拱顶沉降及曲线图

第31卷　第4期　吉首大学学报(自然科学版)Vol.31　No.4 2010年7月Jou rnal of Jishou University(Natural Science Edition)July.2010 文章编号:1007-2985(2010)04-0090-04穿江隧道拱顶沉降的三维有限元分析杨珺博,董　辉,陈家博,侯俊敏(湘潭大学土木工程与力学学院,湖南湘潭　411105)摘　要:以浏阳河穿江隧道西线单洞CD法开挖为例,利用A nsy s有限元软件对隧道开挖过程进行了三维动态模拟分析,得到在CD法开挖下隧洞拱顶沉降值,并与实际监测数据进行对比,总结了在该工程条件下隧道拱顶沉降的特点和变化规律,为以后类似的工程提供借鉴、依据和指导.研究表明:拱顶沉降随空间位置变化不明显;隧道上层覆土固结程度越高,拱顶沉降越小;加固区范围适合,抗渗性良好,渗流对拱顶沉降有一定的积极作用.关键词:穿江隧道;拱顶沉降;CD法;三维有限元中图分类号:T U457 文献标志码:A我国是一个江河湖海分布较为广阔的国家,因此公路道路规划中要穿越江河湖海时常遇到桥梁方案与隧道方案的选择问题.过去在遇到此类情况时通常优先考虑桥梁方案,这对于解决交通问题发挥了巨大作用.但同时桥梁方案也存在很多不足的地方,如由于桥梁净高过低[1],大型船只不允许桥下通航,从而制约了经济的发展和两岸的交流;其次桥梁易受大风大雾等外界天气因素的影响,不利于行车安全和桥梁本身的稳定性,尤其大风很可能对大跨度桥梁造成严重的损害;最后桥梁的抗震性能远不及隧道等地下结构.综上所述在穿越江河湖海时隧道方案的优越性明显高于桥梁.穿江隧道地质条件复杂,施工工艺还不完善,由于存在软弱围岩或溶洞,在施工过程中可能产生过大沉降,影响施工安全和施工进度.隧道的施工开挖过程不可避免的要扰动地下岩体[2],破坏了岩体的原有平衡状态,使其向新的平衡状态发展,发生了应力重分布.由于外界力的扰动和岩体本身自重的作用隧洞会产生位移和变形,如拱顶的沉降和隧洞的收敛等.拱顶沉降范围是否合理是隧道施工安全的关键因素之一,所以在隧道开挖过程中有效控制拱顶沉降具有极为重要的意义.1　工程概况及有限元分析1.1工程概况湘江大道浏阳河隧道下穿浏阳河,属于水下浅埋软弱围岩隧道,分离式双洞结构,采用暗挖法施工.浏阳河隧道为双向四车道,车道净高4.5m,界限净宽9.5m,车道宽度为3.75m,路缘带宽度为0.5m,余宽为0.25m,检修道宽为0.75m(含余宽),建筑长度为1800m,距湘江东岸约500m,隧道的南入口和北入口分别距离浏阳河南岸和北岸约600m,过浏阳河河底长约为200m.穿越浏阳河段采用矿山法施工,两岸结构则采用明挖法施工.场地位于湘江下游的右岸一级阶地及浏阳河出口河床段,地理位置为浏阳河与湘江交汇处东边,隧道呈南北穿越浏阳河,场地中部为浏阳河河道,河道宽度为(300～400)m,河两岸修筑河堤,浏阳河属常年性河流,河道平直,可通航,河底标高为(20～23)m,浏阳河南北两岸为菜地和民房,场地地坪标高为(31～33)m.＊收稿日期:2010-05-21作者简介:杨珺博(1986-),男,陕西西安人,湘潭大学土木工程与力学院硕士生,主要从事地下结构研究.1.2模型建立及参数设定利用Ansy s 软件建立隧道开挖三维计算模型如图1所示,模型尺寸为72m ×53m ×240m ,土体围岩、注浆加固区及预支护区采用8节点6面体实体单元,共划分23040个单元网格和23879个节点.由于锚杆的主要作用并非其自身强度对整体结构的贡献,而是在施工过程中及时加固,限制塑性区的发展,使岩体能够保持较好的连续性和整体性,从而使围岩能很好的起到自承作用,因此锚杆可采用“等效材料”进行模拟.锚杆注浆加固区(见图2)及围岩地层So lid45实体单元本构模型均采用Drucker -Prager 理想弹塑性模型;钢拱架+网喷初支采用Shell181壳体单元模拟(见图3).图1　隧道开挖三维计算模型 图2　加固区模型 图3　支护结构模型 在参考浏阳河隧道有关地质资料及类似工程的基础上,得到模型单元所采用的力学计算参数如表1,2所示.表1　Solid45实体单元力学参数材料参数密度/(kg ·m -3)体积模量/M Pa 粘聚力/M Pa 泊松比内摩擦角/(°)覆盖土22001850.0450.2830注浆加固区24003600.4　0.2535表2　钢拱架+网喷初支shell181结构单元力学参数表密度/(kg ·m -3)弹性模量/Gpa 泊松比厚度/m 260010.5×1090.20.2 边界条件定义[4]:两侧边界约束x 方向的位移,下部地面约束y 方向的位移,上部地面为自由面,前后边界约束z 方向的位移.隧道穿江段覆盖土上层施加净水压力梯度荷载,水位采用常年平均水位高程27.3m .1.3有限元分析计算1.3.1CD 法模拟计算步骤　(1)开挖1部导坑;初喷混凝土,架立钢架;喷射20cm 混凝土封闭侧壁,架设图4　隧道开挖平面图临时钢架,喷10cm 混凝封闭台阶地面.(2)上导坑施工4m 后,开挖2部导坑,接长钢架,施做洞身初期支护,喷射20cm 混凝土封闭侧壁,接长临时钢架.(3)开挖3部台阶,及时封闭初期支护,参见工序1进行.(4)开挖4部台阶,及时封闭初期支护,参见工序2进行.[5]模拟计算中仅考虑初期支护[6],二衬作为强度储备在计算中不予反映,如图4所示.1.3.2CD 法计算结果分析　隧道施工监控测量的主要目的是为了解各施工段地层与支护结构的动态变化,服务于支护系统设计,确立开挖方式及二次支91第4期 杨珺博,等:穿江隧道拱顶沉降的三维有限元分析护时间,保障施工安全.用现场实测的结果弥补理论分析存在的不足,并把检测结果反馈设计,指导施工,为修改施工方法,调整围岩级别、变更支护参数提供参考依据;预报施工中可能出现的事故和险情,以便及时采取预防措施;了解该工程条件下所反映出来的一些地下工程规律和特点,为以后类似的工程提供借鉴、依据和指导.[7]根据本工程特点,将隧洞按穿越范围划分为地面段,河堤段和穿江段3个部分[8],在每部分中均匀的选取几个拱顶点作沉降分析,如图5～10所示.图5　地面段实测拱顶沉降值图6　地面段模拟拱顶沉降值图7　河堤段实测拱顶沉降值图8　河堤段模拟拱顶沉降值图9　穿江段实测拱顶沉降值图10　穿江段模拟拱顶沉降值由图5～10得模拟沉降曲线与实测曲线的变化趋势大体上是一致的,随着掌子面的推进拱顶沉降值逐渐增大,而后趋于稳定.各段实测沉降值(见图5,7,9)和模拟值(见图6,8,10)在相同地质段内的大小相差不大,即拱顶沉降随空间位置变化不明显,因此隧道开挖研究时,当土质均匀,可以将三维问题简化为平面问题,且二维平面模型计算精度可以满足实际情况.由图5～6可知地面段实测沉降值与沉降的稳定时92吉首大学学报(自然科学版)第31卷间和模拟情况接近,因此建模所选取的材料参数和边界条件适用于地面段.由图7～8可知河堤段实测值与模拟值相差比较大,且模拟沉降的稳定时间比实际时间短,这是由于实际工程中河堤上有路基,常年受到车辆等移动活荷载的作用,固结程度较高,而在建模过程中所用的土体参数是相同的,并未考虑车辆等移动活荷载的作用和土体的实际固结情况.由图9～10可知穿江段模拟值最大且大于实测值近50%,这是因为在模拟过程没有考虑水的渗流作用,只是在穿江段施加净水压力梯度荷载,简单的将水压力作为外界永久荷载,即土体,加固区和支护结构完全不透水,但实际工程中有水的渗流作用.3　结论通过对穿江隧道开挖与支护的三维有限元动态模拟得出了如下结论:(1)隧道开挖拱顶沉降随空间位置变化不大,即相同条件下沉降值趋于一致;(2)拱顶沉降值受隧道上部覆盖土固结程度的影响,固结度越高,沉降值减小;(3)注浆加固区的范围适合,抗渗性好,上层覆盖土水的渗流对拱顶沉降有一定的积极作用.参考文献:[1]　杨红禹,周建民.论我国越江隧道的发展[J ].地下空间,2000,20(3):209-213.[2]　许志英.岩石力学[M ].北京:中国水利水电出版社,1993:159-260.[3]　张洵安,王显彬.软岩隧道开挖与支护的三维有限元仿真模拟[J ].郑州大学学报,2008,29(2):137-140.[4]　汪小敏,黄宏伟,谢雄耀.软弱围岩隧道施工三维有限元分析[J ].地下空间与工程学报,2007,3(6):1114-1118.[5]　朱永全.隧道工程[M ].北京:中国铁道出版社,2007:124-186.[6]　李　围.隧道及地下工程A NS YS 实例分析[M ].北京:中国水利水电出版社,2007:306-380.[7]　孙桂云,史振春,王中睿.隧道施工监控测量浅析[J ].铁道标准设计,2001,21(4):32-33.[8]　郝朋伟,宫能平.巷道开挖过程的三维有限元分析[J ].中小企业管理与科技,2008,11(27):183-185.Three -Dimensional Finite Element Analysis for theDisplacement of River -Crossing Tunnel VaultYANG Jun -bo ,DONG H ui ,CH EN Jia -bo ,HO U Jun -min(Civil Engineering and M echanics Co lleg e ,Xiang tan U niver sity ,Xiang tan 411105,Huna n China )A bstract :The research is based on the w estern tunnel crossing the Liuyanghe river .A nsy s softw are is used to sim ula te the three -dimensio nal ex cavatio n w ith CD m ethod .The displacement data of tunnel vault obtained is co mpa red w ith the real data .The displacement cha racteristics and charge regularities o f this pro ject are summ arized .T he research pro vides refe rence and ex perience for the future similar project .The results show tha t :the v ault displacements change slow ly with space location ;the soil co nsolidation is bet -ter ,the vault displacement is low er ;Reinforcement area is appropriate ,the seepage is g ood to vault dis -placement .Key words :river -cro ssing tunnel ;displacement of tunnel vault ;CD method ;three -dimensional finite ele -m ent(责任编辑　陈柄权)93第4期 杨珺博,等:穿江隧道拱顶沉降的三维有限元分析。

S、P、T三者关系及沉降量曲线图工程名称：××县工商局315投诉中心大楼施工单位：××建筑工程有限公司10月18日附加公文一篇，不需要的朋友可以下载后编辑删除，谢谢(关于进一步加快精准扶贫工作意)为认真贯彻落实省委、市委扶贫工作文件精神，根据《关于扎实推进扶贫攻坚工作的实施意见》和《关于进一步加快精准扶贫工作的意见》文件精神，结合我乡实际情况，经乡党委、政府研究确定，特提出如下意见：一、工作目标总体目标：“立下愚公志，打好攻坚战”，从今年起决战三年，实现全乡基本消除农村绝对贫困现象，实现有劳动能力的扶贫对象全面脱贫、无劳动能力的扶贫对象全面保障，不让一个贫困群众在全面建成小康社会进程中掉队。

总体要求:贫困村农村居民人均可支配收入年均增幅高于全县平均水平5个百分点以上，遏制收入差距扩大趋势和贫困代际传递；贫困村基本公共服务主要指标接近全县平均水平；实现扶贫对象“两不愁三保障”（即：不愁吃、不愁穿，保障其义务教育、基本医疗和住房）。

年度任务：2015－2017年全乡共减少农村贫困人口844人，贫困发生率降至3%以下。

二、精准识别（一）核准对象。

对已经建档立卡的贫困户，以收入为依据再一次进行核实，逐村逐户摸底排查和精确复核，核实后的名单要进行张榜公示，对不符合政策条件的坚决予以排除，确保扶贫对象的真实性、精准度。

建立精准识别责任承诺制，上报立卡的贫困户登记表必须经村小组长、挂组村干部、挂点乡干部、乡领导签字确认，并作出承诺，如扶贫对象不符合政策条件愿承担行政和法律责任，确保贫困户识别精准。

（二）分类扶持。

通过精准识别建档立卡的贫困户分为黄卡户、红卡户和蓝卡户三类，第一类为黄卡户，是指有劳动能力，家庭经济收入在贫困线边缘的贫困户；第二类为红卡户，是指有一定的劳动能力，家庭贫困程度比较深的贫困户；第三类为蓝卡户，是指年老体弱或因病因残丧失劳动能力的贫困户和五保户。

优先扶持黄卡户，集中攻坚扶持红卡户脱贫，对蓝卡户则通过保障扶贫来保障其基本生活。

公路隧道拱顶沉降允许值哎呀，今天咱们聊聊公路隧道拱顶沉降这事儿。

听起来有点严肃对吧？其实这可是个很有趣的话题，毕竟我们平常开车经过隧道的时候，根本不会想到这些背后的“秘密”。

隧道就像是大山的肚子，悄悄地把路藏了起来，但有时候它也会打个“小喷嚏”，那就是沉降。

沉降是啥意思呢？简单来说，就是隧道的顶部有点下沉了。

就像你早上起床发现枕头变扁了一样，隧道的拱顶也可能因为各种原因变得低了。

说到这里，很多人可能会担心：“哎呀，这样会不会出事啊？”其实只要控制得当，问题不大。

就像骑自行车，你得学会保持平衡，要不然一不小心就摔了。

拱顶沉降的“允许值”是什么呢？这个东西就是给我们一个参考，告诉我们在什么情况下沉降还是在安全范围内的。

就像上学的时候，老师会告诉你，考试得分多少算及格。

沉降的“允许值”就好比这个分数，如果超过了，那可就得好好检查一下了。

可别让隧道觉得“压力山大”，那可就真得闹心了。

咱们说这些不光是为了让大家心里有个底，还得让工程师们也有个靠谱的标准。

要是隧道一直沉下去，那可不是开玩笑的。

就像咱们平常的房子，地基稳了，房子才能立得稳。

隧道也是，得有个结实的基础，才能让车子在上面安全通行。

咱们说说导致沉降的原因。

有很多因素哦，比如地质条件、施工方法、周围环境等等。

你要知道，隧道就像一个“无底洞”，里边的情况复杂得很。

地质条件好比是你的朋友，如果你朋友心情好，事情就容易办；要是他心情差，事情就麻烦了。

同理，隧道周围的环境也会影响到它的“心情”。

说到这里，你可能会想：“那我能做点啥呢？”作为普通市民，我们也能发挥一份力量。

比如，少开车，多坐公交，给隧道减减负。

就像咱们常说的，点滴积累，汇聚成海。

每一个小小的改变，最终都能让我们的城市变得更好。

再说了，隧道的设计和建设可是个大工程，需要各种技术和人才的配合。

就像一个乐队，得有指挥、有乐器、有演奏者，才能奏出美妙的乐章。

工程师们就像乐队的指挥，他们得精确计算每一个数据，确保隧道在使用过程中的安全性。

结论：ID1K827+373断面拱顶下沉趋于稳定，可以进行衬砌施工。

结论：ID1K827+381断面拱顶下沉趋于稳定，可以进行衬砌施工。

ID1K827+389拱顶下沉回归曲线结论：ID1K827+389断面拱顶下沉趋于稳定，可以进行衬砌施工。

ID1K827+397拱顶下沉回归曲线结论：ID1K827+397断面拱顶下沉趋于稳定，可以进行衬砌施工。

ID1K827+405拱顶下沉回归曲线结论：ID1K827+405断面拱顶下沉趋于稳定，可以进行衬砌施工。

ID1K827+413拱顶下沉回归曲线结论：ID1K827+413断面拱顶下沉趋于稳定，可以进行衬砌施工。

ID1K827+422拱顶下沉回归曲线结论：ID1K827+422断面拱顶下沉趋于稳定，可以进行衬砌施工。

ID1K827+431拱顶下沉回归曲线结论：ID1K827+431断面拱顶下沉趋于稳定，可以进行衬砌施工。

ID1K827+440拱顶下沉回归曲线结论：ID1K827+440断面拱顶下沉趋于稳定，可以进行衬砌施工。

ID1K827+447拱顶下沉回归曲线结论：ID1K827+447断面拱顶下沉趋于稳定，可以进行衬砌施工。

ID1K827+453拱顶下沉回归曲线结论：ID1K827+453断面拱顶下沉趋于稳定，可以进行衬砌施工。

ID1K827+474拱顶下沉回归曲线结论：ID1K827+474断面拱顶下沉趋于稳定，可以进行衬砌施工。

结论：ID1K827+494断面拱顶下沉趋于稳定，可以进行衬砌施工。

结论：ID1K827+517断面拱顶下沉趋于稳定，可以进行衬砌施工。

结论：ID1K827+540断面拱顶下沉趋于稳定，可以进行衬砌施工。

结论：ID1K827+565断面拱顶下沉趋于稳定，可以进行衬砌施工。

结论：ID1K827+585断面拱顶下沉趋于稳定，可以进行衬砌施工。

结论：ID1K827+610断面拱顶下沉趋于稳定，可以进行衬砌施工。

ID1K827+638拱顶下沉回归曲线结论：ID1K827+638断面拱顶下沉趋于稳定，可以进行衬砌施工。

隧道监控量测中曲线回归分析法的使用摘要：湘桂铁路大青茅双线隧道因围岩破碎、埋深浅及下穿高速公路及其E 匝道，安全风险高，为了确保隧道安全施工，期间全程对隧道进行了监控量测，并采用指数曲线回归模型对数据进行了回归分析，使数据分析更为科学、快速，能够及时的反馈，以指导设计及施工，保证了隧道施工安全。

关键词：隧道监控量测回归分析指数模型0前言目前隧道掘进施工通常采用新奥法，在掘进中全程开展动态的监控量测是新奥法施工过程中不可缺少的内容，通过监测地表、初支结构体系、浅埋段围岩及既有建（构）筑物，获取周边收敛位移、拱顶下沉、地表下沉等数据。

通过对监测数据的整理和分析，掌握围岩动态和支护的工作状态及对数据的后期变化进行有效的预测，进行信息化反馈，为喷锚初期支护和二次衬砌的设计参数及施工方案的调整提供依据，确定二次衬砌和仰拱的施作时机，以确保围岩稳定、工程质量及施工安全。

积累量测数据资料，提高施工技术水平。

在获得监测数据的基础上，另一项重要的工作是进行数据的处理与分析，并反馈给设计和施工，优化设计参数和施工方案。

监控测量的结果为一系列的量测散点数据。

因隧道位移随时间变化的过程是一个时间系列，本文详述采用曲线回归法绘制拱顶沉降～时间关系曲线，以预测沉降发展趋向及围岩和隧道结构的安全状况，并将结果反馈给设计、施工，从而实现动态设计、动态施工。

1工程简介湘桂铁路提速扩能工程（永州至柳州段）Ⅶ标大青茅双线隧道进口里程K497+970，出口里程DK498+310，隧道全长340m，铁路线路设计时速为200km/h。

全隧位于直线上，处于1.5‰下坡。

本隧于DK498+015～DK498+110段下穿柳州市北环高速公路及其E匝道，下穿高速公路段隧道拱顶以上埋深约4m，隧道与高速公路交角为56°。

隧区范围内坡面覆盖层厚度不一，山顶多位于基岩全、强风化层，隧道洞身范围内地层单斜，构造简单。

洞身段岩层页岩夹砂岩、炭质页岩、岩层全风化及强风化层浸水易软化崩解，隧道埋深较浅，工程地质条件较差，全线隧道围岩为Ⅳ、Ⅴ级。

拱顶下沉数据分析小官市隧道右洞出口K62+345断面拱顶下沉监控量测数据统计如表13-8。

表13-8 K62+345断面拱顶下沉监测数据表续表图13-6 拱顶下沉-时间曲线图图13-7 拱顶下沉速率-时间曲线图通过图13-6看出：拱顶下沉随时间不断增大，且在监测断面开挖后的13d 内下沉量急速增长，沉降量占总沉降量的75%左右，之后拱顶下沉渐渐进入缓慢持续增长阶段，持续时间为2周左右，沉降量占总沉降量的15%左右；在该断面开挖完成后的28d以后，围岩支护结构基本上已经完全起到稳定围岩的作用，拱顶下沉渐渐趋于稳定阶段，在此阶段地表还有些许位移变化，但沉降量非常小，总体上已经趋于稳定了。

另外，由图可以明显看出下沉-时间曲线全程并无异常变化，并且终究趋近收敛稳定，这就表明了此段支护效果非常合理。

从图13-7中易知，在该监测断面开挖后的13d内下沉速率都超过0.3mm/d，说明此时间段正在急剧变形过程，必须高度注意沉降动态，在之后的2周左右沉降速率明显减小，说明拱顶下沉已经渐渐趋于平缓，在开挖完成后的28d以后下沉速率均低于0.15mm/d，这就表明拱顶下沉进入稳定。

按照上节对数据处理的研究分析，对数据使用指数函数、对数函数和双曲线函数依次进行拟合计算分析，按照其相关系数R值来评判最优回归方程。

回归函数分别如表13-9所示。

表13-9 拱顶下沉监测数据回归分析计算结果从表13-9中易知，对下沉数据的计算结果显示，对数函数最符合原数据线性关系，使用其进行拟合最合适地表沉降监测数据，反观另外两个函数R值均不够对数函数高，相较而言另外两个函数拟合度不及指数高。

将时间t的值代入对数函数分析得到的回归函数中，列入表13-10并绘出图13-8中的曲线图。

显而易见，在监测断面开挖后拱顶下沉数据线性关系与回归计算分析得出的对数函数线性关系变化基本无异，线型平滑稳定无异常，回归残差也没有超过2mm，这就说明对数函数与回归分析计算结果基本合理正确。