深大竖井施工围岩稳定性分析

马兆伟

【摘 要】 文章结合某隧道2#通风竖井施工项目，采用数值模拟的方法，分析了竖井开挖对围岩支护的稳定性影响。结果表明： 随着竖井的开挖衬砌压应力和位移量都随着竖井的开挖逐渐增大，最大压应力为3.97 kPa、最大位移量为1.8 mm。但是当开挖深度增加到一定深度后，即开挖到第120步（开挖深度为360 m）时竖井衬砌的最大压应力和最大位移量的增加速率开始逐渐减小最终趋于稳定，此阶段应该着重增加施工质量和注意安全保护。

【关键词】公路隧道; 竖井开挖; 稳定性; 数值模拟

随着我国特长公路隧道的迅猛发展，公路隧道通风竖井不仅在隧道施工中作为施工的辅助通道而且成井时则会作为隧道通风辅以隧道的通风换气作用，在地下资源的开发中也起到至关重要的作用。通风井的设计依然是现在诸多学者研究的一门课题之一。但竖井衬砌支护的合理性以及安全性关系到施工的质量以及风井的运作能力。而现在竖井施工所遇到的开挖深度大、复杂程度高等新的诸多问题随之而来，对于施工作业造成极大的挑战性，因此确有必要对超大深竖井在开挖过程中衬砌支护所受到的应力状态以及位移进行深层次的探讨。

本文利用有限元分析软件结合某特长隧道通风竖井项目，研究通风井开挖过程中对竖井衬砌支护的影响，对竖井衬砌状态进行分析以确保深大竖井工程的施工安全及质量得以保障。研究结果为今后类似工程分析提供参考方法。

1 工程概况

某特长高速公路隧道左线长15 483 m、右线长15 560 m，为特长公路隧道，隧道总体走向近南北向。根据施工图纸2#竖井设计净直径均为8.5 m，井深560 m竖井采用机械化配套自上而下正井法施工，主要用于隧道后期运营中的送气通风和改善隧道内空气质量。竖井横断面如图1所示。

依据工程勘察资料和地质条件：洞深0～40 m段为Ⅴ级围岩，地层岩性主要为强风化中粗粒黑云母花岗岩，少量中风化岩。强风化岩岩石结构构造大部分破坏，节理裂隙发育，岩体呈碎裂结构，岩质较软，岩体破碎，自稳能力差，无支护时侧壁易失稳;洞深 40～296 m段为Ⅳ级围岩，主要为中风化、少量微风化中粗粒黑云母花岗岩。节理裂隙较发育，岩质坚硬，岩体较破碎，自稳能力较差，无支护时侧壁可能产生掉块;洞深 296～560 m段为Ⅲ级围岩，主要为微风化中粗粒黑云母花岗岩。节理裂隙较发育，岩质较硬，岩体较完整，自稳能力较好，无支护时侧壁基本稳定。详细岩体材料及支护情况见表1和表2。

2 模型的建立

本次施工采用正井法施工从上向下进行每3 m开挖与支护交替进行，Ⅴ级围岩锚杆的环纵间距为100 cm×75 cm，Ⅳ级围岩锚杆的环纵间距为100 cm×80 cm，Ⅲ级围岩锚杆的环纵间距为120 cm×120 cm。可设隧道开挖过程中所穿越地层材料均为各向同性，岩层初始应力场只考虑自重。边界条件为岩层底部和四个岩层侧向约束。生成网格为75 635个网格。岩层采用摩尔库伦屈服准则;初期支护材料采用弹性本构，二次衬砌作为安全储备本次不作考虑;锚杆采用植入式桁架来模拟。具体模型建立情况如图2、图3所示。

3 施工模拟结果分析

在竖井开挖深度为120 m、240 m、360 m、480 m、560 m这5个开挖深度对应的施工步为40、80、120、160、187步进行各个单元的初衬位移计算结果分析（图4）。由以下分析可知：初期竖井开挖衬砌的位移量随着开挖深度的增加而增加，开挖至第120施工步时及竖井深度360 m时竖井衬砌位移有所减缓直至竖井开挖结束将趋于稳定状态。从竖井开挖至竖井开挖完成五个施工步累计位移量分别为0.622 36 mm、1.352 mm、1.755 mm、1.785 6 mm、1.785 68 mm且总体位移值偏小最大位移值约为1.7～1.8 mm小于规定的允许值。

在竖井开挖的施工步为40、80、120、160、187步进行初衬最大主应力计算结果分析（图5）。可知：初期竖井开挖衬砌的前80步竖井开挖最大压应力均出现在开挖掌子面，从第120步至开挖完成最大压应力出现在衬砌中间位置。最大压应力随着开挖深度的增加而增加，从竖井开挖至竖井开挖完成五个施工步最大压应力分别为1.25 kPa、 3.10 kPa、3.971 1 kPa、3.971 26 kPa、3.971 29 kPa。豎井衬砌最大压应力随竖井开挖逐渐增大，开挖120步至开挖结束最大压应力将趋于稳定状态。且最大压应力值为3.97 kPa小于规范标准要求。

4 结束语

随着深大竖井的开挖，支护均匀受压，竖井横向位移和最大压应力均随着竖井的开挖而逐步增大，最大位移值为1.8 mm，最大压应力为 3.97 kPa;开挖到一定深度后竖井衬砌最大位移以及最大压应力增加速率逐渐减小。由上述分析可知随着深大竖井开挖从第120步及井深360 m至竖井开挖完成，此阶段内应加强对支护结构的相应保护以及提高施工的安全质量。

参考文献

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