天平铁路某隧道施工数据模拟与稳定化分析

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1、天平铁路某隧道施工数据模拟与稳定化分析1绪论1.1选题依据与研究意义1.1.1选题依据我国地域辽阔，南北长约4000kin,东西跨逾4500km，平面投影面积约960万平方公里，而立体面积则超过2000万平方公里，且地表起伏很大，海拔地势高差超过5000m，尤其是在我国的西部地区，受地形条件的限制，许多地方与外界的交通仍十分不便。铁路在今后相当长的时期内仍将是我国民众出行和货物运输的主要交通方式。受经济与技术等多方面原因的制约，以往的铁路建设在处理高程对线路的影响问题时，多用绕行、深路暂等方式加以克服，但这样增加了行车里程，限制

2、了行车速度，加大了油耗、破坏了环境，加剧了机车的机械损耗，由此降低了行车的安全可靠度。如果采用險道方案克服高程对线路的影响，以上问题都可以得到圆满的解决，这一点，已成为业界共识，并反映在近些年铁路建设的工程实践中。目前，以铁路与公路隧道为主体的交通險道在我国的西部地区大量兴建，而以南水北调西线工程为代表的的水工隧道建设也己进入规划阶段（西线工程三期计划初步规划了长达1000km的输水險道，这在世界上也是惊人的创举）。西部地区受远古地质构造的影响，部分地区地形波动剧烈，山岭纵横，沟壑密布，隧道建设呈现长、大、深、群的特点。长是指險

3、道长度越来越长，随着我国国民经济发展的需要与險道施工技术的成熟，铁路險道大批量的由绘图板走向施工现场。截至2009年，据不完全统计，我国在建铁路險道总长度约2240km。其中，20kra以上在建及运营的长大铁路險道已有数条：大是指險道开挖断面尺寸较大，在建铁路險道大多为双线險道，断面积普遍大于50公路險道断面积甚至已经达到140nf。深是指險道埋深普遍较大，就目前掌握的资料来看，埋深400米以上的險道比比皆是，埋深1000米以上的險道也不罕见，最大埋深以达到2600米（锦屏二级水电站引水隧洞）。群是指仅凭单条險道难以克服所有的地

4、形限制，需要多条險道配合才能达到预期的效果。以新建兰渝铁路兰州至广元段为例，该段线路总长493.04km,隧道全长342.501km，占线路总长度的69.5%，共有險道65座，其中特长隧道8座，总长131.796km，占隧道全长的38.5%，充分体现了西部铁路建设长、大、深、群的特点。1.1.2研究意义大量的工程实践已表明險道施工是一个四维的动态过程（三维空间+维时间），时间对于隧道施工的重要性超出人们的传统认识，尤其在围岩较差地段，合理安排各项工序，确保工序间的衔接，缩短施工循环时间，尽快实现掌子面附近的支护封闭成环，可以较好

5、地发挥围岩自承载能力，减少工程事故的发生几率，这与新奥法的精髓也是契合的。險道开挖对围岩造成的伤害以及围岩对險道施工的反作用一直以来都是隧道施工力学行为研究的热点与难点，前人为此付出了巨大的努力并取得了丰硕的成果⑴。但对隧道施工整个过程进行完整系统的优化研究的却较为少见，大多是从某一角度（尤其是开挖工法的选择）出发对该问题进行局部的的分析，鲜见对这一问题的系统研究。目前，业界对險道围岩的稳定性分析也并没有公认的成熟可靠地的方法，常用的围岩稳定性判别方法大至可以归类为两种，一是以洞周位移或收敛位移为判据的位移判别方法，另一则是以围

6、岩塑性区大小为判据的经验判别方法。但郑颖人院士通过大量的分析比对指出这两种方法均存在难以克服的硬伤。前者受围岩弹性模量、洞室形状大小等因素的影响较大，且不同隧道洞周不同部位的位移值也不尽相同，很难找到统一的位移判据标准。围岩稳定性分析的塑性区判据要优于位移标准，但围岩塑性区的大小受岩体泊松比、洞室形状大小等因素影响也较大，使得不同软件计算出的塑性区大小存在不小的差异，这一方法同样也不甚可靠[2]。针对这一问题，郑颖人院士提出了基于有限元强度折减法的燧道安全系数分析方法，并在黄土險道的围岩稳定性分析中取得了应用，但在硬岩險道的稳定

7、性分析中却并未推广使用，但这一方法有严密的力学根据，有统一的量化标准，且不受其他因素的影响，优于此前经验判据方法，证明了围岩稳定性定量分析的科学性。在前人工作的基础上，中国科学院武汉岩土力学研究所的冯夏庭研究员、周辉研究员、张传庆博士提出了險道及地下工程围岩的屈服接近度分析的新思路，通过分析Mohr-Coulomb屈服准则和其他理想弹塑性屈服准则在主应力空间中屈服面与非屈服应力点的关系，在经典弹塑性理论框架内定义了围岩屈服接近度（YAI)的概念，建立了对应不同屈服准则的屈服接近度求解函数，并验证了这一概念的科学性。为隧道工程师提

8、供了可以定量把握和判断围岩不同区域的危险性程度的工具，并此后的工程实践中充分验证了有这一方法的正确性与实用性。2关山隨道工程概况2.1工程概况关山特长隧道位于甘肃省天水市与平凉市交界地段的关山中山山区（属六盘山山脉），是新建天平铁路控制性工程之一，險道进口位于天