山区高速公路棚洞结构优化研究
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摘要
随着国民经济发展和经济建设的要求,必将有越来越多的高等级公路要深入西部山区,西部山区复杂的工程地质和水文地质条件限制了传统公路边坡支挡结构的应用。为了保证西部山区交通设施的运营安全以及保护西部脆弱的生态环境,避免诱发地质灾害,寻求一种适合西部山区的公路支挡结构成为日益迫切的需求。棚洞结构因其自身融合了结构支护和环保的功能,日益受到设计人员的青睐,在西部山区交通设施建设中发挥着越来越大的作用。
本文通过对国内外现有棚洞结构的归纳性研究,在证明棚洞结构在山区公路建设中优越性的基础上,首先研究边坡和棚洞结构的耦合性,以期找到一种合理的数值模型,然后对现存的四种典型的棚洞结构进行结构分析,优化棚洞结构,通过ANSYS有限元软件对棚洞结构进行数值分析,通过对计算数据的分析,得出了最为优化的棚洞结构为偏压斜腿型棚洞。同时结合工程实例,论证了在浅埋、偏压、沿河沟谷地段采用棚洞结构型式的技术可行性和环保优越性。分析认为采用锚喷支护与棚洞结构相结合的新型结构型式是安全合理的,既充分发挥锚杆喷射混凝土护面的作用,又发挥棚洞结构的支挡作用,使之形成一个互为补充的完整受力体系。计算表明只要保证边坡开挖的临时稳定,一旦棚洞结构建起来后,就可以保证整个边坡的永久安全,这样就大大减小了开挖量,保护了周围的原生态自然环境,也大大减小了对自然地质体的扰动,减少了诱发地质灾害的可能性。从而得出结论:在浅埋、偏压、沿河岸沟谷和路线傍山布置地段,构造物应顺应地形,提倡设置偏压式棚洞,达到保护边坡和自然环境的目的。最后,结合分析结果提出了一些见解及建议,以供今后类似的工程参考。
With the development of the country's economy, more and more high-level driveway will be constructed in the western mountain area to meet the need of the economic development. However, the application of the routine supporting structure which would induce geologic disaster in the side slope is restricted by the intricacy geologic and hydrologic aspect. It is a stringent demand to find an appropriate structure which can keep the security of the highway and protect the ecologic environment in the mountain area. The shed tunnel structure won the favor of the deviser because it compromises the characteristic of supporting and environmental protection, It will play a big role in the western highway construction.
Firstly, this paper summarized the representative form of the tunnel shed as proving the advantage of the structure in the western mountain area. And then research the coupling relationship between the side slope and tunnel shed in order to find a more reasonable theory in shed design. On the other hand, through the numerical analysis of shed tunnel by FEM program ANSYS, this paper try to optimize the structure on the base of the four structure style, which want to find a rational structure style of the tunnel shed. At last, combined with the example of a program, this paper have demonstrated the technical possibility and environmental advantages of using shed tunnel in shallow buried, unsymmetrical pressured and valley zones besides river. Then we believe that the new style of structure using shot-concrete-bolt support and shed tunnel is reasonable and safe, for it take the advantage of the shot concrete-bolt support and the support function of shed tunnel fully, which makes it to be a perfect system under stress. The calculator indicates that if the temporary stability of the slope was promised to be enough, the permanent stability of the slope can be ensured once the shed tunnel's structure was constructed, so the shed tunnel engineer reduces the excavation of hillside, which can protect the surrounding original environment and then can reduce the disturbance of the natural geology and the possibility of inducing the hazard of geology. So we can draw a conclusion that it is proposed to construct shed tunnel or half tunnel accommodating the topography to accomplish a purpose of protecting environment in shallow buried, unsymmetrical pressured、and valley zones besides river.
本文通过对国内外现有棚洞结构的归纳性研究,在证明棚洞结构在山区公路建设中优越性的基础上,首先研究边坡和棚洞结构的耦合性,以期找到一种合理的数值模型,然后对现存的四种典型的棚洞结构进行结构分析,优化棚洞结构,通过ANSYS有限元软件对棚洞结构进行数值分析,通过对计算数据的分析,得出了最为优化的棚洞结构为偏压斜腿型棚洞。同时结合工程实例,论证了在浅埋、偏压、沿河沟谷地段采用棚洞结构型式的技术可行性和环保优越性。分析认为采用锚喷支护与棚洞结构相结合的新型结构型式是安全合理的,既充分发挥锚杆喷射混凝土护面的作用,又发挥棚洞结构的支挡作用,使之形成一个互为补充的完整受力体系。计算表明只要保证边坡开挖的临时稳定,一旦棚洞结构建起来后,就可以保证整个边坡的永久安全,这样就大大减小了开挖量,保护了周围的原生态自然环境,也大大减小了对自然地质体的扰动,减少了诱发地质灾害的可能性。从而得出结论:在浅埋、偏压、沿河岸沟谷和路线傍山布置地段,构造物应顺应地形,提倡设置偏压式棚洞,达到保护边坡和自然环境的目的。最后,结合分析结果提出了一些见解及建议,以供今后类似的工程参考。
With the development of the country's economy, more and more high-level driveway will be constructed in the western mountain area to meet the need of the economic development. However, the application of the routine supporting structure which would induce geologic disaster in the side slope is restricted by the intricacy geologic and hydrologic aspect. It is a stringent demand to find an appropriate structure which can keep the security of the highway and protect the ecologic environment in the mountain area. The shed tunnel structure won the favor of the deviser because it compromises the characteristic of supporting and environmental protection, It will play a big role in the western highway construction.
Firstly, this paper summarized the representative form of the tunnel shed as proving the advantage of the structure in the western mountain area. And then research the coupling relationship between the side slope and tunnel shed in order to find a more reasonable theory in shed design. On the other hand, through the numerical analysis of shed tunnel by FEM program ANSYS, this paper try to optimize the structure on the base of the four structure style, which want to find a rational structure style of the tunnel shed. At last, combined with the example of a program, this paper have demonstrated the technical possibility and environmental advantages of using shed tunnel in shallow buried, unsymmetrical pressured and valley zones besides river. Then we believe that the new style of structure using shot-concrete-bolt support and shed tunnel is reasonable and safe, for it take the advantage of the shot concrete-bolt support and the support function of shed tunnel fully, which makes it to be a perfect system under stress. The calculator indicates that if the temporary stability of the slope was promised to be enough, the permanent stability of the slope can be ensured once the shed tunnel's structure was constructed, so the shed tunnel engineer reduces the excavation of hillside, which can protect the surrounding original environment and then can reduce the disturbance of the natural geology and the possibility of inducing the hazard of geology. So we can draw a conclusion that it is proposed to construct shed tunnel or half tunnel accommodating the topography to accomplish a purpose of protecting environment in shallow buried, unsymmetrical pressured、and valley zones besides river.
引文
[1]石广斌 ANSYS在隧道衬砌结构分析中的应用 西北水电 2004年 第一期
[2]魏海波、吴敏 边坡的有限元分析及ANSYS软件对边坡开挖的模拟 云南水力发电 第20卷第4期
[3]武晓辉、宋宏伟 地下工程围岩力学参数反分析的ANSYS方法 山西建筑 第30卷 第2期
[4]公路隧道设计规范 重庆交通科研设计院
[5]唐红梅、陈洪凯 公路特大型泥石流治理综合模式及应用 重庆交通学院学报 第24卷 第6期
[6]莫安儒 滑坡剩余下滑力计算中安全系数浅析 科学技术通讯 总第130期 2006.2
[7]蒋树屏、刘元雪、黄伦海、郭云普 环保型傍山隧道结构研究 中国公路学报 第19卷 第1期
[8]元松、张显安 基于ANSYS的高速公路隧道设计与开挖过程仿真分析 湖南交通科技 第32卷第4期
[9]申玉生、赵玉光 双连拱隧道明洞衬砌施工对中墙偏压的分析 铁道建筑 2005年第7期
[10]蒋树屏、刘元雪、黄伦海、柴贺军、唐树名 隧道出口段环保型结构稳定性分析 岩土工程学报 第27卷 第5期
[11]周庆 我国中西部山区公路病害成因浅析 科学之友 2008年1月
[12]徐大威 熊传治 岩石边坡中最危险圆弧滑动面的确定 矿冶工程 1989年3月 第9卷第1期
[13]易朋莹 陈洪凯 悬臂式棚洞在天山公路病害整治中的应用 重庆交通学院学报 2003年9月 第22卷 第3期
[14]李希胜 赵尘 傍山公路隧道棚洞设计与施工 森林工程 2005年11月 第21卷 第6期
[15]郑宗溪 设于桥梁上方的新型棚洞研究 铁道工程学报 2007年2月 第2期
[16]李现宾 拱桥—框架棚洞在落石病害整治中的应用 西部探矿工程 2004年第10期 总第101期
[17]陈赤坤 地震区遮拦危岩落石的框架棚洞设计 科学技术通讯 2003年12月 总第120期
[18]陈山泉 张谊 岩溶地区棚洞地基基础处理技术探讨 四川建筑 2007年6月 第27卷第3期
[19]李吉根 李伟平 明洞在高边坡路堑地段施工病害整治中的应用 铁路建筑技术
[20]王金玉 箱形墙悬臂棚洞在路基崩塌落石综合防治工程中的应用 路基工程 2000年第5期 总第92期
[21]谢世宏 韩玉芳 罗永会 布陇箐隧道浅埋偏压洞口段施工技术 国防交通工程与技术 2004年第3期
[22]杨朝竹 陆阳 318国道高边坡开挖的数值模拟 四川建筑第24卷第6期 2004年12月
[23]陈玉祥 王霞 刘少伟 高边坡稳定及变形机理的数值模拟分析 建井技术 2004年10月 第25卷第5期
[24]湖南交通科技 开挖边坡变形、滑动的FLAC数值模拟与分析 2003年9月 第29卷第3期
[25]孔德森 栾茂田 岩土力学数值分析方法研究 岩土工程技术 2005年10月 第19卷第5期
[26]赵尚毅 郑颖人 唐树名 路堑边坡施工顺序对边坡稳定性影响数值模拟分析 地下空间2003年12月 第23卷第4期
[27]王元勋 崔鹏 脆弱西部山区环境下道路工程建设的可持续发展 路基工程 2004年第3期总第114期
[28]郑颖人 张玉芳 赵尚毅 齐明柱 有限元强度折减法在元磨高速公路高边坡工程中的应用岩石力学与工程学报 2005年11月 第24卷第21期
[29]杜炜平 古德生 颜荣贵 边坡残余构造应力引起的宏观破坏特征及机制 中国有色金属学报 200年6月 第10卷第3期
[30]胡壮志 环保型棚洞结构 硕士学位论文 重庆交通学院
[31]北京市市政设计院.道路隧道设计(M].北京:中国建筑工业出版社.1981
[32]Peila,S.Pelizza.Criteria for technical and environmental design of tunnel portals.Tunnelling and Underground Space Technology 17(2002)335-C340
[33]R.Anbalagan,Bhawani Singh,Pradeep Bhargava.Halftunnels along hill roads oMimalaya-an innovative approach.Tunnelling and Underground Space Technology 18(2003)411-419
[34]D.Peila",S.Pelizza.Criteria for technical and environmental design of tunnel portals.Tunnelling and Underground Space Technology 17(2002)335-340
[35]Pelizza,S.,Peila,D.,Langella,L.,1998.Architectural and landscape evaluation oftunnel portals.World Tunnel Congress 1998,Tunnels and Metropolises.Sao Paulo,Brazil.25-30 April,1998.
[36]刘文平 赵燕明 郑颖人 岩质边坡开挖应力与变形的有限元模型 后勤工程学院学报2004年第2期
[37]兰智雄 王国斌 刘玉山 有限元模拟在路堑边坡稳定性分析中的应用 山地学报 2004年5月22卷3期 368-372页
[38]李志宏 党发宁 有限元法分析边坡稳定及工程实例 西北水力发电 2006年9月 第22卷第3期
[39]周资斌 基于极限平衡法和有限元法的边坡稳定分析研究 硕士学位论.河海大学,2004
[2]魏海波、吴敏 边坡的有限元分析及ANSYS软件对边坡开挖的模拟 云南水力发电 第20卷第4期
[3]武晓辉、宋宏伟 地下工程围岩力学参数反分析的ANSYS方法 山西建筑 第30卷 第2期
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[28]郑颖人 张玉芳 赵尚毅 齐明柱 有限元强度折减法在元磨高速公路高边坡工程中的应用岩石力学与工程学报 2005年11月 第24卷第21期
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