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扫描下载二维码拱形隧道弹性抗力的确定方法--《地下空间与工程学报》2013年04期
拱形隧道弹性抗力的确定方法
【摘要】：隧道衬砌结构计算中弹性抗力的分布,目前采用布佳耶娃法假定弹性抗力,由于此法不能满足局部变形理论,对隧道衬砌结构内力的计算结果影响很大。本文提出了准确确定拱形隧道结构弹性抗力分布规律的新方法—迭代法;详细介绍了迭代法的基本思想、影响弹性抗力分布规律的因素、具体方法以及如何提高迭代速度,并给出采用迭代法计算结构内力的具体过程;通过实际算例,对比迭代法与布佳耶娃法结构内力计算结果的差异。最后指出迭代法的适用范围及有待进一步研究的必要。
【作者单位】：
【关键词】：
【基金】：
【分类号】：U451.4【正文快照】：
1引言目前在设计和计算地下结构物内力时,弹性抗力的分布规律及大小常用事先假定而后用逐次近似法予以修正,拱形曲墙式隧道最常用的是O.E布佳耶娃法。弹性抗力与衬砌结构的刚度,形状和尺寸,荷载的大小、组合形式,围岩的弹性抗力系数等有关。O.E布佳耶娃法不能完全反应这些因素
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京公网安备75号隧道施工方法
隧道施工方法
从国际国内隧道技术现状来看，根据不同条件有如下几种不同的修建方法(图1)，而从实际情况来说，矿山法将在很长一段时间内仍是我国的主要施工方法，从目前客运专线来看，设计均采用新奥法原理，进行钻爆开挖加喷锚支护。
图1 隧道施工方法
1 隧道新奥法施工基本原则
根据隧道采用新奥法施工的经验，隧道施工采取的基本原则，以可概括为“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”十二个字。
“少扰动”是指在隧道开挖时，必须严格控制，尽量减少对围岩的扰动次数、扰动强度、扰动持续时间和扰动范围，以使开挖出的坑道符合成型的要求，采用钻爆法开挖时，必须先作钻爆设计，严格控制爆破，尽量采用大断面开挖。选择合理的循环掘进进尺，自稳性差的围岩循环进尺宜用短进尺，支护应紧跟开挖面，以缩短围岩应力松弛时间及开挖面的裸露风化时间等。
“早喷锚”是指对开挖暴露面应及时地进行地质描述和及时施作初期锚喷支护，经初期支护加固，使围岩变形得到有效控制而不致变形过度而坍塌失稳，以达到围岩变形适度而充分发挥围岩的自承能力。必要时应采取超前预支护辅助措施。
“勤量测”是指在隧道施工全过程中，应在对围岩周边位移进行的现场监控量测，并及时反馈修正设汁参数，指导施工或改变施工方法。以规范的量测方法和量测数据及信息反馈，通过施工中量测数据，对开挖面的地质观察，进行预测和评价围岩与支护的稳定状态，或判断其动态发展趋势，以便根据建立的量测管理基准，及时调整隧道的施工方法(包括开挖方法、支护形式，特殊的辅助施工方法)、断面开挖的步骤及顺序、初期支护设计参数等进行合理的调整，以确保施工安全、坑道稳定，支护衬砌结构的质量和工程造价的合理性。
“紧封闭”是指对易风化的自稳性较差的软弱围岩地段，应使开挖断面及早施作封闭式支护（如喷射棍凝土、锚喷混凝土等)防护措施，可以避免围岩因暴露时间过长而产生风化降低强度及稳定性，并可以使支护与围岩进入良好的共同工作状态。
2 施工方法的选择
隧道施工方法的选择，主要根据工程地质及水文地质条件、施工条件、围岩级别、隧道埋置深度，隧道断面尺寸大小和长度、衬砌类型，应以施工安全为前提及以工程质量为核心，并结合隧道的使用功能，施工技术水平、施工机械装备、工期要求和经济可行性等因素综合考虑研究选用。
当选择施工方法(包括开挖及支护)因隧道施工对周围环境产生不利影响时，亦应把隧道工程的环境条件作为选择施工方法的因素之一，同时应考虑围岩变化时施工方法的适应性及变更的可能性，以免造成隧道工程失误和增加不必要的工程投资。采用新奥法施工时，还应考虑施工全过程中的辅助作业方式和对围岩变化的量测监控方法，以及隧道穿越特殊地质地段的施工手段等，进行合理的选择。
3 隧道常用施工方法
隧道工程新奥法施工常用的施工方法，大致分为全断面法，台阶法和分部开挖法三大及若干变化方案。隧道各种施工方法的选用及特点如下：
3.1 全断面法
即全断面开挖法。是指采用全断面一次开挖成形的施工方法。
全断面法适用于Ⅰ～Ⅲ级岩质较均匀的硬岩中，须具备大型施工机械，隧道长度或工区长度不宜太短，否则采用大型机械化施工的经济性差。根据经验，这个长度不应小于1km。
全断面法的优缺点是：
⑴工序少，相互干扰少，便于组织施工和管理，工作空间大，便于组织大型机械化施工，因此，施工进度高，目前，我国双线铁路隧道一般都能保持月进成洞平均150m，高者已达300m。不久前建成的南昆铁路上长度为9388m米花岭隧道，更创造了单口月成洞502.2m的好成绩。客运专线一般应尽量采用全断面法。
⑵采用全断面开挖，则有较大的断面进尺比(即开挖断面面积与掘进进尺之比)，可获得较好的爆破效果，且爆破对围岩的震动次数较少，有利于围岩的稳定。但每次爆破震动强度却较大，因此要求进行严格的控制爆破设计，尤其是对于稳定性较差的围岩。
采用全断面法应注意几个问题：摸清开挖面前方的地质情况，随时准备好应急措施(包括改变施工方法等)，以确保施工安全，各种施工机械设备务求配套，以充分发挥机械设备的效率加强各
项辅助作业，尤其加强施工通风，保证工作面有足够新鲜空气，加强对施工人员的技术培训。
3.2 台阶法
台阶法是先开挖上半断面，待开挖至一定长度后同时开挖下半断面，上、下半断面同时并进
图2 铁路钻爆法开挖方法示意图
的施工方法；按台阶长短有长台阶、短台阶和超短台阶三种。近年由于大断面隧道的设计，又有三台阶临时仰拱法，甚至多台阶法。至于施工中究竟应采用何种台阶法，要根据以下两个条件来决定：
⑴初期支护形成闭合断面的时间要求，围岩越差，闭合时间要求越短；
⑵上断面施工所用的开挖、支护、出碴等机械设备施工场地大小的要求。
在软弱围岩中应以前一条为主，兼顾后者，确保施工安全。在围岩条件较好时，主要是考虑如何更好的发挥机械效率，保证施工的经济性，故只要考虑后一条件。
台阶开挖法的优缺点：台阶开挖法可以有足够的工作空间和相当的施工速度。但上、下部作业有干扰；台阶开挖虽增加对围岩的扰动次数，但台阶有利于开挖面的稳定。尤其是上部开挖支护后，下部作业就较为安全，但应注意下部作业时对上部稳定性的影响。
台阶开挖时应注意以下几点：
(1)解决好上、下半断面作业的相互干扰问题。微台阶基本上是合为—个工作面进行同步掘进；长台阶基本上拉开，干扰较小；而短台阶干扰就较大，要注意作业组织。对于长度较短的隧道，可将上半断面贯通后，再进行下半断面施工。
(2)下部开挖时，应注意上部的稳定。若围岩稳定性较好，则可以分段顺序开挖；若围岩稳定性较差，则应缩短下部掘进循环进尺；若稳定性更差，则可以左右错开，或先拉中槽后挖边帮。
(3)下部边墙开挖后必须立即喷射混凝土，并按规定做初期支护。
(4)量测工作必须及时，以观察拱顶，拱脚和边墙中部位移值，当发现速率增大立即进行仰拱封闭。
3.3　分部开挖法
分部开挖法可分为几种变化方案：过去一般分为台阶分部开挖法、单侧壁导坑法，双侧壁导坑法，现在随着洞跨的变大和施工技术的发展又有CD法、CRD法、中洞法。
3.3.1台阶分部开挖法
又称环形开挖留核心土法,一般将断面分成为环形拱部、上部核心土、下部台阶等几部分。根据断面的大小，环形拱部又可分成几块交替开挖。环形开挖进尺为0.5~1.0m，不宜过长。上部核心土和下台阶的距离，一般双线隧道为一倍洞跨，单线隧道为两倍洞跨。
由于拱形开挖高度较小，或地层松软锚杆不易成型，所以施工中不设或少设锚杆。
在台阶分部开挖法中，因为上部留有核心土支挡着开挖面，而且能迅速及时地建造拱部初期支护，所以开挖工作面稳定性好。和台阶法一样，核心土和下部开挖都是在拱部初期支护保护下进行的，施工安全性好。这种方法适用于一般土质或易坍塌的软弱围岩中。
台阶分部开挖法的主要优点是；与超短台阶法相比，台阶长度可以加长，减少上下台阶施工干扰，而与下述的侧壁导坑法相比，施工机械化程度较高，施工速度可加快。
采用台阶分部开挖时应注意下列问题：虽然核心土增强了开挖面的稳定，但开挖中围岩要经受多次扰动，而且断面分块多，支护结构形成全断面封闭的时间长，这些都有可能使围岩变形增大。因此，它常要结合辅助施工措施对开挖工作面及其前方岩体进行预支护或预加固。
3.3.2单侧壁导坑法
这种方法一般是将断面分成三块：侧壁导坑、上台阶、下台阶。侧壁导坑尺寸应本着充分利用台阶的支撑作用，并考虑机械设备和施工条件而定。一般侧壁导坑宽度不宜超过0.5倍洞宽，高度以到起拱线为宜．这样，导坑可分二次开挖和支护。不需要架设工作平台，人工架立钢支撑也较方便。导坑与台阶的距离没有硬性规定，但一般应以导坑施工和台阶施工不发生干扰为原则，所以在短隧道中可先挖通导坑，而后再开挖台阶。上、下台阶的距离则视围岩情况参照短台阶法或超短台阶法拟定。
单侧壁导坑法一般是将断面分成3块或4块，每步开挖的宽度较小．而且封闭型的导坑初期支护承载能力大，所以，单侧整导坑法适用于断面跨度大，地表沉陷难于控制的软弱松散围岩中。
3.3.3双侧壁导坑法
又称眼镜工法。是先开挖隧道两侧的导坑，并进行初期支护，再分部开挖剩余部分的施工方法。当隧道跨度很大，地表沉陷要求严格，围岩条件特别差，单侧壁导坑法难以控制围岩变形时，可采用双侧壁导坑法。现场实测表明；双侧壁导坑法所引起的地表沉陷仅为短台阶法的1／2。
这种方法在一般是将断面分成四块：左、右侧壁导坑、上部核心土、下台阶。导坑尺寸拟定的原则同前，但宽度不宜超过断面最大跨度的1／3。左、右侧导坑错开的距离，应根据开挖一侧导坑所引起的围岩应力重分布的影响不致波及另一侧已成导坑的原则确定。
双侧壁导坑法虽然开挖断面分块多，扰动大，初期支护全断面闭合的时间长，但每个分块都是在开挖后立即各自闭合的，所以在施工中间变形几乎不发展。
双侧壁导坑法施工安全，但速度较慢，成本较高。
是在软弱围岩大跨隧道中，先开挖隧道的一侧，并施作中隔壁墙，然后再开挖另一侧的施工方法。当采用CD法难确保掌子面的稳定时，应改为CRD，这样可以大大缩短断面封闭时间。
3.3.5CRD法
是在软弱围岩大跨隧道中，先开挖隧道一侧的一或二部分，施作部分中隔壁和横隔板，再开挖隧道另一侧的一或二部分，完成横隔板施工；然后再开挖最先施工一侧的最后部分，并延长中隔壁，最后开挖剩余部分的施工方法。采用短台阶法难确保掌子面的稳定时，宜采用分部尺寸小的CRD法，该工法对控制变形是比较有利的。
CD 法是“Center Diaphragm”的简称，而CRD法则是“Cross Diaphragm” 的简称。两者既有联系又有区别。它们都用于比较软弱地层中而且是大断面隧道的场合。而前者是在用钢支撑和喷混凝土的隔壁分割开进行开挖的方法；后者则是用隔壁和仰拱把断面上下、左右分割闭合进行开挖的方法，是在地质条件要求分部断面及时封闭的条件下采用的方法。因此，CRD法与CD法唯一的区别是在施工过程中每一步，都要求用临时仰拱封闭断面。
在CRD法或CD法中，一个关键问题是拆除中壁。一般说，中壁拆除时期应在全断面闭合后，各断面的位移充分稳定后，才能拆除。
在中壁拆除作业的施工管理中最重要的问题是判定中壁拆除时间和中壁拆除后的安全性。一般，在隧道施工中维护断面的稳定基本上是通过拱顶下沉和净空收敛来判定的。因此，在中壁法中，中壁的拆除时间的判定和作业的安全性基准，也是以这种方法为依据的。
3.3.6中洞法
是在连拱隧道或单线隧道的喇叭口地段，先开挖两洞之间中隔墙部分，并完成中隔墙混凝土浇筑后，再进行左右两洞开挖的施工方法。
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隧道和桥梁为何要设计成拱形的？ 越详细越好！谁能帮我回答并且回答正确我非常感谢！ go孙红旺 隧道和桥梁为何要设计成拱形的？
从物理学角度来讲..车在拱形桥的最顶部时所受压力最小..由牛3可知车对桥的压力也最小..对桥的伤害最小..也就是肌护冠咎攉侥圭鞋氦猫说可以载更重的车
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