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铁道工程杂志范文第1篇

1针对铁道工程概论课程的多元化教学模式

1.1课堂教学和讨论

立足于学生的实际水平和培养目标的要求确定教学目标,由于本课程是作为交通运输专业学生学习后续专业课的前期准备,因而教学内容的组织以“广度优先”为原则,注重培养学生专业素质和分析问题的能力,降低对初学专业知识的学生而言层次过深、难以理解部分内容,如力学分析等的学习要求,适当增加与其专业关系密切的如铁路运输设备、车站和铁路运输组织等知识的比例。对课程中学生自己能自学或一看就明白的内容,教师在课堂上可少讲,把讲深的重点放在对一些难点的讲解上[3]。同时采用课堂提问形式,培养学生预习、复习教学内容的习惯;开展小组讨论,培养学生互助和互动学习的能力;鼓励学生在已有知识的基础上通过自学探寻分析、解决问题的方法,培养他们探索学习的能力等等。

1.2课后交流按照认知主义学习理论,仅凭课题上教学和讨论的时间和强化效果,均不足以满足学生对知识内容的掌握。然而,现在大学的教学区域与学生宿舍和教师办公地点相距较远,师生除了上课时间之外,几乎很难有面对面的机会。在一定程度上,影响了学生在课后对于所学知识的消化理解,教师也无法即时为学生提供有效的指导和帮助。这就使得课堂之后的师生交流变得尤为重要。现代通讯和网络技术的发展,也为专业教学提供一个师生交流和讨论的良好平台。手机、电话可以使学生在遇到疑问和困惑的时候,即时联系到教师,而互联网提供了多种途径的信息传输方式,例如聊天软件、电子邮件和专业辅导网站等都可以快捷地传输图形和文字资料,极大的提高了学生的学习效率和教师的管理效率[4]。

1.3现场观摩兴趣是最好的老师,是推动学习的动力。孔子说:“知之者,不如好之者;好之者,不如乐之者。”教学实践也告诉我们,学习兴趣是学生顺利完成学习任务的心理前提。学生一旦对所学内容产生兴趣时,就能积极主动的去学,乐学不倦。而铁道工程本身就是一门与实践结合非常紧密的课程,在课堂理论教学的基础上,结合现场实际,更能激发学生学习的兴趣[5]。长沙火车南站始建于1934年,至今已有70多年历史,2007年,湖南省长沙市对长沙火车南站实施整体拆迁规划,将老车站整体迁出中心城区,在其原址建立起一个毗邻湘江的火车广场公园。火车广场公园包括客运景观记忆区、主题展厅及中心服务区、货运景观记忆区等7个功能观赏区,生动直观地展示了铁道工程中所涉及的轨道、线路、机车、车辆和站场等基本概念,极大的提高了学生学习的兴趣,激发了对专业知识的求知欲以及对以后学习工作规划的参考。

2多元化教学模式的关键问题

铁道工程专业教育将培养满足社会经济建设需求的行业生力军,结合素质教育和创新人才培养目标进行多元化模式教学是高校发展的必然趋势。在实现多元化教学模式的过程中,着重需从以下三个方面来把握。一是教师在努力提高教学水平的同时,还应该利用各种资源积极参与铁道工程科研项目,加强与现场实际工程的合作,跟踪本行业最新发展动向和趋势。二是教师增强讲课技巧,利用多媒体技术保证时间较为充裕,为进行互动式教学提供便利,采用“提问式”、“点评式”和“讨论式”等形式,增加学生在课堂教学中的参与度,形成互动式教学的氛围,达到良好的教学效果。三是本着尊重和平等的前提,以饱满的热情与学生进行交流和讨论,努力为学生打开思路拓展视野,使学生得到该领域最新的研究成果以及研究方法,为学生今后的学习和研究打开一扇智慧之门。通过近年来从事该门课程的教学摸索和体验,以素质教育和创新人才培养为目的,逐步形成了以多媒体为技术支持,课堂教学、课内讨论、课后交流和现场观摩相结合的多元化教学模式,具体架构模式如图1所示。它表明,在新的铁道工程教育体系中最重要的是素质教育和创新教育,而深厚宽广的素质教育为创新教育提供了必要的基础,只有把素质教育的观念和内容内化到教育教学活动的全过程中,二者相互呼应,相互联系,才能培训出立足专业、面向社会的新时代创新型技术人才。

3结语

铁道工程杂志范文第2篇

摘要:

依据瓦斯浓度标准对隧道瓦斯工区进行分区管理,对施工通风、机械、监测及应急救援设施按不同区段实施管理,以实现瓦斯隧道风险管理与资源的合理匹配。

关键词:

瓦斯隧道;管理等级;浓度标准;分区管理

TB10120—2002《铁路瓦斯隧道技术规范》[1]对瓦斯隧道的界定为“铁路隧道穿越或邻近含煤地层及含瓦斯地层时,洞内发现瓦斯即界定为瓦斯隧道,类型按瓦斯工区最高级别界定。”因瓦斯隧道具有特殊性,穿越瓦斯段落一般都较短,即整个隧道只有穿越瓦斯段落存在危险,若均按界定的瓦斯隧道最高级别并遵守《煤矿安全规程》[2]的有关规定施工,势必会增加投资费用,延长工期。本文以渝黔铁路天坪瓦斯突出隧道工程为例,对该隧道瓦斯工区煤系地层不同施工阶段管理等级进行分析,并通过调整通风方式、加强瓦斯浓度检测等,将不同施工阶段的煤系地层段依据瓦斯浓度标准对瓦斯工区进行分区管理,其可有效降低管理风险,减少投资,保证工期。

1隧道瓦斯工区管理等级划分

TB10120—2002对瓦斯隧道和瓦斯隧道工区概念作了明确规定,瓦斯隧道工区的性质及等级决定整个隧道的瓦斯性质及等级[3]。瓦斯隧道的类型按照该隧道瓦斯区段的最高级别确定,而每个施工工区存在的瓦斯区段的级别就是该施工工区的级别[4]。瓦斯隧道工区内,瓦斯爆炸危险性与隧道风路中回风道断面大小、工区进风段落长度、瓦斯涌出量、通风方式有关[5]。因此,瓦斯隧道在煤系地层段施工时应根据TB10120—2002并参考《瓦斯隧道等级划分新证》且结合隧道自身状况和施工通风布置形式来设置隧道的不同防爆设备,制定瓦斯管理制度。隧道瓦斯工区管理等级划分如表1所示。

2瓦斯隧道分区管理在天坪隧道中的应用

2.1工程概况

天坪隧道全长13.978km。该隧道地质条件复杂,集岩溶、瓦斯突出、有害气体、高地温、高地应力、突泥涌水等不良地质于一体。天坪隧道横洞工区承担横洞主井1050m、横洞副井1061m、平行导洞3600m及双线正洞4137m的施工任务。天坪隧道横洞工区DK127+710~DK127+850段为龙潭组煤系地层,隧道连续穿越C6、C5、C3煤层,层厚分别为1.33、2.45、2.6m,实测最大瓦斯含量达13.91m3/t,压力达1.342MPa。根据《防治煤与瓦斯突出规定》,界定天坪隧道横洞工区为瓦斯突出工区。天坪隧道横洞瓦斯工区施工布置如图1所示。

2.2天坪隧道横洞工区第1阶段瓦斯分区管理等级

横洞工区进入煤系地层之前的横洞施工阶段为瓦斯分区管理第1阶段,此阶段横洞主、副井施工作业面在接近煤层前属于常规工区,施工进度和施工方法与瓦斯无关,只是根据前期地勘对煤系地层的预测,对横洞内施工通风和洞内固定设备进行前期布置,避免后期长距离更换通风及固定设备。但考虑到瓦斯赋存的特殊性,为安全起见,按低瓦斯区段管理,即Ⅲ级风险管理。具体分区如图2所示。

2.3天坪隧道横洞工区第2阶段瓦斯分区管理等级

副井开挖至平行导洞,主井开挖至正洞时为瓦斯分区管理第2阶段,此阶段只有平行导洞和正洞2个开挖工作面。为避免横洞平行导洞、正洞揭煤和抽放瓦斯相互干扰带来安全隐患,主、副井井底之间暂不贯通,仍采用独头压入式通风。主、副井井口各安装2台性能相同的通风机(132kW×2),一台通风,一台备用,且主通风机和备用通风机的电源均取自同时带电的相互独立的电源,当主通风机出现故障时,须保证备用通风机正常工作[9]。该阶段副井开挖至平行导洞时,向煤系地层开挖,并进行瓦斯抽放和揭煤施工。根据施工组织安排,平行导洞先行揭煤,待其揭煤完成后,再进行正洞揭煤。瓦斯超前探测及日常检测表明,瓦斯浓度均小于0.3%。根据表1,平行导洞进入煤系地层前,采用Ⅱ级风险管理;进入煤系地层后采用Ⅰ级风险管理。此阶段正洞工作面距煤层较远,应按低瓦斯区段管理,即Ⅲ级风险管理。具体分区如图3所示。

2.4天坪隧道横洞工区第3阶段瓦斯分区管理等级

平行导洞通过煤系地层,正洞开始揭煤时为瓦斯分区管理第3阶段。此阶段横洞主井和天坪隧道出口之间的正洞贯通,同时平行导洞工作面已穿过煤层,进口方向正洞进入煤系地层段。瓦斯超前探测及日常检测表明,瓦斯浓度低于0.4%(正洞揭开煤层瞬时瓦斯浓度高达3.9%,经45min通风后浓度逐渐降至0.5%以下)。根据表1,平行导洞已通过煤系地层,按Ⅱ级风险管理;正洞进入煤系地层后按Ⅰ级风险管理;正洞在横洞主井井底利用风墙将横洞工区与出口工区隔离,出口端按Ⅳ级风险管理。具体分区如图4所示。从图4可以看出,通风机全部置于主井正洞出口方向,风机与风门的距离大于20m,且2道风门间设置了出风口。正洞和平行导洞之间的25#通道贯通,25#通道内设置2道风墙,风墙上预留正反2道风门,以供人通行。

2.5天坪隧道横洞工区第4阶段瓦斯分区管理等级

正洞煤系地层安全通过,并已完成煤系地层段的全封闭2次衬砌后为瓦斯分区管理第4阶段。此阶段23#和25#通道之间的正洞已贯通,向平行导洞方向供风的风机安装在平行导洞大里程端距23#通道50m处;正洞供风的风机安装在24#通道内,且在23#和24#通道之间安装1台55kW射流风机,横洞副井进口处安装1台55kW射流风机作为备用风机,平行导洞及正洞工作面最远通风距离按1200m考虑,以满足通风要求。瓦斯超前探测及日常检测表明,瓦斯浓度均低于0.2%。根据表1,平行导洞已通过煤系地层,故应按Ⅲ级风险管理;正洞通过煤系地层后按Ⅲ级风险管理;正洞出口方向风墙不拆除,出口端仍按Ⅳ级风险管理。具体分区如图5所示。

3结束语

本文介绍了天坪隧道横洞工区瓦斯分区管理模式。该隧道施工过程中,遵循“前提是地质预报、基础是浓度检测、关键是加强通风、重点是设备防爆、补救是超前探测”的原则,依据瓦斯浓度标准合理按阶段布设通风系统,安全有效地完成了各阶段施工通风、机械、监测及应急救援设施的不同等级配置,实现了瓦斯隧道各区段风险管理与资源的合理匹配,降低了管理风险,减少了资源投入,并节省了工期。而如果按TB10120—2002规定,天坪隧道横洞工区均按界定的瓦斯突出工区级别并遵守《煤矿安全规程》的有关规定施工,势必会增加投资费用,延长工期。瓦斯隧道穿越煤系地层时,瓦斯隧道管理等级与隧道自身断面、长度等状况有很大关系,与施工通风能力、布设密不可分,是一个多元素主导的控制体系。天坪隧道横洞工区通过采用分区管理模式,实现了经济投入有依据、设备配置有根据、安全责任有落实的目标。

参考文献:

[1]中华人民共和国铁道部.铁路瓦斯隧道技术规范:TB10120—2002[S].北京:中国铁道出版社,2002.

[2]国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程[M].北京:煤炭工业出版社,2011.

[3]张贵铜.铁路隧道瓦斯等级划分的探讨[J].铁道工程学报,2010(10):78.

[4]赵阶勇.铁路瓦斯隧道施工特点及问题探讨[J].隧道建设,2011(1):82.

[5]雷升祥.瓦斯隧道施工技术与管理[M].北京:中国铁道出版社,2011.

[6]苑郁林.瓦斯隧道等级划分新证[J].铁道工程学报,2012(9):65-70.

[7]杨立新.现代隧道施工通风技术[M].北京:人民交通出版社,2012.

[8]国家安全生产监督管理总局.防治煤与瓦斯突出规定[M].北京:国家安全生产监督管理总局,2009.

铁道工程杂志范文第3篇

摘要:

在西部大开发的进程中,铁路、公路工程建设飞速发展,而在建设中,不可预见的不良地质地段影响工程建设的推进,同时也可能危及既有构筑物的安全。新建广大铁路建设工程滑坡对既有高速公路造成了重大安全影响,经及时采取微型桩组合抗滑结构+回填土反压应急措施和预应力锚索+抗滑桩永久加固措施对滑坡进行治理,将滑坡造成的危害及影响降低到最小。微型桩组合抗滑结构应急措施和预应力锚索+抗滑桩永久加固措施在实际的滑坡治理工程中进行了成功的运用,既保证了既有高速公路的运营安全,也保证了新建工程的永久稳定。

关键词:

微型桩;应急;滑坡治理;锚索

广通至大理铁路为国家I级电气化双线新建铁路,速度目标值为200km/h。D2K92+364~D2K92+500段位于路堑斜坡地带,路基中心最大挖深约18m,设计于线路右侧路堑坡脚设置4~6m高重力式挡土墙,墙顶边坡采用锚杆框架梁防护和骨架护坡防护。铁路路堑右侧上方有楚大高速公路通过,铁路、公路平面距离约103m,高差约40m。该段路基属侵蚀、剥蚀低中山河谷地貌,线路行进于羊地冲河两侧斜坡地带,地形起伏较大,地面高程2095~2240m,相对高差30~150m,自然横坡5°~30°,河谷区相对平缓。线路右侧毗邻楚大高速公路。本段地质为白垩系下统普昌河组(K1p)薄至中厚层状泥岩夹砂岩,表层3.0~5.0m厚全风化层,其下主要为强风化带(W3)及弱风化带(W2)基岩。

1滑坡特征及成因分析

1.1滑坡发生发展

2013年11月1日14时30分,施工单位现场管理人员在例行巡视D2K92+364~D2K92+500段路基边坡时发现,自D2K92+364堑坡顶向大里程方向夹角约60°有一条向外剪出10cm的裂缝至第二堑坡平台底部,该裂缝长33m,裂缝宽5~15cm;往上巡视发现山体滑坡,由Ⅰ级、Ⅱ级滑坡体组成,Ⅰ级滑坡后部缓坡平台发育4条张拉裂缝,Ⅱ级滑坡在高速公路上发育4条裂缝,公路下方往铁路大理方向发育2条裂缝。2013年11月1日晚20时30分开始对滑坡进行观测,针对裂缝分布情况,埋设了3组共17个观测点,每间隔1h观测1次。滑坡后缘裂缝观测桩累计水平位移34mm、下沉15mm;高速公路路面观测桩累计水平位移23mm、下沉8mm,路面出现长约18m的纵向裂纹,裂纹宽度0.5~1.5cm,挡水缘外侧(护栏外侧)出现一条长约30m,宽约4~6cm的裂缝,对其滑坡前缘采取反压回填土应急方案,随着前缘填土实施,到11月2日0时滑坡位移逐渐减小,前缘回填土反压继续实施,11月2日0时到11月5日晚20时,观测数据基本无变化,滑坡基本趋于稳定。

1.2滑坡特征

D2K92+364~D2K92+500段右侧路堑滑坡位于线路右侧17~135m,滑坡平面上呈树叶形,主轴长约145m,最宽为68m,滑坡体厚5~13m,最厚达16.7m,体积约7.4×104m3,为一中型岩质滑坡。该滑坡由Ⅰ、Ⅱ两个块体组成,地貌特征及其周界裂缝明显、清晰。滑体主要由强风化的砂岩、泥岩组成,局部为泥化或全风化的薄层泥岩、砂岩组成。钻探揭示滑动面以上为强风化、局部弱风化薄层至中厚层紫红、棕黄色、灰绿色泥岩、砂岩,滑动带为泥化成土的薄层泥岩(厚度仅3mm),如图1所示。其中Ⅰ级滑坡主轴长约96m,宽约68m,滑坡后部缓坡平台发育四条拉张裂缝,裂缝与线路夹角约60°,裂缝最长16m,最短4m,裂缝宽度1~3mm,间距最宽13m。Ⅱ级滑坡主轴长约47.5m,宽约45m,滑坡体在高速公路上发育4条裂缝,长度大约分别2m、8m、10m、18m,间距1~4m,宽度1~2mm,可见深度最深5mm;公路下方铁路往大理方向发育2条裂缝,长度分别为16m、28m,可见最大宽度10cm,最大深度20cm。Ⅱ级滑坡前缘广通端发育3条裂缝,长度分别为3m、6m、7m,可见最大宽度3mm,最大深度6mm,其剪出口位于强风化层中,滑面光滑,滑坡主轴与铁路和公路斜交,交角约60°,其在铁路右侧堑坡处与剪出面相交,并可见第一级与第二级堑坡间平台长约10m坍塌。

1.3滑坡成因分析

1.3.1地质原因分析

(1)该段地貌属于斜坡地带,坡面冲沟发育;地表基岩出露较好,为白垩系下统普昌河组(K1p)泥岩夹砂岩,薄至中厚层状,多属软质岩,局部极软岩,极易风化碎裂、遇水易软化。

(2)该段位于普棚向斜核部及北东翼,岩体受构造影响严重,岩体节理裂隙发育、破碎,完整性差。

(3)深路堑施工开挖,右侧边坡前缘形成大的临空面,产生卸荷,在重力及近期雨水影响下,山坡上局部岩体沿隐伏软弱结构面蠕滑剪出,向上牵引发生地表开裂、变形。

1.3.2施工原因分析

施工方在D2K92+364~D2K92+500段路堑两级边坡一次放坡开挖,开挖至设计路基面以上1.6m位置,将该段挡土墙一次开挖到位,不符合相关施工规范的要求。

2滑坡治理分析

2.1滑坡稳定性分析

该滑坡形成时处于蠕滑变形阶段,前缘剪出位移较小。D2K92+364~D2K92+500段右侧路堑自2013年11月1日发生滑坡后,其前缘采用反压回填的临时应急措施,及布网观测,结果为各观测点数据自2013年11月2日0时至2013年11月5日晚20时基本无变化,说明此段滑坡已暂时处于稳定状态。根据地勘资料,取γ=19.9~23kN/m3(泥岩夹砂岩),根据目前滑坡状态及地质综合指标分析得C=3kPa,=14°。考虑地震荷载取相关安全系数,计算剪出口处下滑力:E=2100kN/m。

2.2加固措施的检算分析

(1)回填反压已经保证滑坡暂时基本稳定的前提下,在高速公路路堤坡脚处设置微型桩抗滑组合结构,相当于一个挡土结构和一个岩壁的土钉系统,用桩包围滑面以上的土并“钉”住滑面增大抗剪阻力,如图2所示,组合结构受力方向上的前后排微型桩采取倾斜模式,倾斜角度θ=15°,计算分析模型简化成如图3的形式,将作用于桩上的荷载沿桩轴线方向和桩垂线方向进行分解,分解之后桩受力状态为横向力和轴向力共同作用,根据横向约束的弹性地基梁理论进行计算,按m+k法检算微型桩临时承担下滑力为E临=350kN/m。

(2)采取预应力锚索+抗滑桩永久加固,主要考虑第2排、第3排抗滑桩承担下滑力E1=1300kN/m,预应力锚索承担下滑力E2=600kN/m,微型桩承担永久下滑力E3=200kN/m。

3工程措施

3.1应急抢险加固措施

(1)对D2K92+360~D2K92+480段已经开挖边坡坡脚进行回填土反压,回填土必须压实;同时组织专人对后缘裂缝、冲沟内裂缝进行夯填,防止雨水进入裂缝后加速变形滑动。反压回填工程实施后滑坡体趋于基本稳定状态。

(2)为保证高速公路上行线的运营安全,在高速公路靠铁路侧坡脚处设置微型桩组合结构应急加固工程,微型桩加固里程范围为D2K92+336~D2K92+401,长65m。单根微型桩由3根32的HRB400钢筋构成束筋,微型桩孔径为150mm,微型桩桩长(垂直高度)为20m,每9根桩组成一个组合结构,上部由顶板联接。组合结构间距(中-中)均为3.5m,共19个微型桩单元。微型桩组合结构大样如图3所示,微型桩自11月6日开始施工,于11月25日完成,期间高速公路路面的变形观测数据无变化,表明微型桩组合结构针对高速公路的应急加固取得良好效果。如图1、图3所示。

(3)微型桩组合结构施工。微型桩孔位按设计进行放线,锚孔采用风动潜孔钻机干钻,潜孔钻机可以选用MD-50、MD-80或类似性能机械,微型桩钻孔施工可全面铺开,不需跳槽施工,微型桩构件下入钻孔后及时注浆,间隔时间不超过24h,注浆时的浆液采用标号不低于M35的高性能抗侵蚀性水泥浆,注浆压力不得低于0.2MPa。施工单位根据工期情况以及钻孔数量合理安排施工设备与人员,每个微型桩组合单元每1~2d即可完成施工。本应急工程施工单位采用2台钻机,仅15d就完成了19个微型桩组合结构的全部施工,施工效率极高。

3.2永久加固措施

在保证高速公路路面安全和滑坡基本处于稳定的前提下,实施永久加固工程,如图2,图3所示。(1)D2K92+360~D2K92+480段右侧长120m,坡脚设置桩间挡土墙,距线路左中线14.3m处设1号~16号抗滑桩,共16根,桩截面(1.5×1.75)m~(1.5×2)m,桩间设置重力式挡土墙。(2)D2K92+348~D2K92+457段,在距线路左中线30.4m、48.6m、87m处设置17号~39号抗滑桩,共23根。桩截面(1.5×2.0)m~(1.75×2.75)m,桩长16.0~23.0m。(3)D2K92+370~D2K92+490段左侧,长120m,坡脚墙顶以上第一级边坡,设锚杆框架梁护坡,锚杆长度为12.0m。(4)D2K92+374~D2K92+467段右侧,长93m,墙顶以上第二级边坡,采用锚索框架梁内喷播植草间种灌木防护。(5)D2K92+340~D2K92+400段右侧,长60m,楚大高速公路旁设置微型桩下方,采用锚索框架梁加固,锚索横向节点间距3.5m(设置在微型桩间),竖向间距4.0m。(6)在滑坡永久加固工程实施前,应对滑坡范围内所有裂缝进行粘土夯填,设置双层排水系统。

3.3滑坡永久监控措施

加固工程实施完成后,建立永久监测点网,对滑坡及楚大高速公路进行变形监测、施工安全监测、防治效果监测。在施工期间,监测效果作为判断滑坡稳定状态、指导施工、反馈设计和防治效果检验的重要依据。铁路运营后,永久监测网移交铁路养护部门,监测治理效果。

3.4施工顺序

滑坡体前缘的反压回填→微型桩组合结构施工→边坡最上部锚索锚垫墩施工→30号~39号抗滑桩施工→17号~29号抗滑桩施工→第二级边坡锚索框架梁施工→第一级边坡开挖→第一级边坡锚杆框架梁施工→1号~16号抗滑桩施工→桩前土体分段开挖→桩间挡土墙施工。

4结束语

(1)在滑坡治理中最常用加固措施的是抗滑桩和预应力锚索,但施工需要时间相对较长。在滑坡已经危及既有构筑物安全的情况下,两者的运用更是有其局限性,本案例采用滑坡前缘填土反压+微型桩抗滑组合结构作为应急处理方案,抗滑桩+预应力锚索作为永久加固方案,方案实施后,历经一个雨季的考验,高速公路以及滑坡体经观测未出现任何变形现象,实践证明,该方案是十分成功的。

(2)采用微型桩抗滑组合结构加固处理滑坡,都是采用钻孔机械地面上施工作业,不用采取传统抗滑桩的放炮开挖,施工扰动小,安全、环保,最主要是施工进度快,具有许多传统施工技术没有的优势,应用前景广阔,取得了显著的社会效益。

(3)治理滑坡的理念就在于结合地形条件和各种外在因素进行方法的综合考虑,以达到最佳的治理效果。从实例即可看出治理方案优化组合的重要性,在以后类似的铁路路堑边坡加固与应急抢险工程中,具有巨大的推广应用价值。

参考文献:

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[2]李海光.新型支挡结构设计与工程实例[M].北京:人民交通出版社,2004.

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铁道工程杂志范文第4篇

摘要:

为了确定IV级围岩条件下陡坡小净距隧道的合理施工方法,结合怀通高速公路隧道工程施工实例,考虑上下台阶与环形开挖留核心土法的3种不同组合下的施工方案,通过有限元软件对IV级围岩陡坡条件下小净距隧道的不同施工方法进行了模拟,重点分析了隧道开挖对地表、围岩等的扰动效应,主要包括地表、掌子面以及中夹岩柱区域的位移和应力,确定了上下台阶法为IV级围岩条件下陡坡小净距隧道的合理施工方法,分析成果可为类似条件下的小净距隧道的设计、施工提供参考。

关键词:

陡坡;小净距隧道;施工方法;IV级围岩;怀通高速公路

1概述

目前,国内外学者对小净距公路隧道已进行了相关的研究,K.W.Lo[1]和ESoliman[2]等对于小净距隧道施工过程中的受力模式及隧道之间的相互影响进行了相应的研究和探索;Tan[3]采用数值模拟的手段研究了小净距隧道间距对地表位移和围岩应力的影响;近年来国内许多学者[4-11]也对小净距隧道的施工方法与顺序、施工力学状态、施工相互影响等方面进行了研究,逐步积累了一定的经验和成果,但研究对象基本集中在无地形偏压或地形偏压坡度不大于30°的情况,对大于30°的偏压情况下小净距隧道的研究较少,但实际工程应用难以避免遇到陡坡偏压的情形,特别是怀通高速公路由于地形复杂、选线难度大,出现了几座陡坡偏压小净距隧道,迫切需要通过相关研究降低其施工与运营风险,进一步优化设计施工的关键技术参数。因此,本文拟通过数值模拟,并结合工程实例,对相同条件下陡坡小净距隧道的三种不同施工方法进行对比分析,研究IV级围岩条件下陡坡小净距隧道的合理施工方法,以为本工程施工提供指导,并为以后类似工程提供设计与施工方面的借鉴。

2计数值模型与工况设计

2.1计算模型与参数

结合怀通高速公路隧道工程实例,建立隧道开挖三维模型。该工程为双洞单向行车的双车道小净距隧道,隧道位于低山丘陵区,基岩主要为片麻岩,岩体破碎,构造发育,隧道中部为IV级围岩,偏压较为严重,因此该隧道适合作为本研究的依托工程。整体及支护结构模型如图1所示,单洞开挖跨度13.14m,净距8m,拱肩覆土厚度8m,地面坡度45°,陡坡条件,模型纵向深度100m。在ABAQUS模型中,围岩采用一阶三维实体缩减积分六面体单元C3D8R,喷射混凝土板采用缩减积分四节点壳单元S4R,锚杆采用杆单元T3D2。模型参数根据《公路隧道设计细则》(JTG/TD70-2010)给出的岩质围岩基本物理力学参数选取,混凝土的材料模型采用混凝土塑性损伤模型,初支混凝土材料弹性模型通过截面等效原则,将钢拱架的弹性模量折算成混凝土的弹性模量计算公式(1)。E=Ec+Sg×Lg×EgSc×L(1)式(1)中:E为折算后初期支护的弹性模量,Ec为喷射混凝土弹性模量,Eg为钢拱架弹性模量,Sc为喷射混凝土截面积,Sg为钢拱架截面积,Lg为钢拱架翼缘长,L为钢拱架间距。模型中锚杆长度为3.5m,锚杆纵横间距0.5×1.0m,喷射混凝土厚度为0.25m。围岩及支护结构材料属性见表1。

2.2工况设计

各施工工法横断面施工步流程图以及开挖三维立体图见表2。

3计算结果分析

3.1地表位移分析

对于陡坡小净距隧道,地表位移是判断围岩与边坡稳定性的一个重要标志,地表位移控制往往是隧道建设中的重要环节,因此也是数值分析的重要指标。地表位移分析选取初始开挖断面上方的地表测线D1,沿隧道开挖方向先行洞拱顶上方地表测线D2和沿隧道开挖方向后行洞拱顶上方地表测线D3,如图2所示。如图3所示,由沉降曲线可知:3种施工方法下的地表沉降规律基本一致,最终的地表最大沉降均位于中夹岩柱中心线和浅埋洞拱顶正上方之间的位置,其最大地表沉降值有所差异。当先行洞开挖至80m(后行洞开挖至40m),采用上下台阶法、组合法和留核心土法开挖的最大地表沉降分别为8.2mm,7.7mm和7.2mm。图4为先行洞开挖至80m时测线D2和D3的沉降曲线,在沿隧道开挖方向的地表的沉降最大值均出现在初始开挖断面(横坐标的0m位置)的地表处,且相同横坐标下的先行洞上方的地表沉降值明显大于后行洞。采用上下台阶法、组合法和留核心土法开挖的先行洞上方最大地表沉降分别为8.1mm,7.7mm和7.4mm,后行洞上方最大地表沉降分别为5.9mm,5.5mm和5.2mm。综合上述沉降云图和地表沉降曲线图可知:留核心土法开挖对地表沉降控制效果最好,其次为组合法,而上下台阶法施工引起的地表沉降最大。但总体而言,IV围岩下的3种施工方法造成的地表沉降差别并不大,均能满足施工期间的地表沉降控制要求。

3.2掌子面挤出位移分析

图5为隧道先行洞开挖至80m时,先行洞和后行洞的掌子面沿隧道开挖方向上的位移云图,灰色区域为掌子面挤出位移的区域。由图可知,掌子面挤出主要发生在上台阶区域,而采用上下台阶开挖产生的掌子面挤出位移的区域范围明显要大于留核心土法,因为上台阶预留的核心土有效地“抵制”了掌子面的挤出趋势。由于进行下一步开挖时会挖出上一步已经产生挤出位移的掌子面,所以每一步开挖都会产生新的掌子面,这就导致掌子面挤出位移并不像地表沉降一样是各个开挖步的地表沉降的累加,而是每步开挖后重新产生的,所以掌子面挤出位移的量值并不大。从掌子面稳定性看,留核心土法的掌子面挤出位移区域最小,控制效果最好,其次是组合法,上下台阶法对掌子面稳定性最为不利。

3.3中夹岩柱特征点应力应力分析

选取连接两隧道起拱线位置的水平线L2上的监测点A、B、C,分别位于深埋洞开挖面附近,岩柱中部以及浅埋洞开挖面附近,如图6所示。中夹岩柱应力分析点选取岩柱近深埋洞侧A点、岩柱中部B点和岩柱近浅埋洞侧C点(见图6)。采用侧壁导坑法、组合法和留核心土法开挖时,中间岩柱A、B、C处最大和最小主应力见表3。根据图7中的各点应力分布情况,无论采用哪种施工方案,中夹岩柱靠近开挖面的位置(A、C点)应力均大于岩柱中间部位(B点),而深埋侧A点的最小主应力则显著大于浅埋侧C点,最大主应力却略小于C点,深埋侧A点最大和最小应力之差最大。从应力值分析,中夹岩柱越靠近开挖面的位置受到施工扰动越大;根据应力差,中夹岩柱深埋侧岩土体比浅埋侧的更容易发生破坏。3种施工方法中,采用留核心土法施工的中夹岩柱的最大、最小主应力和应力差均要小于组合法和台阶法,所以留核心土法对于中夹岩柱的受力变形控制效果最好。

4结论

①结合数值模拟结果,从各自的地表位移、掌子面挤出位移以及中夹岩柱特征点的应力角度分析3种施工方法的优劣,得出留核心土法优于其它两种方法,而组合法又优于台阶法。②隧道施工的位移场分布规律主要取决于地质条件,隧道位置和形状等设计条件,不受施工方法影响,但隧道的施工方法会对位移量值大小产生显著影响。③留核心土法相比于台阶法,预留的核心土有效抑制了掌子面的挤出位移,保证了掌子面的稳定性,这是导致留核心土法施工造成的岩土体变形小于台阶法的根本原因。

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