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
8、开挖部位较远时 没有分析的必要 只需在有效的区域范围内进行分析 开挖支护变形分析 不做超前支护的开挖变形分析首先对 洞黄土围岩的隧洞断面 在不进行超前支护的情况下进行建模分析 直接开挖洞室 开挖之后再进行支护 位移云图如图 所示从图 和图 的位移数据可知 水平向的最大位置发生在侧墙底部/处 最大位移为向洞内移动 垂直向的最大位移发生在洞轴线的顶拱和底板上 顶拱向下部沉降 底部向上部隆起 水平收敛变形相对值为 垂直收敛变形相对值为 超出规范允许变形相对值 的限值 因此 黄土围岩的洞段需考虑顶部的超前支护措施 以及开挖后及时进行钢拱架、喷锚支护的措施对变形区域加强图 洞黄土围岩不做超前支护整体坐标
9、水平位移图工程实践水利技术监督 年第 期图 洞黄土围岩不做超前支护整体坐标垂直位移图支护 增加超前支护等措施的开挖变形分析根据隧洞沿线的地质情况 在软弱围岩的地层条件中施工 常用的施工型式是超前支护、锚喷支护、钢拱架相结合 因此设计在隧洞开挖前采用小导管超前支护 根据 结合类似工程经验 按工程类比法 拟定 洞一次支护设计参数:小导管采用直径 无缝钢管 单根长 壁厚 环向间距 开挖后在隧洞直墙段及顶拱范围内施打锚杆、挂网及钢支撑 系统锚杆长 顶拱锚杆采用 直径的自进式中空注浆锚杆 侧墙锚杆采用 直径的普通砂浆锚杆 采用 级钢筋 间距为 梅花形布置 挂 和 单层钢筋网 钢拱架采用 工字钢加工纵向间
10、距 喷 厚 混凝土对采用超前支护和开挖后的加强支护措施后 对开挖变形再次进行分析 位移等结构受力云图如图 所示 见表 图 洞黄土围岩整体坐标水平位移图图 洞黄土围岩整体坐标垂直位移图 年第 期水利技术监督工程实践图 洞黄土围岩钢拱架轴力图图 洞黄土围岩钢拱架剪力图图 洞黄土围岩钢拱架弯矩图表 洞支护方案典型断面围岩变形指标序号 洞号围岩类别推测地下水位线至隧洞轴线距离/高跨比 开挖方式围岩垂直收敛变形/垂直收敛变形相对值/围岩水平收敛变形/水平收敛变形相对值/规范允许变形相对值/()黄土、泥岩 全断面法 变形评价满足规定 注:轴力以压为正 弯矩以杆件下部受拉为正 从围岩的变形云图可知 拱顶和底
11、板的变形较大 施工阶段应加强拱顶和拱脚处支护混凝土的施工质量 确保钢拱架保护层的厚度 从钢拱架的内力图可知 工字钢在拱顶、拱脚处的轴力大 弯矩也大 因此可知在拱顶和拱脚处围岩应力较大 隧洞开挖卸荷后 在围岩充分发挥自稳的情况下 应早尽早的进行工字钢等初支结构和二次衬砌结构的施工 防止由于拱顶、拱脚处的围岩应力过大而产生工字钢变形、隧道塌方等严重现象工程实践水利技术监督 年第 期 结语综合上述分析和计算结果 在黄土围岩的设计和施工过程中 地层垂直向的最大位移都发生在拱顶 且一般超过规范允许的沉降值 因此需考虑超前支护措施 来控制洞室围岩卸荷后的变形量 隧洞开挖后 钢拱架为拱顶部位受压 侧墙底部受
12、拉 因此要加强钢拱架的稳固性 喷混凝土要及时 对围岩进行保护防止过度扰动 建议尽快开展衬砌的施工 令一次支护与二次衬砌结构尽早共同承担围岩的变形 采取必要的监测手段 分析和预判围岩的变形趋势 以便及时调整支护设计方案更有利于工程施工的安全参考文献 杜明克.小断面隧洞钢拱架支护的受力分析.公路与汽运():.徐庆功.某隧洞围岩变形监测及稳定性分析.水利规划与设计():.邢莉 李宏卓.土洞设计和施工中的若干问题.安徽建筑():.卢汉林.浅埋式土洞临时支护设计水利科技():.王存存.小断面输水隧洞断面形式选择及结构分析研究.中国水运(下半月)():.沈珠江.软土工程特性和软土地基设计.岩石工程学报()
13、:.陈丽.引水隧洞支护时机对支护结构的影响.水利技术监督():.(上接第 页)表 污水处理工程设计进水水质表序号指标单位设计进水水质/()/()/()/表 项目投资详表项目工程内容投资/万元长江沿岸受损山体生态修复项目山体边坡整治及复绿工程中心城区污水系统综合治理项目污水处理厂提标扩建工程市政管网雨污分流工程排水单元达标改造工程现状污水管道修复工程乡镇污水处理示范项目镇村污水收集处理工程合计()中心城区污水系统综合治理项目 城区排水管网基本实现雨污分流及清污分流 达到“旱天污水不入河、雨天污水少溢流”的目标 水环境质量提升显著 污水厂进水 浓度由原来的/提高到为/以上 旱季更是达到/污水厂尾水
14、入河污染物削减量 为 /为 /()乡镇污水处理示范项目 镇村入河污染负荷得到有效控制 周边水系水质改善显著 入河污染物削减量 排放量为 /排放量为 /结语本项目立足彭泽县的实际情况 从污水排放的源头控制 到管网清污分流和雨污分流的中间环节梳理 再到排水系统提质增效和污水处理提标扩建的末端守护 乃至山川河流水生态系统构建的“内功”打造等全过程水环境治理新经验的总结 研究了滨江绿色城镇带模式、受损山体复绿修复模式、“厂网一体”先进排水模式、排水管网提质增效模式及智慧管控模式 探索出一套全新有效的水环境综合治理模式 对于整个长江沿线城市生态环境保护具有较强的创新引领及示范效应 但对于 项目模式 应提前做好工程目标可达性的准确分析 节省工程投资参考文献 朱伟 夏霆 姜谋余 等.城市河流水环境综合评价方法探讨.水科学进展 ():.金炜 刘华 季颖.南通虹桥片区水环境综合治理实践和探讨.水利技术监督():.赵华菁 戴晶晶 金炜.南通城区文峰水系水环境治理工程的策略与创新.水利水电技术 (增刊):.汪丽 黄伟 王阿华 等.荆门市竹皮河流域水环境综合治理之生态修复工程设计.中国给水排水 ():.徐柏刚.厦门市埭头溪流域水环境综合治理方案研究.中国给水排水 ():.