饱和黄土隧洞超前管棚开挖支护关键技术

2023-09-12白玉龙杨江龙

水利规划与设计 2023年9期

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 730030)

0 引言

1 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[1]，工程规模为大(Ⅱ)型，分两期建设。二期工程总干渠全长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，占总干渠全长95.25%，建筑物等级为2级[2]，其中16#隧洞结构断面为三心圆拱型(蛋型)，衬砌净断面尺寸(长×宽)3.9m×4.0m。

引洮供水二期工程总干渠16#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[3]，厚度超过200m，部分为地下水位以下饱和土。

2.1 地层结构特征

2.2.1物理性质

表1 饱和黄土物理性质统计表

2.2.2水理性质

表2 饱和黄土水理性质统计表

2.2.3力学性质

表3 饱和黄土力学性质统计表

孔内十字板剪切试验，软塑状态抗剪强度值为：13.98～14.5kPa，可塑状态为：43.26～62.33kPa。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。

3 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AutoBank仿真分析软件，模拟隧洞开挖后饱和土体稳定流场。

3.1 计算原理

对于稳定渗流，水头势函数满足微分方程

(1)

式中，φ=φ(x，y)—所求水头势函数；x、y—平面坐标；Kx、Ky—水平与垂直方向渗透系数。

水头φ满足以下边界条件：

(1)上游边界水头已知

φ=φn

(2)

(2)逸出边界水头和位置高程相等

φ=z

(3)

(3)边界渗流量q已知

(4)

式中，lx、ly—边界表面向外法线在x，y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φ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：

[H]{φ}={F}

(5)

式中，[H]—渗透矩阵；{φ}—渗流场水头；{F}—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。

3.2 建模计算

3.2.1模型假定条件

(1)地层内饱和土体质均，隧洞两侧边界水头恒定。

(2)不考虑土壤环境温度和可溶质离子影响流体性质。

(3)不考虑地下水位线以上非饱和土体对下部渗流影响。

(4)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。

3.2.2渗流边界条件选取

(1)以16#隧洞位于地下水位线以下30m处为典型断面，地下水位线为自由边界面。

(2)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R=2.674m)，开挖断面为潜在溢出面。

(3)隧洞左右两侧等水头边界以60m控制，底部按不透水边界处理。模型初始及有限元网格如图1—2所示。

图1 模型初始网格图

图2 有限元模型网格图

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60m，初始渗流场与实际相符。

(3)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3—6所示。

图3 流速矢量图

3.3 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3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4—5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6表明隧洞两侧墙中部位置水力坡降最大，达到3.85，侧墙部位易发生土体流变。

图4 水头等值线图

图5 水压等值线图

图6 水力坡降等值线图

计算稳定渗透流量为82.7～365.1L/(d·m)，均值179.7L/(d·m)，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。

4 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。

4.1 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0+171.36—0+221.36段，作为变形监测典型段落，共布设10个监测断面，平均每5m设置一个断面。监测横断面设置3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7所示。

图7 监测断面测点布置图

4.2 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d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2～3d，监测时长为1个月。桩号0+201.36位置监测断面变形曲线如图8所示。

图8 桩号0+201.36位置变形监测结果

4.3 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，24h变形量约占总变形量一半，48h后变形增量逐渐减小，变形趋势变缓，12d左右基本稳定，分析原因：施工开挖使洞室内部形成临空面，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①沉降与收敛变形量均大于测点②和③，统计测点①最大变形量为128.3mm，平均变形为79.1mm，除1个断面初期变形有3mm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②和③沉降变形量比较接近，最大沉降量为76.4mm，平均沉降量45.6mm，收敛变形均在10mm之内。