西安工业大学建工院土木工程毕业设计总说明书外文文献翻译.docx
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西安工业大学建工院土木工程毕业设计总说明书外文文献翻译
毕业设计（论文）外文翻译
题目：
ComparativeAnalysisofExcavationSchemesforaTunnelConstructedthroughLooseDeposits
院（系）建筑工程学院
专业土木工程
班级130702
姓名xxxxx
学号xxxxx
导师xxxxx
2017x年5月1日
通过松散堆积物构建了隧道开挖方案的对比分析
摘要：
由于周围岩石较弱，构造松散沉积物的隧道易于坍塌，二次内衬通常遭受过度变形。
因此，选择适当的挖掘方案是重要的，这将对隧道施工安全和随后的隧道运行产生影响。
本文采用亭子坝隧道，一条浅埋在浅沉积和冲积起源的高速公路隧道为例。
在施工期间，这条隧道经历了很多穹顶倒塌事件和先进的支援破坏。
对重组样品进行各向同性排水（CD）压缩试验，以获得松散沉积物的机械参数。
进行三维建模以模拟三种不同方案开挖后隧道中的应力和变形分布，即上下台阶隧道，三台隧道和单侧方向隧道掘进。
比较分析结果表明，单侧巷道隧道更适合该隧道，既可以减少拱顶沉降，又可以限制塑性区的开发。
对于类似地质环境中的隧道设计和施工，结果应该是重要的。
关键词：
松散堆积物；力学参数;隧道；开挖方案；比较分析。
说明
随着中国交通基础设施快速发展，在过去的几十年里，许多新的隧道已经或正在通过具有挑战性的地质条件的地区建设等。
软岩在隧道建设中经常遇到。
软岩的力学特性导致快速变形和各种干扰（Sharifzadeh等人。
2013a；朱某等人。
2013）它能影响地下结构的稳定性。
为此，软岩石已受到很多关于交通隧道建设的关注。
例如，Jeng等人（2002）评价Mushan的变形砂岩和台湾北部对隧道变、形的影响。
Ozsan和Basarr（2003）计算出强风化凝灰岩Urus坝址引水隧洞的支持能力。
李和舒伯特（2008）研究了在软弱围岩中圆形隧道的长度。
Shahrour等（2010）分析了用软土构建的隧道的地震响应。
Weng等人（2010）提供剪切诱导各向异性降解模型涉及的时间—依赖行为模拟软弱砂岩变形。
王某等人（2012）采用有限元分析计算出用粘土构建的浅的隧道的地表沉降。
现场试验、模型试验和数值分析表明，不同开挖方案可以产生不同的力学效应在隧道开挖期间周围应力重新分布于岩石。
这些机械作用对围岩沉降和变形有着非常显著的影响，这可能会进一步导致工程变形结构，包括隧道衬砌。
对于隧道开挖、KarakusaFowell（2003）发展不同模式研究掌子面影响沉降，发现采用不同方法提高隧道面导致的不同沉降曲线。
Hisatake和Ohno（2008）分析了隧道开挖面上的位移影响和发现当管道支架安装时使用环切挖方法对地面位移表现出克制。
Yoo（2009）进行了三维（3D）的多面的数值研究新奥法（NATM）软土隧道，本研究表明，壁导坑开挖法在限制地面沉降和隧道变形最有效。
江等人（2010）进行了数值模拟分析和现场监测的位移分析场，应力场，并采用CRD法塑性区。
他们研究了设计和建设的可行性方法，地面支持方案，以及如何调整和支持参数确定施工方法和程序可以用来确保施工安全。
朱等人（2003）证实了不同施工方案对隧道稳定性的影响明显不同并且数值分析应选择最优施工方案，特别是当隧道施工遇到软岩条件差的时候。
它也证明了，不恰当的开挖方案会导致过度变形，开裂，甚至倒塌的二衬（Brox和哈1999;dalgic2000）。
当一个用松散堆积物或软岩建造的隧道变形时，由基坑开挖引起的机械性能差、强度低、干扰会非常明显，它能产生较大的压力并且许多沉降问题会发生（朱某等人。
2003；丁等人。
2005;肖等人。
2014）。
这些问题是如此严重即使稍有不当，可造成开挖方案地区拱顶坍塌。
这将严重影响隧道结构安全。
因此，基坑开挖的技术对比方法及开挖方案的选择使用对这样的条件下修建隧道尤其重要。
有关最好的不良地面条件下工作时应遵循的程序仍然有许多悬而未决的问题，对隧道的开挖方案深入研究低的松散堆积物很有必要在这个时候。
本文研究的是亭子坝隧道，大型浅低埋公路隧道松散沉积物在崩溃，先进的支持破碎、二次衬砌开裂经常发生.挖掘方案必须多次调整。
对大尺寸重构样品进行各向同性排水（CD）压缩试验，以获得松散沉积物的机械参数。
结合设计数据，生成三维数值模型，以模拟三种开挖方案的施工过程：
上下行穿隧，三台隧道和单侧墩隧道。
从施工过程和施工力学的角度，比较了本研究中上述三种挖掘方案对二次衬层的应力和变形，周围松散沉积物的位移场和塑性区的分布情况。
最后，针对以松散沉积物建造的隧道，提出了一个合适的方案。
项目概述
正在考虑的亭子坝隧道是湖南省在建高速公路隧道公路的一对双公路隧道之一，中国南方（图1）。
右洞长500米，直径10.9米，穿过由缓冲沉积物和冲积起源的松散沉积物组成（图2）。
从理论上讲，这种材料是砾石质的和粉质的粉质粘土（图3）。
隧道以一个很大的角度与长的舌头形状相交。
隧道穿过山鞍下方。
由于周围的松散堆积物的性质，这有点刚度、强度低、易变形、隧道多次遇到塌方，初期支护开裂，和下沉。
2010年2月28日，一个严重的事件库塌陷，地面沉降，并超前支护破坏严重（图4）和地面塌陷（图5）发生在隧道路段YK106+970。
在这条隧道其他崩溃地方甚至导致形成孔一样大8*9m和36m深坑，施工被迫停止。
其他施工中遇到的难点问题，包括隧道开挖的调整方案几次因为地面控制问题。
这个方案通过，反过来，上下台阶开挖，三台隧道法和单导坑隧道的方法。
为了更好的对比三种不同的施工方案，即采用不同的挖掘技术，选择了尚未挖掘的从YK107+080到YK107+178的隧道段进行数值分析。
图1.湖南省汝城郴州高速公路隧道，图2.一个由松散沉积组成的山区的
华南地区（国家测绘局地图信息资料）tingziba隧道（J.Z.Xiao的图像）
图3.松散沉积物的组成图4.超前支护破坏
（J.Z.Xiao的图像）（J.Z.Xiao的图像）
松散沉积物的力学参数和数值模拟参数
对大型重组规格进行CD压缩试验，以获得松散沉积物的机械参数。
由于获得大量不受干扰的沉积物的实际困难，使用了重构的圆柱形样品。
基于场密度测试的结果，重构样品的密度尽可能接近现场天然材料的密度。
分析的两组样品的干密度分别为1.65×103kg/m3和1.50×103kg/m3。
最大粒径为60mm，粒度分布曲线如图7所示。
样品制备成直径为300mm，高度为700mm的五层。
使用真空和水饱和法饱和。
固结时间为24h，试验时剪切速率为0.122mm/min。
试验中的应力-应变曲线如图6所示。
实验参数和非线性模型参数如表1所示。
图5.隧道挖掘造成的表面塌陷图6.原始和重构土壤样品的粒度分布
（J.Z.Xiao的图像）
图7.用于各种各向同性地排放的松散沉积压缩试验的结果
这个强度参数和非线性建模参数的山姆普莱斯示表。
初始切线弹性模量和泊松的比灿昌模型在不同围压下的观察并对松散堆积物的实际应力状态的基础上，近似为弹性模量E和泊松比μ对于数值—数值模拟（肖等人。
2014）。
Duncan-Chang模型的初始切线模量与调节压力之间的关系由下式给出
初始切线泊松比和围压之间的关系由下式给出
其中Kt和n=测试参数；Pa=大气压力kPa；和Gt=初始切线泊松比μi和lg（σ3/Pa）之间的线性关系的截距。
隧道上方的覆盖层深度在35至70米之间，平均深度为48米。
松散沉积物的静态侧向压力系数为0.45，模型的干密度为1.70×103kg/m3。
将上述参数和Kt，n，Gt，F从试验代入等式
（1）和
（2），可以得到Mohr-Coulomb模型的弹性模量E和泊松比μi。
由于沉积物松散，造型中不考虑周围土壤的拉伸强度。
将内聚力调节至30kPa，将摩擦角调节至20°，以考虑进行试验的条件。
2010年7月进行的亭子坝隧道周边松散矿床现场调查显示，松散沉积物主要是刚性差，刚度低，结构松动，容易变形。
根据“2010年中华人民共和国交通运输规范”（“2010年中华人民共和国交通运输规范”）的土壤工程分类制度，汀日巴隧道周边松散矿床属于第六类，最差的机械性能。
参数代入方程
（2），得到泊松比为0.32。
为了说明工程分类（VI类）的结果和进行试验的结果，将松散矿床的泊松比调整为0.38。
Vermeer和DeBorst（1984）提出，土壤的膨胀角已知显着小于摩擦角。
汀日巴隧道松散沉积物的摩擦角仅为20°。
松散沉积物膨胀角对隧道的影响非常小。
因此，在三个隧道掘进方案的比较分析中，膨胀角为0°，松弛沉积物的膨胀被忽略。
根据Irfan和Tang（1993）的观点，剪切强度的实际增加没有达到大约20％的粗级分含量。
在这样低的含量下，在剪切过程中对颗粒互锁或膨胀产生的质量剪切强度的贡献很小，并且强度由基质性质主导。
从松散沉积物的照片（图3）和松散沉积物的粒度分布曲线（图6）可以看出，由颗粒（岩石碎片）组成的松散沉积物的总质量百分比，尺寸大于60毫米仅占总数的6％左右。
此外，这些岩石碎片占据的体积小于总数的4％。
岩石实际上是分散在土体中的散发块，对松散沉积物的机械性能没有实际影响。
因此，在模拟中，假设隧道周围的岩石由松散的沉积组成，是均匀的介质。
根据“道路隧道设计规范”（2010年中华人民共和国交通运输部规定），为了建模，锚固区松散沉积物的凝聚力提高了30％，使锚固支撑钢筋。
作为地下结构的安全储备，建模中不考虑钢网的支撑作用。
基于以下方程，钢拱的弹性模量作为初级衬砌混凝土转化为喷浆混凝土（Tangetal.2008）：
其中E=初级衬砌混凝土的弹性模量，单位为MPa;E0=喷浆混凝土的弹性模量，单位为MPa;Eg=钢拱的弹性模量，单位为MPa;Sg=钢拱的横截面积，m2;和Sc=喷浆混凝土的横截面积（m2）。
在数值模拟中，对一次和二次衬砌采用弹性模型，对周围土壤采用莫尔库仑模型，采用固体元素模拟土体质量，初级衬层和次级衬砌。
隧道和支撑材料周围松散沉积物的计算参数如表2和表3所示。
主要考虑了Oreste和Peila（1997），Guan的研究，初级衬砌混凝土的泊松比为0.25（2008）和Sharifzadeh等人（2013b）。
表1.松散矿床的强度参数
强度参数
Et
μt
编号
干密度
c/kPa
Ψ/o
Kt
n
Rf
Gt
F
1
1650
68
20.1
170
0.56
0.82
0.42
0.08
2
1500
67
18.4
130
0.40
0.82
0.41
0.08
表2.周边松散沉积物和支撑材料的计算参数
材料
密度（kg/m3）
泊松比
摩擦角（度）
内聚力（kPa）
弹性模量（GPa）
周围松散的沉积物
1700
0.38
20
30
0.028
锚定区
1700
0.38
20
39
0.028
初始衬砌混凝土
2200
0.25
—
—
25.2
二次混凝土
2300
0.20
—
—
29.5
表3.钢拱参数
参数
价值/描述
类型
I18I-钢
横截面积（m2）
3.l0xl0—3
惯性力矩（m4）
l.70xl0—5
弹性模量（GPa）
200
数值模拟
有限差分代码FLAC3D用于数值模拟，为不同挖掘方案的比较分析提供了灵活的特征。
本文采用FLAC3D内置的Mohr-Coulomb模型。
弹性行为和塑性行为的基本理论如下：
在线性弹性阶段，应力与应变之间存在线性关系，与应力路径无关。
胡克定律在广义应力和应力增量方面的表现形式
其中σ1，σ2和σ3=主应力;e1,e2和e3=主应变;a1和a2=剪切模量，G和体积弹性模量K定义的材料常数
体积弹性模量K和剪切模量G通过使用以下等式确定：
其中μ=泊松比;E=弹性模量。
在塑性阶段，故障标准由下式给出
其中ψ=摩擦角;c=凝聚力
剪切塑性流动gs对应于非相关定律，具有形式
其中ψ=扩张角和
数值模型
考虑到亭子坝隧道的地质特征和地形特征，确定了从YK107+080到YK107+178的隧道段的工程地质模型。
水平地，模型沿着隧道轴线的两侧延伸大约是隧道直径的五倍，模型宽度为125米。
垂直地，隧道顶部上方的地面被视为自由表面，隧道地板，即倒拱和模型底部之间的距离为65米。
初始和次级衬层被认为是弹性介质，周围的松散沉积物符合Mohr-Coulomb模型的模拟。
为了更好地比较三种隧道开挖方案，即上下行穿隧，三台隧道，单侧隧道掘进，三种方案共享相同的数值模型（图8），但对于挖掘部件。
选择YK107+129号YK107+080和YK107+178中间的隧道横截面进行详细分析。
隧道的横截面如图9（a和b）所示。
为了更好地比较二次衬里应力条件，设定了二次衬里上的八个点，用于比较每个分析部分中的最大主应力。
[图9（b），1-8点]开挖顺序和三示意图开挖方案显示在图10。
由于拱顶沉降在开挖过程中能够有效地反映松动和变形周围的松散堆积体，它对位移和松散堆积体稳定性很重要。
图8.不同挖掘方案的亭子坝隧道计算模型
图9.隧道横截面：
（a）隧道埋藏有沉积物和冲积起源的松散沉积物;
（b）亭子坝隧道的详细横断面（点1-8是应力比较点）
图10.三种排气方案的开挖顺序和示意图：
（a）上下行穿隧;（b）三段隧道;（c）单侧航向隧道
边界条件
在模拟中，假设隧道周围的松散沉积是均匀的连续体，不同材料之间的边界是连续的。
如图8所示，两侧边界在垂直于边界的方向上被约束。
底部边界是固定的，顶部边界是自由的。
仿真程序
模拟的三个挖掘方案随后进行描述。
方案1：
上下台阶隧道
1.挖掘每层长度1米，然后构造相同长度的锚固和初始衬砌。
2.当上层开挖长度达到10米时，开始挖掘下层工作台，维持上下工作面的水平距离为10米。
3.对每个下坡台进行1米，然后依次构造锚地，初始衬砌和倒拱，各1米。
4.在建造了20米的倒拱后，开始构造二次衬里。
方案2：
三台隧道
1.每个上层工作台1米，建造1米的锚固和初始衬砌。
2.当上层开挖长度达到10米时，开挖下层工作台，上下工作面之间的水平间隔为10米。
3.将每个较低的长凳1米，并依次构造1米的夹头和初始衬里。
4.下台的挖掘长度达到4米时，开始挖掘底座左侧。
继续挖掘并保持底部工作面左侧与下部工作面之间的水平间距为4米。
5.挖掘每一个左侧底板1米并构建每个锚地和初始衬砌依次为1米。
当底部台阶挖掘长度的左侧到达4米时，开始挖掘右侧底座，并保持左侧底座与底座右侧之间的工作面间隔4米。
6.将每个右侧底板1米，依次构建1米的起始和初始衬砌。
当底台开挖长度右侧达到8米时，开始岩心开挖，右侧底部工作面与核心土层开挖间隔8米。
7.将核心土壤1米的每个部分，依次建造1米的锚地，初始衬砌和倒拱。
8.完成20米倒拱施工后，开始修建二级衬砌，并继续直至完工。
方案3：
单侧壁导坑法
1.隧道施工：
挖掘每个上层工作台1米，构建锚固，初始衬砌和中心直径1米。
2.当上层开挖长度达到10米时，应进行下层开挖，并将上下工作面相互保持10米。
3.对每个下半台进行1米的施工，建造锚地，初始衬砌和临时倒拱，依次进行1米，并保持距离为10米，直到试点隧道突破。
4.通过挖掘每个上层工作台进行主隧道开挖1米，包括试点隧道上部台站锚固区，建成1米锚固和初始衬砌。
5.当上层开挖长度达到10米时，开始下台开挖，上下工作面之间的水平空间维持在10米。
6.拆除每个下台1米，包括先导隧道下阶梯锚固区，拆除中心直线和临时倒拱。
建设锚地，初始衬砌和永久倒拱（每个1米）作为挖掘进度。
7.20米倒拱施工完成后，开始修建二级衬砌，并持续到隧道开挖和衬砌完成对隧道断面分析结果
二次衬砌的应力分析
由于松散沉积物的性质，施工完成后，二次衬层的应力高，如图11所示。
上下台阶隧道后次级衬层的最大压应力为36.77MPa，发生在台架界面附近次级衬层的外侧[图11（a）]。
三台式隧道施工后的最大压应力稍低于上，下台面和拱脚上的23.40MPa。
[图11（b）]。
图11（c）所示，单侧断面隧道后的最大压应力在前两种方法之间的最大压应力为29.81MPa，位于主隧道宽度的台面上，并在倒拱的中间（地板起伏）。
如图9（b）和表4所示，施工完成后，所有三个挖掘方案的二次线路点1和5的拱顶的最大压应力几乎相同。
单侧巷道隧道施工后，第二和第三层次右上角第三点和第七点的最大压应力分别为5.00和27.63MPa，第四点和第八点处的应力倒拱，是2.50和23.0MPa。
最大压应力相对较高，主要隧道开挖，临时支护拆除，主隧道台架开挖。
上下穿隧和三台隧道施工后，二次衬砌左侧第二点和第六点的最大压应力为上，下下段隧道施工时的最大压应力为5.00和35.0MPa，三段为2.00和14.0MPa隧道。
两侧应力在单侧墩顶隧道后最低，仅为1.00和11.29MPa。
通过比较图11（a和b）所示，很明显的是，在上下台阶隧道和三台隧道之间，压应力集中发生在台架周围的许多位置，也在拱脚的两侧。
相比之下，单侧航向隧道[图11（c）]，高应力集中只出现在隧道右侧和倒拱中部。
二次衬里的应力集中度相对较低，更为合理。
因此，为了加强施工过程中的局部支护，建议采用单侧掘进隧道掘进方式，挖掘进度为1米。
这应该导致在二次衬里中更合理的压力分布。
图11.隧道后典型截面的二次衬里计算最大主应力分布：
（a）上下台阶隧道（单位：
Pa）;
（b）三台式隧道法（单位：
Pa）;（c）单侧航向隧道（单位：
Pa）
表4.YK107+129次级衬里八个比较点的最大主应力（单位：
Mpa）
挖掘方案
1
5
2
6
3
7
4
8
上下台阶
-1.00
-7.00
-5.00
-35.00
-5.00
-34.34
-7.00
-12.00
三台
-1.00
-8.50
-2.00
-14.00
-2.50
-17.50
-7.20
-8.93
单侧壁导坑法
-1.00
-9.78
-1.00
-11.29
-5.00
2.50
2.50
-23.00
监测点A处的拱位移
指定了一个保险库结算监测点，用于分析部分A点（图10）。
如图12所示，分别在上下行穿隧，三台隧道和单侧方向隧道后，A点最大拱形位移为474,535和261mm。
图12.典型交叉隧道中点A处的拱位移（单位：
m）：
（a）上下台阶隧道（单位：
m）
（b）三台隧道法（单位：
m）;（c）单侧壁导坑法（单位：
米）
位置分布在周边松散沉积
隧道施工方法明显影响周围松动矿床的动态变形。
通常，在相同的地质条件下，更多的气蚀将导致更多的位移。
完成后，上下行穿隧，三台隧道和单侧航向隧道的最大总排量分别为673,868和454mm（图13）。
在前两种情况下，最大位移发生在拱顶正上方。
在第三种情况下，由于主隧道的临时支撑和主隧道的台架开挖的影响，最大位移发生在二次衬里的右上部分之上。
试点隧道临时支援结算效果明显。
图13.隧道后典型断面周围岩石总位移轮廓（单位：
m）：
（a）上下台阶隧道（单位：
m）;（b）三台隧道（单位：
m）;（c）单侧航向隧道（单位：
m）
周边松散矿床中的塑胶区分布
虽然在所有三个隧道挖掘方案中均安装了先进的支撑，但在周边松散矿床中观察到不同的塑胶区分布。
如图14所示，在上下班台隧道和三台隧道之后，四脚架和四脚架周围的塑料区域四个方向扩展，塑料区域的最大宽度在这些位置约为18米。
[图14（a和b）]。
对于这两种气蚀方法，拱顶部和倒拱附近的塑性区域相对较窄，最大宽度约为5米。
然而，在单侧航向隧道之后，等离子体区域更小，最宽的一个邻近主隧道左侧和最远处，最大宽度仅约为6m[图14（c）]。
在右侧，挖掘侧面隧道时，塑胶区域的最大宽度只有2.5米左右。
显然，单侧航向隧道方案有很多优点。
如表5所示，三台式隧道掘进法生产的塑料区域体积最大，为116,850立方米，但仅略高于上下工作台方法101,990立方米。
单侧方向隧道式方法产生的塑料区域的最小体积只有32,289立方米，体积小于其他两种挖掘方法产生的尺寸的三分之一。
图14.隧道后典型截面的围岩分布情况：
（a）上下行穿隧;（b）三段隧道;（c）单侧航向隧道掘进方法
表5.三次开挖塑料区块体积统计
挖掘方案
塑胶区体积（m3）
上下行穿隧
101,990
三段隧道
116,850
单侧航向隧道掘进方法
32,289
讨论
松散沉积物的特点是刚度差，强度低，变形大，结构松动，承载力低，对施工扰动非常敏感。
隧道施工过程中更容易发生明显的塑性变形和较大的塑性区。
因此，以松散沉积物构造的隧道容易塌陷，并且这种隧道内的衬砌也遭受显着的变形和压应力集中，特别是在台架界面和拱脚周围。
此外，受周围松动沉积物快速连续变形影响，地下结构也将产生较大的松动压力和沉降。
因此，重要的是选择适当的挖掘方案，直接影响到隧道施工的安全性，随后进行隧道施工。
本文采取了以松散矿床为主的高速公路隧道亭子坝隧道为例。
在这条隧道中，发生了许多穹顶倒塌事件，先进的支撑被破坏，并且已经普遍观察到衬砌裂缝。
通过对大型重组样品的CD测试，确定了沉积物和冲积起源的松散沉积物的机械参数。
进行三维建模，模拟三次开挖方案开挖后隧道的应力和变形，即上下台阶隧道，三台隧道和单侧方向隧道。
虽然单侧航向隧道掘进方法存在一些缺点，如施工程序复杂，需要大量地面支护，但是先导隧道的排水可以明显缓解主隧道的开挖困难。
试点隧道也可以在地质预测中发挥作用，提出特别不合理的地面条件的预警，大大提高施工安全性。
选择适当的挖掘方案也可以减少穹顶位移，限制塑性区的发展，并且在次级衬砌中相对均匀的应力分布。
因此，采用1.0米宽的单边方式隧道掘进方式最适合通过松散沉积物施工隧道。
经过几次关闭后，由于拱顶倒塌，先进的支撑破碎和二次衬砌开裂，必须改变开挖方案，因此，将YK107+029吊架的汀吉巴隧道的挖掘方案改为2010年6月30日的单侧航向隧道式隧道工程于2011年7月25日圆满完成，提前两周。
结论
二次衬层的应力分析表明，隧道被驱动的松散沉积物对隧道扰动非常敏感。
施工完成后，二次衬层施加压力较大。
因此，在施工期间加强地方支持是可取的。
在这种情况下，单侧航向隧道施工方案可以对次级衬层提供相对较为合理的应力。
拱顶位移曲线表明，三台式隧道掘进方式导致最大排量，而单侧方向开挖最小。
后者只有前者的一半左右。
在总位移方面，单侧航向隧道产生的扰动最小，可以有效减少周围松动沉积物的位移。
对于周边松散沉积物的塑性区域的分布和总体积，单侧断面隧道造成塑料区域的体积最小，这种方法具有明显的优势。
致谢
这项研究得到了中国国家基础研究计划（973计划，拨款号：
2014CB047004）的支持。
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