黄土隧道开挖大学毕业设计.docx

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黄土隧道开挖大学毕业设计

黄土隧道开挖_大学毕业设计

摘要

随着我国西部大开发战略的实施，高等级的公路得到了迅猛发展。

与此同时，在高速公路建设中包含大量的黄土隧道。

由于黄土公路隧道洞室开挖断面大、地质条件复杂、施工难度高、附属设施多，因此在隧道工程的建设过程中出现了诸多问题。

本文基于黄土力学参数，运用岩土工程数值分析软件MidasGTS，进行黄土地层地下隧道开挖对周围土体变形影响的计算机模拟分析。

根据黄土场地的实际条件，建立了隧道的计算模型，利用MidasGTS程序，模拟了黄土隧道开挖过程中前期支护条件、后期加固措施等因素对隧道内部地表、拱顶、侧墙以及地上建筑物沉降的影响程度和塑性区、位移的分布规律。

仿真黄土隧道开挖数值模拟，以及开挖过程对周围土层的影响，可为黄土地区的地下工程建设提供一定的参考。

关键词：

黄土隧道，数值模拟，MidasGTS

Abstract

Withtheimplementationofthestrategyofwesterndevelopmentinourcountry，high-gradehighwaygotrapiddevelopment.Atthesametime，containsalargenumberofloesstunnelinexpresswayconstruction.Duetotheloesshighwaytunnelcavernexcavationsectionoflarge，complexgeologicalconditions，constructiondifficultyishigh，theancillaryfacilities，moresointunnelengineeringconstructionproblemsappearedintheprocess.Basedonloessmechanicsparameters，byuseofnumericalanalysisofgeotechnicalengineeringsoftwareMidasGTS，loessstratumundergroundtunnelexcavationonthesurroundingsoilmassdeformationimpactanalysisofthecomputersimulation.Accordingtotheactualconditionoftheloessfield，establishedthecalculationmodelofthetunnel，usingMidasGTSprocedure，loesstunnelexcavationaresimulatedbytheearlysupportingconditions，laterintheprocessofreinforcementmeasuresonthetunnelinternalsurface，theinfluencedegreeofthesidewallandthegroundsettlementofbuildingsandtheplasticzone，displacementdistribution.Loesstunnelexcavationsimulationnumericalsimulation，andtheinfluenceofexcavationprocessonthesurroundingsoil，forundergroundengineeringconstructioninloessregionsprovidecertainreference.

Keywords:

loesstunnel，thenumericalsimulation，MidasGTS

目录

1绪论

1.1黄土的特性

1.1.1黄土的成分组成

黄土的颗粒成分以粉粒为主，在黄土中粉粒（粒径0.005~0.05mm）含量一般在60%以上。

黄土中普遍含有砂粒，但以极细砂（0.05-0.1mm）居多细砂含量很少，一般粒径均小0.25mm。

粘土含量一般在20%左右。

在黄河中游黄土颗粒组成中，由北向南和由西向东砂砾逐渐减少，而黏土含量逐渐增多。

黄土中的矿物质成分包括碎屑矿物和黏土矿物。

碎屑矿物主要是石英、长石和云母，这三类矿物的总含量占全部碎屑矿物的80%，还有少量辉石、角闪石、绿帘石和磁铁矿等。

此外，黄土中还含有碳酸盐矿物，如方解石。

黏土矿物主要是伊利石、蒙脱石、高岭石、针铁矿和含水赤铁矿等。

1.1.2黄土的分类

中国黄土的分布面积比世界上任何一个国家都大，而且黄土地形，在中国发育得最为完善，规模也最为宏大。

中国西北的黄土高原是世界上规模最大的黄土高原；华北的黄土平原是世界上规模最大的黄土平原。

中国黄土总面积达63.1万平方公里，占全国土地面积的6％。

从地理位置上来看，中国的黄土主要分布在北纬40°以南的地区，位于大陆的内部、西北戈壁荒漠以及半荒漠地区的外缘。

从区域来看，中国的黄土主要分布于广大西北地区的黄土高原以及华北平原和东北的南部。

黄土高原的面积约占全国黄土分布总面积的70％以上，黄土层的厚度一般都达100米以上，其中陕北和陇东的局部地区达150米，在陇西地区超过200米。

具体来说，黄土主要分布于甘肃的中部和东部，陕西的中部和北部，内蒙古伊克昭盟的南部和西部，山西的大部分，河南的北部、西部及西北部，山东西部以及辽宁山地一带。

华北平原的黄土则多被埋藏在较深的冲积层的下部。

总之，在长城以南，秦岭以北，西迄青海东部，东至海边的整个黄河流域都有黄土分布。

在长城以北，黄土就逐渐消失。

此外值得注意的是，天山北麓、昆仑山麓、祁连山麓也有黄土分布。

一般认为中国黄土的分布南止秦岭，但事实上在宝鸡以南，秦岭中的凤县、双石铺一带，再南至柴关岭也都有黄土分布。

即使在汉中盆地或向东到大别山北坡、江苏北部，甚至南京附近以及长江流域的某些地区也有零星的黄土分布。

1.1.3黄土的特性

黄土是最新的地质时期（距今约200万年左右的第四系）形成的土装堆积物，所以其性质比较特殊。

黄土具有显著的垂直节理，土质疏松，在干燥时较坚硬，一旦遇水浸泡，通常容易剥落、侵蚀和湿陷。

在黄土地区修建各种建（构）筑物时，如果对黄土的特性不了解，往往会给工程带来严重的损伤和破坏，黄土的特性很早就引起了科学工作者和工程技术人员的关注。

在长期的实践和研究中，把黄土的主要特征归结为五个方面。

1）多孔性

由于黄土主要是由极小的粉状颗粒所组成，而在干燥、半干燥的气候条件下，它们相互之间结合得不紧密，一般只要用肉眼就可以看到颗粒间具有各种大小不同和形状不同的孔隙和孔洞，所以通常有人将黄土称为大孔土。

一般认为黄土的多孔性与成岩作用、植物根系腐烂和水对黄土的作用等有关，更重要的是与特殊的气候条件有关。

典型的黄土孔隙度较高，而黄土状岩石的孔隙度较低。

2）垂直节理发育

当深厚的黄土层沿垂直节理劈开后，所形成的陡峻而壮观的黄土崖壁是黄土地区特有的景观。

垂直节理发育，就是典型黄土和黄土状岩石所具有的普遍而特殊的性质。

关于黄土垂直节理的成因，曾引起了许多学者的兴趣。

目前较多的人认为，垂直节理的形成主要是由于黄土在堆积加厚的过程中受到重力的影响，土粒间的上下间距变得愈来愈紧密，而土粒间的左右间距却保持原状不变。

这样水和空气即沿着抵抗力最小的上下方向移动，也就是说沿着黄土的垂直管状孔隙不断地作升降运动并反复进行，这就造成了黄土垂直节理发育的倾向。

3）层理不明显

凡是沉积岩一般都应具有层理，因为无论任何成因的沉积岩的形成都必须经过沉积物逐步堆积的过程。

黄土既然也属于沉积岩的范畴，为什么层理却不明显、不清楚呢？

很多学者把黄土无层理、层理不明显，作为黄土风成的标志，而有层理的黄土则认为是水成的依据。

如今，有人提出不管黄土是风成的，还是水成的都应具有层理，其层理之所以不明显，主要是由于在观察过程中，人们的注意力主要集中于黄土的孔隙性和垂直节理的显著特征上，忽视了对层理的研究；其次，黄土的组成物质主要物质是尘土质物质，它在渐次堆积过程中，形成非常薄的层理，用肉眼观察是不明显的；另外，黄土崖壁经过不断的雨水淋洗后，常常使表层黄土成泥浆糊状物涂于整个崖壁表面，因此从外观来看，就再也看不清层理了，就像砖砌的墙壁经过泥浆的粉刷再也看不到砖缝一样。

这种说法是有一定道理的。

4）透水性较强

一般典型的黄土透水性较强，而黄土状岩石的透水性较弱；未沉陷的黄土透水性较强，沉陷过的黄土透水性较弱。

黄土之所以具有透水性，这是和它具有多孔性以及垂直节理发育等结构特点分不开的。

黄土的多孔性及垂直节理愈发育，黄土层在垂直方向上的透水性愈高，而在水平方向上的透水性则愈微弱。

此外，当黄土层中具有土壤层或黄土结核层时，就会导致黄土层的透水性不良，甚至产生不透水层。

5）沉陷性

黄土经常具有独特的沉陷性质，这是任何其他岩石较少有的。

黄土沉陷的原因多种多样，只有把黄土本身的性质与外在环境的条件结合起来考虑时，才能真正了解黄土沉陷的原因。

粉末性是黄土颗粒组成的最大特征之一。

粉末性表明黄土粉末颗粒间的相互结合是不够紧密的，所以每当土层浸湿时或在重力作用的影响下，黄土层本身就失去了它的固结的性能，因而也就常常引起强烈的沉陷和变形。

此外，黄土的多孔性，大气降水和温度的变化以及人为的影响，对黄土中可溶性盐类的溶解和黄土沉陷的数量与速度都有着极大的影响。

黄土的上述五种特性并不是互不相干的，而是相互影响，互为作用的，所以对黄土的特性必须全面综合地加以研究。

1.2黄土隧道建设历史

1.2.1铁路黄土隧道的建设历史

100多年来，在我国黄土分布地区修建了大量的铁路干线、支线和专用线，比如横贯东西的陇海线、兰新线、京包线京承线、京原线、石太线、邯长线，大秦线、侯月线、；纵横南北的北同浦线、南同浦线、包兰线、西延线、太焦线、宝中线等。

铁路穿越黄土塬、梁的边缘，由于下伏基岩的起伏，黄土层厚度不一，铁路隧道有全部洞身断面通过黄土，有仅在隧道上部断面或在进口、出口部分段落穿过黄土。

铁路黄土隧道主要集中在河南、山西、陕西甘肃等省的铁路线上。

1950年前黄土隧道施工方法采用单工序作业，先拱后墙法，全部依靠人工开挖、搬运。

隧道拱圈衬砌用白灰砂浆筑砌青砖，边墙用石料砌筑。

20世纪50~70年代，黄土隧道的施工采用上导坑法，上下导坑法。

开挖以手工工具为主，用铣、镐开挖。

支撑主要是木支撑，导坑采用框架式，扩大采用扇形支撑，洞内运输主要用人力推轻轨土斗车、架子车、手推车等。

黄土隧道没有标准的设计图，而是套用一般土质隧道的衬砌断面，其结构形式不完全适应黄土隧道的特性，衬砌厚度偏大而且不完全合理。

20世纪80年代成功采用新奥法修建了大秦铁路黄土地段的军都山隧道和神朔线黄土地段的蛇口岇隧道。

例如，军都山隧道采用了近似圆形的蛋形断面的复合式衬砌结构，采用非爆破大断面长台阶开挖，断面分为上、中、下三个台阶，自上而下开挖，上、中层台阶开挖采用平行作业，下台阶则与上、中台阶开挖采用交替作业。

此后修建的黄土隧道基本上是采用以喷锚网为初期支护，模筑混凝土为二次衬砌的施工方法。

20世纪90年代是铁路建设高潮期之一，新的干线铁路及路网建设加快，这一时期在黄土地区修建的铁路有侯月线、宝中线、神朔线、神延线、朔黄线等。

我国在早期修建的黄土隧道均为普速铁路单线或者双线隧道，隧道的开挖面积为50~120m2。

受经济、技术水平的限制，黄土隧道一般较短，大部分穿越新黄土，埋深较浅。

建设过程中为了解决黄土隧道特有的问题，广大隧道工程建设者针对