利民堡深埋红粘土隧洞的新奥法施工

2000年第19卷第4期・DWRHE 　水利水电工程设计・23・

利民堡深埋红粘土隧洞的新奥法施工

郭　跃　华

摘　要　粘土地层特别是在地下水位以下进行隧洞开挖时, 随着洞周应力的释放将产生较大的收敛变形, 极易导致围岩失稳并造成塌方, 对于在埋深较大的塑性粘土地层中开挖隧洞, 其施工难度就更大。作为一个典型工程实例, 引黄南干5#洞利民堡洞段粘土覆盖层厚度深达180m , 围岩应力高达316MPa , 但由于合理运用了新奥法施工, 包括采用分步开挖断面、适当预留收敛变形量、缩短开挖循环进尺、加密格栅拱架和及时喷混凝土支护等综合措施, 因而顺利贯通。

关键词　深埋红粘土隧洞　新奥法施工　引黄工程

中图分类号　TV554+13　　文献标识码　B 　　文章编号　100726980(2000) 0420023203　　利民堡粘土洞段位于万家寨引黄工程南干线5#洞中间桩号从31+609～32+174, 长565m 。隧洞围岩为岩土交互分布, 其中Ⅳ类岩石67m ; V 类岩石202m ; N 2红粘土296

m 。N 2红粘土洞段埋深170～175m , 净直径413m , 纵坡1/1250, 为无压输水, 正常水深311m , 考虑下游堵塞, 最

模量变化试验曲线, 计算方法采用线性有限元结构计算程序, 计算网络为8结点平面单元。计算边界条件, 左右以洞中心向两侧各取80m , 深度向上、下各取100m 。

马蹄形开挖断面洞周土体主应力计算结果见图1等值线。根据图1中数值利用摩尔圆理论可以计算出围岩介质域

大内水压力0115MPa 。隧洞施工采用常规人工方法, 开挖断面为马蹄形, 一次支护采用锚喷加格栅拱架结构, 二次支护采用22cm 厚的预制混凝土管片衬砌。

利民堡洞段位据偏关—神池中低群山山间断陷盆地, 最大沉积层厚度273m , 洞身穿越土层均为N 2红粘土, N 2土层是一种超固结的弱膨胀性粘土, 不同深度的物理指标有一定差异。洞周土层为灰黄色, 天然含水量20%左右, 与塑限含水量接近, 由于隧洞埋深大可能产生较大的塑性变形, 因此属于稳定性极差的围岩种类。在开挖过程中, 应注意施工安全, 严禁长期暴露失水。

1　应力———变形计算

111　围岩应力计算

利民堡常规洞段开挖断面拟采用马蹄形。围岩应力计算模型采用摩尔2库伦(Mohr 2Coulomb ) 方程:

τ≤C +σ　　n +tan

式中:τ———任意一点的任意作用面上的剪应力, MPa ;

σ——任意一点的任意作用面上的正应力, MPa ; n —

C ———材料凝聚力, 根据土工试验取C =01245MPa ;

其他材料指标:容重20kN/m 3, 孔隙比016, 塑限18%, 压缩模量1212MPa , 泊桑比0145, 弹性模量20MPa 。

计算假定埋深为180m , 原始地应力场侧压力系数λ=

013。以开挖断面中心为原点, x 方向由左至右为正, y 方

图1　马蹄形开挖断面洞周土体主应力等值线图

单位:MPa (拉为正, 压为负)

向由下至上为正。计算按平面应变问题处理。由于缺少弹性

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内任一点的最大剪应力。验算表明, 开挖断面边界附近各点的最大剪应力均超过该点土体给定的剪应力值, 因而处于不稳定状态。通过圆形断面的近似计算, 开挖断面边界附近塑性开展深度当应力释放60%, 70%, 80%, 100%时分别为

0125, 0145, 0190, 1175m 。112　围岩应力释放与洞周位移的关系

水利水电工程设计　DWRHE ・2000年第19卷第4期

由于隧洞埋深达170～180m , 且穿越性质不同的岩层, 为了模拟不同开挖支护方法的围岩衬砌应力变形情况, 找出开挖后最佳支护时间, 曾对不同断面型式进行了非线性有限元计算。这里仅列出马蹄形开挖断面围岩释放与围岩变形关系(见表1) 。

表1　围岩应力释放倍数和围岩变形的关系

释放力

倍数

[***********]017018019顶

/cm [***********][***********]6240119侧

/cm [***********][***********]647130底

/cm [***********][***********]3138129塑性区无无无无无有有有有图2　马蹄形断面20cm 喷混凝土层承受50%

围岩荷载时的应力分布图

单位:MPa (拉为正, 压为负)

的技术经济比较, 经综合考虑推荐采用马蹄形。

由表中数据可以看出:①在各种释放倍数情况下, 洞顶位移大于洞底位移; ②在弹性情况下, 洞顶、洞底位移大于侧位移; ③在塑性情况下, 洞顶、洞底位移逐渐小于侧向位移。

113　喷混凝土衬砌应力计算

211　预留变形量

根据表1计算结果, 当围岩应力释放50%时洞周土体接近于塑性范围, 最大收敛变形13162～17151cm 。根据经验, 一次支护预留变形量按最大收敛变形30%考虑, 取5～

7cm 。

212　粘土锚杆的设置

计算时假定围岩应力释放一定数值(如50%) , 即产生一定的释放位移后再进行一次支护。在这种情况下, 隧洞实际开挖尺寸应比理论开挖线扩大释放位移d , 一次支护采用

20cm 厚喷混凝土衬砌。计算结果见图2。

原设计除洞底外沿洞周根据需要可设置系统锚杆, 锚杆长300cm , 直径

213　一次支护

由图2可见, 马蹄形断面一次支护喷混凝土层在承受

50%围岩荷载条件下, 其内侧环向应力最大、最小值分别为1106MPa 和-24107MPa ; 外侧最大、最小值分别为11211MPa 和-291341MPa 。由于外侧底角出现了较大的拉应力,

根据图2应力分析成果, 隧洞开挖一次支护主要采用喷混凝土和格栅拱架组合结构。喷混凝土层厚度20cm , 28d 设计强度C 20。格栅拱架的设置主要是为了加强喷混凝土衬砌的刚度, 沿洞轴布置间距018m 。拱架断面形状呈等边三角形, 边长20cm , 由两根

214　开挖方法

腰部存在应力集中, 上述受力情况不理想。若在马蹄形断面的底部增加混凝土底板, 则受力状况即刻得到好转, 内侧环向应力最大、最小值分别降至-01265MPa 和

-221445MPa ; 外侧最大、最小值降至-11293MPa 和-191296MPa 。

为满足一次支护时洞周释放50%位移的条件, 要求在开挖初始阶段选择某个典型毛洞断面进行收敛观测并绘制变形过程线, 然后按50%变形控制确定一次支护最晚时间, 以指导现场施工。

考虑到洞周粘土的不稳定性, 隧洞开挖时采用台阶式分步开挖方法。上下导洞开挖高度包括预留变形量分别为

3157m 和2157m 。两次开挖掌子面的间距要求不大于610m 。与施工方法相适应, 每片格栅拱架也分为上、下两半

2　隧洞设计

利民堡常规洞段断面型式初设阶段曾做过圆形和马蹄形

环。上半环紧随上导洞掌子面安装, 下半环紧跟下导洞掌子

面安装, 两者之间用焊接方法进行封闭。

岩的稳定起了积极作用。

3　隧洞施工

隧洞开工时间为1998年6月18日, 贯通时间为1999年6月24日, 施工期371d 。开工时间比进度计划推迟3个月, 实际施工期超过原计算28d 。

当隧洞开挖至桩号31+781时上导洞遇到红粘土, 至

31+787下导洞也由2m 厚灰岩碎石层过渡为全断面红粘

对格栅拱架而言, 由于承受围岩荷载后产生的变形较小, 其承载能力未能充分发挥, 说明一次支护在设计上是偏于安全的。

表2　31+818实测收敛变形观测数据

观测时间

28/11/199829/11/199830/11/199801/12/199802/12/199803/12/199804/12/199805/12/199806/12/199807/12/1998

①

0-1134-5122-10122-15110-20174-23160-25108-27100-27177

②

0-0173-2154-4133-5156-7171-10144-12147-13146-14198

③

0-2153-1166-2109-1189-2123-2121-3105-2179-3122

④

0-3187-5196-6189-8166-9175-10121-11111-11148-111

66

土。从掌子面出露土层的地质特征看, 与事先预测的稍有差异。实际土层节理较发育, 土中砂粒含量较大, 为棕红色砂质粘土, 具有较大的密度, 含水量较大, 但不渗水。现场取样试验结果接近于计算推荐值。

之后, 承包商按照设计要求的开挖支护方法, 即台阶式开挖和格栅拱架、喷混凝土一次支护措施向前掘进。施工中原设计的粘土锚杆和超前锚杆由于锚固效果不理想被取消。格栅拱架的布置结合实际情况进行了调整, 将其间距由018

m 加密至0175m 。

4　施工监测

施工中承包商根据合同要求进行了必要的施工监测, 监测项目包括开挖断面的收敛变形观测和沉陷观测。

411　收敛变形观测

现场开始采用的是五点四线制收敛观测系统, 观测点布置见图3。每个观测点用固定在格栅拱架上的收敛环标记。收敛环用

3个; 下导洞2个。第1个观测断面为31+78416, 第2个

图4　31+818断面一次支护不同阶段围岩竖向收敛变形曲线

注:A —观测断面开挖时间; B —格栅拱架上半环安装并开始承载时间; C —格栅拱架封闭时间; 曲线a —隧洞开挖后围岩无支护收敛变形理论曲线; 曲线b —上导开挖并安装格栅拱架后围岩收敛变形理论曲线; c —下导开挖格栅拱架封闭后围岩收敛变形理论曲线; d —下导开挖格栅拱架封闭后围岩收敛变形理论曲线。

为31+78714, 以后随着掌子面的推进, 每510m 左右即6～7品格栅拱架设1组收敛环。收敛观测仪器采用SL 22标准钢尺, 误差±1mm 。观测时间第1周每天1次, 第2周每天2次, 第3、4周每周1次, 以后视情况每月1次。

412　观测成果分析

利民堡粘土洞段围岩收敛变形现场观测资料很多, 这里仅选择31

+818断面做一分析。

5　结　语

(1) 现场试验表明, 计算所取材料力学指标是合理的。(2) 由围岩应力、变形计算结果看, 利用摩尔2库伦方程

进行岩土力学非线性有限元分析是行之有效的方法。

(3) 格栅拱架封闭后实测收敛变形较小, 说明开挖断面

该断面距岩石洞段30m 以外, 受边界条件影响较小, 有一定代表性。该断面1998年11月28日格栅拱架开始封闭并实施第1次观测, 其观测数据见表2。

　　为了对实测收敛变形数据进行评价, 将设计预测的一次支护不同阶段围岩竖向变形理论曲线和实测数据绘入图4。由图4可见, 实测值均位于理论曲线C 的上方, 说明格栅拱架封闭后支护效果明显, 使开挖断面收敛变形减小, 对围

图3　五点四线收敛观测系统

断面布置图

预留变形量取值偏大。设计要求开挖预留变形量为5～7

cm , 承包商施工时是按7cm 进行控制的。若预留量取设计

值的下限5cm , 或者更小些, 估计支护效果会更好。

(4) 由实测收敛变形值看, 确定开挖进度每日两循环,

每循环0175～018m 进尺, 认为是适宜的。作者简介

郭跃华　男　工程师　山西省万家寨引黄工程管理局　太原

030001

(收稿日期　2000208201)

ABSTRACT

Pow erhouse design and prospect of hydropow er station in China

Lu Z ongpan

(Tianjin Design Institute , Ministry of Water Resources , Tianjin , 300222)

　　As one of the important part of the hydropower station , powerhouse buildings have been constructed with world 2shaking successes

in China during the past 50years since liberation. Abundant ex periences in powerhouse arrangement , powerhouse and dam block com 2bined function , powerhouse structure design , sediment flushing of hydropower station , as well as su pport design of large underground powerhouse have been accumulated. Pros pecting to the 212century , underground powerhouse and powerhouse of bulb tubular unit will be widely adopted in China , and CAD technology will be an important tool for powerhouse design. K ey w ords :powerhouse , design experience , developing orientation.

The Shapotou W ater Control Project on the Yellow River

Xi Y anlin , Wu Zhihui

(Tianjin Design Institute , Ministry of Water Resources , Tianjin , 300222)

　　Shapotou Water Control Project located in the Zhongwei county of Ningxia autonomy on the upper reach of the Y ellow River. It

is multy 2purpose project and the main function is irrigation and power supply. After completed , it will change no 2control 2irrigation to control irrigation and creates the condition of saving water resource. This project includes low headwater power plant in the riverbed and two channel power plants , 62sets discharge sluice and diversion channel on leftbank.

K ey w ords :project function , layout of project , construction condition , the Sha potou Water Control Project.

Yellow River Project SM 2Pump Station openly into w aterallocation schema

Liu Qun

(Tianjin Design Institute , Ministry of Water Resources , Tianjin , 300222)

　　Wnajiazhai Y ellow River Diversion Pro ject SM2Pum p Station is the station of high raised order , large flow , many pumps , and has more

large abs orb. S o that the into system of pump station will be more im portant. Station openly into water is owing to lang form , the into water condition and the limit nor de posit s peed. Early or later carry out many form research and prove to the into pool under precondition of design and hydraulic model ex periment. Striving to into water has g ood flow condition and the into pipe has not v ortex. Satis fy the require to into pipe flood and into pool second exchange water coefficient. Finally station will be assured safety running. K ey w ords :pump station , into pool , flood water deep , second exchange water coefficient.

N ew Austro Tunnel Method construction in deep buried red clay tunnel section in Liminbu of

the W anjiazhai Yellow River Diversion Project

Guo Yuehua

(G eneral Corporation of Wanjiazhai Y ellow River Diversion Priject of Shanxi province , Taiyuan , 030001)

　　When excavate within clay stratum , particularly construction should have to take place under ground water level , it is easy to

lead to unstable of surrounding rock and cause collapse with the release of surrounding stress , a higher convergence deformation will happen. If construction have to take place in deep buried plastic clay stratum , the difficulty of construction will be much higher. As typical example , the cover deepness of clay of tunnel 5of Liminbu tunnel section of south main of the Y ellow River Diversion Pro ject reach to 180meters and stress of surrounding rock reach to 315MPa higher. But for the successful use of new 2method construction , which includes excavate in step , appropriate pre 2expect convergence deformation amount , short the advance progress , and use stiff 2ened arched girder , as well as shotcret for su pport in time and so on. It is smoothly got through now. K ey w ords :deeply buried red clay tunnel section , NA TM , the Wan jiazhai Y ellow River Diversion Project.