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1、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
2、粘土隧洞 新奥法施工 引黄工程+中图分类号 TV55413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5洞中间模量变化试验曲线,计算方法采用线性有限元结构计算程桩号从31+609～32+174,长565m。隧洞围岩为岩土交互序,计算网络为8结点平面单元。计算边界条件,左右以洞分布,其中Ⅳ类岩石67m;V类岩石202m;N2红粘土296中心向两侧各取80m,深度向上、下各取100m。m。N2红粘土洞段埋深170～175m,净直径413m,纵坡马蹄形开挖断面洞周土
3、体主应力计算结果见图1等值1/1250,为无压输水,正常水深311m,考虑下游堵塞,最线。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N2红粘土,N2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
4、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(Mohr2Coulomb)方程:τ≤C+σn+tan<式中:τ———任意一点的任意作用面上的剪应力,MPa;σn———任意一点的任意作用面上的正应力,MPa;C———材料凝聚力,根据土工试验取C=01245MPa;<———材料内摩棱角,取<=2715°。3其他材料指标:容重20kN/m,孔隙比016,塑限18%,压缩模量1212MPa,泊桑比
5、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向由下至上为正。计算按平面应变问题处理。由于缺少弹性单位:MPa(拉为正,压为负)©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.·24·水利水电工程设计 DWRHE·2000年第19卷第4期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
6、,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顶侧底塑性区倍数/cm/cm/cm011315221713135无0
7、12710251446173无01310156811710110无014141011018913148无015171511316216186无016211081616320127有017251112112624112有图2 马蹄形断面20cm喷混凝土层承受50%018301623115629131有围岩荷载时的应力分布图019401194713038129有单位:MPa(拉为正,压为负)110621488311859167有的技术经济比较,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211 预留变形量
8、移大于洞底位移;②在弹性情况下,洞顶、洞底位移大于侧位根据表1计算结果,当围岩应力释放50%时洞周土体移;③在塑性情况下,洞顶、洞底位移逐渐小于侧向位移。接近于塑性范围,最大收敛变形13162～17151cm。根据经113 喷混凝土衬
