軟弱地層超大直徑倒虹吸豎井全斷面開挖工法優化研究

鄭紅亮

（中鐵十二局集團第七工程有限公司，湖南 長沙 410118）

近年來，豎井作為進入地下空間的通道，已廣泛應用在交通、水利、礦山等領域。同時，受到復雜地質條件的影響，導致豎井施工過程中極易發生工程事故造成較大的經濟損失。因此，開展復雜地質與敏感環境下的豎井施工技術研究具有十分重要的現實意義。

在豎井安全施工和設計方面，馮東林[1]針對超大直徑豎井掘進機施工過程進行數值模擬，發現圍巖應力受開挖深度、圍巖條件和離刀盤開挖面的距離影響。魏福貴[2]針對大井深豎井研究發現有松動圈情況下井壁位移隨豎井深度增加呈冪函數變化。駱曉鋒[3]等對圍巖的穩定安全性的預測為豎井信息化設計提供了參考。李超[4]等對豎井掘進過程模擬發現，隨著開挖深度增加，圍巖破壞模式從壓剪破壞向剪切滑移破壞轉化。冷希喬[5]等發現圍巖級別比豎井深度對圍巖徑向位移的影響更明顯。殷有泉[6]等通過理論研究認為豎井圍巖的不穩定不僅受圍巖力學特性影響，還取決于豎井開挖過程對應的平衡路徑曲線的類型。孫闖[7]等通過計算圍巖－支護關系曲線，確定圍巖位移釋放量。周舒威[8]等研究發現支護厚度的增加有利于圍巖應力更均勻。但以往針對豎井的研究多集中于常規尺寸或大直徑，大深度[9–11]，對超大直徑超大深度豎井的安全研究較少。

本研究對超大直徑超深全斷面豎井開挖過程進行數值模擬，分析全斷面豎井開挖時的圍巖擾動規律，探明豎井井壁敏感區域的圍巖變形模式以及對支護結構的影響。研究成果可為超大直徑豎井施工中井壁圍巖穩定性控制及設計提供指導。

1 工程概況

向家壩灌區北總干渠豎井為盾構接收井，此外還作為貓兒沱倒虹吸隧道的出水口，屬于永久結構，如圖1所示。豎井段采用整體明挖順做的方式施工，即分段開挖初支到底。井口標高356m，井底標高242.5m，圓形結構外徑為22.4m，襯砌完成后內徑18m，接收豎井襯砌成型后內徑18m。豎井直徑超大、深度超深，在國內水工結構豎井中十分罕見。

圖1 豎井結構布置圖

圖2 豎井數值模型

2 數值模型及參數

為了驗證豎井開挖的安全性，選用有限差分軟件FLAC3D 對豎井的開挖過程進行數值模擬計算，研究超深超大豎井開挖過程中圍巖和支護狀態。地層的信息根據勘測報告給出的地層參數進行設定。

巖體、混凝土支護結構等均采用實體單元模擬，其中巖體采用 Mohr-Coulomb 本構，支護結構采用彈性（Elastic）本構。

支護結構中鋼拱架、鋼筋網和龍骨筋等結構通過如式1 計算混凝土的等效彈性模量。

具體參數如表2：

表1 鋼拱架噴射混凝土層參數

表2 錨桿參數

錨桿采用(Cable)單元模擬，具體參數如表3：

為研究軟弱地層大直徑深豎井開挖的圍巖穩定性，需根據現場實際施工環節進行模擬。

3 計算結果與分析

豎井建造過程中井壁圍巖的徑向變形是評價圍巖穩定性的重要指標之一。圖3（a）為開挖階段豎井圍巖徑向變形圖，圍巖徑向變形最大發生在豎井中下部，變形模式為向井內收縮，發生在泥質粉砂巖層中。沿豎井水平距離0D、D/4、D/2、3D/4、D 處設置監測點，如圖3(b)。

圖3（a）距離與徑向變形

圖4 豎井開挖變形位移云圖

圖5為開挖時塑性區范圍，粉色區域為塑性開展區域。可以看出，從埋深60m 以下的地層開始，圍巖開始進入塑性階段，出現松動區和塑性區。

圖5 塑性區分布

如圖6，錨桿的變形自上而下總體呈現先增大后減小的變化規律，且錨桿總體來看處于受拉狀態，最大變形為1.02cm，最大軸力53kN，最大拉應力109.1MPa 小于桿體的設計屈服強度。豎井開挖設計方案滿足安全性的要求。

圖6 初支變形及內力狀態

4 討論

通過模擬，分析了豎井直徑與施工進尺對圍巖支護體系力學狀態的直接影響。

4.1 豎井直徑對圍巖穩定性的影響

為研究數據直徑對施工安全及圍巖應力應變的影響，建立不同洞徑下豎井模型進行對比模擬，如圖7。開挖洞徑變大對圍巖變形起到增大作用，同一部位的變形量明顯增加，對地層的影響范圍擴大；此外，大洞徑開挖更容易加劇敏感地層的變形。圖8 為塑性區分布情況，粉色區域為塑性開展區域。塑性開展區域主要集中在豎井底部，其他區域的塑性區開展范圍較小。0.5D 時，塑性區開展深度2m，0.75D 時，塑性區開展深度將近5m。在超大洞徑豎井開挖時，應對塑性區域易開展地段加強監控采取必要措施。

圖7 不同洞徑下開挖變形云圖

圖8 不同洞徑豎井開挖塑性區分布圖

4.2 循環進尺對穩定性的影響

根據實際情況進尺設置為1m、2m、3m、5m、6m進行對比模擬。如圖9，在長進尺的施工情況下，圍巖影響寬度更大，擾動范圍更廣。原因在于由于開挖巖體范圍增大，對地層的擾動體積也越大，尤其是在深度方向上。因此，根據位移顯著增大區域采取針對性措施，確保豎井安全。

圖9 圍巖位移云圖

圖10為塑性區分布。在較大進尺開挖情況下，塑性區開展呈區域分布，當進尺較小時，塑性區分布比較分散，呈零星點狀分布，對軟弱地層的擾動明顯降低。在進尺3m 時，塑性區發展半徑有9.8m；在進尺2m 時，塑性區發展半徑僅有5.6m。因此，隨著進尺的增大，由于更大的施工擾動而擴大了圍巖塑性區范圍。

圖10 不同開挖進尺下塑性區分布

5 結論

通過FLAC3D 數值模擬軟件對超大直徑深豎井的開挖施工以及支護進行模擬，得到以下結論：

（1）通過深大豎井的開挖分析，圍巖軟弱地層易破壞，在施工時應注意支護和監測。

（2）豎井直徑對豎井的變形影響效果顯著，直徑增長使軟弱地層更容易產生塑性區。在豎井設計時針對大直徑豎井應對支護適當加強。

（3）開挖進尺減小會降低對地層的擾動。應綜合考慮施工安全和經濟以確定合適的開挖進尺。