大直徑超深豎井支護結構的設計及施工模擬

賀香寶

（江西有色建設集團有限公司，江西 南昌 330000）

1 工程背景

Kari menu II供水項目坐落于肯尼亞的中心?。–entral Province），距首都Nairobi大約75km。主要工程內容為：總庫容為2654萬m3的水庫；DN800原水管線3km；DN800的輸水管線35.6km，DN600的輸水管線22km；7萬t/d的水廠。水庫樞紐工程由主壩、副壩、溢洪道、輸水導流隧洞、取水塔組成。主壩為紅粘土心墻堆石壩。取水塔與輸水導流隧洞在隧洞中段連接，并實現分層取水的功能。

2 豎井結構尺寸及地質情況

為實現取水塔與輸水導流隧洞在K0+087處連接，取水塔地下部分擬采取豎井施工方案。即在1832.5開始向1812.5開挖豎井為取水塔地下部分結構施工提供作業空間。豎井深度20m，直徑18m。取水塔豎井穿越共四層地層，從上到下分別為覆土層、全風化層、強風化巖層及弱風化巖層，巖性為火山碎屑巖。其各地層力學參數及厚度詳見表1。

表1 豎井各地層力學指標

3 豎井支護結構設計

見圖1，2。

4 施工階段模擬

4.1 建模過程

采用MIDASGTSNX巖土三維有限元建模，土層采用3D塑性單元，摩爾-庫侖應力應變本構方程。錨桿采用桁架單元，工字鋼內支撐采用梁單元，C25噴射砼采用板單元，三者均采用彈性本構方程。荷載工況只考慮重力，邊界條件為三向平動約束。模型模擬范圍為XY平面為3倍的直徑，Z方向為三倍的豎井深度。三維模型詳見圖3。

4.2 施工階段模擬

施工階段覆土3m，按每天開挖支護0.5m，全風化層按每天1m開挖支護，強風化層按每天開挖支護1.5m，臨時邊坡為地應力平衡階段，初始位移清零模擬。

共23個施工階段。通過激活、鈍化單元的方式實現施工階段模擬。

4.3 施工階段結果輸出

建立分析工況文件，運行程序。輸出23個施工階段的網格單元的應力、應變值，三向位移圖形數值及塑性變形包絡圖。鑒于篇幅所限，本文僅給出最后施工階段的部分結果。

4.4 施工階段結果分析

整理23個施工階段的最大水平位移結果見下圖11，從圖11中看出最大位移發生在第19施工階段，即全風化層底部，隨著豎井開挖深度的增大水平位移增大，最大位移達3.56mm。進入強化層施工階段，水平位移隨后出現向下的拐點。

5 結論與建議

經施工階段有限元模擬計算，最大水平位移3.56mm。位移與開挖深度的比值為0.17‰，小于《巖土錨固與噴射混凝土支護技術規范》（GB50086-2011）1‰的規定值[1]。同時查看梁單元、板單元應力值均在其允許范圍內。因此豎井支護方案設計合理，結構安全。

土力學是一門很“土”的力學[2]，其巖土體所處的環境、成因條件、年代和巖土體本身微觀結構的復雜性、不均質性等眾多因素條件的影響，任何一個計算方法和本構關系都無法得到與實際高度吻合的精確解。因此施工過程加強變形、應力監測是十分必要的。