復(fù)雜支護(hù)結(jié)構(gòu)軟弱地層深豎井施工過(guò)程仿真分析

濮奇浩　駱曉鋒　徐磊等

關(guān)鍵詞：軟弱地層豎井;施工仿真;支護(hù)體系;優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TV314 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.03.028

引用格式：濮奇浩，駱曉鋒，徐磊，等.復(fù)雜支護(hù)結(jié)構(gòu)軟弱地層深豎井施工過(guò)程仿真分析[J].人民黃河，2022，44（3）：144-148，159.

1引言

隨著我國(guó)水利水電建設(shè)的持續(xù)快速開(kāi)展，豎井已被廣泛應(yīng)用于取水、引水、泄洪、通排風(fēng)、調(diào)壓等工程中。在采礦、交通、國(guó)防等工程領(lǐng)域中，豎井也是一種重要的地下結(jié)構(gòu)。相較于圍巖質(zhì)量較好的豎井而言，軟弱地層條件下的豎井因圍巖強(qiáng)度與變形模量低、抵抗變形能力差而在開(kāi)挖過(guò)程中容易產(chǎn)生超限變形，甚至出現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞、圍巖失穩(wěn)坍塌[1-3]。另外，軟弱地層條件下的豎井圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)體系在施工過(guò)程中屬于變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，合理的開(kāi)挖方法和可靠的支護(hù)加固措施是軟弱地層豎井施工安全的重要保障[4-5]。

現(xiàn)階段，軟弱地層豎井的開(kāi)挖支護(hù)方案通常是在施工前通過(guò)工程類(lèi)比等定性方法預(yù)先確定的，在施工程序、支護(hù)加固方案設(shè)計(jì)過(guò)程中存在一定程度的主觀性[6]。因此，有必要在現(xiàn)場(chǎng)施工前采用以有限單元法為代表的數(shù)值分析手段開(kāi)展軟弱地層豎井施工過(guò)程仿真分析，并在此基礎(chǔ)上通過(guò)方案對(duì)比對(duì)施工程序與支護(hù)加固方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整[7]。王慧娟等[8]對(duì)溪洛渡左岸出線豎井及其井壁襯砌結(jié)構(gòu)開(kāi)展了三維非線性有限元計(jì)算，分析了豎井的應(yīng)力變形狀態(tài)并給出了豎井可能的破壞模式;徐偉等[9]通過(guò)數(shù)值分析研究了深厚覆蓋層中豎井井壁的負(fù)摩阻力成因及其分布;伍振志等[10]針對(duì)松軟地層地下工程，研究了管棚注漿的加固機(jī)理及其效果;崔廣心[11]針對(duì)深厚表土層中的豎井井壁，分析了其承受的主要荷載與潛在破裂機(jī)制;代鑫等[12]對(duì)某水電站雙豎井開(kāi)展了施工階段有限元數(shù)值模擬，對(duì)開(kāi)挖過(guò)程中的井壁應(yīng)力及井周土體變形規(guī)律進(jìn)行了分析，初步評(píng)估了豎井施工期安全性;李孟等[13]對(duì)深厚砂層中的圓形豎井開(kāi)展了施工數(shù)值模擬，側(cè)重分析了豎井圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形情況;曾祥茜等[14]對(duì)某臨庫(kù)豎井開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了滲流-應(yīng)力耦合及非耦合作用對(duì)豎井應(yīng)力變形的影響。

本文針對(duì)某抽水蓄能電站軟弱地層排風(fēng)豎井工程，建立了包括復(fù)雜支護(hù)結(jié)構(gòu)體系在內(nèi)的施工全過(guò)程仿真分析模型，進(jìn)而通過(guò)設(shè)計(jì)開(kāi)挖支護(hù)方案下豎井施工仿真分析，評(píng)價(jià)了施工期圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)力變形狀態(tài)演變過(guò)程與穩(wěn)定安全性，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)比分析不同開(kāi)挖層厚、不同襯砌施作時(shí)機(jī)條件下的軟弱地層-支護(hù)結(jié)構(gòu)體系施工期力學(xué)性態(tài)，提出了針對(duì)設(shè)計(jì)開(kāi)挖支護(hù)方案的合理調(diào)整建議。研究成果不僅可為所研究的軟弱地層深豎井工程的施工期安全控制奠定基礎(chǔ)，亦可為類(lèi)似工程的施工仿真與開(kāi)挖支護(hù)方案擬定提供技術(shù)參考。

2工程概況

為有效解決我國(guó)東南地區(qū)某大（1）型抽水蓄能電站地下廠房的排煙除塵問(wèn)題，在其通風(fēng)兼安全洞上方專門(mén)設(shè)置了一座深為240.3m的排風(fēng)豎井，豎井井口高程為490.0m，底部高程為249.7m。依據(jù)地質(zhì)資料，豎井深0～55m范圍為軟弱覆蓋層（層厚30m）及全風(fēng)化層（層厚25m），圍巖為Ⅴ類(lèi)，穩(wěn)定性差，需及時(shí)支護(hù)處理;豎井深55m以下圍巖為弱、微風(fēng)化巖（強(qiáng)風(fēng)化層缺失），成井條件好，圍巖以Ⅲ、Ⅱ類(lèi)為主，基本穩(wěn)定;地下水埋深10～15m。排風(fēng)豎井縱剖面見(jiàn)圖1。

排風(fēng)豎井上部軟弱地層井段（0～55m深）采用自上而下全斷面開(kāi)挖方法施工，開(kāi)挖直徑8.6m，襯后直徑6.8m，設(shè)計(jì)開(kāi)挖層厚2m，開(kāi)挖一層，支護(hù)一層。設(shè)計(jì)支護(hù)方案采用柔性支護(hù)與剛性支護(hù)相結(jié)合的復(fù)合式支護(hù)，其中柔性支護(hù)主要包括掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù)、超前錨桿支護(hù)、系統(tǒng)（徑向）錨桿支護(hù)等，剛性支護(hù)主要包括鋼拱架支護(hù)、鋼筋混凝土襯砌支護(hù)等。此外，為提高井周?chē)鷰r施工期穩(wěn)定安全性，在完成井口鎖口段開(kāi)挖與鎖口混凝土圈梁施工后，采取管棚注漿方式對(duì)井口以下24m一定范圍內(nèi)的井周軟弱地層進(jìn)行開(kāi)挖前的預(yù)加固處理。上述支護(hù)加固措施共同形成了該軟弱地層深豎井的復(fù)雜支護(hù)結(jié)構(gòu)體系。設(shè)計(jì)開(kāi)挖支護(hù)方案的主要參數(shù)如下：噴混凝土（C25）層厚0.3cm，混凝土（C25）襯砌厚0.6cm，超前錨桿直徑、間距、排距和長(zhǎng)度分別為25mm、1.2m、3.0m和4.5m，系統(tǒng)錨桿直徑、間距、排距和長(zhǎng)度分別為25mm、1.2m、1.2m和4.5m，管棚注漿鋼管間距、管徑和壁厚分別為0.6m、108mm和8mm，鋼拱架間距0.6m。

3計(jì)算模型與施工仿真分析

為評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)開(kāi)挖支護(hù)方案的合理性，建立了設(shè)計(jì)開(kāi)挖支護(hù)方案下軟弱地層深豎井的施工仿真三維非線性有限元模型。為避免計(jì)算模型截?cái)噙吔鐚?duì)分析結(jié)果產(chǎn)生影響，水平向自豎井中心線向四周取足夠大的計(jì)算范圍（約10倍洞徑），豎向自全風(fēng)化巖層底部向下取45m以體現(xiàn)弱風(fēng)化巖層對(duì)其上部軟弱地層的約束作用，模型頂部邊界按實(shí)際地形取至地表。

在模型建立過(guò)程中，依據(jù)實(shí)際地層分界線模擬地質(zhì)分區(qū)，并按照設(shè)計(jì)方案對(duì)主要支護(hù)加固措施進(jìn)行模擬，模型采用以8節(jié)點(diǎn)六面體等參數(shù)單元為主的空間實(shí)體單元模擬豎井工程區(qū)地層與混凝土結(jié)構(gòu)，采用桿單元模擬系統(tǒng)支護(hù)錨桿、超前錨桿與襯砌配筋，并在桿單元與實(shí)體單元之間施加位移協(xié)調(diào)約束條件。軟弱地層深豎井-支護(hù)結(jié)構(gòu)體系有限元整體網(wǎng)格共包含163732個(gè)單元、163940個(gè)節(jié)點(diǎn)?；炷林ёo(hù)結(jié)構(gòu)（噴混凝土層、鋼拱架層及鋼筋混凝土襯砌層）沿徑向剖分為9層單元，共10890個(gè)單元，支護(hù)錨桿與襯砌配筋共29370個(gè)單元。

計(jì)算分析中采用基于Drucker?Prager準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)模型描述豎井工程區(qū)各地層的受力變形特性，采用線彈性本構(gòu)模型描述錨桿、混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。此外，對(duì)于管棚注漿加固與鋼拱架支護(hù)，采用提高注漿加固范圍內(nèi)軟弱地層（水平厚度為0.7m，向深度為24m）與鋼拱架?chē)娀炷翆恿W(xué)參數(shù)的等效方式進(jìn)行模擬[15]。依據(jù)豎井工程區(qū)地質(zhì)勘查資料及設(shè)計(jì)資料，仿真分析中采用的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1（E為變形模量;μ為泊松比;c為凝聚力;φ為內(nèi)摩擦角;ρ為密度）。豎向深度為24m）與鋼拱架?chē)娀炷翆恿W(xué)參數(shù)的等效方式進(jìn)行模擬[15]。依據(jù)豎井工程區(qū)地質(zhì)勘查資料及設(shè)計(jì)資料，仿真分析中采用的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1（E為變形模量;μ為泊松比;c為凝聚力;φ為內(nèi)摩擦角;ρ為密度）。

為評(píng)價(jià)軟弱地層深豎井施工期的圍巖穩(wěn)定性與支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性，需按照所模擬方案的實(shí)際施工程序開(kāi)展仿真分析。為模擬施工前的天然狀態(tài)，首先使初始地應(yīng)力場(chǎng)平衡，然后模擬鎖口層開(kāi)挖與鎖口圈梁施工;在模擬逐層開(kāi)挖支護(hù)之前，需通過(guò)調(diào)整管棚注漿加固區(qū)域的材料力學(xué)參數(shù)模擬注漿加固效果;在此基礎(chǔ)上，依據(jù)實(shí)際開(kāi)挖支護(hù)方案，分層模擬開(kāi)挖與支護(hù)施工過(guò)程。在施工過(guò)程仿真分析中，豎井圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)體系所承受的荷載作用主要包括開(kāi)挖產(chǎn)生的不平衡力、支護(hù)結(jié)構(gòu)自重以及外水壓力等。在實(shí)際施工中，某層開(kāi)挖所產(chǎn)生的不平衡力在該層開(kāi)挖過(guò)程中及施作該層支護(hù)前已部分釋放，故施作該層支護(hù)結(jié)構(gòu)后的圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)體系僅聯(lián)合承擔(dān)該層開(kāi)挖所產(chǎn)生的部分不平衡力，而施作該層支護(hù)前后的不平衡力釋放比例則主要取決于支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作時(shí)機(jī)。為模擬上述開(kāi)挖不平衡力的作用過(guò)程，并考慮到“及時(shí)支護(hù)”的施工原則，本文將因某一層開(kāi)挖而產(chǎn)生不平衡力的30%作用于該層開(kāi)挖后支護(hù)前的圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，剩余的70%不平衡力則由完成該層支護(hù)后的圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)體系承擔(dān)[16]。對(duì)于外水壓力，依據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于襯砌外側(cè)水壓力的相關(guān)規(guī)定[17]，偏安全計(jì)，取外水壓力折減系數(shù)為0.65，計(jì)算分析中據(jù)此確定外水壓力值并以面力方式作用于噴混凝土層外側(cè)。此外，以自重應(yīng)力場(chǎng)作為初始地應(yīng)力場(chǎng)，計(jì)算模型側(cè)向邊界及底部邊界施加法向位移約束，頂部為自由邊界。

4設(shè)計(jì)開(kāi)挖支護(hù)方案下仿真結(jié)果分析

不同開(kāi)挖深度下圍巖開(kāi)挖邊界豎向特征線（見(jiàn)圖1）上的徑向、豎向位移分布曲線見(jiàn)圖2、圖3，軟弱地層深豎井開(kāi)挖支護(hù)完成后圍巖徑向位移（以指向豎井中心為負(fù)）、豎向位移（以垂直向下為負(fù)）及塑性區(qū)分布見(jiàn)圖4。

可以看出：軟弱地層豎井圍巖變形主要表現(xiàn)為徑向收縮、豎向沉降，但在下部圍巖中臨近開(kāi)挖側(cè)向邊界附近出現(xiàn)了指向井口的豎向位移;隨著開(kāi)挖深度的逐漸增大，圍巖徑向、豎向位移均呈現(xiàn)逐漸增大的變化規(guī)律，各層開(kāi)挖支護(hù)施工對(duì)其上部圍巖徑向位移的影響很小;在剛度較大的管棚注漿加固體圍護(hù)下，直至開(kāi)挖深度達(dá)到20m，圍巖徑向、豎向位移均很小;當(dāng)開(kāi)挖深度超過(guò)20m后，圍巖徑向、豎向位移快速增大（徑向位移極值為-1.87cm，豎向位移極值為-3.64cm），表明管棚注漿加固體下部軟弱地層圍巖的剛度與強(qiáng)度相對(duì)不足，建議加強(qiáng)超前支護(hù)以進(jìn)一步限制其在施工過(guò)程中的變形;高程475m以下的軟弱地層圍巖中出現(xiàn)了不同徑向開(kāi)展深度的塑性區(qū)，除局部小范圍區(qū)域（高程467～464m）外，塑性區(qū)徑向開(kāi)展深度小于1.4m，未超過(guò)系統(tǒng)錨固區(qū)邊界（系統(tǒng)錨桿徑向入巖深度為4m），圍巖的穩(wěn)定安全性基本上可以得到保證。

軟弱地層深豎井開(kāi)挖支護(hù)完成后混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)徑向、環(huán)向及豎向應(yīng)力分布見(jiàn)圖5（應(yīng)力為負(fù)代表受壓，下同）;系統(tǒng)錨桿主拉應(yīng)力、襯砌配筋主壓應(yīng)力分布見(jiàn)圖6、圖7。

可以看出：混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)環(huán)向、徑向總體處于受壓狀態(tài)，豎向則在圍巖沉降引起的豎向負(fù)摩阻力、混凝土結(jié)構(gòu)自重等綜合作用下表現(xiàn)出一定程度的受拉現(xiàn)象，環(huán)向、徑向及豎向應(yīng)力極值分別為-3.06、-0.71、3.40MPa，豎向拉應(yīng)力較大區(qū)域主要分布于高程468～447m范圍內(nèi)的混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)近圍巖側(cè)，建議采取工程措施加強(qiáng)對(duì)高程466m以下井周?chē)鷰r的超前加固處理;系統(tǒng)錨桿總體處于受拉狀態(tài)，且系統(tǒng)錨桿的拉應(yīng)力自上而下總體呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，極值為157.1MPa，小于桿體的設(shè)計(jì)屈服強(qiáng)度（335MPa），處于線彈性變形狀態(tài);襯砌配筋全部處于受壓狀態(tài)，且鋼筋應(yīng)力自上而下總體呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，壓應(yīng)力極值為-29.99MPa，處于線彈性變形狀態(tài)?？傮w而言，設(shè)計(jì)開(kāi)挖支護(hù)方案下的支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性可以得到保證。

5開(kāi)挖層厚與襯砌施作時(shí)機(jī)的影響

在設(shè)計(jì)開(kāi)挖支護(hù)方案的基礎(chǔ)上，通過(guò)減小開(kāi)挖層厚、改變鋼筋混凝土二次襯砌施作時(shí)機(jī)，擬定了2種開(kāi)挖支護(hù)比選方案（即開(kāi)挖層厚1m方案與自下而上施作二次襯砌方案），并通過(guò)對(duì)施工過(guò)程仿真模擬，分析了開(kāi)挖層厚與襯砌施作時(shí)機(jī)對(duì)圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)體系施工期力學(xué)性態(tài)的影響。

5.1開(kāi)挖層厚的影響

開(kāi)挖層厚為1m條件下，圍巖的位移分布規(guī)律與設(shè)計(jì)開(kāi)挖層厚（2m）條件下的基本一致，但徑向位移極值僅約為設(shè)計(jì)開(kāi)挖層厚條件時(shí)的69%，量值減小的原因主要在于由開(kāi)挖層厚減小所引起的在施工過(guò)程中處于無(wú)支護(hù)狀態(tài)下的軟弱地層圍巖高度（1m）減小。另外，開(kāi)挖層厚為1m條件下圍巖的塑性破壞區(qū)在豎直方向的分布更為均勻，且徑向開(kāi)展深度明顯減小，在高程467m以下約3m范圍以外，軟弱地層圍巖的塑性區(qū)徑向開(kāi)展深度均不超過(guò)0.7m，表明減小開(kāi)挖層厚并隨層支護(hù)可有效限制軟弱地層圍巖塑性區(qū)的開(kāi)展深度。此外，與設(shè)計(jì)開(kāi)挖支護(hù)方案相比，開(kāi)挖層厚為1m條件下的系統(tǒng)錨桿拉應(yīng)力有一定程度的增大，原因主要是開(kāi)挖層厚減小客觀上使得系統(tǒng)錨桿支護(hù)時(shí)機(jī)提前，極值為221.9MPa，仍處于線彈性變形階段;混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)的徑向、環(huán)向應(yīng)力有所增大，極值分別為-0.76、-3.18MPa，原因主要在于開(kāi)挖層厚的減小使得其支護(hù)時(shí)機(jī)提前。

由上述分析可知，通過(guò)減小開(kāi)挖層厚，可進(jìn)一步限制井周軟弱圍巖的徑向變形及塑性區(qū)開(kāi)展范圍;隨著開(kāi)挖層厚減小，支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，但在開(kāi)挖層厚為1m條件下仍有較大的抗壓安全裕度。綜合考慮井周軟弱地層圍巖穩(wěn)定性與支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性，建議通過(guò)減小開(kāi)挖層厚提高施工過(guò)程中井周土質(zhì)圍巖的穩(wěn)定安全性。

5.2襯砌施作時(shí)機(jī)的影響

與設(shè)計(jì)開(kāi)挖支護(hù)方案相比，在開(kāi)挖及初期支護(hù)完成后自下而上進(jìn)行軟弱地層圍巖混凝土襯砌施工的條件下，圍巖徑向位移略有增大（見(jiàn)圖8（a）），原因在于鋼筋混凝土襯砌施作時(shí)機(jī)的延后弱化了開(kāi)挖支護(hù)施工過(guò)程中井壁支護(hù)的剛度，但量值增大幅度很小，表明初期井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)亦可實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖徑向變形的有效控制;軟弱地層圍巖塑性區(qū)的分布規(guī)律與設(shè)計(jì)開(kāi)挖支護(hù)方案的類(lèi)似，塑性區(qū)徑向開(kāi)展深度與設(shè)計(jì)開(kāi)挖支護(hù)方案的基本相同（見(jiàn)圖8（b））。此外，與設(shè)計(jì)開(kāi)挖支護(hù)方案相比，混凝土初期支護(hù)結(jié)構(gòu)環(huán)向應(yīng)力增加幅度較大（極值為-6.18MPa），原因主要為混凝土二次襯砌施作時(shí)機(jī)延后導(dǎo)致了地應(yīng)力釋放過(guò)程中混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)截面面積減小。

由上述分析可知：采用軟弱地層豎井開(kāi)挖及初期支護(hù)完成后再自下而上進(jìn)行鋼筋混凝土襯砌施工的方法不會(huì)對(duì)井周軟弱地層圍巖的穩(wěn)定安全性造成明顯影響;襯砌施作時(shí)機(jī)的延后會(huì)導(dǎo)致混凝土初期支護(hù)結(jié)構(gòu)環(huán)向應(yīng)力有較大幅度的增大，但仍有較大的抗壓安全裕度;因采用自上而下逐層施作混凝土襯砌在很大程度上影響了施工進(jìn)度，故在混凝土初期支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)能力能夠得到保障的前提下，建議采用在開(kāi)挖及初期支護(hù)完成后自下而上進(jìn)行軟弱地層圍巖混凝土襯砌澆筑的施工程序。

6結(jié)論

依托某抽水蓄能電站排風(fēng)豎井工程開(kāi)展了復(fù)雜支護(hù)結(jié)構(gòu)體系下軟弱地層深豎井施工全過(guò)程仿真分析，并通過(guò)多方案對(duì)比提出了針對(duì)設(shè)計(jì)開(kāi)挖支護(hù)方案的優(yōu)化調(diào)整建議，主要研究結(jié)論如下。

（1）設(shè)計(jì)開(kāi)挖支護(hù)方案總體上可以保證軟弱地層豎井的圍巖穩(wěn)定性與支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性。

（2）管棚注漿加固體下部軟弱地層圍巖的剛度與強(qiáng)度相對(duì)不足致使該區(qū)域變形較大且出現(xiàn)塑性破壞區(qū)，并通過(guò)豎向負(fù)摩阻力作用導(dǎo)致混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)豎向受拉，建議加強(qiáng)該區(qū)域的超前支護(hù)。

（3）通過(guò)減小開(kāi)挖層厚可進(jìn)一步限制井周軟弱圍巖的徑向變形及塑性區(qū)開(kāi)展范圍，有利于提高施工過(guò)程中圍巖的穩(wěn)定性。

（4）在混凝土初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)剛度與強(qiáng)度安全得到保障的前提下，建議采用軟弱地層豎井開(kāi)挖及初期支護(hù)完成后再自下而上進(jìn)行鋼筋混凝土襯砌施工的方法，以加快豎井施工進(jìn)度。

【責(zé)任編輯 張華巖】