水平旋喷注浆超前加固机理及在隧道工程中的应用
|
摘要
随着我国交通事业的发展,出现了许多在软弱地层开挖的隧道,在施工过程中保证隧道和围岩的稳定性是施工成败的关键,因此必须采取一些超前加固处理措施来保证施工的顺利进行,而水平旋喷注浆超前加固就是一种比较好的处理方式。
本文为了更好的研究水平旋喷注浆超前加固的力学机理,在弹塑性力学范围内考虑自重应力推导出了圆孔扩张理论的应力和位移分布公式,进一步说明了其加固地层的本质。同时,本文结合地层结构模型,采用邓肯—张的非线性弹性本构模型,考虑了浅埋暗挖2种工法施工对隧道上部地表沉降的影响,利用ANSYS有限元软件,针对地铁隧道开挖方式不同对地表的影响进行了数值分析,得出了一定规律性和有益的结论。
本文在综合分析水平旋喷注浆加固机理的基础上,结合具体隧道工程,采用理论分析、数值计算和现场实测等研究手段,得到了水平旋喷注浆超前加固对开挖隧道的影响,重点分析了地表、拱顶和仰拱处的位移变化,同时也研究了水平旋喷注浆超前加固对周围土的非线性变形的塑性区域和隧道结构内力的影响。
以上研究基本阐明了城市浅埋暗挖隧道工程中,采用水平旋喷注浆加固预支护技术所面临的主要技术问题,对该技术进一步的研究和推广应用具有参考价值。
With the development of traffic engineering, more and more high-way and railway tunnels, especially, urban underground engineering, are built. Commonly urban under ground projects are of shallow depth and the stratum condition located is very bad. The application of tunneling method will have a great influence on the stratum, which would result in great ground subsidence. For tunnels being close to or intersecting with important ground structures, underground objects or underground pipes, the allowed ground subsidence during construction is very limited. This contradiction poses a difficult subject to the field of the underground engineering at all times.
For having a better research of horizontal whirling jet grouting pre-reinforcement mechanics the article gives the stress and displacement formula of soil in the mechanics of plastic to explain the soil reinforcement essence further contained self-weight field. At the same time, the Duncan-Chang non-linear elasticity constitutive model is adopted and the influence of settlement of ground surface in the process of underground tunnel excavation with two different methods is considered in this paper, the influence of settlement of ground surface in the sand soil area with two different methods of underground tunnel excavation is analyzed by ANSYS finite element software. Some useful conclusions are gained.
On the basis of analyzing the reinceforcement mechanics of horizontal whirling jet grouting comprehensively, the influence levels of horizontal whirling jet grouting pre-reinforcement are obtained by means of theoretical analysis, numerical calculation, testing in situ and other ways with tunnel engineering associated. Not only are the displacement changes of soil surface、arch crown and inverted arch analyzed but also the plastic zone and endogen force changes of tunnel are analyzed.
Above all, this research has reference value to the Horizontal Whirling Jet Grouting's further applications.
本文为了更好的研究水平旋喷注浆超前加固的力学机理,在弹塑性力学范围内考虑自重应力推导出了圆孔扩张理论的应力和位移分布公式,进一步说明了其加固地层的本质。同时,本文结合地层结构模型,采用邓肯—张的非线性弹性本构模型,考虑了浅埋暗挖2种工法施工对隧道上部地表沉降的影响,利用ANSYS有限元软件,针对地铁隧道开挖方式不同对地表的影响进行了数值分析,得出了一定规律性和有益的结论。
本文在综合分析水平旋喷注浆加固机理的基础上,结合具体隧道工程,采用理论分析、数值计算和现场实测等研究手段,得到了水平旋喷注浆超前加固对开挖隧道的影响,重点分析了地表、拱顶和仰拱处的位移变化,同时也研究了水平旋喷注浆超前加固对周围土的非线性变形的塑性区域和隧道结构内力的影响。
以上研究基本阐明了城市浅埋暗挖隧道工程中,采用水平旋喷注浆加固预支护技术所面临的主要技术问题,对该技术进一步的研究和推广应用具有参考价值。
With the development of traffic engineering, more and more high-way and railway tunnels, especially, urban underground engineering, are built. Commonly urban under ground projects are of shallow depth and the stratum condition located is very bad. The application of tunneling method will have a great influence on the stratum, which would result in great ground subsidence. For tunnels being close to or intersecting with important ground structures, underground objects or underground pipes, the allowed ground subsidence during construction is very limited. This contradiction poses a difficult subject to the field of the underground engineering at all times.
For having a better research of horizontal whirling jet grouting pre-reinforcement mechanics the article gives the stress and displacement formula of soil in the mechanics of plastic to explain the soil reinforcement essence further contained self-weight field. At the same time, the Duncan-Chang non-linear elasticity constitutive model is adopted and the influence of settlement of ground surface in the process of underground tunnel excavation with two different methods is considered in this paper, the influence of settlement of ground surface in the sand soil area with two different methods of underground tunnel excavation is analyzed by ANSYS finite element software. Some useful conclusions are gained.
On the basis of analyzing the reinceforcement mechanics of horizontal whirling jet grouting comprehensively, the influence levels of horizontal whirling jet grouting pre-reinforcement are obtained by means of theoretical analysis, numerical calculation, testing in situ and other ways with tunnel engineering associated. Not only are the displacement changes of soil surface、arch crown and inverted arch analyzed but also the plastic zone and endogen force changes of tunnel are analyzed.
Above all, this research has reference value to the Horizontal Whirling Jet Grouting's further applications.
引文
[1]铁路隧道设计规范(TB10003-2001),中国铁道出版社,2001
[2]徐至钧,全科政,高压喷射注浆法处理地基,机械工业出版社,2004.3
[3]铁道部旋喷注浆科研协作组、旋喷注浆加固地基技术,中国铁道出版社,1984.8
[4]于书翰,杜谟远,周熹,隧道施工,人民交通出版社,2001.5
[5]赵成刚,土力学原理,北京交通大学出版社,2003.8
[6]关宝树,隧道工程施工要点集,人民交通出版社,2003.12
[7]王敏中,王炜,武际可,弹性力学教程,北京大学出版社,2002.8
[8]徐芝纶,弹性力学简明教程,高等教育出版社,1998.4
[9]孔超群,李康先,塑性力学,哈尔滨船舶工程出版社,1979.5
[10]关宝树,隧道力学概论,西南交通大学出版社,1993
[11]叶书麟,地基处理工程实例应用手册,中国建筑工业出版社,1998.3
[12]谢贻权,林钟祥,丁皓江,弹性力学,浙江大学出版社,1988
[13]王仁,黄文彬,黄筑平,塑性力学引论,北京大学出版社,1992
[14]彭振斌,注浆工程设计计算与施工,中国地质大学出版社,1997.8
[15]赵建夏,郑惠平,暗挖法在深圳地铁工程中的应用实例,岩土工程界,2001.3
[16]赵玉良,北京地铁5号线崇东区间渡线隧道穿越密集民房超前预加固地层施工方案探讨,隧道地下工程,2003.10
[17]廖红建,钱春宇,地下隧道施工对相邻建筑物及地表沉降的影响,地下空间与工程学报 2005.12
[18]孙星亮,徐文明,姚铁军,国内外水平旋喷注浆加固技术应用发展概况,世界隧道,2000.6
[19]高成雷,朱永全,两种超前预支护技术控制地层沉降效果对比研究,隧道地下工程,2003.4
[20]张建华,梁杰忠,水平旋喷桩工艺在广州地铁2号线工程施工中的应用,水运工程,2002.8
[21]肖昭然,张昭,杜明芳,饱和土体小孔扩张问题的弹塑性解析解,岩士力学,2004.9
[22]张亮标,唐玉文,草桥热力外线隧道暗挖水平旋喷(加筋)支护,岩土工程界,2005.8
[23]王家来,熊巨华,应变软化土体中柱形孔解析,应用力学学报,1999.12
[24]王晓鸿,王家来,梁发云,应变软化岩土材料内扩孔问题解析解,工程力学,1999.10
[25]周小平,张永兴,王建华,中间主应力对球形孔扩张的影响,重庆建筑大学学报,2003.6
[26]周小平,张永兴,王建华,三向应力状态下球形孔扩张问题的弹塑性解,2004.2
[27]朱宁,施建勇,陈海丰,一种半无限体圆孔扩张的分析方法,2006.2
[28]朱庆林,水平旋喷,地基处理,1990.10
[29]王昌林,水平旋喷注浆法机理与效果研究(硕士论文),北京交通大学,1998.2
[30]王圣涛,邓敦毅,水平旋喷桩在深圳地铁超前预加固中的应用,铁道建筑,2003.6
[31]吴波,高波,骆建军,地铁区间隧道水平旋喷预加固效果数值模拟,西南交通大学学报,2004.10
[32]吕波,分离岛式地铁车站群洞效应分析与施工优化,铁道建筑,2006.11
[33]任重,ANSYS实用分析教程,北京大学出版社,2003.3
[34]任辉启,ANSYS7.0工程分析实例详解,人民邮电出版社,2003.8
[35]李皓月,周田朋,刘相新,ANSYS工程计算应用教程,中国铁道出版社,2003.1
[36]陈精一,蔡国忠,电脑辅助工程分析ANSYS使用指南,中国铁道出版社,2001.5
[37]王国强,实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践,西北工业大学出版社,2000.4
[38]冶金工业部建筑研究总院情报资料,旋喷法译文选缉,1997
[39]孙星亮,王海珍,水平旋喷固结体力学性能试验及分析,岩石力学与工程学报,2003.10
[40]李晓鄂,王树清,高压喷射注浆固结体性能研究,长江科学院院报,2002.9
[41]何润芝,魏小胜,陈庆,高压喷射注浆水泥土固化机理,武汉理工大学学报,2002.9
[42]傅文询,王清友,压力注浆桩有限元计算与分析,北京水利,1997.5
[43]周勇,徐进,旋喷固结体的物理力学性状研究,地质灾害与环境保护,1997.9
[44]孙星亮,景诗庭,水平钻孔旋喷注浆加固地层效果研究,岩石力学与工程学报,1998.10
[45]齐广超,高压旋喷法处理软弱地基应用技术研究(工程硕士论文),大连理工大学,2002.3
[46]丁锐,范鹏,焦苍,不同开挖步骤引起浅埋隧道地表沉降的数值分析,铁道工程学报,2005.10
[47]廖红建,张志刚,周东峰,黄土地层盾构隧道开挖对地表沉降影响的有限元分析,西安交通大学学报,2006.11
[48]姚宣德,王梦恕,地铁浅埋暗挖法施工引起的地表沉降控制标准的统计分析,岩石力学与工程学报,2006.10
[49]梁仁旺,水泥深层搅拌桩力学特性试验研究及其复合地基变形的弹塑性分析(博士论文),太原理工大学,2000.4
[50]ANSYS非线性分析指南,美国ANSYS公司北京代表处
[51]ANSYS高级技术分析指南,美国ANSYS公司北京代表处
[52]宋瑞刚,张顶立,黄俊,软岩近距离隧道施工对策研究,岩土工程界,2004.3
[53]宰建勋,高压喷射搅拌加固土体工艺的试验与研究(硕士论文),北京交通大学,2002 6
[54]孙铭心,高压旋喷桩工程特性研究(硕士论文),大连理工大学,2000.2
[55]潘昌实,隧道力学数值方法,中国铁道出版社,1995.6
[56]陈先国,高波,地铁近距离平行隧道有限元数值模拟,岩石力学与工程学报,2002.9
[57]钟桂彤,铁路隧道,中国铁道出版社,2003.1
[58]罗红杰,崔江余,各种超前预加固方法引起地表变形的有限元分析,岩土工程界 2004
[2]徐至钧,全科政,高压喷射注浆法处理地基,机械工业出版社,2004.3
[3]铁道部旋喷注浆科研协作组、旋喷注浆加固地基技术,中国铁道出版社,1984.8
[4]于书翰,杜谟远,周熹,隧道施工,人民交通出版社,2001.5
[5]赵成刚,土力学原理,北京交通大学出版社,2003.8
[6]关宝树,隧道工程施工要点集,人民交通出版社,2003.12
[7]王敏中,王炜,武际可,弹性力学教程,北京大学出版社,2002.8
[8]徐芝纶,弹性力学简明教程,高等教育出版社,1998.4
[9]孔超群,李康先,塑性力学,哈尔滨船舶工程出版社,1979.5
[10]关宝树,隧道力学概论,西南交通大学出版社,1993
[11]叶书麟,地基处理工程实例应用手册,中国建筑工业出版社,1998.3
[12]谢贻权,林钟祥,丁皓江,弹性力学,浙江大学出版社,1988
[13]王仁,黄文彬,黄筑平,塑性力学引论,北京大学出版社,1992
[14]彭振斌,注浆工程设计计算与施工,中国地质大学出版社,1997.8
[15]赵建夏,郑惠平,暗挖法在深圳地铁工程中的应用实例,岩土工程界,2001.3
[16]赵玉良,北京地铁5号线崇东区间渡线隧道穿越密集民房超前预加固地层施工方案探讨,隧道地下工程,2003.10
[17]廖红建,钱春宇,地下隧道施工对相邻建筑物及地表沉降的影响,地下空间与工程学报 2005.12
[18]孙星亮,徐文明,姚铁军,国内外水平旋喷注浆加固技术应用发展概况,世界隧道,2000.6
[19]高成雷,朱永全,两种超前预支护技术控制地层沉降效果对比研究,隧道地下工程,2003.4
[20]张建华,梁杰忠,水平旋喷桩工艺在广州地铁2号线工程施工中的应用,水运工程,2002.8
[21]肖昭然,张昭,杜明芳,饱和土体小孔扩张问题的弹塑性解析解,岩士力学,2004.9
[22]张亮标,唐玉文,草桥热力外线隧道暗挖水平旋喷(加筋)支护,岩土工程界,2005.8
[23]王家来,熊巨华,应变软化土体中柱形孔解析,应用力学学报,1999.12
[24]王晓鸿,王家来,梁发云,应变软化岩土材料内扩孔问题解析解,工程力学,1999.10
[25]周小平,张永兴,王建华,中间主应力对球形孔扩张的影响,重庆建筑大学学报,2003.6
[26]周小平,张永兴,王建华,三向应力状态下球形孔扩张问题的弹塑性解,2004.2
[27]朱宁,施建勇,陈海丰,一种半无限体圆孔扩张的分析方法,2006.2
[28]朱庆林,水平旋喷,地基处理,1990.10
[29]王昌林,水平旋喷注浆法机理与效果研究(硕士论文),北京交通大学,1998.2
[30]王圣涛,邓敦毅,水平旋喷桩在深圳地铁超前预加固中的应用,铁道建筑,2003.6
[31]吴波,高波,骆建军,地铁区间隧道水平旋喷预加固效果数值模拟,西南交通大学学报,2004.10
[32]吕波,分离岛式地铁车站群洞效应分析与施工优化,铁道建筑,2006.11
[33]任重,ANSYS实用分析教程,北京大学出版社,2003.3
[34]任辉启,ANSYS7.0工程分析实例详解,人民邮电出版社,2003.8
[35]李皓月,周田朋,刘相新,ANSYS工程计算应用教程,中国铁道出版社,2003.1
[36]陈精一,蔡国忠,电脑辅助工程分析ANSYS使用指南,中国铁道出版社,2001.5
[37]王国强,实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践,西北工业大学出版社,2000.4
[38]冶金工业部建筑研究总院情报资料,旋喷法译文选缉,1997
[39]孙星亮,王海珍,水平旋喷固结体力学性能试验及分析,岩石力学与工程学报,2003.10
[40]李晓鄂,王树清,高压喷射注浆固结体性能研究,长江科学院院报,2002.9
[41]何润芝,魏小胜,陈庆,高压喷射注浆水泥土固化机理,武汉理工大学学报,2002.9
[42]傅文询,王清友,压力注浆桩有限元计算与分析,北京水利,1997.5
[43]周勇,徐进,旋喷固结体的物理力学性状研究,地质灾害与环境保护,1997.9
[44]孙星亮,景诗庭,水平钻孔旋喷注浆加固地层效果研究,岩石力学与工程学报,1998.10
[45]齐广超,高压旋喷法处理软弱地基应用技术研究(工程硕士论文),大连理工大学,2002.3
[46]丁锐,范鹏,焦苍,不同开挖步骤引起浅埋隧道地表沉降的数值分析,铁道工程学报,2005.10
[47]廖红建,张志刚,周东峰,黄土地层盾构隧道开挖对地表沉降影响的有限元分析,西安交通大学学报,2006.11
[48]姚宣德,王梦恕,地铁浅埋暗挖法施工引起的地表沉降控制标准的统计分析,岩石力学与工程学报,2006.10
[49]梁仁旺,水泥深层搅拌桩力学特性试验研究及其复合地基变形的弹塑性分析(博士论文),太原理工大学,2000.4
[50]ANSYS非线性分析指南,美国ANSYS公司北京代表处
[51]ANSYS高级技术分析指南,美国ANSYS公司北京代表处
[52]宋瑞刚,张顶立,黄俊,软岩近距离隧道施工对策研究,岩土工程界,2004.3
[53]宰建勋,高压喷射搅拌加固土体工艺的试验与研究(硕士论文),北京交通大学,2002 6
[54]孙铭心,高压旋喷桩工程特性研究(硕士论文),大连理工大学,2000.2
[55]潘昌实,隧道力学数值方法,中国铁道出版社,1995.6
[56]陈先国,高波,地铁近距离平行隧道有限元数值模拟,岩石力学与工程学报,2002.9
[57]钟桂彤,铁路隧道,中国铁道出版社,2003.1
[58]罗红杰,崔江余,各种超前预加固方法引起地表变形的有限元分析,岩土工程界 2004