冉華,段興明,魏通,尹定鵬
(1.云南交投公路建設(shè)第一工程有限公司,昆明 650034;2.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院,重慶 400074)
公路隧道豎井的開挖方式可以分成正井法和反井法,二者的區(qū)別在于是否開挖一定直徑的導(dǎo)井,同時(shí)兩者比選的前提條件是豎井下部的主隧道是否已經(jīng)建成。正井法是從井口位置從上往下全斷面開挖,在井口位置設(shè)置井架和提升設(shè)備用于升降多層操作平臺(tái)供施工人員和儀器設(shè)備進(jìn)出,同時(shí)進(jìn)行出渣和排水。對于較深的豎井而言,正井法工期較長,排水不便,出渣效率低,儀器設(shè)備使用復(fù)雜繁瑣且工作量增加,成井較慢,施工期間安全性較差,存在安全隱患。反井法則利用已開挖好的導(dǎo)井出渣,施工及出渣效率高,儀器設(shè)備使用便利,對周邊環(huán)境影響較小,節(jié)約成本。在豎井反井法施工的整個(gè)過程中,出渣孔的穩(wěn)定性尤為重要,期間一旦發(fā)生出渣孔失穩(wěn)破壞、塌陷堵孔等問題,將會(huì)對整個(gè)豎井工程帶來較大影響,故針對豎井反井法的施工研究是很有必要的。
目前針對豎井反井法的研究成果有很多。趙順義等[1]結(jié)合杭州市紫之隧道工程土建第Ⅱ標(biāo)段1#豎井與2#豎井工程,對豎井爆破開挖、支護(hù)施工等進(jìn)行了優(yōu)化。孫臣生[2]依托山西省五臺(tái)山—盂縣高速公路藏山隧道豎井工程,通過對比正井法和反井法施工,得出反井法施工具有占地較少、環(huán)境影響較小的優(yōu)點(diǎn)。楊繼華等[3]研究了厄瓜多爾科卡科多辛克雷(Coca Codo Sinclair, CCS)水電站超深豎井工程,分析了反井法施工中存在的問題,分析成因,同時(shí)提出相應(yīng)解決方案。程守業(yè)[4]以敦格鐵路當(dāng)金山隧道豎井為例,對反井法進(jìn)行改進(jìn),提出反井法施工中的導(dǎo)向孔偏斜控制措施。陳光明等[5]結(jié)合3座特長公路隧道斜井、豎井的施工方案比選,表明反井法施工能夠節(jié)約勞動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)成本。于見水等[6]對反井鉆機(jī)偏斜機(jī)理進(jìn)行分析,對類似的工程具有指導(dǎo)意義。苗棟等[7]對CCS水電站2#豎井坍塌事故進(jìn)行分析,分析事故原因,并得出解決方案及相應(yīng)的加固措施。李忠[8]以福州京臺(tái)高速公路牛巖山隧道豎井工程為例,發(fā)現(xiàn)反井法能夠避免常規(guī)降挖法和爬升機(jī)工法的不足,在保證施工安全的前提下提升工程效率和質(zhì)量。王彬彬[9]以通省隧道2#通風(fēng)深豎井為研究對象,對豎井反井法施工中的導(dǎo)向孔糾偏控制以及反井法反向擴(kuò)孔和程序轉(zhuǎn)換進(jìn)行了說明。王春玲[10]對反井鉆機(jī)法在豎井施工中的應(yīng)用進(jìn)行研究,對不良地質(zhì)下的鉆孔施工情況下的解決措施進(jìn)行了闡述。
以上研究分別是針對正井法和反井法的方案比選、反井法施工優(yōu)勢及優(yōu)化、反井法施工中存在的問題、導(dǎo)向孔糾偏控制以及豎井坍塌的解決措施,但是針對豎井出渣孔的孔徑選擇及其穩(wěn)定性研究較少,由于云南省墨江至臨滄高速公路泰和隧道豎井是深豎井,能否采用無支護(hù)的出渣孔及其孔徑的選取,設(shè)計(jì)和施工不能確定,因此有必要對泰和隧道豎井工程出渣孔孔徑選取及其穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究。
云南省墨江至臨滄高速公路泰和隧道左幅和右幅正常運(yùn)營工況采用全射流縱向通風(fēng)方式,消防排煙工況采用豎井分段排煙方式,于隧道右線K203+408兩幅隧道正中間設(shè)置一座排煙豎井,豎井中心坐標(biāo)(x=511 166.983 2,y=2 644 853.358 0),設(shè)計(jì)內(nèi)輪廓直徑5.0 m,設(shè)計(jì)深度279.55 m,豎井內(nèi)徑5.0 m。
根據(jù)地勘報(bào)告提供的成果,將豎井圍巖劃分為Ⅴ1、Ⅳ3、Ⅳ2圍巖級別,豎井深0~20 m段為Ⅴ1級圍巖,占7%;豎井深20~50 m段為Ⅳ3級圍巖,占11%;豎井深50~279.55 m段為IV2級圍巖,占82%。
本豎井井身段采用鉆機(jī)反井正向擴(kuò)挖法施工,先用天井鉆機(jī)在井位中心從上到下鉆導(dǎo)向孔,直達(dá)聯(lián)絡(luò)通道頂,待井下聯(lián)絡(luò)通道與豎井貫通后,在隧道中拆除鉆頭,換成擴(kuò)孔刀頭,由下而上,擴(kuò)成一定直徑的天井(出渣孔)與聯(lián)絡(luò)通道連通,最后再用鉆爆法從上往下擴(kuò)挖到設(shè)計(jì)尺寸,炮渣直落井底,裝載機(jī)裝渣,自卸汽車運(yùn)送至棄渣場棄渣。
豎井井架提升結(jié)構(gòu)、人員設(shè)施上下吊桶分別如圖1、圖2所示。根據(jù)《泰和隧道工程工程地質(zhì)勘察報(bào)告》提供的勘察實(shí)測數(shù)據(jù)和《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3370.1—2018)提供的相應(yīng)參考值,并考慮到水、斷層和裂隙等不良地質(zhì)情況做了相應(yīng)折減到70%后進(jìn)行綜合確定。計(jì)算參數(shù)如表1所示。
圖1 井架提升結(jié)構(gòu)
圖2 人員設(shè)施上下吊桶
表1 巖土力學(xué)參數(shù)
隧道豎井出渣孔深長細(xì)直,其孔徑的選擇應(yīng)當(dāng)考慮多方面因素。結(jié)合圍巖地質(zhì)情況以及工程實(shí)際需求,選定合理經(jīng)濟(jì)的出渣孔孔徑十分必要。出渣孔直徑過大,雖然利于出渣,但是無支護(hù)出渣孔自身穩(wěn)定存在問題;出渣孔直徑過小,能夠使無支護(hù)出渣孔自身穩(wěn)定,但是出渣的效率會(huì)大大減小。針對出渣孔不同直徑進(jìn)行分析研究,選取出渣孔直徑分別為1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 m共計(jì)6種工況進(jìn)行對比分析,如表2所示。
表2 不同直徑出渣孔分析工況
對于完整、均勻、堅(jiān)硬的巖體,在分析圍巖的應(yīng)力和位移或者評定圍巖的穩(wěn)定性時(shí),可以采用彈性力學(xué)的方法。對于成層的和節(jié)理發(fā)育的巖體,如果層理或節(jié)理等不連續(xù)面的間距與所研究的問題的尺寸相對較小時(shí),則連續(xù)化假定和彈性力學(xué)的方法仍然適用。
塑性區(qū)圍巖徑向應(yīng)力的計(jì)算公式為
(1)
塑性區(qū)圍巖切向應(yīng)力的計(jì)算公式為
(2)
塑性區(qū)半徑的計(jì)算公式為
(3)
(4)
式中:μ為巖土體的泊松比;c、φ分別為巖土體的黏聚力、內(nèi)摩擦角;r為任一點(diǎn)半徑;r0為圓洞半徑;γi為分層巖土體重度i=1,2,…,n;Hi為分層巖土體高度,i=1,2,…,n;P為水平應(yīng)力,P=3 426.56 kN/m2;Pi為支護(hù)抗力,由于本計(jì)算是考慮無支護(hù)的出渣孔的圍巖壓力與變形的情況,故Pi=0。
進(jìn)而式(1)~式(3)修改如下。
徑向應(yīng)力的計(jì)算公式為
(5)
切向應(yīng)力的計(jì)算公式為
(6)
塑性區(qū)半徑的計(jì)算公式為
(7)
塑性區(qū)域內(nèi)的徑向位移的計(jì)算公式為
(8)
式(8)中:σz為初始應(yīng)力場。
松動(dòng)區(qū)是指塑性圈內(nèi)圈應(yīng)力低于初始應(yīng)力的區(qū)域,松動(dòng)區(qū)半徑的表達(dá)式為
(9)
經(jīng)過理論分析計(jì)算,得出不同直徑下豎井圍巖徑向、切向應(yīng)力隨著遠(yuǎn)離中心點(diǎn)的變化情況,以及圍巖最大水平位移、塑性區(qū)半徑隨著不同直徑的變化情況。塑性區(qū)徑向應(yīng)力隨r變化規(guī)律如圖3所示,塑性區(qū)切向應(yīng)力隨r變化規(guī)律如圖4所示,水平位移隨r變化規(guī)律如圖5所示,塑性區(qū)半徑變化如圖6所示。
圖3 理論分析塑性區(qū)徑向應(yīng)力隨半徑變化規(guī)律
圖4 理論分析塑性區(qū)切向應(yīng)力隨半徑變化規(guī)律
圖5 理論分析水平位移隨半徑變化規(guī)律
圖6 理論分析塑性區(qū)半徑變化
徑向應(yīng)力隨r變化規(guī)律如圖3所示,可以看出,不同孔徑下,半徑為1/2孔徑處的徑向應(yīng)力為0,隨著所求點(diǎn)半徑的增大,徑向應(yīng)力逐漸增大,當(dāng)r達(dá)到塑性區(qū)半徑時(shí),徑向正應(yīng)力為1.196 MPa。
切向應(yīng)力隨r變化規(guī)律如圖4所示,可以看出,不同孔徑下,半徑為1/2孔徑處的切向正應(yīng)力為1.804 MPa,隨著所求點(diǎn)半徑的增大,切向應(yīng)力逐漸增大,當(dāng)r達(dá)到塑性區(qū)半徑時(shí),切向正應(yīng)力為5.696 MPa。
水平位移隨r變化規(guī)律如圖5所示,隨著出渣孔直徑的增大,圍巖最大水平位移增大;出渣孔直徑由1.0 m增加到2.0 m時(shí),圍巖的最大水平位移相應(yīng)的由3.437 mm增大到6.874 mm。
塑性區(qū)半徑隨出渣孔直徑變化規(guī)律如圖6所示,塑性區(qū)半徑隨著出渣孔直徑的增大而增大,出渣孔直徑由1.0 m增加到2.0 m時(shí),塑性區(qū)半徑相應(yīng)的由0.75 m增大到1.5 m。
利用大型有限元軟件ANSYS建立有限元數(shù)值模型進(jìn)行模擬分析時(shí),均采用PLANE42單元,模擬時(shí)設(shè)置為軸對稱單元。模型計(jì)算范圍為長×高=130 m×279 m,左側(cè)豎井開挖單元總寬度為出渣孔的半徑。荷載僅考慮自重;巖土層采用彈塑性材料,本構(gòu)模型采用服從D-P準(zhǔn)則的彈塑性模型;假定巖層為水平分層,根據(jù)地質(zhì)圖,各巖層的厚度根據(jù)不利原則取不利巖層的最大厚度;有限元分析過程中的巖土體全部為均質(zhì)連續(xù)體,忽略實(shí)際巖體中的節(jié)理裂隙問題;X軸方向的兩側(cè)邊界約束X方向位移,底部邊界約束Y方向位移,上部邊界為自由面。有限元計(jì)算模型中劃分的單元網(wǎng)格數(shù)量為9 782。模型具體物理參數(shù)取值如表1所示。最終網(wǎng)格劃分如圖7、圖8所示。
圖7 有限元網(wǎng)格模型
圖8 有限元網(wǎng)格模型巖層
由于篇幅所限,僅給出直徑1.4 m出渣孔情況下的數(shù)值分析結(jié)果。
2.3.1 出渣孔圍巖應(yīng)力結(jié)果分析
直徑1.4 m出渣孔工況下的圍巖第一主應(yīng)力如圖9、圖10所示,圍巖第三主應(yīng)力如圖11、圖12所示,圍巖塑性區(qū)如圖13所示。不同工況下數(shù)值分析塑性區(qū)半徑變化如圖14所示,第三主應(yīng)力隨r變化規(guī)律如圖15所示。
圖9 圍巖第一主應(yīng)力
圖10 圍巖第一主應(yīng)力二維軸對稱擴(kuò)展圖
圖11 圍巖第三主應(yīng)力
圖12 圍巖第三主應(yīng)力二維軸對稱擴(kuò)展圖
圖13 圍巖塑性區(qū)
圖14 數(shù)值模擬塑性區(qū)半徑變化
圖15 數(shù)值模擬第三主應(yīng)力隨半徑變化規(guī)律
由以上數(shù)值模擬分析可知:①數(shù)值模擬分析塑性區(qū)半徑隨出渣孔直徑變化規(guī)律如圖14所示,塑性區(qū)半徑隨著出渣孔直徑的增大而增大,出渣孔直徑由1.0 m增加到2.0 m時(shí),塑性區(qū)半徑相應(yīng)的由1.168 m增大到1.997 m;②數(shù)值模擬分析第三主應(yīng)力隨r變化規(guī)律如圖15所示,可以看出,隨著所求點(diǎn)半徑的增大,徑向應(yīng)力逐漸增大,當(dāng)r達(dá)到塑性區(qū)半徑時(shí),第三主應(yīng)力絕對值為6.390 MPa。
2.3.2 出渣孔圍巖變形結(jié)果分析
直徑1.4 m出渣孔工況下的圍巖豎向位移如圖16、圖17所示,圍巖水平位移如圖18、圖19所示。不同工況下數(shù)值分析水平位移隨r變化規(guī)律如圖20所示。
圖16 圍巖豎向位移
圖17 圍巖豎向位移二維軸對稱擴(kuò)展圖
圖18 圍巖水平位移
圖19 圍巖水平位移二維軸對稱擴(kuò)展圖
圖20 數(shù)值模擬水平位移隨半徑變化規(guī)律
由數(shù)值模擬分析圍巖變形結(jié)果可見:①不同工況數(shù)值模擬分析水平位移隨r變化規(guī)律如圖21所示,隨著出渣孔直徑的增大,圍巖最大水平位移增大;出渣孔直徑由1.0 m增加到2.0 m時(shí),圍巖的最大水平位移相應(yīng)的由3.987 mm增大到7.474 mm;②在直徑1.4 m出渣孔開挖過程中,由于荷載釋放效應(yīng),圍巖向豎井內(nèi)部變形,導(dǎo)致周邊圍巖發(fā)生輕微的變形;③出渣孔直徑1.4 m,周邊圍巖累計(jì)最大水平位移量為5.412 mm,累計(jì)最大豎向位移量為0.631 mm,并未超過允許值,風(fēng)險(xiǎn)可控;④在開挖直徑1.4 m出渣孔施工過程中,圍巖變形可控,圍巖穩(wěn)定。
將理論分析與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析,如表3所示。
表3 理論分析與數(shù)值模擬結(jié)果對比
結(jié)合以上分析,考慮到隨著出渣孔直徑的增大,塑性區(qū)半徑以及最大水平位移均增大,出渣孔的安全孔徑不應(yīng)大于1.4 m,當(dāng)超過該孔徑時(shí),圍巖的最大水平位移以及塑性區(qū)較大,不能保證出渣孔的穩(wěn)定性;同時(shí)結(jié)合工程實(shí)際,出渣孔的直徑不宜太小,否則會(huì)影響豎井施工過程中的出渣效率,綜合考慮之后,選擇出渣孔直徑為1.4 m是合理的。
通過理論分析計(jì)算與有限元數(shù)值模擬結(jié)果對比分析,從圍巖水平位移以及塑性區(qū)半徑比較可知,表明泰和隧道豎井可采用直徑1.4 m的出渣孔,且出渣孔整體穩(wěn)定。
根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際觀察狀況,泰和隧道豎井直徑1.4 m出渣孔未發(fā)生大變形,出渣孔成孔較好,在整個(gè)施工的過程當(dāng)中沒有出現(xiàn)失穩(wěn)破壞、塌陷堵孔等問題,出渣孔整體穩(wěn)定,保證了豎井的順利施工。表明理論公式和有限元數(shù)值計(jì)算是基本準(zhǔn)確的,能夠指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。出渣孔底部如圖21所示。
圖21 出渣孔底部
(1)經(jīng)過理論分析,泰和隧道豎井直徑1.4 m出渣孔的圍巖應(yīng)力、位移數(shù)值上均處于可控范圍之內(nèi),豎井出渣孔整體穩(wěn)定;
(2)經(jīng)過有限元數(shù)值計(jì)算分析,隧道豎井直徑1.4 m出渣孔整體穩(wěn)定,可不對出渣孔進(jìn)行加固。
(3)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際觀察,隧道豎井出渣孔變形較小,未出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。