不同施工方法在軟弱圍巖豎井中適應(yīng)性研究

張 乾，吳 冬

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

1 工程背景

隨著我國(guó)西部交通事業(yè)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的隧道通風(fēng)豎井需在復(fù)雜地質(zhì)條件下修建，針對(duì)豎井的施工方法有大量學(xué)者進(jìn)行了研究，代鑫[1]等通過(guò)有限元模擬分析了豎井結(jié)構(gòu)受力規(guī)律與模式；姚亞輝[2]等通過(guò)對(duì)豎井開(kāi)挖過(guò)程數(shù)值模擬，得到了井壁變形規(guī)律，并提出在地層分界處應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)；吳迪[3]利用ANSYS對(duì)不同工況下豎井開(kāi)挖進(jìn)行模擬，分析了豎井圍巖的穩(wěn)定性；畢思文[4]等對(duì)煤礦豎井結(jié)構(gòu)破壞因素進(jìn)行探討，得到其破壞機(jī)理；周榮[5]以大坪里隧道3#豎井施工實(shí)例，對(duì)施工過(guò)程中圍巖位移及應(yīng)力進(jìn)行了分析；齊小勇[6]對(duì)秦嶺終南山隧道通風(fēng)豎井進(jìn)行施工過(guò)程模擬，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性與可行性進(jìn)行了分析。

借鑒前人大量的有益成果，本文以某公路隧道的通風(fēng)豎井為研究背景，豎井全長(zhǎng)314.5 m，內(nèi)徑7 m，內(nèi)空斷面積36.64 m2，全段為Ⅴ級(jí)圍巖，巖性主要為中微風(fēng)化板巖，以薄層狀結(jié)構(gòu)為主，層間結(jié)合較差，巖體破碎，無(wú)支護(hù)時(shí)圍巖易坍塌。擬通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)該豎井在修建期間的施工方法進(jìn)行分析，探討不同施工方案下襯砌的受力變形，圍巖位移及塑性區(qū)分布情況。

2 數(shù)值模型建立

2.1 計(jì)算模型建立

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，充分考慮邊界效應(yīng)，計(jì)算模型長(zhǎng)和寬均為100 m，高60 m；同時(shí)為保證計(jì)算精度并降低計(jì)算量，本次計(jì)算采用1/4對(duì)稱(chēng)模型，且對(duì)豎井開(kāi)挖及相鄰區(qū)域10 m×10 m范圍內(nèi)網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，疏密網(wǎng)格單元尺寸比例為1∶2，接觸面采用Attach命令連接，網(wǎng)格剖分見(jiàn)圖1所示。根據(jù)軸對(duì)稱(chēng)模型特點(diǎn)，模型對(duì)稱(chēng)面上施加法向位移約束，模型頂面及側(cè)面施加應(yīng)力約束，模型底部施加豎向位移約束，如圖2所示。同時(shí)為簡(jiǎn)化計(jì)算，選取研究段埋深為-100～-160 m，本次計(jì)算模型劃分單元6.48萬(wàn)個(gè)，節(jié)點(diǎn)71 105個(gè)，計(jì)算采用摩爾庫(kù)倫模型。依據(jù)提供的地應(yīng)力測(cè)試報(bào)告，豎井受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力影響嚴(yán)重，最大水平應(yīng)力方向在N8 °W方向，模擬近似簡(jiǎn)化取X方向，詳見(jiàn)圖2。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

圖2 計(jì)算邊界條件

2.2 計(jì)算參數(shù)的確定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探獲取巖樣室內(nèi)試驗(yàn)并結(jié)合JTG D70-2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]確定的巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

模擬段支護(hù)參數(shù)為：初次支護(hù)采用噴射厚22 cmC25混凝土，Φ22藥卷錨桿長(zhǎng)2.5 m、0.6 m×1.2 m布置，Φ6.5 mm鋼筋網(wǎng)，I16@0.8 m鋼架，采用shell單元模擬；二次襯砌采用模筑厚50 cm C30混凝土(表2)。

表2 支護(hù)力學(xué)參數(shù)

對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖支護(hù)為鋼拱架?chē)婂^聯(lián)合支護(hù)，采用將鋼拱架和鋼筋網(wǎng)的彈性模量折算給混凝土，其計(jì)算方法為：

式中：Ec為折算后混凝土彈性模量；E0為原混凝土彈性模量；As為鋼拱架截面積；Es為鋼材彈模；Ac為混凝土面積。

2.3 模擬施工方案

為探討不同施工方法在軟弱地層中修建豎井的適應(yīng)性問(wèn)題，采用有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行施工過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬。模擬施工方案均采用正井法施工，根據(jù)初支與二襯的施作順序，分為全井單行作業(yè)法、長(zhǎng)段平行作業(yè)法、短段單行作業(yè)法，具體工序見(jiàn)表3所示。

表3 模擬施工方案表

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 圍巖位移分析

為避免模型端部影響，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置在模型中部(-30 m)圍巖內(nèi)，數(shù)值模擬中一次開(kāi)挖進(jìn)尺為4 m，初次支護(hù)與二次支護(hù)一次施作也為4 m，故監(jiān)測(cè)點(diǎn)在開(kāi)挖至-28 m前為支護(hù)前的位移釋放，對(duì)應(yīng)支護(hù)前圍巖應(yīng)力釋放程度。在開(kāi)挖至-32 m后，根據(jù)初支和二襯的施作順序的不同，產(chǎn)生的位移量也不相同，如圖3所示。

圖3 -30m監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨開(kāi)挖深度位移

從圖3 中可以看出，在短段單行作業(yè)中初支與二襯一起施作，緊跟工作面，圍巖位移主要發(fā)生在施加支護(hù)前，為4.48 cm，占總體位移98 %，施加襯砌后僅發(fā)生0.09 cm位移，可見(jiàn)施加襯砌后圍巖的位移得到有效控制。

在長(zhǎng)段平行作業(yè)中初次支護(hù)緊跟工作面，因采用雙吊盤(pán)作業(yè)，為保障施工便利性，要求施工間距大于30 m，故選取二次襯砌滯后初支32 m，此施工方法在豎井開(kāi)挖后及時(shí)施作初次支護(hù)，保證圍巖完整性，同時(shí)初次支護(hù)作為柔性支護(hù)，允許圍巖發(fā)生一定位移，產(chǎn)生一定的應(yīng)力釋放后施作二次支護(hù)，施加初支前產(chǎn)生5.08 cm，占總體位移37.3 %，在施加初支后至施加二襯前發(fā)生8.38 cm，占比62 %，初支與二襯共同作用后產(chǎn)生0.014 cm位移。說(shuō)明在支護(hù)的前期雖有一定的應(yīng)力釋放，但初支并未對(duì)圍巖位移產(chǎn)生有效的約束，在施加二襯后才有效控制住圍巖位移。

在全井單行作業(yè)中初支仍緊跟工作面一直施作到井底，后續(xù)反井進(jìn)行二襯澆筑，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移走勢(shì)與長(zhǎng)段平行作業(yè)相似，但大于其位移。在初支施加前發(fā)生5.7 cm，占總體位移40 %，施加后直到圍巖位移穩(wěn)定，產(chǎn)生8.42 cm，占比60 %，圍巖應(yīng)力釋放與最終位移均大于長(zhǎng)段平行作業(yè)法，二襯施作晚，圍巖未能得到及時(shí)約束。

對(duì)比三種開(kāi)挖方法，采用短段單行作業(yè)的圍巖位移釋放率最大，其產(chǎn)生的最終位移最小，長(zhǎng)段平行與全井單行圍巖位移釋放率與最終位移都相接近，并發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的位移釋放主要集中在開(kāi)挖的前兩步，約占總釋放位移的90 %。

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

除去模型端部的影響，記錄初次支護(hù)與二次襯砌在埋深(-114～-152 m)范圍內(nèi)的最大主應(yīng)力，如圖4 所示。從受力大小與變化規(guī)律上分析三種施工方法，發(fā)現(xiàn)采用短段單行作業(yè)法的初支受力最小，二襯受力最大，初支強(qiáng)度未得到充分利用，這是由于初支與二襯同步施作，初期圍巖應(yīng)力釋放小，后期受力主要由二襯承擔(dān)，為強(qiáng)支護(hù)方案；全井單行作業(yè)法的初支受力最大，二襯受力最小，前期采用初支來(lái)抵抗圍巖變形，后期二襯受力很小，主要作為安全儲(chǔ)備，但在現(xiàn)定的支護(hù)參數(shù)下，初支強(qiáng)度明顯無(wú)法對(duì)圍巖位移進(jìn)行有效約束；而長(zhǎng)段平行作業(yè)法的初支與二襯受力大小介于前兩者施工方法之間，初支和二襯均發(fā)揮承載作用，但仍存在圍巖位移釋放過(guò)大的問(wèn)題，證明初支強(qiáng)度與二襯間的施作間隔仍需進(jìn)一步優(yōu)化。從支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力上看，長(zhǎng)段平行與全井單行法初支受力較大，并未有效約束圍巖位移，短段單行作業(yè)雖二襯受力大，但在安全范圍內(nèi)，并對(duì)圍巖進(jìn)行及時(shí)約束。

圖4 不同方案下初支與二襯受力變化

3.3 塑性區(qū)分布狀態(tài)

通過(guò)比較不同施工方法下開(kāi)挖第十三步的塑性區(qū)狀態(tài)(圖5)，發(fā)現(xiàn)圍巖塑性區(qū)主要以剪切型為主，整體成錐體分布，短段單行作業(yè)法形成的塑性區(qū)范圍最小，長(zhǎng)段平行作業(yè)與全井單行作業(yè)形成的塑性區(qū)范圍最大且兩者十分相近。由于初次支護(hù)與二次襯砌施加的時(shí)機(jī)不同，豎井圍巖剪切塑性區(qū)的具體狀態(tài)也不同，短段單行作業(yè)形成已經(jīng)發(fā)生剪切破壞塑性區(qū)(Shear-p)由井口至二襯施加位置，正在發(fā)生剪切破壞的塑性區(qū)(Shear-n)在施加二襯位置至開(kāi)挖面底部4.5 m左右；長(zhǎng)段平行作業(yè)Shear-p狀態(tài)塑性區(qū)由井口至二襯施加位置，Shear-n狀態(tài)塑性區(qū)在施加二襯位置至開(kāi)挖面底部8 m左右；全井單行作業(yè)Shear-n狀態(tài)塑性區(qū)由井口至開(kāi)挖面底部8 m左右；可以看出二襯施加后塑性區(qū)由Shear-n轉(zhuǎn)化為Shear-p，短段單行形成的Shear-n段最小，長(zhǎng)段平行次之，全井單行最大。對(duì)比塑性區(qū)的分布范圍和具體狀態(tài)，得出短段單行作業(yè)法對(duì)圍巖控制要好于長(zhǎng)段平行與全井單行作業(yè)法。

圖5 各方案開(kāi)挖第十三步塑性區(qū)狀態(tài)

4 結(jié)論

通過(guò)從圍巖位移、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和圍巖塑性區(qū)分布情況，對(duì)比分析三種施工方法在軟弱地層中修建豎井的適應(yīng)性，得到以下結(jié)論：

(1) 在軟弱地層中，采用已定的支護(hù)參數(shù)下短段單行作業(yè)法產(chǎn)生的圍巖位移要明顯小于長(zhǎng)段平行與全井單行作業(yè)法，且圍巖產(chǎn)生的位移主要集中在開(kāi)挖前后兩個(gè)循環(huán)。

(2)在支護(hù)結(jié)構(gòu)受力中，短段單行和全井單行作業(yè)中初支或二襯的強(qiáng)度未充分利用，長(zhǎng)段平行作業(yè)中初支與二襯的受力相比其它工法更加合理，但其支護(hù)強(qiáng)度與施作時(shí)機(jī)仍需進(jìn)一步討論。

(3) 在開(kāi)挖形成的椎體塑性區(qū)，短段單行形成的塑性區(qū)范圍最小，長(zhǎng)段平行與全井單行形成的塑性區(qū)范圍相近，但正在發(fā)生剪切破壞的塑性區(qū)范圍不同。

(4) 綜合比選下，短段單行作業(yè)法相比其余兩種工法在軟弱地層中修建豎井具有明顯優(yōu)勢(shì)，該計(jì)算分析可為現(xiàn)場(chǎng)后續(xù)施工或其它類(lèi)似工程提供參考借鑒。