飽和黃土隧洞超前管棚開(kāi)挖支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)

白玉龍，李 麗，楊江龍

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引言

1 工程概況

引洮供水工程是甘肅中部地區(qū)大型跨流域調(diào)水工程[1]，工程規(guī)模為大(Ⅱ)型，分兩期建設(shè)。二期工程總干渠全長(zhǎng)95.09km，引水流量22.5m3/s，隧洞共布置有20座，是最主要的建筑物之一，占總干渠全長(zhǎng)95.25%，建筑物等級(jí)為2級(jí)[2]，其中16#隧洞結(jié)構(gòu)斷面為三心圓拱型(蛋型)，襯砌凈斷面尺寸(長(zhǎng)×寬)3.9m×4.0m。

引洮供水二期工程總干渠16#隧洞洞線(xiàn)穿行于黃河一級(jí)支流祖厲河與渭河分水嶺大營(yíng)梁一帶黃土中低山梁峁區(qū)，隧洞進(jìn)口段受馬銜山北緣斷裂和馬河斷裂控制，形成北西向斷陷盆地，沉積有第四系黃土類(lèi)土[3]，厚度超過(guò)200m，部分為地下水位以下飽和土。

2.1 地層結(jié)構(gòu)特征

2.2.1物理性質(zhì)

表1 飽和黃土物理性質(zhì)統(tǒng)計(jì)表

2.2.2水理性質(zhì)

表2 飽和黃土水理性質(zhì)統(tǒng)計(jì)表

2.2.3力學(xué)性質(zhì)

表3 飽和黃土力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)表

孔內(nèi)十字板剪切試驗(yàn)，軟塑狀態(tài)抗剪強(qiáng)度值為：13.98～14.5kPa，可塑狀態(tài)為：43.26～62.33kPa。抗剪強(qiáng)度隨含水量變化而變化，含水量高時(shí)抗剪強(qiáng)度低，含水量低時(shí)抗剪強(qiáng)度高。

3 地下水滲流場(chǎng)模擬

采用達(dá)西定律二維滲流場(chǎng)穩(wěn)定滲流理論，借助AutoBank仿真分析軟件，模擬隧洞開(kāi)挖后飽和土體穩(wěn)定流場(chǎng)。

3.1 計(jì)算原理

對(duì)于穩(wěn)定滲流，水頭勢(shì)函數(shù)滿(mǎn)足微分方程

(1)

式中，φ=φ(x，y)—所求水頭勢(shì)函數(shù)；x、y—平面坐標(biāo)；Kx、Ky—水平與垂直方向滲透系數(shù)。

水頭φ滿(mǎn)足以下邊界條件：

(1)上游邊界水頭已知

φ=φn

(2)

(2)逸出邊界水頭和位置高程相等

φ=z

(3)

(3)邊界滲流量q已知

(4)

式中，lx、ly—邊界表面向外法線(xiàn)在x，y方向的余弦。

將滲流場(chǎng)用有限元離散，假定單元流場(chǎng)水頭勢(shì)函數(shù)φ為多項(xiàng)式，由微分方程和邊界條件確定變分形式，得線(xiàn)性方程組：

[H]{φ}={F}

(5)

式中，[H]—滲透矩陣；{φ}—滲流場(chǎng)水頭；{F}—節(jié)點(diǎn)滲流量。

求解上述方程組得到節(jié)點(diǎn)水頭、單元水力坡降、流速等物理量。

3.2 建模計(jì)算

3.2.1模型假定條件

(1)地層內(nèi)飽和土體質(zhì)均，隧洞兩側(cè)邊界水頭恒定。

(2)不考慮土壤環(huán)境溫度和可溶質(zhì)離子影響流體性質(zhì)。

(3)不考慮地下水位線(xiàn)以上非飽和土體對(duì)下部滲流影響。

(4)流場(chǎng)邊界內(nèi)不受地表降水及其它水體交叉補(bǔ)給與外泄影響。

3.2.2滲流邊界條件選取

(1)以16#隧洞位于地下水位線(xiàn)以下30m處為典型斷面，地下水位線(xiàn)為自由邊界面。

(2)考慮軟件適用及建模方便，將三心圓拱型開(kāi)挖斷面等效為圓形(等效半徑R=2.674m)，開(kāi)挖斷面為潛在溢出面。

(3)隧洞左右兩側(cè)等水頭邊界以60m控制，底部按不透水邊界處理。模型初始及有限元網(wǎng)格如圖1—2所示。

圖1 模型初始網(wǎng)格圖

圖2 有限元模型網(wǎng)格圖

隧洞開(kāi)挖前土體處于飽和狀態(tài)，土體內(nèi)孔隙水壓力為靜水壓力，自由水面處水頭壓力為零，底部最大靜水壓力水頭為60m，初始滲流場(chǎng)與實(shí)際相符。

(3)仿真模型計(jì)算

土體重度、飽和含水量、水平滲透系數(shù)、垂直滲透系數(shù)等參數(shù)按試驗(yàn)數(shù)值取用，利用水頭勢(shì)函數(shù)計(jì)算流速矢量以及水頭、水壓、水力坡降等值線(xiàn)，計(jì)算結(jié)果如圖3—6所示。

圖3 流速矢量圖

3.3 結(jié)果分析

隧洞開(kāi)挖后，飽和土體內(nèi)出現(xiàn)新的排泄通道，原有平衡被打破，地下水向洞內(nèi)自由滲出面匯集滲透，形成穩(wěn)定滲流，滲流場(chǎng)與初始流場(chǎng)相比發(fā)生變化，隧洞兩側(cè)滲流等水頭與水壓等值零線(xiàn)呈現(xiàn)明顯漏斗狀，符合粘性土滲流規(guī)律。圖3隧洞中下部流速矢量線(xiàn)集中且值大，說(shuō)明隧洞開(kāi)挖后達(dá)到穩(wěn)定滲流狀態(tài)時(shí)，滲流主要集中在隧洞底部及拱腳位置；圖4—5表明形成穩(wěn)定滲流后，隧洞側(cè)底拱外部周邊仍具有一定水頭與水壓；圖6表明隧洞兩側(cè)墻中部位置水力坡降最大，達(dá)到3.85，側(cè)墻部位易發(fā)生土體流變。

圖4 水頭等值線(xiàn)圖

圖5 水壓等值線(xiàn)圖

圖6 水力坡降等值線(xiàn)圖

計(jì)算穩(wěn)定滲透流量為82.7～365.1L/(d·m)，均值179.7L/(d·m)，表明洞室內(nèi)為滴滲水狀態(tài)，滲水量不大，土體具強(qiáng)持水性和低滲透性。

4 變形監(jiān)測(cè)

隧洞開(kāi)挖支護(hù)變形監(jiān)測(cè)主要內(nèi)容是兩側(cè)拱收斂和頂拱沉降監(jiān)測(cè)。

4.1 監(jiān)測(cè)斷面及測(cè)點(diǎn)設(shè)置

為了獲取具有代表性段落監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在隧洞開(kāi)挖至飽和土洞段后，選取地下水位相對(duì)恒定的樁號(hào)0+171.36—0+221.36段，作為變形監(jiān)測(cè)典型段落，共布設(shè)10個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，平均每5m設(shè)置一個(gè)斷面。監(jiān)測(cè)橫斷面設(shè)置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別為頂拱支護(hù)頂點(diǎn)和側(cè)拱斷面尺寸最大位置，測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示。

圖7 監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)布置圖

4.2 監(jiān)測(cè)方法及結(jié)果

測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)為固定人員和儀器，盡可能減少人為因素或儀器自身產(chǎn)生的誤差，初期每d定時(shí)監(jiān)測(cè)，后期監(jiān)測(cè)變形量數(shù)值增量較小時(shí)，定時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)段適當(dāng)延長(zhǎng)至2～3d，監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)為1個(gè)月。樁號(hào)0+201.36位置監(jiān)測(cè)斷面變形曲線(xiàn)如圖8所示。

圖8 樁號(hào)0+201.36位置變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

4.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

變形監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，開(kāi)挖初期變形數(shù)據(jù)快速增大，24h變形量約占總變形量一半，48h后變形增量逐漸減小，變形趨勢(shì)變緩，12d左右基本穩(wěn)定，分析原因：施工開(kāi)挖使洞室內(nèi)部形成臨空面，應(yīng)力迅速釋放，飽和土快速發(fā)生變形，在強(qiáng)支護(hù)支撐體系約束下，逐步達(dá)到受力平衡；測(cè)點(diǎn)①沉降與收斂變形量均大于測(cè)點(diǎn)②和③，統(tǒng)計(jì)測(cè)點(diǎn)①最大變形量為128.3mm，平均變形為79.1mm，除1個(gè)斷面初期變形有3mm左右小范圍上下波動(dòng)情況外，其余斷面數(shù)據(jù)曲線(xiàn)較為光滑；測(cè)點(diǎn)②和③沉降變形量比較接近，最大沉降量為76.4mm，平均沉降量45.6mm，收斂變形均在10mm之內(nèi)。

5 開(kāi)挖支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)

5.1 開(kāi)挖環(huán)節(jié)

(1)勤觀測(cè)。土體含水量變化與其力學(xué)性質(zhì)、工程性質(zhì)密切相關(guān)，當(dāng)含水量大，接近液限時(shí)施工要特別謹(jǐn)慎。

(2)留核心。撐子面預(yù)留核心土，作為撐子面支撐體防止失穩(wěn)涌出，并滯后開(kāi)挖。

(3)少擾動(dòng)。震擾動(dòng)會(huì)產(chǎn)生流變變形，開(kāi)挖工序遵循少擾動(dòng)原則。

(4)快循環(huán)。隧洞開(kāi)挖后地下水向洞內(nèi)自由滲出面匯集，洞周土工程性質(zhì)會(huì)變差，開(kāi)挖需連續(xù)快循環(huán)，強(qiáng)調(diào)“時(shí)效性”。開(kāi)挖工序如圖9所示。

圖9 飽和土洞段開(kāi)挖工序示意圖

5.2 支護(hù)環(huán)節(jié)

(1)超前護(hù)。塑性土頂部及撐子面沒(méi)有自穩(wěn)時(shí)間或自穩(wěn)時(shí)間很短，需采取管棚、波紋(防止環(huán)向滑移)鋼插板防護(hù)措施超前支護(hù)。

(2)強(qiáng)快支。支護(hù)體系“強(qiáng)”，是為有足夠平衡洞周土、水壓力能力，采用I16以上鋼架快支護(hù)，與開(kāi)挖同時(shí)強(qiáng)調(diào)“時(shí)效性”。

(3)全封閉。隧洞開(kāi)挖形成穩(wěn)定滲流后，側(cè)底拱外部周邊仍具有一定水頭與水壓，兩側(cè)墻部位水力坡降較大，土體易產(chǎn)生流變，側(cè)頂拱均需要“錨噴封閉”。

(4)留變形。開(kāi)挖支護(hù)體系監(jiān)測(cè)變形結(jié)果顯示，隧洞的開(kāi)挖支護(hù)應(yīng)留有足夠變形量(12～15cm)。

5.3 排水環(huán)節(jié)

(1)常排水。洞內(nèi)滲水為滴滲狀態(tài)，緩慢而量小，可借助超前管棚(花管型式包裹反濾布)作為輔助洞頂排水措施，有利于加快形成穩(wěn)定滲流。

(2)換地基。穩(wěn)定滲流期地下水主要集中在隧洞底板及拱腳位置，宜采用透水材料置換地基(砂礫石或級(jí)配砂石)利于排水，并設(shè)集水井集中抽(導(dǎo))排水。

5.4 保護(hù)環(huán)節(jié)

(1)底硬化。壓實(shí)透水置換地基并采用混凝土硬化表層，將鋼架底部澆筑于混凝土之中，形成整體(初澆混凝土強(qiáng)度不足，采用鋪設(shè)鋼板保護(hù))，防止支護(hù)體系產(chǎn)生較大下沉變形和施工過(guò)程中機(jī)械碾壓破壞。

(2)跟襯砌。變形趨于穩(wěn)定后，條件具備時(shí)，盡快跟進(jìn)完成二次襯砌。支護(hù)保護(hù)示意圖如圖10所示。

圖10 飽和土洞段支護(hù)保護(hù)示意圖

6 結(jié)語(yǔ)

隧洞開(kāi)挖后，兩側(cè)墻部位水力坡降較大，滲水主要集中在隧洞底部及拱腳位置，12d左右變形基本穩(wěn)定，最大變形量128.3mm，采取勤觀測(cè)、留核心、少擾動(dòng)、快循環(huán)、超前護(hù)、強(qiáng)快支、全封閉、留變形、常排水、換地基、底硬化、跟襯砌等一系列工程應(yīng)對(duì)措施，可保證隧洞順利貫通。