深大豎井施工圍巖穩(wěn)定性分析

馬兆偉

【摘 要】?文章結(jié)合某隧道2#通風豎井施工項目，采用數(shù)值模擬的方法，分析了豎井開挖對圍巖支護的穩(wěn)定性影響。結(jié)果表明： 隨著豎井的開挖襯砌壓應(yīng)力和位移量都隨著豎井的開挖逐漸增大，最大壓應(yīng)力為3.97 kPa、最大位移量為1.8 mm。但是當開挖深度增加到一定深度后，即開挖到第120步（開挖深度為360 m）時豎井襯砌的最大壓應(yīng)力和最大位移量的增加速率開始逐漸減小最終趨于穩(wěn)定，此階段應(yīng)該著重增加施工質(zhì)量和注意安全保護。

【關(guān)鍵詞】公路隧道; 豎井開挖; 穩(wěn)定性; 數(shù)值模擬

隨著我國特長公路隧道的迅猛發(fā)展，公路隧道通風豎井不僅在隧道施工中作為施工的輔助通道而且成井時則會作為隧道通風輔以隧道的通風換氣作用，在地下資源的開發(fā)中也起到至關(guān)重要的作用。通風井的設(shè)計依然是現(xiàn)在諸多學者研究的一門課題之一。但豎井襯砌支護的合理性以及安全性關(guān)系到施工的質(zhì)量以及風井的運作能力。而現(xiàn)在豎井施工所遇到的開挖深度大、復雜程度高等新的諸多問題隨之而來，對于施工作業(yè)造成極大的挑戰(zhàn)性，因此確有必要對超大深豎井在開挖過程中襯砌支護所受到的應(yīng)力狀態(tài)以及位移進行深層次的探討。

本文利用有限元分析軟件結(jié)合某特長隧道通風豎井項目，研究通風井開挖過程中對豎井襯砌支護的影響，對豎井襯砌狀態(tài)進行分析以確保深大豎井工程的施工安全及質(zhì)量得以保障。研究結(jié)果為今后類似工程分析提供參考方法。

1 工程概況

某特長高速公路隧道左線長15 483 m、右線長15 560 m，為特長公路隧道，隧道總體走向近南北向。根據(jù)施工圖紙2#豎井設(shè)計凈直徑均為8.5 m，井深560 m豎井采用機械化配套自上而下正井法施工，主要用于隧道后期運營中的送氣通風和改善隧道內(nèi)空氣質(zhì)量。豎井橫斷面如圖1所示。

依據(jù)工程勘察資料和地質(zhì)條件：洞深0～40 m段為Ⅴ級圍巖，地層巖性主要為強風化中粗粒黑云母花崗巖，少量中風化巖。強風化巖巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造大部分破壞，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體呈碎裂結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)較軟，巖體破碎，自穩(wěn)能力差，無支護時側(cè)壁易失穩(wěn);洞深 40～296 m段為Ⅳ級圍巖，主要為中風化、少量微風化中粗粒黑云母花崗巖。節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖質(zhì)堅硬，巖體較破碎，自穩(wěn)能力較差，無支護時側(cè)壁可能產(chǎn)生掉塊;洞深 296～560 m段為Ⅲ級圍巖，主要為微風化中粗粒黑云母花崗巖。節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖質(zhì)較硬，巖體較完整，自穩(wěn)能力較好，無支護時側(cè)壁基本穩(wěn)定。詳細巖體材料及支護情況見表1和表2。

2 模型的建立

本次施工采用正井法施工從上向下進行每3 m開挖與支護交替進行，Ⅴ級圍巖錨桿的環(huán)縱間距為100 cm×75 cm，Ⅳ級圍巖錨桿的環(huán)縱間距為100 cm×80 cm，Ⅲ級圍巖錨桿的環(huán)縱間距為120 cm×120 cm。可設(shè)隧道開挖過程中所穿越地層材料均為各向同性，巖層初始應(yīng)力場只考慮自重。邊界條件為巖層底部和四個巖層側(cè)向約束。生成網(wǎng)格為75 635個網(wǎng)格。巖層采用摩爾庫倫屈服準則;初期支護材料采用彈性本構(gòu)，二次襯砌作為安全儲備本次不作考慮;錨桿采用植入式桁架來模擬。具體模型建立情況如圖2、圖3所示。

3 施工模擬結(jié)果分析

在豎井開挖深度為120 m、240 m、360 m、480 m、560 m這5個開挖深度對應(yīng)的施工步為40、80、120、160、187步進行各個單元的初襯位移計算結(jié)果分析（圖4）。由以下分析可知：初期豎井開挖襯砌的位移量隨著開挖深度的增加而增加，開挖至第120施工步時及豎井深度360 m時豎井襯砌位移有所減緩直至豎井開挖結(jié)束將趨于穩(wěn)定狀態(tài)。從豎井開挖至豎井開挖完成五個施工步累計位移量分別為0.622 36 mm、1.352 mm、1.755 mm、1.785 6 mm、1.785 68 mm且總體位移值偏小最大位移值約為1.7～1.8 mm小于規(guī)定的允許值。

在豎井開挖的施工步為40、80、120、160、187步進行初襯最大主應(yīng)力計算結(jié)果分析（圖5）。可知：初期豎井開挖襯砌的前80步豎井開挖最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在開挖掌子面，從第120步至開挖完成最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在襯砌中間位置。最大壓應(yīng)力隨著開挖深度的增加而增加，從豎井開挖至豎井開挖完成五個施工步最大壓應(yīng)力分別為1.25 kPa、 3.10 kPa、3.971 1 kPa、3.971 26 kPa、3.971 29 kPa。豎井襯砌最大壓應(yīng)力隨豎井開挖逐漸增大，開挖120步至開挖結(jié)束最大壓應(yīng)力將趨于穩(wěn)定狀態(tài)。且最大壓應(yīng)力值為3.97 kPa小于規(guī)范標準要求。

4 結(jié)束語

隨著深大豎井的開挖，支護均勻受壓，豎井橫向位移和最大壓應(yīng)力均隨著豎井的開挖而逐步增大，最大位移值為1.8 mm，最大壓應(yīng)力為 3.97 kPa;開挖到一定深度后豎井襯砌最大位移以及最大壓應(yīng)力增加速率逐漸減小。由上述分析可知隨著深大豎井開挖從第120步及井深360 m至豎井開挖完成，此階段內(nèi)應(yīng)加強對支護結(jié)構(gòu)的相應(yīng)保護以及提高施工的安全質(zhì)量。

參考文獻

[1] 張開順，余斌，申家喜.夾活巖特長公路隧道豎井設(shè)計及施工方法探討[J].公路，2006（5）.

[2] 賀香寶.大直徑超深豎井支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計及施工模擬[J].世界有色金屬，2020（9）.

[3] 汪迎紅.特長公路隧道通風豎井施工階段穩(wěn)定性分析[J].公路工程，2014（12）.

[4] 徐鋒.不同工況下高速公路隧道豎井施工方案適用性研究[D].煙臺：煙臺大學，2019.

3645501908217