深部豎井TBM掘進開挖支護變形研究

白青波

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300143)

隨著對礦產資源開采強度的加大，國內外煤礦、石油等均進入了深部開采階段，豎井的開挖與支護是其工程建設中常見的技術難題，在工程地質勘察基礎上進行經驗類比設計[1-4]，是解決該類技術問題的常用方式之一。深部巖體高地應力、高地溫和高滲透壓的地質環境，導致深部巖體結構特征、力學行為和工程響應與淺部巖體有較大區別[5]。TBM掘進技術采用邊掘進邊支護的作業方式[6]，通過對其開挖支護過程進行模擬，分析豎井圍巖的受力和變形特點，彌補經驗類比設計的不足，為工程提供設計依據。

結合青海省某豎井開挖項目可行性研究，提出深長豎井TBM掘進襯砌支護應力應變分析的等效有限元模型。針對不同圍巖條件，運用FLAC3D數值模擬軟件，綜合考慮豎井變形的主要影響因素，建立圍巖等級、水平地應力系數、襯砌作用、錨桿作用對圍巖變形的影響模型。根據模擬結果判斷深井開挖后襯砌支護效果，分析添加錨桿的支護作用。最終得出不同圍巖下最佳的深井開挖支護方案，以供深長豎井設計施工參考。

1 等效有限元模型

該豎井開挖半徑為5 m，埋深為800 m。對于深長豎井，全尺寸有限元模型單元數目龐大，會耗費大量的計算時間。為了保證局部分析的精度，提出深長豎井分析的等效有限元分析模型，如圖1所示。

根據深部巖體高地應力和水平應力高于垂直應力的特點，可以將深部巖體的地應力設為常數，忽略沿深度方向自重的影響。在等效有限元模型中，分別賦予水平應力值和垂直應力值。幾何模型采用整體模型的1/4，模型邊界尺寸[7]為R=50 m，高度Z=30 m，井的半徑為5 m。

為消除邊界效應，只提取中部巖體的位移，即只提取高程在10～20 m區域的水平位移，用于數據分析。

如圖2、圖3所示，可在襯砌支護模型中添加錨桿。錨桿的傾角為1°，長度為4 m，上下間距為3 m，水平布置的角度為15°。

圖2 深長豎井襯砌支護等效模型

圖3 深長豎井錨桿襯砌支護等效模型

2 材料參數

對不同等級圍巖進行敏感性分析，各級圍巖參數[8]如表1所示。圍巖用實體單元模擬。

表1 圍巖材料參數

襯砌墻用板單元模擬，錨桿用點對點錨桿單元模擬，參數見表2。

表2 混凝土襯砌及錨桿支護參數

3 計算結果分析

3.1 無支護條件下水平地應力系數K0影響分析

深部巖體的水平應力往往大于豎直應力[8]。水平地應力系數K0為1、1.5和2時井壁水平位移模擬結果見表3和圖4。

表3 不同K0條件下的井壁最大水平位移 cm

圖4 不同K0條件下的井壁最大水平位移

從表3和圖4可知，無支護條件下，圍巖的水平位移隨著水平地應力系數的增加而增大；對于Ⅰ級、Ⅱ級圍巖，水平位移均小于2 cm，在無支護條件下即可滿足設計要求；對于Ⅲ級圍巖，當K0=2時無支護條件下的最大變形接近5 cm；對于Ⅳ級圍巖，無支護條件下圍巖變形較大，不能滿足設計要求，必須進行支護；對于Ⅴ級圍巖，無支護條件下即使水平地應力較低，圍巖也會發生破壞。

3.2 混凝土襯砌支護效果分析

在K0=2條件下進行襯砌支護效果驗算?？紤]兩種不同標號混凝土襯砌支護(C15和C40)，襯砌的厚度為0.4 m，井壁的水平位移及襯砌的壓力記錄見表4。

表4 混凝土襯砌壓力及井壁最大水平位移

在獲得混凝土襯砌壓力后，需對混凝土抗壓能力進行驗算。驗算模型見圖5。設置單位長度1 m的模型，均布壓力p代表圍巖對襯砌的壓力，經過積分計算得截面1-1上的壓應力為12.5p。鋼筋采用HRB400(抗壓設計值為360 MPa)，不同配筋率下的混凝土襯砌抗壓強度pf見表5。

圖5 圍巖均布壓力下襯砌驗算模型

由表4和表5可知，對于Ⅲ級圍巖，采用C15混凝土襯砌可以降低井壁水平位移，且襯砌受壓穩定，可以達到支護效果；對于Ⅳ級圍巖，采用C40混凝土襯砌支護后，水平位移為3.8 cm，襯砌壓力超過壓力允許值，不滿足支護要求；對于Ⅴ級圍巖，混凝土襯砌支護后，襯砌壓力超過壓力的允許值，不滿足支護要求。

表5 混凝土襯砌壓力允許值pf MPa

對于Ⅳ級、Ⅴ級圍巖，需要采用更加有效的支護方案來減少水平位移，以降低襯砌承受的壓力。

3.3 錨桿支護效果分析

對于Ⅳ級、Ⅴ級圍巖，應考慮襯砌與錨桿共同支護。數值模擬等效模型見圖3。在K0=2條件下，進行支護效果驗算。

表6 錨桿支護下井壁位移與壓力

從表6的計算結果看，錨桿支護后，井壁水平位移略有減少，但相差不大。表明增加錨桿支護后，襯砌的壓力沒有減少。

根據文獻資料[9-11]和工程實踐，錨桿的自身強度對整體結構的貢獻有限，其主要作用為在施工中起到及時加固，防止塌落，加強節理巖體的整體性，提高巖體的成拱效應和自支撐能力(提高c、φ值)等。

3.4 預留變形的襯砌支護方案

TBM一般采用邊掘進邊支護的方式，一般不考慮巖體的成拱效應，不能發揮巖體的自支撐能力。對于淺層隧道和豎井來說，襯砌剛度是足夠的。

對于深部隧道和豎井，全斷面掘進開挖斷面形狀為圓形，受力狀態較好且無應力集中，應該允許巖體發生有限變形，這樣能夠釋放圍巖的部分應力，可大大降低襯砌的應力水平[12-15]。具體作法為：TBM掘進時超開挖ΔR，即圍巖與襯砌之間預留變形量，在鋼筋混凝土襯砌外敷設油氈或橡膠等軟質防水材料，然后進行支護。

數值模擬中，取水平地應力系數K0=2，考慮軟質材料厚度為10 cm、15 cm和20 cm三種情況，襯砌選用C40混凝土。計算結果見表7。

表7 允許圍巖有效變形條件下襯砌壓力及變形

取Ⅳ級圍巖預留變形為10 cm的數值模擬過程進行分析。圖6(a)為記錄點的水平位移，圖6(b)為記錄點處圍巖水平應力變化。

圖6 記錄點水平應力及變形

圖6中，(1)階段表示第一部分巖體開挖后對中部巖體的影響，圍巖應力釋放，并產生了水平位移；(2)階段表示第二部分巖體開挖，記錄點的水平應力完全釋放，位移歸零；(3)階段表示圍巖在預留空間內的變形，記錄點的水平應力幾乎為零，水平位移發展了10 cm；(4)階段表示圍巖受到襯砌約束；(5)階段表示襯砌支護后整體結構趨于穩定，襯砌產生了1.5 cm的水平向變形，襯砌受到圍巖的壓力為9.4 MPa。

數值模擬結果表明，Ⅳ圍巖支護預留變形量為10 cm時，襯砌受壓9.4 MPa，變形為1.5 cm，達到支護要求；Ⅴ圍巖支護時預留變形量為20 cm時，襯砌受壓8.1 MPa，變形為1.5 cm，達到支護要求。

4 不同圍巖支護方案

4.1 不同等級圍巖掘進支護方案選取

(1)Ⅰ、Ⅱ級圍巖穩定性很強，在無支護條下的井壁水平位移小于2 cm，采用C15混凝土襯砌支護即可達到設計要求。

(2)Ⅲ級圍巖穩定性較好，在無支護條件下井壁水平位移小于5 cm，可以采取C15或C40混凝土襯砌支護，襯砌的變形和承受壓力均較小，滿足設計要求。

(3)Ⅳ、Ⅴ級圍巖自身穩定性較差，開挖后若立即采用襯砌約束圍巖變形，會造成襯砌承受較大的圍巖壓力而發生壓縮變形甚至破壞。通過數值模擬得出，采取超開挖并給圍巖預留變形空間的措施可以有效地釋放圍巖應力，降低襯砌承受的壓力，減少襯砌水平向位移。在實際工程中，應針對圍巖的力學性質而設計相應的預留變形。

4.2 支護方案驗證

對于Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ級圍巖，其穩定性較強，直接采用預制襯砌支護是合理的。Ⅳ、Ⅴ級圍巖自身穩定性較差，其支護技術困難且復雜，以下總結部分實際工程在Ⅳ、Ⅴ級圍巖中采用的支護技術。

對于Ⅴ級圍巖預留變形量，在《公路隧道設計規范》[16]中有規定，即結合實際埋置深度、施工方法和支護情況等，預留量參考值為80～120 mm。

陳衛忠[17]在研究宜巴高速公路埋深1 000 m左右的高地應力軟巖(Ⅴ級圍巖)隧道時，指出采用30 cm的預留變形量可以使變形量控制在50 mm以內，滿足隧道長期安全運營的要求。

趙東平[18]在調研鄭西客運專線中的大斷面隧道支護變形時，通過對實測數據分析得出，Ⅳ級圍巖預留變形量取10 cm時的保證率為97.39%，Ⅴ級圍巖預留變形量為25 cm時的保證率為83.13%。

張民慶[19]在研究高地應力軟巖隧道釋放時，提出采用約束平衡法來控制變形并釋放圍巖應力，經過蘭渝鐵路現場施工的驗證，得出的預留變形量為20～15 cm。

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