深部豎井TBM掘進(jìn)開挖支護(hù)變形研究

白青波

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300143)

隨著對(duì)礦產(chǎn)資源開采強(qiáng)度的加大，國(guó)內(nèi)外煤礦、石油等均進(jìn)入了深部開采階段，豎井的開挖與支護(hù)是其工程建設(shè)中常見的技術(shù)難題，在工程地質(zhì)勘察基礎(chǔ)上進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)類比設(shè)計(jì)[1-4]，是解決該類技術(shù)問題的常用方式之一。深部巖體高地應(yīng)力、高地溫和高滲透壓的地質(zhì)環(huán)境，導(dǎo)致深部巖體結(jié)構(gòu)特征、力學(xué)行為和工程響應(yīng)與淺部巖體有較大區(qū)別[5]。TBM掘進(jìn)技術(shù)采用邊掘進(jìn)邊支護(hù)的作業(yè)方式[6]，通過對(duì)其開挖支護(hù)過程進(jìn)行模擬，分析豎井圍巖的受力和變形特點(diǎn)，彌補(bǔ)經(jīng)驗(yàn)類比設(shè)計(jì)的不足，為工程提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

結(jié)合青海省某豎井開挖項(xiàng)目可行性研究，提出深長(zhǎng)豎井TBM掘進(jìn)襯砌支護(hù)應(yīng)力應(yīng)變分析的等效有限元模型。針對(duì)不同圍巖條件，運(yùn)用FLAC3D數(shù)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(jí)、水平地應(yīng)力系數(shù)、襯砌作用、錨桿作用對(duì)圍巖變形的影響模型。根據(jù)模擬結(jié)果判斷深井開挖后襯砌支護(hù)效果，分析添加錨桿的支護(hù)作用。最終得出不同圍巖下最佳的深井開挖支護(hù)方案，以供深長(zhǎng)豎井設(shè)計(jì)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(duì)于深長(zhǎng)豎井，全尺寸有限元模型單元數(shù)目龐大，會(huì)耗費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間。為了保證局部分析的精度，提出深長(zhǎng)豎井分析的等效有限元分析模型，如圖1所示。

根據(jù)深部巖體高地應(yīng)力和水平應(yīng)力高于垂直應(yīng)力的特點(diǎn)，可以將深部巖體的地應(yīng)力設(shè)為常數(shù)，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(yīng)力值和垂直應(yīng)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(yīng)，只提取中部巖體的位移，即只提取高程在10～20 m區(qū)域的水平位移，用于數(shù)據(jù)分析。

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

圖2 深長(zhǎng)豎井襯砌支護(hù)等效模型

圖3 深長(zhǎng)豎井錨桿襯砌支護(hù)等效模型

2 材料參數(shù)

對(duì)不同等級(jí)圍巖進(jìn)行敏感性分析，各級(jí)圍巖參數(shù)[8]如表1所示。圍巖用實(shí)體單元模擬。

表1 圍巖材料參數(shù)

襯砌墻用板單元模擬，錨桿用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿單元模擬，參數(shù)見表2。

表2 混凝土襯砌及錨桿支護(hù)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 無(wú)支護(hù)條件下水平地應(yīng)力系數(shù)K0影響分析

深部巖體的水平應(yīng)力往往大于豎直應(yīng)力[8]。水平地應(yīng)力系數(shù)K0為1、1.5和2時(shí)井壁水平位移模擬結(jié)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(wú)支護(hù)條件下，圍巖的水平位移隨著水平地應(yīng)力系數(shù)的增加而增大；對(duì)于Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)圍巖，水平位移均小于2 cm，在無(wú)支護(hù)條件下即可滿足設(shè)計(jì)要求；對(duì)于Ⅲ級(jí)圍巖，當(dāng)K0=2時(shí)無(wú)支護(hù)條件下的最大變形接近5 cm；對(duì)于Ⅳ級(jí)圍巖，無(wú)支護(hù)條件下圍巖變形較大，不能滿足設(shè)計(jì)要求，必須進(jìn)行支護(hù)；對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖，無(wú)支護(hù)條件下即使水平地應(yīng)力較低，圍巖也會(huì)發(fā)生破壞。

3.2 混凝土襯砌支護(hù)效果分析

在K0=2條件下進(jìn)行襯砌支護(hù)效果驗(yàn)算?？紤]兩種不同標(biāo)號(hào)混凝土襯砌支護(hù)(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(duì)混凝土抗壓能力進(jìn)行驗(yàn)算。驗(yàn)算模型見圖5。設(shè)置單位長(zhǎng)度1 m的模型，均布?jí)毫代表圍巖對(duì)襯砌的壓力，經(jīng)過積分計(jì)算得截面1-1上的壓應(yīng)力為12.5p。鋼筋采用HRB400(抗壓設(shè)計(jì)值為360 MPa)，不同配筋率下的混凝土襯砌抗壓強(qiáng)度pf見表5。

圖5 圍巖均布?jí)毫ο乱r砌驗(yàn)算模型

由表4和表5可知，對(duì)于Ⅲ級(jí)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(wěn)定，可以達(dá)到支護(hù)效果；對(duì)于Ⅳ級(jí)圍巖，采用C40混凝土襯砌支護(hù)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(hù)要求；對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖，混凝土襯砌支護(hù)后，襯砌壓力超過壓力的允許值，不滿足支護(hù)要求。

表5 混凝土襯砌壓力允許值pf MPa

對(duì)于Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖，需要采用更加有效的支護(hù)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(hù)效果分析

對(duì)于Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖，應(yīng)考慮襯砌與錨桿共同支護(hù)。數(shù)值模擬等效模型見圖3。在K0=2條件下，進(jìn)行支護(hù)效果驗(yàn)算。

表6 錨桿支護(hù)下井壁位移與壓力

從表6的計(jì)算結(jié)果看，錨桿支護(hù)后，井壁水平位移略有減少，但相差不大。表明增加錨桿支護(hù)后，襯砌的壓力沒有減少。

根據(jù)文獻(xiàn)資料[9-11]和工程實(shí)踐，錨桿的自身強(qiáng)度對(duì)整體結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)有限，其主要作用為在施工中起到及時(shí)加固，防止塌落，加強(qiáng)節(jié)理巖體的整體性，提高巖體的成拱效應(yīng)和自支撐能力(提高c、φ值)等。

3.4 預(yù)留變形的襯砌支護(hù)方案

TBM一般采用邊掘進(jìn)邊支護(hù)的方式，一般不考慮巖體的成拱效應(yīng)，不能發(fā)揮巖體的自支撐能力。對(duì)于淺層隧道和豎井來說，襯砌剛度是足夠的。

對(duì)于深部隧道和豎井，全斷面掘進(jìn)開挖斷面形狀為圓形，受力狀態(tài)較好且無(wú)應(yīng)力集中，應(yīng)該允許巖體發(fā)生有限變形，這樣能夠釋放圍巖的部分應(yīng)力，可大大降低襯砌的應(yīng)力水平[12-15]。具體作法為：TBM掘進(jìn)時(shí)超開挖ΔR，即圍巖與襯砌之間預(yù)留變形量，在鋼筋混凝土襯砌外敷設(shè)油氈或橡膠等軟質(zhì)防水材料，然后進(jìn)行支護(hù)。

數(shù)值模擬中，取水平地應(yīng)力系數(shù)K0=2，考慮軟質(zhì)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(jì)算結(jié)果見表7。

表7 允許圍巖有效變形條件下襯砌壓力及變形

?、艏?jí)圍巖預(yù)留變形為10 cm的數(shù)值模擬過程進(jìn)行分析。圖6(a)為記錄點(diǎn)的水平位移，圖6(b)為記錄點(diǎn)處圍巖水平應(yīng)力變化。

圖6 記錄點(diǎn)水平應(yīng)力及變形

圖6中，(1)階段表示第一部分巖體開挖后對(duì)中部巖體的影響，圍巖應(yīng)力釋放，并產(chǎn)生了水平位移；(2)階段表示第二部分巖體開挖，記錄點(diǎn)的水平應(yīng)力完全釋放，位移歸零；(3)階段表示圍巖在預(yù)留空間內(nèi)的變形，記錄點(diǎn)的水平應(yīng)力幾乎為零，水平位移發(fā)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(hù)后整體結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，襯砌產(chǎn)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(shù)值模擬結(jié)果表明，Ⅳ圍巖支護(hù)預(yù)留變形量為10 cm時(shí)，襯砌受壓9.4 MPa，變形為1.5 cm，達(dá)到支護(hù)要求；Ⅴ圍巖支護(hù)時(shí)預(yù)留變形量為20 cm時(shí)，襯砌受壓8.1 MPa，變形為1.5 cm，達(dá)到支護(hù)要求。

4 不同圍巖支護(hù)方案

4.1 不同等級(jí)圍巖掘進(jìn)支護(hù)方案選取

(1)Ⅰ、Ⅱ級(jí)圍巖穩(wěn)定性很強(qiáng)，在無(wú)支護(hù)條下的井壁水平位移小于2 cm，采用C15混凝土襯砌支護(hù)即可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

(2)Ⅲ級(jí)圍巖穩(wěn)定性較好，在無(wú)支護(hù)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(hù)，襯砌的變形和承受壓力均較小，滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖自身穩(wěn)定性較差，開挖后若立即采用襯砌約束圍巖變形，會(huì)造成襯砌承受較大的圍巖壓力而發(fā)生壓縮變形甚至破壞。通過數(shù)值模擬得出，采取超開挖并給圍巖預(yù)留變形空間的措施可以有效地釋放圍巖應(yīng)力，降低襯砌承受的壓力，減少襯砌水平向位移。在實(shí)際工程中，應(yīng)針對(duì)圍巖的力學(xué)性質(zhì)而設(shè)計(jì)相應(yīng)的預(yù)留變形。

4.2 支護(hù)方案驗(yàn)證

對(duì)于Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ級(jí)圍巖，其穩(wěn)定性較強(qiáng)，直接采用預(yù)制襯砌支護(hù)是合理的。Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖自身穩(wěn)定性較差，其支護(hù)技術(shù)困難且復(fù)雜，以下總結(jié)部分實(shí)際工程在Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖中采用的支護(hù)技術(shù)。

對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖預(yù)留變形量，在《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[16]中有規(guī)定，即結(jié)合實(shí)際埋置深度、施工方法和支護(hù)情況等，預(yù)留量參考值為80～120 mm。

陳衛(wèi)忠[17]在研究宜巴高速公路埋深1 000 m左右的高地應(yīng)力軟巖(Ⅴ級(jí)圍巖)隧道時(shí)，指出采用30 cm的預(yù)留變形量可以使變形量控制在50 mm以內(nèi)，滿足隧道長(zhǎng)期安全運(yùn)營(yíng)的要求。

趙東平[18]在調(diào)研鄭西客運(yùn)專線中的大斷面隧道支護(hù)變形時(shí)，通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析得出，Ⅳ級(jí)圍巖預(yù)留變形量取10 cm時(shí)的保證率為97.39%，Ⅴ級(jí)圍巖預(yù)留變形量為25 cm時(shí)的保證率為83.13%。

張民慶[19]在研究高地應(yīng)力軟巖隧道釋放時(shí)，提出采用約束平衡法來控制變形并釋放圍巖應(yīng)力，經(jīng)過蘭渝鐵路現(xiàn)場(chǎng)施工的驗(yàn)證，得出的預(yù)留變形量為20～15 cm。

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