软弱地层超大直径倒虹吸竖井全断面开挖工法优化研究

2024-01-08郑红亮

中国水运 2023年12期

郑红亮

（中铁十二局集团第七工程有限公司，湖南长沙 410118）

近年来，竖井作为进入地下空间的通道，已广泛应用在交通、水利、矿山等领域。同时，受到复杂地质条件的影响，导致竖井施工过程中极易发生工程事故造成较大的经济损失。因此，开展复杂地质与敏感环境下的竖井施工技术研究具有十分重要的现实意义。

在竖井安全施工和设计方面，冯东林[1]针对超大直径竖井掘进机施工过程进行数值模拟，发现围岩应力受开挖深度、围岩条件和离刀盘开挖面的距离影响。魏福贵[2]针对大井深竖井研究发现有松动圈情况下井壁位移随竖井深度增加呈幂函数变化。骆晓锋[3]等对围岩的稳定安全性的预测为竖井信息化设计提供了参考。李超[4]等对竖井掘进过程模拟发现，随着开挖深度增加，围岩破坏模式从压剪破坏向剪切滑移破坏转化。冷希乔[5]等发现围岩级别比竖井深度对围岩径向位移的影响更明显。殷有泉[6]等通过理论研究认为竖井围岩的不稳定不仅受围岩力学特性影响，还取决于竖井开挖过程对应的平衡路径曲线的类型。孙闯[7]等通过计算围岩－支护关系曲线，确定围岩位移释放量。周舒威[8]等研究发现支护厚度的增加有利于围岩应力更均匀。但以往针对竖井的研究多集中于常规尺寸或大直径，大深度[9–11]，对超大直径超大深度竖井的安全研究较少。

本研究对超大直径超深全断面竖井开挖过程进行数值模拟，分析全断面竖井开挖时的围岩扰动规律，探明竖井井壁敏感区域的围岩变形模式以及对支护结构的影响。研究成果可为超大直径竖井施工中井壁围岩稳定性控制及设计提供指导。

1 工程概况

向家坝灌区北总干渠竖井为盾构接收井，此外还作为猫儿沱倒虹吸隧道的出水口，属于永久结构，如图1所示。竖井段采用整体明挖顺做的方式施工，即分段开挖初支到底。井口标高356m，井底标高242.5m，圆形结构外径为22.4m，衬砌完成后内径18m，接收竖井衬砌成型后内径18m。竖井直径超大、深度超深，在国内水工结构竖井中十分罕见。

图1 竖井结构布置图

图2 竖井数值模型

2 数值模型及参数

为了验证竖井开挖的安全性，选用有限差分软件FLAC3D 对竖井的开挖过程进行数值模拟计算，研究超深超大竖井开挖过程中围岩和支护状态。地层的信息根据勘测报告给出的地层参数进行设定。

岩体、混凝土支护结构等均采用实体单元模拟，其中岩体采用 Mohr-Coulomb 本构，支护结构采用弹性（Elastic）本构。

支护结构中钢拱架、钢筋网和龙骨筋等结构通过如式1 计算混凝土的等效弹性模量。

具体参数如表2：

表1 钢拱架喷射混凝土层参数

表2 锚杆参数

锚杆采用(Cable)单元模拟，具体参数如表3：

为研究软弱地层大直径深竖井开挖的围岩稳定性，需根据现场实际施工环节进行模拟。

3 计算结果与分析

竖井建造过程中井壁围岩的径向变形是评价围岩稳定性的重要指标之一。图3（a）为开挖阶段竖井围岩径向变形图，围岩径向变形最大发生在竖井中下部，变形模式为向井内收缩，发生在泥质粉砂岩层中。沿竖井水平距离0D、D/4、D/2、3D/4、D 处设置监测点，如图3(b)。

图3（a）距离与径向变形

图4 竖井开挖变形位移云图

图5为开挖时塑性区范围，粉色区域为塑性开展区域。可以看出，从埋深60m 以下的地层开始，围岩开始进入塑性阶段，出现松动区和塑性区。

图5 塑性区分布

如图6，锚杆的变形自上而下总体呈现先增大后减小的变化规律，且锚杆总体来看处于受拉状态，最大变形为1.02cm，最大轴力53kN，最大拉应力109.1MPa 小于杆体的设计屈服强度。竖井开挖设计方案满足安全性的要求。

图6 初支变形及内力状态

4 讨论

通过模拟，分析了竖井直径与施工进尺对围岩支护体系力学状态的直接影响。

4.1 竖井直径对围岩稳定性的影响

为研究数据直径对施工安全及围岩应力应变的影响，建立不同洞径下竖井模型进行对比模拟，如图7。开挖洞径变大对围岩变形起到增大作用，同一部位的变形量明显增加，对地层的影响范围扩大；此外，大洞径开挖更容易加剧敏感地层的变形。图8 为塑性区分布情况，粉色区域为塑性开展区域。塑性开展区域主要集中在竖井底部，其他区域的塑性区开展范围较小。0.5D 时，塑性区开展深度2m，0.75D 时，塑性区开展深度将近5m。在超大洞径竖井开挖时，应对塑性区域易开展地段加强监控采取必要措施。