基于Midas GTS的大直徑豎井開挖支護三維模擬分析

李 鵬

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110003)

由于超長隧洞施工戰(zhàn)線長，出渣、材料運輸工程量特別大，加上洞內(nèi)的通風(fēng)需要，豎井工程已經(jīng)成為超長隧洞工程中常用的配套工程之一。但是由于豎井通常需要設(shè)置在合適的位置才能使其功能最大化，根據(jù)隧洞有效通風(fēng)長度和運輸量的需求，通常將豎井布置在隧洞的中間區(qū)域，往往此區(qū)域恰好是山體高處，豎井深度與直徑也隨之增大。因此超深大直徑豎井的開挖支護設(shè)計參數(shù)確定及施工方法的選擇成為隧洞工程中一個重要問題。本文結(jié)合地質(zhì)條件，運用Midas GTS有限元數(shù)值模擬軟件對豎井開挖支護全過程進行模擬分析。計算圍巖變形、開挖及支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化情況，為最終確定開挖支護設(shè)計參數(shù)提供依據(jù)。

1 工程概況

“引綽濟遼”工程是解決內(nèi)蒙古自治區(qū)水資源分布不均、平衡全省水資源分布的一項國家重大水利工程項目。本工程從綽爾河引水至西遼河，一頭連著興安盟，一頭連著通遼市。供水范圍涉及11個工業(yè)園區(qū)，兼具灌溉、發(fā)電等作用。本工程為大(1)型I等工程，引水線路總長390.26km。其中引水隧道全長173.76km，PCCP管線全長203.83km。本工程施工七標(biāo)6號輸水隧洞位于內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟突泉縣，隧洞起點T95+723.61，終點T112+238.45，長為16.52km。為了滿足主洞開挖支護期間出渣、材料運輸和通風(fēng)需求，在T95+747.22處增加一處臨時豎井。該處井口距主洞底部約35m，新增豎井采用矩型斷面，斷面尺寸為8m×6m(長×寬)，豎井與主洞之間設(shè)置長為20m的橫通道，橫通道尺寸為6m×7.4m(寬×高)。

1.1 工程地質(zhì)

6號上游主洞控制段T95+723.61～T96+372，該段洞室埋深32.0～82.0m，洞身多在強風(fēng)化巖層中穿過，局部穿越弱風(fēng)化地層，地下水高出洞頂18～26m，巖體完整性屬于較破碎-較完整，弱風(fēng)化凝灰?guī)r飽和抗壓強度32.0～69.1MPa，弱風(fēng)化凝灰砂礫巖飽和抗壓強度19.5～37.4MPa。

1.2 水文地質(zhì)

6號上游主洞主要通過潛水含水體，根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，采用裘布依理論公式可預(yù)測隧洞正常涌水量。計算表明T95+723.61～T96+073.61段涌水量為5623m3/d。

2 豎井開挖支護設(shè)計

2.1 設(shè)計參數(shù)

新增豎井采用矩型斷面，斷面尺寸為8m×6m(長×寬)。豎井施工分井口段和井身段。井口段為C30鋼筋混凝土，井壁設(shè)Φ22砂漿錨桿，井身段Φ8鋼筋掛網(wǎng)，格柵鋼架間距為50、30cm，噴射C25混凝土厚度30cm。豎井具體支護參數(shù)見表1。

表1 施工豎井支護結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)表

2.2 豎井施工

2.2.1開挖

井身每循環(huán)進尺0.5m，馬頭門拱頂部位為加密段0.3m。井身采用機械配合人工開挖(視地質(zhì)情況采用爆破開挖)，一次開挖半環(huán)，用提升井架出土。

2.2.2支護

豎井的支護自上而下分段進行，每段長度為每榀鋼架間距，半環(huán)支護一次。當(dāng)鎖口圈拆模后，先進行砂漿錨桿施工，后開挖深度達每榀鋼架間距時，掛鋼筋網(wǎng)，安裝格柵鋼架，并按設(shè)計要求用C22鋼筋將鋼架連接成整體后噴射C25早強混凝土至厚度為30cm，初期支護封閉成環(huán)，然后進行下一循環(huán)施工。

3 豎井開挖支護模型的建立

3.1 巖土材料模型數(shù)值計算分析

3.1.1彈塑性模型假定

一般來說，巖土材料在外力作用下的物理力學(xué)性質(zhì)可視為彈塑性，并根據(jù)彈塑性理論進行研究。當(dāng)材料受到較小外力作用時，發(fā)生的變形在卸荷后可完全恢復(fù)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系服從線性規(guī)律。當(dāng)應(yīng)力超過一定限度后，卸荷后部分變形可以恢復(fù)，稱為彈性變形；部分不能恢復(fù)，稱為塑性變形。本次對豎井開挖支護過程進行數(shù)值模擬，主要涉及的巖土材料為圍巖土體和噴射混凝土，其中圍巖采用理想彈塑性材料處理，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系如圖1所示，噴射混凝土采用彈性變形處理。

圖1 巖土材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

3.1.2屈服準(zhǔn)則

屈服準(zhǔn)則是材料在外力作用下開始進入屈服的條件，也稱塑性條件。對于理想的彈塑性材料，開始塑性變形即代表其進入屈服狀態(tài)，也意味著它開始破壞，其屈服準(zhǔn)則也就是破壞準(zhǔn)則。材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下的質(zhì)點進入塑性狀態(tài)，并使塑性變形繼續(xù)進行，遵循特定的屈服準(zhǔn)則函數(shù)，常用的屈服準(zhǔn)則主要有：德魯克—普拉各屈服準(zhǔn)則、摩爾—庫侖屈服準(zhǔn)則、馮·米塞斯屈服準(zhǔn)則、辛克維奇—潘迪屈服準(zhǔn)則、屈斯加屈服準(zhǔn)則。

本次模型建立依據(jù)德魯克—普拉各屈服準(zhǔn)則。它是在馮·米塞斯準(zhǔn)則基礎(chǔ)上，考慮靜水壓力對巖土的應(yīng)力作用和過程中材料體積的變化。德魯克—普拉各準(zhǔn)則適用于巖體、混凝土等，符合本次模型建立的需要，其函數(shù)表達式為：

(1)

(2)

(3)

3.2 豎井力學(xué)形態(tài)數(shù)值模擬

3.2.1三維建模

本次建模運用Midas GTS三維有限元分析軟件，依據(jù)上節(jié)巖土材料模型假定理論，將圍巖土體建立成三維數(shù)值模型。土體選擇3D實體單元，噴射混凝土選擇2D梁單元，錨桿選擇1D植入式桁架單元。

邊界條件的確定對分析結(jié)果影響較大，為盡量減少邊界條件對分析結(jié)果的影響，按照如下原則進行建模：徑向取豎井內(nèi)徑的14倍，即84m×112m，垂直方向向下取到井底高程往下5m，厚度40m。下邊界為豎向約束，上邊界為自由約束，土體外邊界為徑向約束。本次三維建模如圖2所示。

圖2 豎井開挖支護網(wǎng)格劃分

3.2.2圍巖土體及支護結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

結(jié)合Midas GTS軟件自身的數(shù)值模擬功能和實際采用的開挖支護設(shè)計參數(shù)，為了更合理的模擬整個施工過程，將模型按如下原則進行簡化。

(1)土體采用修正摩爾-庫倫模型，其他材料采用彈性模型。

(2)由于土體計算厚度僅為40m，本次建模初始應(yīng)力場僅考慮土體的自重應(yīng)力，不考慮構(gòu)造應(yīng)力的作用。

(3)圍巖土體材料采用理想彈塑性處理，選取地勘資料中的平均值作為本次分析的參數(shù)。

(4)根據(jù)現(xiàn)有地勘資料，以不利原則為前提選取土體為3層，第一層為風(fēng)化土，厚度為3.0m；第二層為風(fēng)化巖，厚度為8.0m；第三層為軟巖，厚度為29m。

(5)支護結(jié)構(gòu)中的鋼筋網(wǎng)按照等效原則將鋼筋的彈性模量折算到噴射混凝土之中，其等效計算方法為：

(4)

式中，E—折算后混凝土等效彈性模量；E0—素混凝土彈性模量；Sg—鋼筋的橫截面積；Eg—鋼筋的彈性模量；Sc—混凝土的截面積。

依據(jù)上述原則，并結(jié)合現(xiàn)有地勘資料，選取巖土層及支護結(jié)構(gòu)的計算參數(shù)，具體取值見表2—3。

表2 巖土層物理力學(xué)參數(shù)表

表3 支護結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

4 豎井開挖支護施工過程模擬

井身每循環(huán)進尺0.5m。井身采用機械配合人工開挖(視地質(zhì)情況采用爆破開挖)，一次開挖半環(huán)，用提升井架出土。豎井的支護自上而下分段進行，每段長度為每榀鋼架間距，半環(huán)支護一次。當(dāng)鎖口圈拆模后，先進行砂漿錨桿施工，后開挖深度達每榀鋼架間距時，掛鋼筋網(wǎng)，安裝格柵鋼架，并按設(shè)計要求用C22鋼筋將鋼架連接成整體后噴射C25早強混凝土至厚度為30cm，初期支護封閉成環(huán)，然后進行下一循環(huán)施工。

本次豎井施工過程模擬的循序為：①每循環(huán)豎井開挖0.5m；②緊跟豎井開挖，打錨桿；③掛網(wǎng)、架設(shè)鋼格柵架噴射混凝土；④進行下一個循環(huán)，共70個循環(huán)。

5 豎井開挖及初期支護模擬結(jié)果分析

依據(jù)前文的理論建立好三維模型后，首先將初始地應(yīng)力平衡后位移清零，僅保留各層土體物理力學(xué)參數(shù)，目的是將分析結(jié)果所得的變形為豎井開挖支護施工過程中發(fā)生的變形量絕對值。按照設(shè)定好的施工流程進行分析計算，當(dāng)豎井全部開挖支護完成時，豎井的位移變形、土體應(yīng)力均為最大值，所以本次分析取最不利情況進行分析，即對豎井開挖支護完成后狀態(tài)進行分析。

5.1 位移分析

豎井井身位移模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 豎井開挖支護總位移軸測圖(單位：m)

由計算結(jié)果可以看出豎井開挖支護完成后，井身位移最大值為4.49mm，井底位移最大值為1.78mm，Ⅴ類圍巖埋深小于50m，隧洞允許的相對收斂值為0.12%，則本豎井Ⅴ類圍巖變形允許值為8.64mm，豎井位移均小于允許值，滿足要求。

5.2 圍巖應(yīng)力分析

豎井開挖支護完成后，圍巖土體應(yīng)力模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 土體應(yīng)力正視圖(單位：kN/m2)

由計算結(jié)果可以看出豎井開挖支護完成后，圍巖土體應(yīng)力最大值為1053.3kN/m2。噴射混凝土強度等級為C25，軸心抗壓強度設(shè)計值為11900kN/m2，同時也小于地勘資料中圍巖抗壓強度最小值19.5MPa(19500kN/m2)，滿足要求。

5.3 豎井支護受力分析

錨桿軸力模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 錨桿軸力圖(單位：kN)

錨桿所受軸力最大值為26.35kN，取V類圍巖地層與錨固體黏結(jié)強度特征值200kPa，計算得錨桿錨固長度為1.9m，設(shè)計錨固長度為3.5m，滿足要求，Φ22鋼筋抗拉強度設(shè)計值為136.78kN>26.35kN，錨桿抗拉強度滿足設(shè)計要求。

5.4 模擬分析小結(jié)

通過對豎井開挖支護全過程進行三維模擬分析，分別對位移、土體應(yīng)力、支護結(jié)構(gòu)受力3個方面模擬結(jié)果進行分析整理，結(jié)果表明本豎井工程開挖及支護是安全穩(wěn)定的。

6 結(jié)語

(1)運用巖土工程分析軟件Midas GTS可以快捷有效地對豎井開挖支護的全過程進行數(shù)值模擬，可將任意施工階段的應(yīng)力、應(yīng)變情況通過彩色云圖進行展示，并給出產(chǎn)生最大位移和最大應(yīng)力的部位。

(2)本文旨在通過工程實例，演示Midas GTS軟件在豎井施工三維數(shù)值模擬分析中的應(yīng)用，為類似大直徑豎井工程提供一種確定設(shè)計參數(shù)的方法。由于巖土工程的復(fù)雜性和不確定性，在實際施工過程中，仍應(yīng)結(jié)合相似工程經(jīng)驗并加強現(xiàn)場位移監(jiān)測，保證施工安全。