高速铁路大断面黄土隧道施工数值模拟毕业设计

毕业设计高速铁路大断面黄土隧道施工数值模拟毕业论文报告毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：日期：

学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期：年月日导师签名：日期：年月日

摘要郑州至西安的客运专线为国内首批拟建的高速客运专线，该线位于中国黄土分布的中心地带，全线穿过黄土段的隧道累计里程长达65km。黄土因其具有特殊的成分和性质而在工程地质中占据特殊的地位，其工程特征表现出与普通岩石隧道相当大的差异，郑州至西安铁路客运专线黄土隧道特征最具典型性,围岩属V级Q3新黄土。该线隧道均为双线隧道，开挖面积达174m2，是目前国内开挖断面最大的黄土隧道。本文总结了大断面黄土隧道的研究现状及存在的主要问题，分析了隧道断面分类、高速铁路隧道的技术特点、黄土隧道工程特性、黄土地基沉降及其加固的理论，并在综合分析当前大断面黄土隧道发展的基础上，依托郑西客运专线凤凰岭黄土隧道工程背景，以解决高速铁路大断面黄土隧道关键施工技术为出发点，应用大型通用有限元软件ANSYS为计算手段，对湿陷性黄土隧道全断面施工方法和弧形导坑法的安全性进行了对比的分析和研究，得出了一些结论和建议。关键词：大断面，黄土隧道，弧形导坑法，数值模拟ABSTRACTThefirstbatchdomesticproposedhigh-speedpassengerdedicatedlineisfromZhengzhoutoXi'an.Thelineislocatedinthecenterofloessdistribution,andthewholelineacrosstheloesssectionisalmost65km.Becauseofitsspecialcompositionandproperties,loessoccupiesaspecialplaceintheengineeringgeology,andtheengineeringfeaturesshowconsiderabledifferencewithordinaryrocktunnel.ThelinefromZhengzhoutoXi'anfeaturesthemosttypicalloesstunnel,andthesurroundingrockgradeVnewQ3loess.Thislineisbasedondoublelinetunnel,andthetunnelexcavationareaof174m2isthedomesticlargestloesstunnelexcavationsection,whichisunprecedentedinChina,andthereisnoexperienceforreferencetotheconstructionofthistunnel.Inthispaper,Ididsomeresearchofthepresentsituationandmainproblemsoftheloesstunneloflargesectionandclassificationoftunnelcrosssection,thetechnicalfeaturesofhigh-speedrailwaytunnel,theengineeringpropertiesofloesstunnel,loessfoundationsettlementandconsolidationtheory.Basedonthecomprehensiveanalysisonthebasisofthecurrentdevelopmentinloesstunneloflargesection,relyingonthisloesstunnelengineeringbackground,inordertosolvethekeyconstructiontechnologyinloesstunneloflargesectionofhighspeedrailway,usinglarge-scalegeneralfiniteelementsoftwareANSYSasthecalculatingmethod,analyzingandresearchingthearcheadingconstructionsafetyperformance,Iworkoutsomeconclusionsandsuggestions.KEYWORDS:largecrosssection,loesstunnel,numericalsimulation,arcpilottunnelmethod目录TOC\o"1-3"\h\u24501第一章绪论 ④图4-39回填后第一主应力/N图4-40回填后第三主应力/N图4-41回填后第一主应变图4-42回填后第三主应变图4-43回填后x方向位移/m图4-44回填后y方向位移/m4.3.2全断面开挖1.全断面同时开挖，并施设初衬图4-45初衬后等效应力/MPa图4-46初衬后塑性区/m图4-47初衬后x方向位移/m图4-48初衬后y方向位移/m图4-49初衬后第三主应变图4-50初衬后剪力图图4-51初衬后弯矩图图4-52初衬后轴力图2.施设二衬图4-53二衬后等效应力/MPa图4-54二衬后塑性区/m图4-55二衬后x方向位移/m图4-56二衬后y方向位移/m图4-57二衬后第三主应变图4-58二衬后剪力图图4-59二衬后弯矩图图4-60二衬后轴力图4.4模拟结果及分析4.4.1弧形导坑法在开挖过程中：开挖上台阶过程中应力集中于角点，最大应力为4.95MPa（图4-7）；最大应变发生在核心土两侧，最大应变0.00095（图4-9）；x方向最大位移发生在角点，最大位移为1.635mm（图4-11）；y方向最大位移发生在核心土位置，为5.92mm（图4-12）。开挖中台阶过程中应力集中于角点，最大应力为3.63MPa（图4-17）；最大应变发生在核心土两侧，最大应变0.003297（图4-20）；x方向最大位移发生在两边侧拱上，最大位移为2.60mm（图4-21）；y方向最大位移发生在拱顶位置，为13.17mm（图4-22）。开挖下台阶及回填部分过程中应力集中于角点，最大应力为3.38MPa（图4-25）；最大应变发生在隧道侧拱中段位置，最大应变0.00487（图4-27）；x方向最大位移发生在隧道轨面中心线两侧，最大位移为2.14mm（图4-28）；y方向最大位移发生在拱顶位置，为16.94mm（图4-29）。修建二衬过程中应力集中于隧道侧拱中段位置，最大应力为9.70MPa（图4-34）；最大应变发生在拱顶位置，最大应变0.00469（图4-36）；x方向最大位移发生隧道侧拱中段偏上位置，最大位移为2.278mm（图4-37）；y方向最大位移发生在拱顶位置，为17.41mm（图4-38）。回填后应力集中于隧道侧拱中段偏下位置，最大应力为9.80MPa（图4-40）；最大应变发生在核隧道侧拱中段偏下位置，最大应变0.00469（图4-42）；x方向最大位移发生在隧道侧拱中段偏上位置，最大位移为2.34mm（图4-43）；y方向最大位移发生在拱顶位置，为17.65mm（图4-44）。4.4.2全断面开挖在开挖过程中：(1)全断面开挖并修建初衬过程中应力集中于隧道侧拱中段位置，最大应力为1.29MPa（图4-45）；最大应变发生在隧道侧拱中段位置，最大应变0.2607（图4-49）；x方向最大位移发生隧道侧拱中段偏下位置，最大位移为59.879mm（图4-47）；y方向最大位移发生在拱顶位置，为122.0mm（图4-48）。(2)修建二衬过程中应力集中于隧道侧拱中段位置，最大应力为1.15MPa（图4-53）；最大应变发生在隧道侧拱中段位置，最大应变0.02609（图4-57）；x方向最大位移发生隧道侧拱中段偏下位置，最大位移为59.79mm（图4-55）；y方向最大位移发生在拱顶位置，为126.40mm（图4-56）。4.4.3对比分析通过前文对弧形导坑法及全断面发的分部开挖过程分析，可以看出：弧形导坑法开挖过程中，最大应力发生在回填过程，应力集中于隧道侧拱中段偏下位置，最大值为9.80MPa；最大应变出现在开挖下台阶及回填部分过程中，发生在隧道侧拱中段位置，最大值为0.00487；x方向最大位移发生在开挖中台阶过程中，发生在两边侧拱上，最大位移为2.60mm；y方向最大位移发生在回填过程，发生在拱顶位置，为17.65mm。弧形导坑法施工中最薄弱部分是拱肩部和边墙顶是比较薄弱部分，在施工中需要注意。全断面法开挖过程中，最大应力发生在全断面开挖并施设初支过程中，应力集中于隧道侧拱中段位置，最大应力为1.29MPa；最大应变出现在修建二衬过程中，发生在隧道侧拱中段位置，最大应变0.02609；x方向最大位移发生在全断面开挖并施设初支过程中，发生隧道侧拱中段偏下位置，最大位移为59.879mm；y方向最大位移发生在修建二衬过程中，发生在拱顶位置，为126.40mm。将两种方法最危险的部分作对见表4-2：表4-2两种施工方法的部分极值对比类型施工方法弧形导坑法全断面法最大应力/MPa9.801.29最大应变0.004870.02609x方向最大位移/m2.6059.879y方向最大位移/m17.65126.40

结论本论文通过分析高速铁路大断面黄土隧道施工特点与存在的问题，应用大型有限元软件ANSYS为计算手段，对湿陷性黄土隧道全断面施工方法和弧形导坑法的安全性进行了对比的分析和研究得到了一些有益的结论，总结如下:弧形导坑法施工过程中，应力较大，需要采用有效措施对拱肩部和边墙顶部进行加固稳定。弧形导坑法施工过程中最大应变及x、y方向位移均远远小于全断面施工法，由此可见弧形导坑法施工的安全性相比于全断面法要高的多。双线隧道上的土体破坏一般不能形成所谓普氏压力拱，采用普氏理论设计与调研所得实测压力分布不符。双线隧道上模拟的竖向压力分布是两端大、中间小，呈“反拱形”。有不小的侧向压力，且拱圈部分比边墙要大。在黄土隧道施工中二衬的施设是很有必要的，对于类似V级黄土围岩的不良初期地质段，初期支护很难保证围岩结构的长期稳定，修筑二次衬砌可以加强围岩变形支撑，同时也能承受软弱围岩的蠕变压力。

致谢在紧张但充实的四年大学本科生或即将接近尾声之际，回想过去，展望未来，心潮澎湃，我怀着激动的心情写下这篇致谢词。对于此篇论文的完成，首先应该感谢董****老师对我的关心和指导，从论文开题到研究方法的确立，以及研究过程中遇到的各种问题，无不依赖董老师的悉心指导，在整个论文完成过程中，董老师严谨的学术态度，认真负责的学术精神以及系统精湛的专业知识都给我留下了深刻的印象，使学生受益匪浅。从设计的选题到资料的搜集直至最后设计的修改的整个过程中，花费了董老师很多的宝贵时间和精力，在此向导师表示衷心地感谢！同时还要感谢和我同一小组的几位同学，是你们在我平时设计中和我一起探讨问题，并指出我设计上的误区，使我能及时的发现问题把设计顺利的进行下去，没有你们的帮助我不可能这样顺利地结稿，在此表示深深的谢意。

参考文献[1]刘祖典.黄土力学与工程.陕西省科学技术出版社，1996[2]马莉英，肖树芳，王清.黄土的流变特性模拟与研究.实验力学，2004,6[3]李宁，朱运明，谢定义.大断面饱和黄土隧洞成洞条件研究.岩土工程学报，2000,22(6)[4]郭增玉、刘守慧、张朝鹏.高湿度Q2黄土的非线性流变本构模型及参数.地下空间，2001，21(2)[5]韩斌、朱庭勇.黄土的湿陷性对地铁框架结构的影响.兰州铁道学院学报，2003,22(1)[6]凌荣华、韩贝传、曲永新.大跨度深埋隧洞的开挖效应研究.工程地质学报，1996,4(3)[7]丁文其,王晓形,李志刚等.龙山浅埋大跨度连拱隧道施工方案优化分析[j]岩石力学与工程学报,2005,24(22):442一447[8]铁路隧道喷锚构筑法技术规则(TBJ108-2001).中国铁道出版社.2001[9]铁路隧道设计规范(TB10003-2001).中国铁道出版社.2001[10]RichardBrummer,PatrickAndrieux.FLACandNumericalModelinginGeomechanics.A.A.BAKEMAPUBLISHERS.Oct.2003[11]FathallaEL-Nahhas,FaroukEL-kadiandAliAhmed:InteractionofTunnelLiningsandSoftGround,TunnelingandUndergroundSpaceTechnology,1992，7，33~34[12]DiPriscoC.modelingofdrainedcreeptriaxialtestsonlossesand[J]Geotechnique,2000,50(1):7382.[13]Xi-HongZHAO,HongSLJN,KwangWeiLo.Anelastoplasticdamagemodelofsoil[J].Geotechnique,2002,52(7):533536.[14]S.Sakurai,K.Takeuchi.BackAnalysisofMeasuredDisplacementofTunnels.RockMechandRockEng.,Vo1.16,No.3,1983,173}180.[15]王晓州、丁维利、李国良等.大断面黄土隧道建设技术[M].北京:中国铁道出版社.2009[16]王勖成.有限单元法[M].北京:清华大学出版社，2003:579-586，613[17]康军.黄土公路隧道设计与施工技术状研究[D].西安:长安大学，2006[18]张苏民.黄土与黄土力学，岩土工程技术，1998.2:60~62[19]李殿龙.客运专线设计国际咨询给我们的启示，铁道标准设计，2005.10.1~3[20]顾湘生.客运专线路基工程几个问题的讨论，铁道工程学报，2005.2.31~38[21]乔春生.饱水黄土隧道变形规律研究，岩石力学，2003.10:225~230[22]李晓洪.软弱围岩双连拱隧道施工力学研究.西南交通大学硕士论文.2003.3[23]李强.连拱隧道施工过程空间力学效应分析.西南交通大学硕士论文.2005.3[24]周新民.黄土地区公路洞穴致灾机理研究.长安大学硕士论文.2003.5

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：日期：

学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期：年月日导师签名：日期：年月日

致谢时间飞逝，大学的学习生活很快就要过去，在这四年的学习生活中，收获了很多，而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。首先非常感谢学校开设这个课题，为本人日后从事计算机方面的工作提供了经验，奠定了基础。本次毕业设计大概持续了半年，现在终于到结尾了。本次毕业设计是对我大学四年学习下来最好的检验。经过这次毕业设计，我的能力有了很大的提高，比如操作能力、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等方方面面都有很大的进步。这期间凝聚了很多人的心血，在此我表示由衷的感谢。没有他们的帮助，我将无法顺利完成这次设计。首先，我要特别感谢我的知道郭谦功老师对我的悉心指导，在我的论文书写及设计过程中给了我大量的帮助和指导，为我理清了设计思路和操作方法，并对我所做的课题提出了有效的改进方案。郭谦功老师渊博的知识、严谨的作风和诲人不倦的态度给我留下了深刻的印象。从他身上，我学到了许多能受益终生的东西。再次对周巍老师表示衷心的感谢。其次，我要感谢大学四年中所有的任课老师和辅导员在学习期间对我的严格要求，感谢他们对我学习上和生活上的帮助，使我了解了许多专业知识和为人的道理，能够在今后的生活道路上有继续奋斗的力量。另外，我还要感谢大学四年和我一起走过的同学朋友对我的关心与支持，与他们一起学习、生活，让我在大学期间生活的很充实，给我留下了很多难忘的回忆。最后，我要感谢我的父母对我的关系和理解，如果没有他们在我的学习生涯中的无私奉献和默默支持，我将无法顺利完成今天的学业。致谢四年的大学生活就快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽的难舍与眷恋。从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所学的知识应用到实际工作中去。回首四年，取得了些许成绩，生活中有快乐也有艰辛。感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。学友情深，情同兄妹。四年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一直以来对我的抚养与培育。最后，我要特别感谢我的导师刘望蜀老师、和研究生助教吴子仪老师。是他们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励，给了我很多解决问题的思路，在此表示衷心的感激。老师们认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。他无论在理论上还是在实践中，都给与我很大的帮助，使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢他耐心的辅导。在论文的撰写过程中老师们给予我很大的帮助，帮助解决了不少的难点，使得论文能够及时完成，这里一并表示真诚的感谢。基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统