南水北调中线一期工程穿黄隧洞纵向变形研究.pdf

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1、人民长江Vo1．41．NO．16第41卷第l6期2010年8月YangtzeRiverAug．，2010文章编号：1001—4179(2010)l6—0047—04南水北调中线一期工程穿黄隧洞纵向变形研究张传健，吕国梁，邓家林(长江勘测规划设计研究院枢纽设计处，湖北武汉430010)摘要：南水北调工程穿黄隧洞纵向变形主要受施工扰动、下卧土层沉降变化以及河床冲淤等因素的影响。为此．通过河工模型试验，揭示了冲淤荷载的变化情况，分析了其在地震荷栽作用下的分布及影响，着重对在内水压栽和冲淤作用下的不同工况进行了计算分析。提出了针对上述3种荷载组合情况下的隧洞管

2、段的布置方案，论证了该方案可适应纵向变形，且具有一定的安全裕度。关键词：穿黄隧洞；河槽摆动；冲淤变化；地震荷载；纵向变形中图法分类号：TV67文献标志码：A穿黄工程是南水北调中线总干渠与黄河的交叉建接缝错动151'1"1m，同时张开61,1qm。内衬分段接缝以铜筑物，是总干渠上规模最大、技术最复杂，并控制工期止水为主，同时在接缝中加设一道水膨胀橡胶止水条，的关键性工程，位于河南省境内、郑州以西约30km。内壁缝口嵌填聚硫密封胶。长江勘测规划设计研究院历经多年研究，推荐采用双2隧洞沉降原因分析线盾构隧洞穿越黄河方案，隧洞总长4250m，隧洞内径为7．0m

3、，隧洞最大内水压达0．517MPa。隧洞位于根据隧洞施工和运行条件，影响隧洞纵向变形的黄河典型游荡性河段，存在河槽摆动、冲淤变化和地震因素主要有以下3个方面。等不利因素，受这些不利因素影响，隧洞纵向将产生不(1)盾构机掘进对下卧层的扰动。包括：开挖面均匀沉降，导致隧洞分段接缝问产生错动、张开现象，失稳、盾尾压浆不及时、纠偏、超挖、盾构机对围土的摩管片螺栓要承受较大的应力，从而影响隧洞结构安全擦与剪切作用等均会对下卧层产生不同程度的扰动。和防水性能。(2)下卧土层的不均匀性。致使土层所受到的扰动、回弹量、再固结的沉降量、沉降速率和总沉降时间1隧洞结构及防

4、水设计也会有差别。穿黄隧洞为双层衬砌。外层为装配式普通钢筋混(3)荷载沿隧洞轴线变化。由于洪水情况下的河凝土管片结构，管片环外径8．7nl，内径7．9ITI，管片厚床冲淤变化及穿黄河段黄河主流的摆动，使隧洞上方度40em，宽度1．6m，每环由7块管片组成，管片与管纵向荷载发生变化。片之间采用螺栓连接，单块管片环缝、纵缝每侧均设置上述第(1)点原因是越江或海底公路隧洞、城市4根M30的直螺栓。内衬为现浇预应力混凝土结构，地下铁道引起地面沉降的共同原因，主要与盾构机施内径7m，厚度45cm，标准分段长度为9．6m，在与北工技术有关。不过自20世纪90年代以

5、来，盾构开挖岸和南岸竖井衔接的洞段以及地层变化洞段局部加密技术已Et臻成熟，对地面沉降的影响已大为减小。通螺栓。过应用自动导向系统和管片位置实时监测技术，超挖穿黄隧洞防水等级为3级。管片接缝采用弹性密量可以控制在不超过5em的水平；采用泥水加压盾构封垫防水，以下2种情况满足防水压力不小于0．8机，通过对泥浆压力、掘削量、溢水量和开挖面压力等MPa的要求：①接缝错动20mm，同时张开4mm；②信息反馈，可以有效地保持开挖面的稳定；对盾尾实施收稿日期：2010—07—04作者简介：张传健，男，高级工程师，主要从事水利水电枢纽工程设计与坝工设计研究工作。48

6、人民长江同步注浆，可有效地减轻对围土的扰动。目前我国在水为20／8．48)加以放大，得到如图1所示的供计算用盾构隧洞施工上，已能有效地将地面沉降控制在+1O的冲淤形态图，相应供计算用的冲淤荷载见图2。～一30mm范围内。第(2)点原因与地质条件有关，3．2河床主槽整体摆动冲淤形态因隧洞穿越亚粘土和中、细砂层，其层位分布稳定、厚选取特定一次洪水后的形态为初始形态。摆动后度渐变，层面平缓，力学参数相近，因土层性状不均匀的最终形态按初始形态加深2m计，用以考虑小浪底而引起的扰动差异很小。因此，影响穿黄隧洞沉降的水库清水冲刷影响，摆动的幅度按最不利的情况决定，

7、原因主要为第(3)点，即隧洞上方荷载的变化。但最大摆幅不超过850m；河床主槽前后摆动形态见此外，地震时地震波沿隧洞纵向行进，受不同相位图3，相应的冲淤荷载图见图4。差行波效应影响，隧洞不同位置受到的地震惯性力不一样，也会引起纵向不均匀沉降。4地震荷载分析3穿黄河段河床冲淤变化分析按50a超越概率5％的地震动标准，隧洞位置的峰值加速度为0．115g，隧洞围土为砂壤土和中、细砂穿黄河段典型冲淤形态按两类考虑。一类是根据层，波速约为250m／s，按地震波卓越频率为1．33Hz河工模型试验成果选取一次性洪水过程中最不利的冲推算，波长A=188m。采用地震系数

8、法，假设作用在隧淤断面；另一类是按主槽整体摆动最不利位置确定冲洞上的竖向惯性力沿隧洞纵向按余弦