深大豎井施工圍巖穩(wěn)定性分析

馬兆偉

【摘 要】?文章結(jié)合某隧道2#通風(fēng)豎井施工項(xiàng)目，采用數(shù)值模擬的方法，分析了豎井開挖對(duì)圍巖支護(hù)的穩(wěn)定性影響。結(jié)果表明： 隨著豎井的開挖襯砌壓應(yīng)力和位移量都隨著豎井的開挖逐漸增大，最大壓應(yīng)力為3.97 kPa、最大位移量為1.8 mm。但是當(dāng)開挖深度增加到一定深度后，即開挖到第120步（開挖深度為360 m）時(shí)豎井襯砌的最大壓應(yīng)力和最大位移量的增加速率開始逐漸減小最終趨于穩(wěn)定，此階段應(yīng)該著重增加施工質(zhì)量和注意安全保護(hù)。

【關(guān)鍵詞】公路隧道; 豎井開挖; 穩(wěn)定性; 數(shù)值模擬

隨著我國(guó)特長(zhǎng)公路隧道的迅猛發(fā)展，公路隧道通風(fēng)豎井不僅在隧道施工中作為施工的輔助通道而且成井時(shí)則會(huì)作為隧道通風(fēng)輔以隧道的通風(fēng)換氣作用，在地下資源的開發(fā)中也起到至關(guān)重要的作用。通風(fēng)井的設(shè)計(jì)依然是現(xiàn)在諸多學(xué)者研究的一門課題之一。但豎井襯砌支護(hù)的合理性以及安全性關(guān)系到施工的質(zhì)量以及風(fēng)井的運(yùn)作能力。而現(xiàn)在豎井施工所遇到的開挖深度大、復(fù)雜程度高等新的諸多問題隨之而來(lái)，對(duì)于施工作業(yè)造成極大的挑戰(zhàn)性，因此確有必要對(duì)超大深豎井在開挖過(guò)程中襯砌支護(hù)所受到的應(yīng)力狀態(tài)以及位移進(jìn)行深層次的探討。

本文利用有限元分析軟件結(jié)合某特長(zhǎng)隧道通風(fēng)豎井項(xiàng)目，研究通風(fēng)井開挖過(guò)程中對(duì)豎井襯砌支護(hù)的影響，對(duì)豎井襯砌狀態(tài)進(jìn)行分析以確保深大豎井工程的施工安全及質(zhì)量得以保障。研究結(jié)果為今后類似工程分析提供參考方法。

1 工程概況

某特長(zhǎng)高速公路隧道左線長(zhǎng)15 483 m、右線長(zhǎng)15 560 m，為特長(zhǎng)公路隧道，隧道總體走向近南北向。根據(jù)施工圖紙2#豎井設(shè)計(jì)凈直徑均為8.5 m，井深560 m豎井采用機(jī)械化配套自上而下正井法施工，主要用于隧道后期運(yùn)營(yíng)中的送氣通風(fēng)和改善隧道內(nèi)空氣質(zhì)量。豎井橫斷面如圖1所示。

依據(jù)工程勘察資料和地質(zhì)條件：洞深0～40 m段為Ⅴ級(jí)圍巖，地層巖性主要為強(qiáng)風(fēng)化中粗粒黑云母花崗巖，少量中風(fēng)化巖。強(qiáng)風(fēng)化巖巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造大部分破壞，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體呈碎裂結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)較軟，巖體破碎，自穩(wěn)能力差，無(wú)支護(hù)時(shí)側(cè)壁易失穩(wěn);洞深 40～296 m段為Ⅳ級(jí)圍巖，主要為中風(fēng)化、少量微風(fēng)化中粗粒黑云母花崗巖。節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖體較破碎，自穩(wěn)能力較差，無(wú)支護(hù)時(shí)側(cè)壁可能產(chǎn)生掉塊;洞深 296～560 m段為Ⅲ級(jí)圍巖，主要為微風(fēng)化中粗粒黑云母花崗巖。節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖質(zhì)較硬，巖體較完整，自穩(wěn)能力較好，無(wú)支護(hù)時(shí)側(cè)壁基本穩(wěn)定。詳細(xì)巖體材料及支護(hù)情況見表1和表2。

2 模型的建立

本次施工采用正井法施工從上向下進(jìn)行每3 m開挖與支護(hù)交替進(jìn)行，Ⅴ級(jí)圍巖錨桿的環(huán)縱間距為100 cm×75 cm，Ⅳ級(jí)圍巖錨桿的環(huán)縱間距為100 cm×80 cm，Ⅲ級(jí)圍巖錨桿的環(huán)縱間距為120 cm×120 cm?？稍O(shè)隧道開挖過(guò)程中所穿越地層材料均為各向同性，巖層初始應(yīng)力場(chǎng)只考慮自重。邊界條件為巖層底部和四個(gè)巖層側(cè)向約束。生成網(wǎng)格為75 635個(gè)網(wǎng)格。巖層采用摩爾庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則;初期支護(hù)材料采用彈性本構(gòu)，二次襯砌作為安全儲(chǔ)備本次不作考慮;錨桿采用植入式桁架來(lái)模擬。具體模型建立情況如圖2、圖3所示。

3 施工模擬結(jié)果分析

在豎井開挖深度為120 m、240 m、360 m、480 m、560 m這5個(gè)開挖深度對(duì)應(yīng)的施工步為40、80、120、160、187步進(jìn)行各個(gè)單元的初襯位移計(jì)算結(jié)果分析（圖4）。由以下分析可知：初期豎井開挖襯砌的位移量隨著開挖深度的增加而增加，開挖至第120施工步時(shí)及豎井深度360 m時(shí)豎井襯砌位移有所減緩直至豎井開挖結(jié)束將趨于穩(wěn)定狀態(tài)。從豎井開挖至豎井開挖完成五個(gè)施工步累計(jì)位移量分別為0.622 36 mm、1.352 mm、1.755 mm、1.785 6 mm、1.785 68 mm且總體位移值偏小最大位移值約為1.7～1.8 mm小于規(guī)定的允許值。

在豎井開挖的施工步為40、80、120、160、187步進(jìn)行初襯最大主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析（圖5）?？芍撼跗谪Q井開挖襯砌的前80步豎井開挖最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在開挖掌子面，從第120步至開挖完成最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在襯砌中間位置。最大壓應(yīng)力隨著開挖深度的增加而增加，從豎井開挖至豎井開挖完成五個(gè)施工步最大壓應(yīng)力分別為1.25 kPa、 3.10 kPa、3.971 1 kPa、3.971 26 kPa、3.971 29 kPa。豎井襯砌最大壓應(yīng)力隨豎井開挖逐漸增大，開挖120步至開挖結(jié)束最大壓應(yīng)力將趨于穩(wěn)定狀態(tài)。且最大壓應(yīng)力值為3.97 kPa小于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著深大豎井的開挖，支護(hù)均勻受壓，豎井橫向位移和最大壓應(yīng)力均隨著豎井的開挖而逐步增大，最大位移值為1.8 mm，最大壓應(yīng)力為 3.97 kPa;開挖到一定深度后豎井襯砌最大位移以及最大壓應(yīng)力增加速率逐漸減小。由上述分析可知隨著深大豎井開挖從第120步及井深360 m至豎井開挖完成，此階段內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的相應(yīng)保護(hù)以及提高施工的安全質(zhì)量。

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