黄土围岩输水隧洞开挖支护变形分析.pdf
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1、工程实践水利技术监督 年第 期:/黄土围岩输水隧洞开挖支护变形分析苏 丹 孟 明(黄河勘测规划设计研究院有限公司 河南 郑州 水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室(筹)河南 郑州 河南省城市水资源环境工程技术研究中心 河南 郑州)摘要:文章以岱海生态补水项目 隧洞的开挖支护为例 介绍该地区黄土围岩洞段的地质特点、支护原则 采用 软件进行建模分析 采用荷载结构法 分别模拟黄土围岩类别的洞段采用超前支护与不采用超前支护的情况下 分析围岩开挖变形和支护结构受力的情况 从分析结果中可知:不采用超前支护的情况下 黄土围岩的变形超过了规范允许值 因此提出施加超前小导管等超前支护的措施 以及相关施工要求
2、以控制洞室开挖卸荷后的变形 可为类似工程提供参考和借鉴关键词:黄土围岩 输水隧洞 一次支护 开挖变形中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:作者简介:苏 丹(年)女 高级工程师:工程概况岱海生态应急补水工程的任务是在黄河丰水年份自黄河干流取水 向乌兰察布市岱海进行生态应急补水 通过跨流域调水 增加岱海补水量 遏制岱海湖湖面萎缩 使岱海湖面面积达到 工程主要由加压泵站、预沉池、输水管道、隧洞及其附属建筑物等组成 该工程为中型 等工程 主要建筑物为 级 次要建筑物为 级 一级泵站工程、预沉池工程、二级泵站工程、三级泵站工程、管道工程、号隧洞工程、号隧洞工程和 号隧洞工程为主要建筑物 一级加
3、压泵站设计洪水标准为 年一遇 校核洪水标准为 年一遇 其余建筑物设计洪水标准为 年一遇 校核洪水标准为 年一遇 工程设计采用“三级加压 两级重力”的输水方案 总输水距离 输水线路自黄河干流引水 途经托克托县、和林格尔县、乌兰察布的凉城县 接入弓坝河后入岱海 工程设计引水流量为/年最大取水量为 万 号隧洞为黄土洞段 号隧洞为类 类围岩洞段 号隧洞为类围岩洞段和土洞段 隧洞均为无压洞 本次设计选取 洞 选取典型断面进行计算分析 洞黄土围岩地质情况隧洞入口岩性为黄土 具有轻微湿陷性 抗冲刷能力差 洞身段岩性以新近系上新统()泥岩为主 局部夹砂岩 棕红色 硬塑状 坚硬状固结成岩作用差 泥质胶结 遇水易
4、软化 失水易开裂崩解 且分布有多层钙质结核及结核层(钻探揭露单层最大厚度为 )洞身范围内钙质结核层面积约占断面的 钙质结核层为缓倾角 在洞身内可能延伸较长 可能会增加开挖难度 建议提前做好施工准备 隧洞围岩类别为类 按照土洞进行设计 隧洞出口岩性为黄土状轻粉质壤土 具有轻微湿陷性 抗冲刷能力差 需对洞脸采取处理和保护措施 洞脸边坡建议坡比为 出口临近较深的黄土凹坑 需对凹坑进行处理防止进一步塌陷影响隧洞出口安全 围岩稳定评估依据围岩稳定性是地下建筑工程研究的核心 但至今还未有判定围岩稳定性的标准 从理论分析可知 控制围岩失稳的作用可以通过限制围岩受拉区、塑性区和松驰区的最大范围 或限制隧洞洞室
5、周边的最大位移量 或限制洞室的最小支护抗力值 但其目前仍缺乏统一的标准量值作为衡量的依 年第 期水利技术监督工程实践据 主要还是根据设计人员的经验和类似的工程案例来综合考虑后确定 水利水电工 程 锚 喷 支 护 技 术 规 范 中 表 和 岩土锚杆喷射混凝土支护工程技术规范中表 都给出评估围岩稳定状态的允许相对收敛值 围岩类别有类、类和类分别对应隧洞小于、和大于 的埋深 有不同的围岩变形的数值指标 如总变形量超过表中规定的允许值 应修正支护参数 本次分析依据该规定并结合计算所得围岩塑性区成果评估围岩的稳定及支护的效果根据地勘资料 洞的平均埋深均在 以下 因此采用隧洞埋深小于 的收敛值指标控制
6、计算方法及模型隧洞开挖支护变形计算分析采用 软件 采用有限元法 选取洞身段不利剖面 建立 地层 结构模型 对隧洞的开挖支护进行分析计算 采用“荷载释放系数”来模拟洞室周围的初始应力随开挖、卸荷、支护等过程 而在空间和时间上产生的作用效应 对隧洞开挖支护过程中 围岩变形、钢拱架、锚杆以及支护结构的受力情况进行模拟分析 各开挖步骤承载阶段的荷载释放系数在围岩中 可按照/公路隧道设计细则中表 的规定采用 围岩的开挖卸荷采用“修正摩尔 库伦”的本构模型进行分析 该本构比“摩尔 库伦”更适合模拟隧洞岩体开挖、卸荷的情况 初期采用的锚喷支护、钢拱架 以及二次衬砌结构采用“弹性”本构模型进行分析 超前支护的
7、效应采用提高超前支护范围内的围岩参数进行模拟计算过程中通过钝化和激活相关单元 模拟围岩中隧洞开挖及支护的各个施工工序 因为每进行一步开挖或者支护的工序 一定范围内的岩体应力应变状态都会发生变化 围岩应力重分配后进入新的平衡状态 因此 越细致的模拟施工过程中的开挖和支护的各道工序 才能更准确地进行围岩的变形分析模型计算边界范围取隧洞开挖断面 倍的开挖宽度(或高度)的范围 根据工程经验和理论分析结果 地下洞室开挖引起的围岩应力应变的改变 在开挖洞室断面 倍开挖宽度或高度的区域内才有较明显的影响 而根据圣维南原理 开挖卸荷造成的围岩扰动影响会随距离开挖断面的渐远而渐弱渐消失 因此 模型的自然边界距离
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