條件應(yīng)從圍巖應(yīng)力、變形與支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力強(qiáng)度上同時(shí)加以考慮。~ 63 186。有不小的側(cè)向壓力，且拱圈部分比邊墻要大。 (5)雙線隧道上的土體破壞一般不能形成所謂普氏壓力拱，采用普氏理論設(shè)計(jì)與實(shí)際壓力分布不符。 (3)洞室土體變形 不是局限于洞周附近一個(gè)小范圍內(nèi)，而是在由洞壁直至地表的一個(gè)很大范圍內(nèi)連續(xù)變化，逐漸減小，襯砌后在洞周一定范圍內(nèi)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)土體變形有突然的、明顯的變化。 (2)現(xiàn)有的黃土洞室埋深大多在 20~ 50 m，這些洞室的襯砌大部分是 “薄 ”襯 畢業(yè)論文報(bào)告 3 砌 (相對(duì)于普氏理論計(jì)算出的襯砌厚度 )。通過(guò)大量的生產(chǎn)實(shí)踐、現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)及調(diào)查研究，從量和質(zhì)方面對(duì)黃土洞室的圍巖壓力有了較深入的認(rèn)識(shí) : (1)塌方一般首先發(fā)生在拱肩或兩側(cè)，然后隨著洞形及應(yīng)力條件惡化向洞頂發(fā)展。一個(gè)最好的模型應(yīng)是既能解決工程問(wèn)題且又是最簡(jiǎn)單的模型 [2]。由于參數(shù)測(cè)定過(guò)程中的偶然誤差及參數(shù)本身所反映的物理力學(xué)特征的隨機(jī)性，使得參數(shù)測(cè)定值總在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，因而往往與精確的理論描述不相稱。然而由于土體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，不同的應(yīng)力水平和路徑都會(huì)影響它的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系，要全面反映土體的力學(xué)特性往往是相當(dāng)困難的。這一時(shí)期修建的寶中鐵路和候月鐵路隧道工程積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。 (4) 90 年代至今，隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，土體應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系的研究逐漸深入，出現(xiàn)了各種各樣的彈塑性應(yīng)力一應(yīng)變模型。 (2)根據(jù)時(shí)間經(jīng)驗(yàn)，在 60 年代初提出以工程地質(zhì)類比法指導(dǎo)設(shè)計(jì)，并對(duì)黃土按底下洞室穩(wěn)定性要求作了相應(yīng)的分類。大量工程實(shí)踐表明 :普氏理論對(duì)我國(guó)黃土洞室不適用。黃土地下洞室也不例外，黃土洞設(shè)計(jì)計(jì)算理論的研究，主要有四個(gè)階段 : (1) 20 世紀(jì)五六十年代的設(shè)計(jì)以普氏理論為基礎(chǔ)。以往在地下洞室設(shè)計(jì)計(jì)算所采用的模型是 “荷載一結(jié)構(gòu) ”模型，即把作用襯砌上的圍巖壓力作為外加荷載施加到模型上，只要荷載確定了，就像地面建筑結(jié)構(gòu)一樣，利用結(jié)構(gòu)力學(xué)理論，進(jìn)行襯砌的設(shè)計(jì) 計(jì)算。在黃土修筑窯洞已經(jīng)有幾千年的歷史。 國(guó)內(nèi)外黃土隧道研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題 肥沃的黃土地孕育了中華文明。對(duì)于大斷面黃土隧道的設(shè)計(jì)及施工，現(xiàn)行的鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范顯然己不適合，也沒(méi)有現(xiàn)成的工程可類比。隨著國(guó)家西部大開發(fā)政策的推行，在西部廣大黃土地區(qū)進(jìn)行基礎(chǔ)建設(shè)正日益加強(qiáng)。本課題正是依托鄭西客運(yùn)專線大斷面黃土隧道工程。 我國(guó)黃土地區(qū)幅員遼闊，面積達(dá)六十多萬(wàn)平方公里，鄭西客運(yùn)專線位于中國(guó)黃土分布中心地帶，該線隧道穿過(guò)黃土段落較長(zhǎng)。這類事故在我國(guó)黃土地區(qū)不同程度的存在，給我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)重大的損失 [1]. 由于黃土結(jié)構(gòu)較為疏松、強(qiáng)度低，加之其特有的濕陷性特征，黃土隧道在施工和運(yùn)營(yíng)中，出現(xiàn)了各種各樣的問(wèn)題。特別是受水浸蝕后結(jié)構(gòu)迅速破壞而發(fā)生顯著下沉現(xiàn)象，對(duì)建筑工程的安全穩(wěn)定和正常使用有著巨大的影響。鄭西客運(yùn)專線位于中國(guó)黃土分布中心 地帶，沿線黃土分布廣泛，約占線路總長(zhǎng) 90 %左右。an. The line is located in the center of loess distribution, and the whole line across the loess section is almost 65 km. Because of its special position and properties, loess occupies a special place in the engineering geology, and the engineering features show considerable difference with ordinary rock tunnel. The line from Zhengzhou to Xi 39。 本文 總結(jié)了大斷面黃土隧道的研究現(xiàn)狀及存在的主要問(wèn)題，分析了隧道斷面分類、高速鐵路隧道的技術(shù)特點(diǎn)、黃土隧道工程特性、黃土地基沉降及其加固的理論，并 在綜合分析當(dāng)前大斷面黃土隧道發(fā)展的基礎(chǔ)上 ， 依托鄭西客運(yùn)專線 鳳凰嶺 黃土隧道工程背景，以解決高速鐵路大斷面黃土隧道關(guān)鍵施工技術(shù)為出發(fā)點(diǎn)，應(yīng)用大型通用有 限元軟件 ANSYS 為計(jì)算手段，對(duì)濕陷性黃土隧道 全斷面施工方法和 弧形導(dǎo)坑法 的安全性進(jìn)行了對(duì)比的 分析和研究，得出了一些結(jié)論和建議。黃土因其具有特殊的成分和性質(zhì)而 在工程地質(zhì)中占據(jù)特殊的地位 ， 其工程特征表現(xiàn)出與普通巖石隧道相當(dāng)大的差異，鄭州至西安鐵路客運(yùn)專線黃土隧