軟弱地層超大直徑倒虹吸豎井全斷面開(kāi)挖工法優(yōu)化研究

鄭紅亮

（中鐵十二局集團(tuán)第七工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410118）

近年來(lái)，豎井作為進(jìn)入地下空間的通道，已廣泛應(yīng)用在交通、水利、礦山等領(lǐng)域。同時(shí)，受到復(fù)雜地質(zhì)條件的影響，導(dǎo)致豎井施工過(guò)程中極易發(fā)生工程事故造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，開(kāi)展復(fù)雜地質(zhì)與敏感環(huán)境下的豎井施工技術(shù)研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在豎井安全施工和設(shè)計(jì)方面，馮東林[1]針對(duì)超大直徑豎井掘進(jìn)機(jī)施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)圍巖應(yīng)力受開(kāi)挖深度、圍巖條件和離刀盤(pán)開(kāi)挖面的距離影響。魏福貴[2]針對(duì)大井深豎井研究發(fā)現(xiàn)有松動(dòng)圈情況下井壁位移隨豎井深度增加呈冪函數(shù)變化。駱曉鋒[3]等對(duì)圍巖的穩(wěn)定安全性的預(yù)測(cè)為豎井信息化設(shè)計(jì)提供了參考。李超[4]等對(duì)豎井掘進(jìn)過(guò)程模擬發(fā)現(xiàn)，隨著開(kāi)挖深度增加，圍巖破壞模式從壓剪破壞向剪切滑移破壞轉(zhuǎn)化。冷希喬[5]等發(fā)現(xiàn)圍巖級(jí)別比豎井深度對(duì)圍巖徑向位移的影響更明顯。殷有泉[6]等通過(guò)理論研究認(rèn)為豎井圍巖的不穩(wěn)定不僅受?chē)鷰r力學(xué)特性影響，還取決于豎井開(kāi)挖過(guò)程對(duì)應(yīng)的平衡路徑曲線的類(lèi)型。孫闖[7]等通過(guò)計(jì)算圍巖－支護(hù)關(guān)系曲線，確定圍巖位移釋放量。周舒威[8]等研究發(fā)現(xiàn)支護(hù)厚度的增加有利于圍巖應(yīng)力更均勻。但以往針對(duì)豎井的研究多集中于常規(guī)尺寸或大直徑，大深度[9–11]，對(duì)超大直徑超大深度豎井的安全研究較少。

本研究對(duì)超大直徑超深全斷面豎井開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析全斷面豎井開(kāi)挖時(shí)的圍巖擾動(dòng)規(guī)律，探明豎井井壁敏感區(qū)域的圍巖變形模式以及對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。研究成果可為超大直徑豎井施工中井壁圍巖穩(wěn)定性控制及設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 工程概況

向家壩灌區(qū)北總干渠豎井為盾構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(kāi)挖初支到底。井口標(biāo)高356m，井底標(biāo)高242.5m，圓形結(jié)構(gòu)外徑為22.4m，襯砌完成后內(nèi)徑18m，接收豎井襯砌成型后內(nèi)徑18m。豎井直徑超大、深度超深，在國(guó)內(nèi)水工結(jié)構(gòu)豎井中十分罕見(jiàn)。

圖1 豎井結(jié)構(gòu)布置圖

圖2 豎井?dāng)?shù)值模型

2 數(shù)值模型及參數(shù)

為了驗(yàn)證豎井開(kāi)挖的安全性，選用有限差分軟件FLAC3D 對(duì)豎井的開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，研究超深超大豎井開(kāi)挖過(guò)程中圍巖和支護(hù)狀態(tài)。地層的信息根據(jù)勘測(cè)報(bào)告給出的地層參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

巖體、混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)等均采用實(shí)體單元模擬，其中巖體采用 Mohr-Coulomb 本構(gòu)，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用彈性（Elastic）本構(gòu)。

支護(hù)結(jié)構(gòu)中鋼拱架、鋼筋網(wǎng)和龍骨筋等結(jié)構(gòu)通過(guò)如式1 計(jì)算混凝土的等效彈性模量。

具體參數(shù)如表2：

表1 鋼拱架?chē)娚浠炷翆訁?shù)

表2 錨桿參數(shù)

錨桿采用(Cable)單元模擬，具體參數(shù)如表3：

為研究軟弱地層大直徑深豎井開(kāi)挖的圍巖穩(wěn)定性，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工環(huán)節(jié)進(jìn)行模擬。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

豎井建造過(guò)程中井壁圍巖的徑向變形是評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一。圖3（a）為開(kāi)挖階段豎井圍巖徑向變形圖，圍巖徑向變形最大發(fā)生在豎井中下部，變形模式為向井內(nèi)收縮，發(fā)生在泥質(zhì)粉砂巖層中。沿豎井水平距離0D、D/4、D/2、3D/4、D 處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖3(b)。

圖3（a）距離與徑向變形

圖4 豎井開(kāi)挖變形位移云圖

圖5為開(kāi)挖時(shí)塑性區(qū)范圍，粉色區(qū)域?yàn)樗苄蚤_(kāi)展區(qū)域。可以看出，從埋深60m 以下的地層開(kāi)始，圍巖開(kāi)始進(jìn)入塑性階段，出現(xiàn)松動(dòng)區(qū)和塑性區(qū)。

圖5 塑性區(qū)分布

如圖6，錨桿的變形自上而下總體呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，且錨桿總體來(lái)看處于受拉狀態(tài)，最大變形為1.02cm，最大軸力53kN，最大拉應(yīng)力109.1MPa 小于桿體的設(shè)計(jì)屈服強(qiáng)度。豎井開(kāi)挖設(shè)計(jì)方案滿足安全性的要求。

圖6 初支變形及內(nèi)力狀態(tài)

4 討論

通過(guò)模擬，分析了豎井直徑與施工進(jìn)尺對(duì)圍巖支護(hù)體系力學(xué)狀態(tài)的直接影響。

4.1 豎井直徑對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響

為研究數(shù)據(jù)直徑對(duì)施工安全及圍巖應(yīng)力應(yīng)變的影響，建立不同洞徑下豎井模型進(jìn)行對(duì)比模擬，如圖7。開(kāi)挖洞徑變大對(duì)圍巖變形起到增大作用，同一部位的變形量明顯增加，對(duì)地層的影響范圍擴(kuò)大；此外，大洞徑開(kāi)挖更容易加劇敏感地層的變形。圖8 為塑性區(qū)分布情況，粉色區(qū)域?yàn)樗苄蚤_(kāi)展區(qū)域。塑性開(kāi)展區(qū)域主要集中在豎井底部，其他區(qū)域的塑性區(qū)開(kāi)展范圍較小。0.5D 時(shí)，塑性區(qū)開(kāi)展深度2m，0.75D 時(shí)，塑性區(qū)開(kāi)展深度將近5m。在超大洞徑豎井開(kāi)挖時(shí)，應(yīng)對(duì)塑性區(qū)域易開(kāi)展地段加強(qiáng)監(jiān)控采取必要措施。

圖7 不同洞徑下開(kāi)挖變形云圖

圖8 不同洞徑豎井開(kāi)挖塑性區(qū)分布圖

4.2 循環(huán)進(jìn)尺對(duì)穩(wěn)定性的影響

根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)尺設(shè)置為1m、2m、3m、5m、6m進(jìn)行對(duì)比模擬。如圖9，在長(zhǎng)進(jìn)尺的施工情況下，圍巖影響寬度更大，擾動(dòng)范圍更廣。原因在于由于開(kāi)挖巖體范圍增大，對(duì)地層的擾動(dòng)體積也越大，尤其是在深度方向上。因此，根據(jù)位移顯著增大區(qū)域采取針對(duì)性措施，確保豎井安全。

圖9 圍巖位移云圖

圖10為塑性區(qū)分布。在較大進(jìn)尺開(kāi)挖情況下，塑性區(qū)開(kāi)展呈區(qū)域分布，當(dāng)進(jìn)尺較小時(shí)，塑性區(qū)分布比較分散，呈零星點(diǎn)狀分布，對(duì)軟弱地層的擾動(dòng)明顯降低。在進(jìn)尺3m 時(shí)，塑性區(qū)發(fā)展半徑有9.8m；在進(jìn)尺2m 時(shí)，塑性區(qū)發(fā)展半徑僅有5.6m。因此，隨著進(jìn)尺的增大，由于更大的施工擾動(dòng)而擴(kuò)大了圍巖塑性區(qū)范圍。

圖10 不同開(kāi)挖進(jìn)尺下塑性區(qū)分布

5 結(jié)論

通過(guò)FLAC3D 數(shù)值模擬軟件對(duì)超大直徑深豎井的開(kāi)挖施工以及支護(hù)進(jìn)行模擬，得到以下結(jié)論：

（1）通過(guò)深大豎井的開(kāi)挖分析，圍巖軟弱地層易破壞，在施工時(shí)應(yīng)注意支護(hù)和監(jiān)測(cè)。

（2）豎井直徑對(duì)豎井的變形影響效果顯著，直徑增長(zhǎng)使軟弱地層更容易產(chǎn)生塑性區(qū)。在豎井設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)大直徑豎井應(yīng)對(duì)支護(hù)適當(dāng)加強(qiáng)。

（3）開(kāi)挖進(jìn)尺減小會(huì)降低對(duì)地層的擾動(dòng)。應(yīng)綜合考慮施工安全和經(jīng)濟(jì)以確定合適的開(kāi)挖進(jìn)尺。