Q_%283%29%5E%281%29饱和黄土隧洞超前管棚开挖支护关键技术.pdf

设计施工水利规划与设计 年第 期:/饱和黄土隧洞超前管棚开挖支护关键技术白玉龙 李 丽 杨江龙(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司 甘肃 兰州)摘要:甘肃引洮供水二期工程 隧洞进口段穿越 饱和黄土 通过对室内试验数据分析 掌握围岩工程特性采用 仿真渗流计算和初期施工变形监测分析 研究地下水渗流场以及施工变形量变化规律 全面系统提出 饱和黄土隧洞超前管棚开挖、支护、排水、保护等施工关键技术 为类似工程提供参考借鉴关键词:饱和黄土 工程特性 渗流场 变形监测 开挖支护 关键技术中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:作者简介:白玉龙(年)男 高级工程师:引言饱和土属于隧洞不良工程地质条件 稳定性很差 可用盾构法、冻结法等施工方法 但对于饱和土洞段长度不长或中、小断面尺寸隧洞 往往因经济性差、施工环境等条件限制而无法使用 采用施工简便的超前管棚开挖支护技术 则需要分析地层特性 研究开挖后地下水渗流场变化和支护变形规律 撑握关键技术 才能保证隧洞顺利贯通 工程概况引洮供水工程是甘肃中部地区大型跨流域调水工程 工程规模为大()型 分两期建设 二期工程总干渠全长 引水流量 /隧洞共布置有 座 是最主要的建筑物之一 占总干渠全长 建筑物等级为 级 其中隧洞结构断面为三心圆拱型(蛋型)衬砌净断面尺寸(长 宽)引洮供水二期工程总干渠 隧洞洞线穿行于黄河一级支流祖厉河与渭河分水岭大营梁一带黄土中低山梁峁区 隧洞进口段受马衔山北缘断裂和马河断裂控制 形成北西向断陷盆地 沉积有第四系黄土类土 厚度超过 部分为地下水位以下饱和土 饱和黄土地质特性 地层结构特征隧洞进口段地层上部为土质均匀的 马兰黄土 厚度 结构疏松 孔隙发育 中部为具水平层理的 黄土状土 呈褐黄、浅黄色夹有浅灰、灰绿、锈黄等杂色条带 是还原环境下沼泽相洪积物 厚度约 部分地段厚度达 下部为结构密实具层理的 离石黄土 土质不均 厚度超过 隧洞桩号 段穿越 黄土状土地层 地下水埋深 隧洞洞身整体位于地下水位以下 呈饱和状态 饱和黄土物理力学性质 物理性质工程上对黄土类土的组成按颗粒粒径大小分为砂粒、粉粒和粘粒 颗粒组成决定了土的密实度、孔隙等物理力学性质 组成成分不同 土的密实程度、强度差异较大 饱和黄土室内物理性质试验成果统计见表 由表 可知 饱和黄土颗粒组成是以粉粒含量为主、粘粒次之 反复震动和挖填扰动时易流变 密度参数与孔隙比反映其结构为中密 密实状态 饱和度大于 土体处于饱和状态 饱和度偏于小值时 呈硬塑状 工程钻孔取芯多为柱状 反之呈软塑状 钻孔取芯不易成型 水理性质饱和黄土砂粒含量较低 颗粒较细 孔隙以小孔隙和微孔隙为主 含有亲水性黏土矿物 具 年第 期水利规划与设计设计施工表 饱和黄土物理性质统计表数值土粒比重天然密度/()干密度/()饱和度/孔隙比孔隙率/颗粒组成/砂粒 粉粒 粘粒 最小值 最大值 平均值 有强持水性和低渗透性 不同含水量土体的渗透、变形等水理性质差异很大 饱和黄土室内水理性质试验成果统计见表 由表 可知 饱和黄土天然含水量略大于塑限 多在 之间 具塑性 含水量由塑限值增加到液限值时 土体逐步表现出硬塑 可塑 软塑 流塑状 水理性质变差 土体渗透系数较小 具有弱透水 微透水性 水平方向渗透系数变化小 垂直方向渗透系数变化较大 垂直方向土体颗粒组成、密实程度、透水性等方面有差异 有相对持水层 也有相对隔水层 力学性质饱和黄土力学性质试验成果统计见表 由表 变形系数及压缩模量可看出 饱和黄土属中等压缩性土 当土体含水量在塑限附近时 抗剪强度较高 液限附近时 抗剪强度很低 流塑与硬塑状土相比有大幅度降低 凝聚 力 降 低 内 摩 擦 角 降 低约 孔内十字板剪切试验 软塑状态抗剪强度值为:可 塑 状 态 为:抗剪强度随含水量变化而变化 含水量高时抗剪强度低 含水量低时抗剪强度高 地下水渗流场模拟采用达西定律二维渗流场稳定渗流理论 借助 仿真分析软件 模拟隧洞开挖后饱和土体稳定流场 计算原理对于稳定渗流 水头势函数满足微分方程 ()式中 ()所求水头势函数、平面坐标、水平与垂直方向渗透系数水头 满足以下边界条件:()上游边界水头已知 ()()逸出边界水头和位置高程相等 ()()边界渗流量 已知 ()式中、边界表面向外法线在 方向的余弦将渗流场用有限元离散 假定单元流场水头势函数 为多项式 由微分方程和边界条件确定变分形式 得线性方程组:表 饱和黄土水理性质统计表数值含水量 液限/塑限/塑性指数 液性指数 垂直渗透系数/()水平渗透系数/()最小值 最大值 平均值 表 饱和黄土力学性质统计表数值变形系数 压缩模量/塑限凝聚力/塑限内摩擦角/()液限凝聚力/液限内摩擦角/()最小值 最大值 平均值 设计施工水利规划与设计 年第 期 ()式中 渗 透 矩 阵 渗 流 场 水 头节点渗流量求解上述方程组得到节点水头、单元水力坡降、流速等物理量 建模计算 模型假定条件()地层内饱和土体质均 隧洞两侧边界水头恒定()不考虑土壤环境温度和可溶质离子影响流体性质()不考虑地下水位线以上非饱和土体对下部渗流影响()流场边界内不受地表降水及其它水体交叉补给与外泄影响 渗流边界条件选取()以 隧洞位于地下水位线以下 处为典型断面 地下水位线为自由边界面()考虑软件适用及建模方便 将三心圆拱型开挖断面等效为圆形(等效半径 )开挖断面为潜在溢出面()隧洞左右两侧等水头边界以 控制 底部按不透水边界处理 模型初始及有限元网格如图 所示图 模型初始网格图隧洞开挖前土体处于饱和状态 土体内孔隙水压力为静水压力 自由水面处水头压力为零 底部最大静水压力水头为 初始渗流场与实际相符()仿真模型计算土体重度、饱和含水量、水平渗透系数、垂直渗透系数等参数按试验数值取用 利用水头势函数图 有限元模型网格图计算流速矢量以及水头、水压、水力坡降等值线计算结果如图 所示图 流速矢量图图 水头等值线图 年第 期水利规划与设计设计施工图 水压等值线图图 水力坡降等值线图 结果分析隧洞开挖后 饱和土体内出现新的排泄通道原有平衡被打破 地下水向洞内自由渗出面汇集渗透 形成稳定渗流 渗流场与初始流场相比发生变化 隧洞两侧渗流等水头与水压等值零线呈现明显漏斗状 符合粘性土渗流规律 图 隧洞中下部流速矢量线集中且值大 说明隧洞开挖后达到稳定渗流状态时 渗流主要集中在隧洞底部及拱脚位置 图 表明形成稳定渗流后 隧洞侧底拱外部周边仍具有一定水头与水压 图 表明隧洞两侧墙中部位置水力坡降最大 达到 侧墙部位易发生土体流变计算稳定渗透流量为 /()均值 /()表明洞室内为滴渗水状态渗水量不大 土体具强持水性和低渗透性 变形监测隧洞开挖支护变形监测主要内容是两侧拱收敛和顶拱沉降监测 监测断面及测点设置为了获取具有代表性段落监测数据 在隧洞开挖至饱和土洞段后 选取地下水位相对恒定的桩号 段 作为变形监测典型段落 共布设 个监测断面 平均每 设置一个断面 监测横断面设置 个测点 分别为顶拱支护顶点和侧拱断面尺寸最大位置 测点布置如图 所示图 监测断面测点布置图 监测方法及结果测点监测为固定人员和仪器 尽可能减少人为因素或仪器自身产生的误差 初期每 定时监测 后期监测变形量数值增量较小时 定时监测时段适当延长至 监测时长为 个月桩号 位置监测断面变形曲线如图 所示图 桩号 位置变形监测结果 监测数据分析变形监测结果显示 开挖初期变形数据快速增大 变形量约占总变形量一半 后变形增量逐渐减小 变形趋势变缓 左右基本稳定 分析原因:施工开挖使洞室内部形成临设计施工水利规划与设计 年第 期空面 应力迅速释放 饱和土快速发生变形在强支护支撑体系约束下 逐步达到受力平衡测点沉降与收敛变形量均大于测点和统计测点最大变形量为 平均变形为 除 个断面初期变形有 左右小范围上下波动情况外 其余断面数据曲线较为光滑 测点和沉降变形量比较接近 最大沉降量为 平均沉降量 收敛变形均在 之内 开挖支护关键技术 开挖环节()勤观测 土体含水量变化与其力学性质、工程性质密切相关 当含水量大 接近液限时施工要特别谨慎()留核心 撑子面预留核心土 作为撑子面支撑体防止失稳涌出 并滞后开挖()少扰动 震扰动会产生流变变形 开挖工序遵循少扰动原则()快循环 隧洞开挖后地下水向洞内自由渗出面汇集 洞周土工程性质会变差 开挖需连续快循环 强调“时效性”开挖工序如图 所示图 饱和土洞段开挖工序示意图 支护环节()超前护 塑性土顶部及撑子面没有自稳时间或自稳时间很短 需采取管棚、波纹(防止环向滑移)钢插板防护措施超前支护()强快支 支护体系“强”是为有足够平衡洞周土、水压力能力 采用 以上钢架快支护与开挖同时强调“时效性”()全封闭 隧洞开挖形成稳定渗流后 侧底拱外部周边仍具有一定水头与水压 两侧墙部位水力坡降较大 土体易产生流变 侧顶拱均需要“锚喷封闭”()留变形 开挖支护体系监测变形结果显示隧洞的开挖支护应留有足够变形量()排水环节()常排水 洞内渗水为滴渗状态 缓慢而量小 可借助超前管棚(花管型式包裹反滤布)作为辅助洞顶排水措施 有利于加快形成稳定渗流()换地基 稳定渗流期地下水主要集中在隧洞底板及拱脚位置 宜采用透水材料置换地基(砂砾石或级配砂石)利于排水 并设集水井集中抽(导)排水 保护环节()底硬化 压实透水置换地基并采用混凝土硬化表层 将钢架底部浇筑于混凝土之中 形成整体(初浇混凝土强度不足 采用铺设钢板保护)防止支护体系产生较大下沉变形和施工过程中机械碾压破坏()跟衬砌 变形趋于稳定后 条件具备时尽快跟进完成二次衬砌 支护保护示意图如图 所示图 饱和土洞段支护保护示意图 结语引洮供水二期工程 隧洞穿越 饱和黄土土体以粉粒含量为主 处于饱和状态 具塑性、弱透水性 含水量高抗剪强度低 当土体含水量在液限附近()时 其抗剪强度很低 流塑与硬塑状土相比有大幅度的降低 其凝聚力降低 内摩擦角降低约(下转第 页)年第 期水利规划与设计设计施工型式 气盾坝 在满足基本蓄水需求后 气盾坝能够结合城市景观要求 将拦河坝、喷泉集中在一起 营造优美的喷泉、瀑布景观效果 实现一体多能、一点多景综合效益结合河道现状 对城西河节制闸工程进行合理化布置 研究了气盾坝的水力计算、稳定计算方法 计算结果表明本工程采用气盾坝是合理可行 且行之有效的 本文所采用的新型蓄水建筑物结构型式比选过程及气盾坝结构设计方法对类似城市生态河道治理工程具有一定的参考意义 有利于推动后续新型蓄水建筑物应用研究工作的顺利开展参考文献 胡金杰 王福生 童琦媛.组合式生态挡墙砌块在河道护岸中的运用.水利技术监督():.耿建强.宣城市水阳江城区段生态蓄水工程研究.水利规划与设计():.陈莉 韩伟刚.国产气盾坝在咸阳渭河水生态治理工程中的应用研究 .水 利 与 建 筑 工 程 学 报 ():.朱楚敏.液压坝技术在城市河道景观工程中的应用.治淮():.纪诗闻 吕文翠 张玉.橡胶坝在潍河治理工程中的应用.东北水利水电 ():.水闸设计规范.(上接第 页)隧洞开挖后 两侧墙部位水力坡降较大 渗水主要集中在隧洞底部及拱脚位置 左右变形基本稳定 最大变形量 采取勤观测、留核心、少扰动、快循环、超前护、强快支、全封闭、留变形、常排水、换地基、底硬化、跟衬砌等一系列工程应对措施 可保证隧洞顺利贯通参考文献 白玉龙.甘肃引洮供水二期工程总干渠选址选线分析.甘肃水利水电技术 ():.甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司.甘肃省引洮供水二期工程初步设计报告.甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司.甘肃省引洮供水二期(骨干)工程施工地质报告.党亚山.引洮供水二期工程饱水土工程地质特性.西北水电():.王志强 韩文峰 路泽生 等.甘肃引洮供水工程饱和黄土隧洞 施工方法选择的工程地质研究.工程地质学报():.张爱军 白明洲 许兆义 等.郑西客运专线铁路张茅隧道近饱和黄土体初期支护应力变形特征研究.岩石力学与工程学报 ():.邢琳 任亚宁 申向梁.饱和度对非饱和黄土抗剪强度的影响.山 东 农 业 大 学 学 报(自 然 科 学