基于敏感性分析的地鐵車站矩形深通風(fēng)豎井支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

翁承顯，黃 林，史寧強(qiáng)，史作璟，靳曉光

(1.林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司，重慶 401121；2.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045)

目前城市軌道交通矩形通風(fēng)豎井的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計計算多借鑒深基坑的設(shè)計計算方法。當(dāng)前深基坑的深度多小于40 m[1-2]，而山地城市軌道交通通風(fēng)豎井的深度大于40 m的較多，有的達(dá)百米。軌道交通矩形通風(fēng)豎井的設(shè)計無論是土層還是巖體多采用了圍護(hù)樁+噴錨+橫向鋼支撐的支護(hù)措施[3-13]，圍護(hù)樁造價高，橫向鋼支撐對施工影響大。在以巖體為主的重慶等軌道交通矩形通風(fēng)豎井支護(hù)設(shè)計能否以噴錨支護(hù)為主，減少橫向鋼支撐的數(shù)量？為此，本文將對矩形深通風(fēng)豎井的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。

依托工程的矩形通風(fēng)豎井井深81.5 m，開挖長度31.76 m，寬度6.66 m。豎井采用全斷面分層開挖法施工，采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。豎井場地巖性自上而下分別為素填土、砂巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖和砂質(zhì)泥巖，厚度分別為9 m、14 m、50 m、8.5 m和98.5 m，圍巖級別為Ⅳ級。豎井支護(hù)參數(shù)如表1所示。

表1 豎井初期支護(hù)參數(shù)

1 模型的建立

依據(jù)該矩形深通風(fēng)豎井的實際尺寸，結(jié)合圣維南原理，選取長寬高分別為180 m、40 m和180 m建立數(shù)值分析模型，如圖1所示。豎井圍巖自上而下依次為素填土、砂巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖和砂質(zhì)泥巖，厚度分別為9 m、14 m、50 m、8.5 m和98.5 m。

圖1 數(shù)值分析模型

圍巖選用六面體實體單元，劃分單元41 565個，節(jié)點35 361個。荷載邊界條件只考慮由重力形成的初始應(yīng)力狀態(tài)；位移邊界條件在數(shù)值模型的四周邊緣和底面設(shè)置相應(yīng)的法向位移約束，模型上表面為自由邊界?？紤]到數(shù)值模型中無法施加單層鋼筋網(wǎng)，故采用彈性模量等效原則將噴射混凝土和鋼筋網(wǎng)的支護(hù)剛度折算為等效支護(hù)剛度，即豎井初期支護(hù)噴射混凝土的彈性模量為等效彈性模量。采用的巖土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

通風(fēng)豎井采用全斷面分層開挖，每層開挖深度為3.0 m，按逆作法施工。每層開挖完成后，進(jìn)行掛網(wǎng)噴射混凝土，厚度260 mm，并施作砂漿錨桿和工字鋼橫撐，直至開挖支護(hù)完成。豎井支護(hù)參數(shù)的組合因素水平如表3所示。

表3 單因素水平 m

2 豎井支護(hù)參數(shù)的敏感性分析

依據(jù)建立的數(shù)值模型，按照表3的單因素水平參數(shù)，通過大量的計算分析，得到不同噴射混凝土厚度、不同錨桿長度、不同錨桿間距和不同工字鋼間距下矩形通風(fēng)豎井6 m和60 m深度處豎井短邊(X方向)、豎井長邊(Y方向)指向豎井臨空側(cè)的水平位移，如表4、表5所示。

表4 豎井6 m深度處圍巖X、Y方向水平位移 mm

表5 豎井60 m深度處圍巖X、Y方向水平位移 mm

由表4、表5圍巖水平位移計算結(jié)果可知，將基準(zhǔn)參數(shù)集，即第 2級因素水平下圍巖水平位移作為計算基準(zhǔn)值，通過因素敏感性分析方法[14-15]即可得到深豎井初期支護(hù)結(jié)構(gòu)各影響因子的敏感度系數(shù)，如表6、表7所示。

表6 6 m深度處X、Y方向水平位移敏感度系數(shù)

表7 60 m深度處X、Y方向水平位移敏感度系數(shù)

分析表6、表7可知：

1)在豎井不同深度處單因素的敏感度系數(shù)計算結(jié)果表明，無論是X方向還是Y方向，豎井初期支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感性大小次序為：噴射混凝土厚度>工字鋼間距>錨桿間距>錨桿長度。

2)豎井初期支護(hù)結(jié)構(gòu)中，結(jié)合敏感度系數(shù)的物理意義可知，噴射混凝土厚度變化對豎井開挖初期圍巖穩(wěn)定性的影響最大。因此，豎井開挖后應(yīng)及時噴射初期支護(hù)混凝土封閉開挖面，并根據(jù)實際情況調(diào)整其厚度，以最大程度地控制圍巖位移的發(fā)展，保證豎井的穩(wěn)定性；其次是工字鋼，由于該豎井屬深豎井，且長寬比較大，需在豎井長邊設(shè)置工字鋼橫撐，與噴射混凝土井壁組合形成剛度較大的整體空間結(jié)構(gòu)，可較好地控制圍巖位移，并有效提高豎井工程的整體穩(wěn)定性。錨桿間距和錨桿長度變化對此豎井工程圍巖穩(wěn)定性的影響均較小。究其原因，一是豎井僅在頂部存在厚度為9 m的填土層，其下為力學(xué)性能較好的砂巖和砂質(zhì)泥巖互層，因此錨桿的支護(hù)加固效應(yīng)不明顯；二是在數(shù)值模擬中沒有考慮巖體的節(jié)理發(fā)育情況，錨桿的支護(hù)效果無法完全體現(xiàn)。

3)從豎井6 m和60 m深度處各影響因子的敏感度系數(shù)可發(fā)現(xiàn)：無論是X方向還是Y方向，6 m深度處初期支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感度系數(shù)較相應(yīng)60 m深度處的均略大，說明填土區(qū)圍巖水平位移受豎井支護(hù)參數(shù)變化的影響較砂質(zhì)泥巖層更大，這與前述結(jié)論一致。

3 豎井支護(hù)參數(shù)優(yōu)化分析

依據(jù)設(shè)計資料，在豎井上部的素填土區(qū)域設(shè)置2層工字鋼橫撐，以控制填土區(qū)圍巖變形，取消了下部工字鋼橫撐，以方便施工，減少安全隱患。初期支護(hù)優(yōu)化方案如表8所示，錨桿長度仍為4 m，入土傾角為15°。采用Midas GTS NX對取消了下部工字鋼橫撐的豎井開挖支護(hù)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并對優(yōu)化前、后的圍巖位移和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行對比分析。

表8 豎井優(yōu)化方案支護(hù)參數(shù)

3.1 位移分析

1)圍巖位移

分別提取豎井支護(hù)參數(shù)優(yōu)化前、后短邊和長邊跨中圍巖模擬計算位移數(shù)據(jù)，并與圍巖水平位移豎井變形理論計算值[16]對比，得到豎井短邊X方向、豎井長邊Y方向水平位移沿深度的變化曲線，如圖2、圖3所示。

分析圖2、圖3可知：

圖2 X方向水平位移沿深度變化曲線

圖3 Y方向水平位移沿深度變化曲線

豎井支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后，X方向水平位移最大值為8.36 mm，較優(yōu)化前的6.74 mm增大了1.62 mm，位移量增大了約24%，但總量仍符合規(guī)范中位移限值的要求；Y方向水平位移最大值為11.44 mm，較優(yōu)化前的9.26 mm增大了2.18 mm，位移量增大了約23.5%，也符合規(guī)范中位移限值的要求。

2)地表沉降和井底隆起

豎井支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后，地表沉降和井底隆起變化特征如圖4、圖5所示。由圖4可知，豎井短邊的地表最大沉降量(Z方向)為2.89 mm，較優(yōu)化前的2.51 mm增大了0.38 mm，位移量增大了約15.1%；豎井長邊的地表最大沉降量為6.19 mm，較優(yōu)化前的5.37 mm增大了0.82 mm，位移量增大了約15.3%。整體來看，豎井支護(hù)參數(shù)優(yōu)化前后地表沉降量變化不大，說明豎井圍巖情況較好，對其支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化是較合理的。

圖4 地表沉降曲線

由圖5可知，井底中心隆起位移最大值為7.53 mm，較優(yōu)化前的6.39 mm增大了1.14 mm，位移量增大了約18%,總體上井底隆起變化值較小。

圖5 井底隆起曲線

3.2 噴射混凝土內(nèi)力及彎矩

豎井支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后，噴射混凝土最小主應(yīng)力仍以拉應(yīng)力為主，在豎井中下部應(yīng)力集中較為明顯，最大值為2.50 MPa，較優(yōu)化前的2.11 MPa增大了約18.5%，拉應(yīng)力值均已超過C25混凝土的抗拉強(qiáng)度1.27 MPa。因此，在豎井施工進(jìn)行到該處時，應(yīng)通過架設(shè)型鋼鋼架、設(shè)置雙層鋼筋網(wǎng)等方式加強(qiáng)支護(hù)，避免初期支護(hù)混凝土發(fā)生受拉破壞。

豎井支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后，噴射混凝土最大主應(yīng)力仍以壓應(yīng)力為主，最大值為2.91 MPa，出現(xiàn)在豎井頂部，較優(yōu)化前的1.84 MPa增大了約58%，但仍遠(yuǎn)小于C25素混凝土的抗壓強(qiáng)度11.9 MPa，初期支護(hù)混凝土不會出現(xiàn)受壓破壞，結(jié)構(gòu)仍然是安全的。

豎井長邊跨中噴射混凝土豎向彎矩沿深度變化曲線如圖6所示。由圖6可以看出，豎井支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后，噴射混凝土仍主要在井壁內(nèi)側(cè)受拉，外側(cè)受壓。內(nèi)側(cè)最大彎矩值為350 kN·m，較優(yōu)化前的254 kN·m增大了約38%；在上部填土區(qū)域內(nèi)，初期支護(hù)存在小范圍外側(cè)受拉，其最大彎矩值為152 kN·m，較優(yōu)化前的104 kN·m增大了約46%。填土層以下彎矩變化較優(yōu)化前更平穩(wěn)，這是因為優(yōu)化后填土層以下不再設(shè)置工字鋼橫撐，局部固定端的作用減小，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力更加均勻所致。在豎井施工到相應(yīng)彎矩較大位置時，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，避免初期支護(hù)混凝土因彎矩過大而受拉發(fā)生開裂破壞。

圖6 長邊跨中豎向彎矩沿深度變化曲線

3.3 錨桿軸力

豎井支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后，錨桿變化如圖7所示。由圖7可以看出，長、短邊跨中錨桿軸力最大值仍出現(xiàn)在豎井上部素填區(qū)；長、短邊跨中錨桿軸力最大值分別為31.0 kN和26.0 kN，較優(yōu)化前分別增大了5.0 kN 和3.0 kN。整體來看，盡管錨桿軸力值較小，仍有一定的錨固作用。

(a)長邊跨中

3.4 經(jīng)濟(jì)性分析

建筑安裝工程費由直接費、間接費、利潤和稅金構(gòu)成。直接費又包括直接工程費和措施費。直接工程費包括人工費、材料費和施工機(jī)械使用費。本文僅就優(yōu)化后支護(hù)材料費進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，其估算如表9所示。優(yōu)化支護(hù)參數(shù)后可大大提高施工進(jìn)度，縮短工期，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

表9 經(jīng)濟(jì)分析估算

4 結(jié)論和建議

通過豎井支護(hù)參數(shù)對圍巖位移影響的敏感性分析，主要得到以下認(rèn)識：

1)豎井初期支護(hù)參數(shù)敏感度大小依次為：噴射混凝土厚度>工字鋼間距>錨桿間距>錨桿長度。

2)錨噴支護(hù)具備較好的靈活性、及時性、密貼性、柔性和封閉性，針對巖體豎井的支護(hù)盡量減少(或不用)橫向鋼支撐。

3)豎井支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后，圍巖位移和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力均有所增加，但仍符合規(guī)范關(guān)于位移限值及支護(hù)結(jié)構(gòu)容許應(yīng)力的要求，說明優(yōu)化方案是可行的，且具有比較明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

4)針對巖石地層矩形深豎井的圍巖壓力、支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論研究目前還比較少，研究成果的應(yīng)用還要結(jié)合工程監(jiān)測和實踐的檢驗。