引漢濟(jì)渭長(zhǎng)距離濕陷性黃土輸水隧洞支護(hù)措施研究

董航凱 黃瑜瀟 馬晉陽(yáng)

(陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710024)

引漢濟(jì)渭工程將漢中地區(qū)漢江的水資源調(diào)到關(guān)中地區(qū)，供關(guān)中地區(qū)的工業(yè)用水和居民用水，需要修建輸水隧道。與一般的鐵路和公路隧洞工程不同，輸水隧洞具有淺埋、斷面小、建筑物過(guò)水等特點(diǎn)，且關(guān)中與漢中地區(qū)之間大多為黃土地區(qū)，黃土地區(qū)地層結(jié)構(gòu)、地域、形成時(shí)代及成因等因素的差異較大[1]，對(duì)工程會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響，不確定因素較多。目前我國(guó)關(guān)于黃土地區(qū)圍巖穩(wěn)定性方面的研究較少，且關(guān)中渭北及周邊黃土地區(qū)引調(diào)水、輸配水等涉水類工程項(xiàng)目少，缺少類似項(xiàng)目工程經(jīng)驗(yàn)，一旦發(fā)生破壞將會(huì)影響工程正常使用，危及工程安全甚至人員的生命安全。因此，針對(duì)渭北地區(qū)濕陷性黃土地層[2]開(kāi)展成洞研究，探索適合關(guān)中渭北一帶黃土地層長(zhǎng)距離輸水隧洞開(kāi)挖支護(hù)方式迫在眉睫。

目前，已有學(xué)者針對(duì)黃土隧洞圍巖穩(wěn)定性、支護(hù)方式、開(kāi)挖施工工藝及和施工方式開(kāi)展了大量研究。董子奇等[3]具體分析了飽和黃土地區(qū)的地質(zhì)特性和飽和黃土地區(qū)隧洞的圍巖穩(wěn)定性，找到了隧洞坍塌的原因，并提出了采用超前大管棚法支護(hù)的措施，為以后坍塌事故提供了搶險(xiǎn)措施。李駿[4]在已經(jīng)建成的黃土地區(qū)輸水隧洞中進(jìn)行浸水實(shí)驗(yàn)，分析了黃土地區(qū)隧洞的入滲情況與濕陷性黃土變形過(guò)程中隧洞的結(jié)構(gòu)受力情況，揭示了黃土地區(qū)濕陷性變形對(duì)輸水隧道結(jié)構(gòu)受力影響的機(jī)制。張華兵等[5]建立了黏性彈塑性模型，采用MSC.Marc軟件對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行有限元計(jì)算，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)黃土隧道進(jìn)行無(wú)襯砌和半襯砌的破壞結(jié)果對(duì)比，為以后黃土地區(qū)的圍巖穩(wěn)定性提供了模型參考。但是黃土因其復(fù)雜的物理性質(zhì)導(dǎo)致其不同于普通的土體，又具有一定的結(jié)構(gòu)性，尤其是作為非飽和土，至今為止，在浸水濕陷[6]過(guò)程和機(jī)理方面現(xiàn)有理論也尚不能給予很好的解釋，對(duì)濕陷性黃土隧洞的穩(wěn)定性分析和設(shè)計(jì)也依然主要采用以往的經(jīng)驗(yàn)方法，沒(méi)有提出相應(yīng)的支護(hù)方式。

鑒于以上不足，本文依托引漢濟(jì)渭二期北干線咸陽(yáng)塬隧洞實(shí)際工程，針對(duì)淺埋和飽和黃土隧洞段，構(gòu)建了黃土地層隧洞結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，分析了濕陷性黃土輸水隧洞的不同的支護(hù)措施，研究了應(yīng)力云圖的變化情況，揭示了濕陷性黃土隧洞不同支護(hù)措施的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，提出了關(guān)中渭北一帶濕陷性黃土地層輸水隧洞支護(hù)方式，為濕陷性黃土地區(qū)隧洞圍巖穩(wěn)定性和后續(xù)渭北黃土地區(qū)修建長(zhǎng)距離輸水工程提供了工程技術(shù)參考。

1 引水隧洞支護(hù)理論

目前，我國(guó)隧洞施工技術(shù)日趨成熟，常見(jiàn)的隧洞施工技術(shù)主要有松動(dòng)圈支護(hù)法[7]和新奧法[8]，其中新奧法使用最為廣泛。新奧法是在總結(jié)以往經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出的關(guān)于隧道設(shè)計(jì)、施工的新方法。目前已經(jīng)成為圍巖支護(hù)的主要理論之一，本文主要介紹以下三種方法。

a.型鋼拱架和格柵拱架。根據(jù)等效抗彎剛度計(jì)算公式，計(jì)算出型鋼拱架和格柵拱架聯(lián)合支護(hù)后的等效混凝土彈性模量，計(jì)算公式如下：

式中：E1，E2分別為混凝土，型鋼拱架或格柵拱架的彈性模量，GPa；I1，I2分別為混凝土，型鋼拱架或格柵拱架慣性矩，m4；E為等效后的混凝土彈性模量，GPa；I為等效后的混凝土慣性矩，m4。

b.錨桿支護(hù)無(wú)法作為單獨(dú)的支護(hù)體系[9]，需要和圍巖共同作用形成承載體系，通過(guò)使用均勻化方法將錨桿與圍巖等效成均勻的復(fù)合巖體，在這里引入錨桿密度因子，根據(jù)參數(shù)等效公式計(jì)算出等效后的復(fù)合巖體材料參數(shù)。

ENAN=E1A1+E2A2

式中：EN為等效材料的彈性模量，GPa；AN為等效材料的面積，m2；E1為圍巖的彈性模量，MPa；A1為圍巖的面積，m2；E2為錨桿的彈性模量，GPa；A2為錨桿的面積，m2。

為了保證錨桿在土體中的支護(hù)作用，達(dá)到至少貫穿洞室圍巖塑性區(qū)的要求，錨桿設(shè)置為3.5m長(zhǎng)，直徑22mm，彈性模量取45GPa。

通過(guò)引入錨桿密度因子，新的等效材料彈性模量可以通過(guò)以下公式計(jì)算：

式中：Eb為錨桿彈性模量，GPa；E為圍巖彈性模量，GPa；sl為錨桿縱向間距，m(在這里為1m)；sr為錨桿環(huán)向間距，m；rb為錨桿半徑，m。

c.超前管棚支護(hù)與錨桿支護(hù)無(wú)法作為單獨(dú)的支護(hù)體系[10]，需要和圍巖共同作用形成承載體系，通過(guò)使用均勻化方法將超前管棚與圍巖等效成均勻的復(fù)合巖體，根據(jù)參數(shù)等效公式計(jì)算出等效后的復(fù)合巖體材料參數(shù)。

ENAN=E1A1+E2A2

式中：EN為等效材料的彈性模量，GPa；AN為等效材料的面積，m2；E1為圍巖的彈性模量，GPa；A1為圍巖的面積，m2；E2為超前管棚的彈性模量，GPa；A2為超前管棚的面積，m2。

對(duì)公式進(jìn)行變形，即可得到新復(fù)合材料的彈性模量：

式中：EN為等效材料的彈性模量，GPa；AN為等效材料的面積，m2；E1為圍巖的彈性模量，GPa；E2為超前管棚的彈性模量，GPa；r2為超前管棚的半徑，m。

2 引漢濟(jì)渭二期北干線工程計(jì)算模型構(gòu)建

2.1 工程概況

引漢濟(jì)渭二期工程由黃池溝配水樞紐、南干線、北干線三部分組成。北干線全長(zhǎng)89.54km，由隧洞、壓力管道、倒虹吸、管橋、箱涵、進(jìn)出水池及分退水設(shè)施組成，進(jìn)水閘設(shè)計(jì)流量30m3/s。咸陽(yáng)塬隧洞為北干線主要組成部分，所在地貌單元為黃土塬，隧洞總長(zhǎng)度33.8km，其中飽和黃土洞段長(zhǎng)8.58km。

2.2 數(shù)值模型構(gòu)建

模型采用隧洞段地層結(jié)構(gòu)模型及土體物理力學(xué)參數(shù)，斷面型式為馬蹄形斷面，選取隧洞段埋深較大的中間部位，并對(duì)已開(kāi)挖的洞段實(shí)施完初期支護(hù)，模型及計(jì)算分析結(jié)果見(jiàn)圖1。土體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 構(gòu)建模型

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

3 黃土隧洞支護(hù)措施研究

3.1 鋼拱架與格柵拱架支護(hù)效果對(duì)比分析

針對(duì)同一輸水隧洞斷面，分別對(duì)25cm C25混凝土襯砌支護(hù)措施和在25cm C25混凝土襯砌的基礎(chǔ)上加上不同類型的拱架支護(hù)措施進(jìn)行研究分析。對(duì)比25cm C25混凝土支護(hù)措施和在25cm C25混凝土襯砌支護(hù)的基礎(chǔ)上加上不同類型的拱架所產(chǎn)生的位移值變量和鼓起的變形量。根據(jù)等效抗彎剛度計(jì)算公式，計(jì)算出型鋼拱架和格柵拱架聯(lián)合支護(hù)后的等效混凝土彈性模量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各模型換算參數(shù)

a.不同襯砌聯(lián)合支護(hù)形式最大主應(yīng)力云圖見(jiàn)圖2～圖5。

圖2 25cm C25混凝土襯砌最大主應(yīng)力云圖

圖3 混凝土襯砌+格柵拱架最大主應(yīng)力云圖

圖4 混凝土襯砌+型鋼拱架最大主應(yīng)力云圖

圖5 混凝土襯砌+格柵拱架+型鋼拱架最大主應(yīng)力云圖

b.不同襯砌聯(lián)合支護(hù)形式剪應(yīng)力云圖見(jiàn)圖6～圖9。

圖6 25cm C25混凝土襯砌剪應(yīng)力云圖

圖7 混凝土襯砌+格柵拱架剪應(yīng)力云圖

圖8 混凝土襯砌+型鋼拱架剪應(yīng)力云圖

圖9 混凝土襯砌+格柵拱架+型鋼拱架剪應(yīng)力云圖

c.不同襯砌聯(lián)合支護(hù)形式頂拱及底板應(yīng)變?cè)茍D見(jiàn)圖10～圖13。

圖10 25cm C25混凝土襯砌頂拱及底板應(yīng)變?cè)茍D

圖11 混凝土襯砌+格柵拱架頂拱及底板應(yīng)變?cè)茍D

圖12 混凝土襯砌+型鋼拱架頂拱及底板應(yīng)變?cè)茍D

圖13 混凝土襯砌+格柵拱架+型鋼拱架頂拱及底板應(yīng)變?cè)茍D

d.不同襯砌聯(lián)合支護(hù)形式邊墻應(yīng)變?cè)茍D見(jiàn)圖14～圖17。

圖14 25cm C25混凝土襯砌邊墻應(yīng)變?cè)茍D

圖15 混凝土襯砌+格柵拱架邊墻應(yīng)變?cè)茍D

圖16 混凝土襯砌+型鋼拱架邊墻應(yīng)變?cè)茍D

圖17 混凝土襯砌+格柵拱架+型鋼拱架邊墻應(yīng)變?cè)茍D

e.不同襯砌聯(lián)合支護(hù)形式頂拱和邊墻隨時(shí)間變化的位移見(jiàn)圖18～圖21。

圖18 25cm C25混凝土襯砌頂拱和邊墻隨時(shí)間變化的位移

圖19 混凝土襯砌+格柵拱架頂拱和邊墻隨時(shí)間變化的位移

圖20 混凝土襯砌+型鋼拱架頂拱和邊墻隨時(shí)間變化的位移

圖21 混凝土襯砌+格柵拱架+型鋼拱架頂拱和邊墻隨時(shí)間變化的位移

由圖18～圖21可知:?單獨(dú)混凝土襯砌支護(hù)頂拱中心位移為2.01mm，格柵拱架混凝土聯(lián)合支護(hù)頂拱中心位移為1.89mm，型鋼拱架混凝土聯(lián)合支護(hù)頂拱中心位移1.66mm，鋼拱架+格柵聯(lián)合支護(hù)頂拱中心位移1.60mm；?單獨(dú)混凝土襯砌支護(hù)底板中心鼓起變形6.02mm，格柵拱架混凝土聯(lián)合支護(hù)底板中心鼓起變形5.68mm，型鋼拱架混凝土聯(lián)合支護(hù)底板中心鼓起變形5.01mm，鋼拱架+格柵聯(lián)合支護(hù)底板中心鼓起變形4.81mm；?開(kāi)挖之后圍巖應(yīng)力釋放，整體表現(xiàn)為向隧洞外的擠出變形，單獨(dú)混凝土襯砌支護(hù)側(cè)墻最大位移為2.00mm，格柵拱架混凝土聯(lián)合支護(hù)側(cè)墻最大位移為1.90mm，型鋼拱架混凝土聯(lián)合支護(hù)側(cè)墻最大位移1.70mm，鋼拱架+格柵聯(lián)合支護(hù)底板中心位移1.66mm。由此可以看出，型鋼拱架+格柵拱架聯(lián)合支護(hù)的效果最好，單獨(dú)型鋼拱架和單獨(dú)格柵拱架次之，混凝土單獨(dú)襯砌效果最差。

3.2 錨桿支護(hù)作用效果分析

為探究混凝土襯砌下，錨桿支護(hù)控制圍巖形變能力和對(duì)洞室穩(wěn)定性的影響，通過(guò)單獨(dú)模擬錨桿和混凝土襯砌聯(lián)合支護(hù)，建立混凝土襯砌和環(huán)形全錨桿(9根)混凝土襯砌聯(lián)合支護(hù)對(duì)比模型。

a.混凝土襯砌和混凝土襯砌聯(lián)合錨桿最大主應(yīng)力云圖見(jiàn)圖22～圖23。

圖22 25cm C25混凝土襯砌最大主應(yīng)力云圖

圖23 25cm C25混凝土襯砌+9根錨桿最大主應(yīng)力云圖

b.混凝土襯砌和混凝土襯砌聯(lián)合錨桿最大剪應(yīng)力云圖見(jiàn)圖24～圖25。

圖24 25cm C25混凝土襯砌最大剪應(yīng)力云圖

圖25 25cm C25混凝土襯砌+9根錨桿最大剪應(yīng)力云圖

c.混凝土襯砌和混凝土襯砌聯(lián)合錨桿頂拱及底板應(yīng)變?cè)茍D見(jiàn)圖26～圖27。

圖26 25cm C25混凝土襯砌頂拱及底板應(yīng)變?cè)茍D

圖27 25cm C25混凝土襯砌+9根錨桿頂拱及底板應(yīng)變?cè)茍D

d.混凝土襯砌和混凝土襯砌聯(lián)合錨桿邊墻應(yīng)變?cè)茍D見(jiàn)圖28～圖29。

圖28 25cm C25混凝土襯砌邊墻應(yīng)變?cè)茍D

圖29 25cm C25混凝土襯砌+9根錨桿邊墻應(yīng)變?cè)茍D

e.混凝土襯砌和混凝土襯砌聯(lián)合錨桿頂拱和邊墻隨時(shí)間變化的位移見(jiàn)圖30～圖31。

圖30 25cm C25混凝土襯砌頂拱和邊墻隨時(shí)間變化的位移

圖31 25cm C25混凝土襯砌+9根錨桿頂拱和邊墻隨時(shí)間變化的位移

由圖22～圖31可知，混凝土襯砌對(duì)黃土圍巖隧洞支護(hù)效果較為理想，錨桿混凝土混合支護(hù)的效果相對(duì)于混凝土襯砌單獨(dú)支護(hù)提高非常有限。在頂拱中心位置，下沉量有輕微的減少；在拱腳位置，襯砌和黃土圍巖向隧道外方向擠出現(xiàn)象反而更為明顯。

3.3 超前管棚支護(hù)效果分析

為了對(duì)管棚支護(hù)的穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比，本文對(duì)無(wú)超前管棚和有超前管棚的情況進(jìn)行對(duì)比，分析對(duì)比得出在增加不同數(shù)量超前管棚情況下的位移變化情況。

a.不同超前管棚數(shù)量最大主應(yīng)力云圖見(jiàn)圖32～圖35。

圖32 無(wú)超前管棚最大主應(yīng)力云圖

圖34 標(biāo)準(zhǔn)22根超前管棚(間距0.4m)最大主應(yīng)力云圖

圖35 44根超前管棚(間距0.2m)最大主應(yīng)力云圖

b.不同超前管棚數(shù)量最大剪應(yīng)力云圖見(jiàn)圖36～圖39。

圖36 無(wú)超前管棚最大剪應(yīng)力云圖

圖37 11根超前管棚(間距0.8m)最大剪應(yīng)力云圖

圖38 標(biāo)準(zhǔn)22根超前管棚(間距0.4m)最大剪應(yīng)力云圖

圖39 44根超前管棚(間距0.2m)最大剪應(yīng)力云圖

c.不同超前管棚數(shù)量頂拱及底板應(yīng)變?cè)茍D見(jiàn)圖40～圖43。

圖40 無(wú)超前管棚頂拱及底板應(yīng)變?cè)茍D

圖41 11根超前管棚(間距0.8m)頂拱及底板應(yīng)變?cè)茍D

圖42 標(biāo)準(zhǔn)22根超前管棚(間距0.4m)頂拱及底板應(yīng)變?cè)茍D

圖43 44根超前管棚(間距0.2m)頂拱及底板應(yīng)變?cè)茍D

d.不同超前管棚數(shù)量邊墻應(yīng)變?cè)茍D見(jiàn)圖44～圖47。

圖44 無(wú)超前管棚邊墻應(yīng)變?cè)茍D

圖45 11根超前管棚(間距0.8m)邊墻應(yīng)變?cè)茍D

圖47 44根超前管棚(間距0.2m)邊墻應(yīng)變?cè)茍D

e.不同超前管棚數(shù)量頂拱和邊墻隨時(shí)間變化的位移見(jiàn)圖48～圖51。

圖48 無(wú)超前管棚頂拱和邊墻隨時(shí)間變化的位移

圖49 11根超前管棚(間距0.8m)頂拱和邊墻隨時(shí)間變化的位移

圖50 標(biāo)準(zhǔn)22根超前管棚(間距0.4m)頂拱和邊墻隨時(shí)間變化的位移

圖51 44根超前管棚(間距0.2m)頂拱和邊墻隨時(shí)間變化的位移

由圖32～圖51可知：?無(wú)超前管棚支護(hù)頂拱中心位移為142mm，11根超前管棚(間距0.8m)支護(hù)下頂拱中心位移為139mm，22根超前管棚(間距0.4m)支護(hù)下頂拱中心位移138mm，44根超前管棚(間距0.2m)支護(hù)下頂拱中心位移135mm；?無(wú)超前管棚支護(hù)下側(cè)墻最大位移為131mm，11根超前管棚支護(hù)下側(cè)墻最大位移為129mm，22根超前管棚(間距0.4m)支護(hù)下側(cè)墻最大位移為128mm，44根超前管棚(間距0.2m)支護(hù)下側(cè)墻最大位移為126mm。由此可以看出，超前管棚支護(hù)效果良好，數(shù)量越多支護(hù)效果越好。

4 結(jié) 論

本文以引漢濟(jì)渭濕陷性黃土輸水隧道工程為依托，提出了采用不同支護(hù)方法來(lái)增加濕陷性黃土隧洞圍巖的穩(wěn)定性，得出以下結(jié)論：

a.采取的混凝土襯砌、型鋼拱架、格柵拱架、型鋼拱架+格柵拱架四種支護(hù)方法均可以增強(qiáng)濕陷性圍巖的穩(wěn)定性，其中，型鋼拱架+格柵拱架效果最好，型鋼拱架和格柵拱架較好，混凝土襯砌次之。

b.采用9根數(shù)量的錨桿與混凝土混合支護(hù)的方法與混凝土單獨(dú)支護(hù)方法相比，對(duì)濕陷性圍巖穩(wěn)定性有增強(qiáng)效果，但是增強(qiáng)效果有限；通過(guò)對(duì)不同數(shù)量超前管棚支護(hù)方法效果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)超前管棚的數(shù)量越多，支護(hù)效果越好。