引汉济渭长距离湿陷性黄土输水隧洞支护措施研究

董航凯 黄瑜潇 马晋阳

(陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710024)

引汉济渭工程将汉中地区汉江的水资源调到关中地区，供关中地区的工业用水和居民用水，需要修建输水隧道。与一般的铁路和公路隧洞工程不同，输水隧洞具有浅埋、断面小、建筑物过水等特点，且关中与汉中地区之间大多为黄土地区，黄土地区地层结构、地域、形成时代及成因等因素的差异较大[1]，对工程会产生不同程度的影响，不确定因素较多。目前我国关于黄土地区围岩稳定性方面的研究较少，且关中渭北及周边黄土地区引调水、输配水等涉水类工程项目少，缺少类似项目工程经验，一旦发生破坏将会影响工程正常使用，危及工程安全甚至人员的生命安全。因此，针对渭北地区湿陷性黄土地层[2]开展成洞研究，探索适合关中渭北一带黄土地层长距离输水隧洞开挖支护方式迫在眉睫。

目前，已有学者针对黄土隧洞围岩稳定性、支护方式、开挖施工工艺及和施工方式开展了大量研究。董子奇等[3]具体分析了饱和黄土地区的地质特性和饱和黄土地区隧洞的围岩稳定性，找到了隧洞坍塌的原因，并提出了采用超前大管棚法支护的措施，为以后坍塌事故提供了抢险措施。李骏[4]在已经建成的黄土地区输水隧洞中进行浸水实验，分析了黄土地区隧洞的入渗情况与湿陷性黄土变形过程中隧洞的结构受力情况，揭示了黄土地区湿陷性变形对输水隧道结构受力影响的机制。张华兵等[5]建立了黏性弹塑性模型，采用MSC.Marc软件对围岩稳定性进行有限元计算，并通过实验对黄土隧道进行无衬砌和半衬砌的破坏结果对比，为以后黄土地区的围岩稳定性提供了模型参考。但是黄土因其复杂的物理性质导致其不同于普通的土体，又具有一定的结构性，尤其是作为非饱和土，至今为止，在浸水湿陷[6]过程和机理方面现有理论也尚不能给予很好的解释，对湿陷性黄土隧洞的稳定性分析和设计也依然主要采用以往的经验方法，没有提出相应的支护方式。

鉴于以上不足，本文依托引汉济渭二期北干线咸阳塬隧洞实际工程，针对浅埋和饱和黄土隧洞段，构建了黄土地层隧洞结构数值模型，分析了湿陷性黄土输水隧洞的不同的支护措施，研究了应力云图的变化情况，揭示了湿陷性黄土隧洞不同支护措施的应力应变规律，提出了关中渭北一带湿陷性黄土地层输水隧洞支护方式，为湿陷性黄土地区隧洞围岩稳定性和后续渭北黄土地区修建长距离输水工程提供了工程技术参考。

目前，我国隧洞施工技术日趋成熟，常见的隧洞施工技术主要有松动圈支护法[7]和新奥法[8]，其中新奥法使用最为广泛。新奥法是在总结以往经验的基础上提出的关于隧道设计、施工的新方法。目前已经成为围岩支护的主要理论之一，本文主要介绍以下三种方法。

a.型钢拱架和格栅拱架。根据等效抗弯刚度计算公式，计算出型钢拱架和格栅拱架联合支护后的等效混凝土弹性模量，计算公式如下：

式中：E1，E2分别为混凝土，型钢拱架或格栅拱架的弹性模量，GPa；
I1，I2分别为混凝土，型钢拱架或格栅拱架惯性矩，m4；
E为等效后的混凝土弹性模量，GPa；
I为等效后的混凝土惯性矩，m4。

b.锚杆支护无法作为单独的支护体系[9]，需要和围岩共同作用形成承载体系，通过使用均匀化方法将锚杆与围岩等效成均匀的复合岩体，在这里引入锚杆密度因子，根据参数等效公式计算出等效后的复合岩体材料参数。

ENAN=E1A1+E2A2

式中：EN为等效材料的弹性模量，GPa；
AN为等效材料的面积，m2；
E1为围岩的弹性模量，MPa；
A1为围岩的面积，m2；
E2为锚杆的弹性模量，GPa；
A2为锚杆的面积，m2。

为了保证锚杆在土体中的支护作用，达到至少贯穿洞室围岩塑性区的要求，锚杆设置为3.5m长，直径22mm，弹性模量取45GPa。

通过引入锚杆密度因子，新的等效材料弹性模量可以通过以下公式计算：

式中：Eb为锚杆弹性模量，GPa；
E为围岩弹性模量，GPa；
sl为锚杆纵向间距，m(在这里为1m)；
sr为锚杆环向间距，m；
rb为锚杆半径，m。

c.超前管棚支护与锚杆支护无法作为单独的支护体系[10]，需要和围岩共同作用形成承载体系，通过使用均匀化方法将超前管棚与围岩等效成均匀的复合岩体，根据参数等效公式计算出等效后的复合岩体材料参数。

ENAN=E1A1+E2A2

式中：EN为等效材料的弹性模量，GPa；
AN为等效材料的面积，m2；
E1为围岩的弹性模量，GPa；
A1为围岩的面积，m2；
E2为超前管棚的弹性模量，GPa；
A2为超前管棚的面积，m2。

对公式进行变形，即可得到新复合材料的弹性模量：

式中：EN为等效材料的弹性模量，GPa；
AN为等效材料的面积，m2；
E1为围岩的弹性模量，GPa；
E2为超前管棚的弹性模量，GPa；
r2为超前管棚的半径，m。

2.1 工程概况

引汉济渭二期工程由黄池沟配水枢纽、南干线、北干线三部分组成。北干线全长89.54km，由隧洞、压力管道、倒虹吸、管桥、箱涵、进出水池及分退水设施组成，进水闸设计流量30m3/s。咸阳塬隧洞为北干线主要组成部分，所在地貌单元为黄土塬，隧洞总长度33.8km，其中饱和黄土洞段长8.58km。

2.2 数值模型构建

模型采用隧洞段地层结构模型及土体物理力学参数，断面型式为马蹄形断面，选取隧洞段埋深较大的中间部位，并对已开挖的洞段实施完初期支护，模型及计算分析结果见图1。土体物理力学参数见表1。

图1 构建模型

表1 土体物理力学参数

3.1 钢拱架与格栅拱架支护效果对比分析

针对同一输水隧洞断面，分别对25cm C25混凝土衬砌支护措施和在25cm C25混凝土衬砌的基础上加上不同类型的拱架支护措施进行研究分析。对比25cm C25混凝土支护措施和在25cm C25混凝土衬砌支护的基础上加上不同类型的拱架所产生的位移值变量和鼓起的变形量。根据等效抗弯刚度计算公式，计算出型钢拱架和格栅拱架联合支护后的等效混凝土弹性模量，计算结果见表2。

表2 各模型换算参数

a.不同衬砌联合支护形式最大主应力云图见图2～图5。

图2 25cm C25混凝土衬砌最大主应力云图

图3 混凝土衬砌+格栅拱架最大主应力云图

图4 混凝土衬砌+型钢拱架最大主应力云图

图5 混凝土衬砌+格栅拱架+型钢拱架最大主应力云图

b.不同衬砌联合支护形式剪应力云图见图6～图9。

图6 25cm C25混凝土衬砌剪应力云图

图7 混凝土衬砌+格栅拱架剪应力云图

图8 混凝土衬砌+型钢拱架剪应力云图

图9 混凝土衬砌+格栅拱架+型钢拱架剪应力云图

c.不同衬砌联合支护形式顶拱及底板应变云图见图10～图13。

图10 25cm C25混凝土衬砌顶拱及底板应变云图

图11 混凝土衬砌+格栅拱架顶拱及底板应变云图

图12 混凝土衬砌+型钢拱架顶拱及底板应变云图

图13 混凝土衬砌+格栅拱架+型钢拱架顶拱及底板应变云图

d.不同衬砌联合支护形式边墙应变云图见图14～图17。

图14 25cm C25混凝土衬砌边墙应变云图

图15 混凝土衬砌+格栅拱架边墙应变云图

图16 混凝土衬砌+型钢拱架边墙应变云图

图17 混凝土衬砌+格栅拱架+型钢拱架边墙应变云图

e.不同衬砌联合支护形式顶拱和边墙随时间变化的位移见图18～图21。

图18 25cm C25混凝土衬砌顶拱和边墙随时间变化的位移

图19 混凝土衬砌+格栅拱架顶拱和边墙随时间变化的位移

图20 混凝土衬砌+型钢拱架顶拱和边墙随时间变化的位移

图21 混凝土衬砌+格栅拱架+型钢拱架顶拱和边墙随时间变化的位移

由图18～图21可知:ⓐ单独混凝土衬砌支护顶拱中心位移为2.01mm，格栅拱架混凝土联合支护顶拱中心位移为1.89mm，型钢拱架混凝土联合支护顶拱中心位移1.66mm，钢拱架+格栅联合支护顶拱中心位移1.60mm；
ⓑ单独混凝土衬砌支护底板中心鼓起变形6.02mm，格栅拱架混凝土联合支护底板中心鼓起变形5.68mm，型钢拱架混凝土联合支护底板中心鼓起变形5.01mm，钢拱架+格栅联合支护底板中心鼓起变形4.81mm；
ⓒ开挖之后围岩应力释放，整体表现为向隧洞外的挤出变形，单独混凝土衬砌支护侧墙最大位移为2.00mm，格栅拱架混凝土联合支护侧墙最大位移为1.90mm，型钢拱架混凝土联合支护侧墙最大位移1.70mm，钢拱架+格栅联合支护底板中心位移1.66mm。由此可以看出，型钢拱架+格栅拱架联合支护的效果最好，单独型钢拱架和单独格栅拱架次之，混凝土单独衬砌效果最差。

3.2 锚杆支护作用效果分析

为探究混凝土衬砌下，锚杆支护控制围岩形变能力和对洞室稳定性的影响，通过单独模拟锚杆和混凝土衬砌联合支护，建立混凝土衬砌和环形全锚杆(9根)混凝土衬砌联合支护对比模型。

a.混凝土衬砌和混凝土衬砌联合锚杆最大主应力云图见图22～图23。

图22 25cm C25混凝土衬砌最大主应力云图

图23 25cm C25混凝土衬砌+9根锚杆最大主应力云图

b.混凝土衬砌和混凝土衬砌联合锚杆最大剪应力云图见图24～图25。

图24 25cm C25混凝土衬砌最大剪应力云图

图25 25cm C25混凝土衬砌+9根锚杆最大剪应力云图

c.混凝土衬砌和混凝土衬砌联合锚杆顶拱及底板应变云图见图26～图27。

图26 25cm C25混凝土衬砌顶拱及底板应变云图

图27 25cm C25混凝土衬砌+9根锚杆顶拱及底板应变云图

d.混凝土衬砌和混凝土衬砌联合锚杆边墙应变云图见图28～图29。

图28 25cm C25混凝土衬砌边墙应变云图

图29 25cm C25混凝土衬砌+9根锚杆边墙应变云图

e.混凝土衬砌和混凝土衬砌联合锚杆顶拱和边墙随时间变化的位移见图30～图31。

图30 25cm C25混凝土衬砌顶拱和边墙随时间变化的位移

图31 25cm C25混凝土衬砌+9根锚杆顶拱和边墙随时间变化的位移

由图22～图31可知，混凝土衬砌对黄土围岩隧洞支护效果较为理想，锚杆混凝土混合支护的效果相对于混凝土衬砌单独支护提高非常有限。在顶拱中心位置，下沉量有轻微的减少；
在拱脚位置，衬砌和黄土围岩向隧道外方向挤出现象反而更为明显。

3.3 超前管棚支护效果分析

为了对管棚支护的稳定性进行对比，本文对无超前管棚和有超前管棚的情况进行对比，分析对比得出在增加不同数量超前管棚情况下的位移变化情况。

a.不同超前管棚数量最大主应力云图见图32～图35。

图32 无超前管棚最大主应力云图

图34 标准22根超前管棚(间距0.4m)最大主应力云图

图35 44根超前管棚(间距0.2m)最大主应力云图

b.不同超前管棚数量最大剪应力云图见图36～图39。

图36 无超前管棚最大剪应力云图

图37 11根超前管棚(间距0.8m)最大剪应力云图

图38 标准22根超前管棚(间距0.4m)最大剪应力云图

图39 44根超前管棚(间距0.2m)最大剪应力云图

c.不同超前管棚数量顶拱及底板应变云图见图40～图43。

图40 无超前管棚顶拱及底板应变云图

图41 11根超前管棚(间距0.8m)顶拱及底板应变云图

图42 标准22根超前管棚(间距0.4m)顶拱及底板应变云图

图43 44根超前管棚(间距0.2m)顶拱及底板应变云图

d.不同超前管棚数量边墙应变云图见图44～图47。

图44 无超前管棚边墙应变云图

图45 11根超前管棚(间距0.8m)边墙应变云图

图47 44根超前管棚(间距0.2m)边墙应变云图

e.不同超前管棚数量顶拱和边墙随时间变化的位移见图48～图51。

图48 无超前管棚顶拱和边墙随时间变化的位移

图49 11根超前管棚(间距0.8m)顶拱和边墙随时间变化的位移

图50 标准22根超前管棚(间距0.4m)顶拱和边墙随时间变化的位移

图51 44根超前管棚(间距0.2m)顶拱和边墙随时间变化的位移

由图32～图51可知：ⓐ无超前管棚支护顶拱中心位移为142mm，11根超前管棚(间距0.8m)支护下顶拱中心位移为139mm，22根超前管棚(间距0.4m)支护下顶拱中心位移138mm，44根超前管棚(间距0.2m)支护下顶拱中心位移135mm；
ⓑ无超前管棚支护下侧墙最大位移为131mm，11根超前管棚支护下侧墙最大位移为129mm，22根超前管棚(间距0.4m)支护下侧墙最大位移为128mm，44根超前管棚(间距0.2m)支护下侧墙最大位移为126mm。由此可以看出，超前管棚支护效果良好，数量越多支护效果越好。

本文以引汉济渭湿陷性黄土输水隧道工程为依托，提出了采用不同支护方法来增加湿陷性黄土隧洞围岩的稳定性，得出以下结论：

a.采取的混凝土衬砌、型钢拱架、格栅拱架、型钢拱架+格栅拱架四种支护方法均可以增强湿陷性围岩的稳定性，其中，型钢拱架+格栅拱架效果最好，型钢拱架和格栅拱架较好，混凝土衬砌次之。

b.采用9根数量的锚杆与混凝土混合支护的方法与混凝土单独支护方法相比，对湿陷性围岩稳定性有增强效果，但是增强效果有限；
通过对不同数量超前管棚支护方法效果进行对比，发现超前管棚的数量越多，支护效果越好。

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