反井施工下竖井纵向变形曲线的研究

　　摘要:纵向变形(LDP)曲线是收敛约束法的重要组成部分,目前对LDP曲线研究主要集中于隧道开挖过程中各因素对LDP曲线的影响,较少探讨竖井开挖过程中围岩LDP曲线,因此,本文以杭绍台高速公路某隧道反井法施工竖井工程,采用有限元软件建立三维竖井开挖模型,考虑开挖面深度变化及围岩级别等因素,提出量化竖井正向扩挖过程的LDP曲线的函数表达式,并与隧道传统LDP曲线进行了对比分析。结果表明:竖井正向扩挖过程中,开挖面空间效应范围约为6倍开挖半径;开挖面深度及围岩亚类分级对LDP曲线影响较小,基本分级下,围岩越好,竖井开挖面下方曲线越陡峭,开挖面处位移突变越明显,开挖面上方曲线较平缓;竖井LDP曲线与隧道相比存在显著差异,表明开展反井施工下竖井LDP曲线的研究具有重要意义。LDP曲线的获得能为确定支护架设前井壁径向位移提供指导,并为本工程准确运用收敛约束法进行竖井支护设计及稳定性分析提供理论基础。

　　关键词:公路隧道;纵向变形曲线;数值计算;竖井;正向扩挖

　　目前,竖井已经成为长大公路隧道的重要附属工程之一,在提高隧道通风能力方面有较大的优势[1]。竖井开挖后为保证其安全运营,必须施作合理的支护结构,目前国内外及各行各业规范中尚未给出明确的支护设计详细方案[2],《公路隧道设计细则》[3]中指出竖井应采用复合式衬砌结构,从复合式衬砌竖井施工方式及结构受力形式看,结构设计过程中应充分发挥围岩的自承能力。

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　　而收敛约束法以充分发挥围岩自承力为基础,将围岩与支护结构视为一个整体,强调围岩与支护结构相互作用以共同承担开挖荷载,因此将收敛约束法引入到竖井支护设计具有重要研究价值。收敛约束法最先使用于隧道结构设计中,其基本组成部分包括围岩特性曲线(groundreactioncurve,GRC)、支护特性曲线(supportcharacteristiccurve,SCC)、纵向变形(longitudinaldisplacementprofiles,LDP)曲线[4]。

　　该法通过围岩特征曲线与支护结构特征曲线相交来确定支护体系的最佳平衡条件,从而求得维护隧道稳定所需的支护力[5],进而确定围岩及支护结构安全系数,分析隧道结构稳定性。应用收敛约束法的关键是确定支护结构架设前洞壁径向位移值,该值通过LDP获得。PANETM[6]、HOEKE[7]基于实测资料通过数据拟合的方法得出了LDP曲线公式,PANETM[8]在后续研究中对其公式进行了修正;VLACHOPOULOSN与DIEDERICHSMS[9]利用弹塑性理论提出了LDP新公式,该公式。

　　吴顺川等[10]、耿晓Brown准则,提出了考虑隧在应用中具有较高的认可度杰等[11]基于广义Hoke道应力水平及围岩质量影响的LDP曲线表达式,并与现有成果做了对比分析,证明了其适用性;张常光等[12]将考虑开挖面空间效应的支护力系数法与位移释放系数法进行定性与定量分析,得出位移释放系数法适用于各种弹塑性围岩,能更直观反映开挖面效应及影响范围,工程应用前景更加广泛;张标等[5]根据FLAC3D模拟结果采用非线性回归的分析方法建立了修正的LDP曲线拟合公式,并利用该公式探讨了围岩质量对开挖面附近的位移释放率的影响;张妍珺等[13]建立了输水隧洞三维数值模型,通过将数值模拟结果与已有理论公式不断推演,最终得出了拟合效果良好的LDP曲线修正公式。

　　以上对LDP曲线的研究集中于隧道开挖,较少研究竖井开挖过程中的空间效应,然而在竖井开挖过程中开挖方向与岩体重力方向相同,且使用反井法开挖时,先导孔及扩孔会先贯通整个竖井,之后采用钻爆法正向扩挖形成竖井,这与隧道开挖具有明显差异,所以,使用收敛-约束法研究竖井支护时机时参考隧道开挖纵向曲线研究成果则具有很大的不确定性,因此,为了研究竖井中围岩与支护结构的相互作用,开展对竖井开挖时围岩纵向变形规律的研究具有重要意义,此外,在竖井开挖过程中开挖面深度不断变化,穿越地层复杂多变,这为考虑竖井纵向变形规律又增加了难度。

　　针对这些问题,本文基于杭绍台高速公路某隧道竖井,利用有限元软件ANSYS建立不同围岩级别下三维竖井反井法开挖模型,得出围岩级别及开挖面深度对竖井井壁LDP曲线的影响,并利用数学方法拟合得到曲线数学表达式,最后将该曲线表达式与隧道LDP曲线进行对比分析,得出竖井与隧道LDP曲线的异同点,这可以为该竖井使用收敛约束法确定竖井支护时机及稳定性分析提供理论指导,对类似的工程也具有一定借鉴意义。

　　1　工程概况

　　杭绍台高速公路某隧道竖井,成井内轮廓设计直径为5.0m,井口标高345.0m,井底处标高102.8m,竖井深度为242.2m。竖井采取反井法开挖,即首先自上而下钻导向孔,然后自下而上进行反向扩孔,之后自上而下正向扩孔并施作初期支护,最后自下而上施作二次衬砌。工艺流程如图1所示,其中先导孔直径为0.27m,反向扩孔直径为1.4m,正向扩挖井径为6m。

　　2数值模拟及分析

　　2.1物理参数

　　本文模型基于ANSYS有限元软件,围岩材料特性按各向同性弹塑性考虑,采用Drucker-Prager系列屈服准则中的DP1准则。

　　2.2模型尺寸

　　为节省计算资源,模型开挖深度简化为150m进行规律探究,依据圣维南原理,取岩土的边界约为竖井井径的5~6倍,模型中取岩土边界距井中心30m。考虑到计算模型的对称性,既能保证精度也能减少计算量,故取1/4模型进行计算。

　　2.3网格划分及边界条件

　　模型中围岩采用Solid45实体单元,本模型采用了mesh200单元辅助网格划分,采用映射网格划分方式,沿竖井开挖方向网格尺寸为1m,模型及网格划分竖井沿-Z方向延伸,模型边界条件为:模型上表面为地面,位于XOY面,取自由约束(无约束),右、下、后表面均为法向约束,前、左表面为对称约束条件。

　　2.4模拟过程

　　ANSYS提供了生死单元功能,可以通过杀死单元来有效模拟竖井开挖过程。本文只考虑土体自重应力作用、忽略土层本身的构造应力。土层在初始地应力下,已完成了固结,故对竖井开挖不形成影响,因此,在模拟中要平衡地应力,对初始位移清零。模拟时选取循环进尺为3m,整个施工过程如下:(1)形成自重应力场;(2)初始地应力平衡,(3)导孔开挖,贯穿整个模型,(4)反向扩孔开挖,贯穿整个模型,(5)0~-3m岩体开挖,(6)-3~-6m岩体开挖,(7)如此循环,完成-6m至-150m竖井开挖。

　　3计算结果与分析

　　3.1模拟效果验证

　　为验证数值模拟的可行性,本文在进行LDP曲线研究之前,首先依据上述建模方法再建立与实际工况类似的模型,将模型结果与实测数据进行对比分析。该通风竖井工期进度如下:2019年8月15日完成先导孔,2019年9月6日完成反向扩孔工作,截止2019年12月3日,已正向扩挖至30.2m,在正向扩孔过程中,由于爆破剧烈,监测仪器在竖井井壁难以安装,故目前尚未进行井壁径向位移的测量,只进行了地表沉降测量,因此地表沉降将作为模拟结果与现场数据的主要对比项。

　　4结论

　　(1)竖井开挖中,围岩亚类分级及开挖深度变化对LDP曲线的影响较小。基本分级下,围岩级别对LDP曲线的影响主要集中开挖面下方,围岩级别越高即围岩越好,围岩位移释放系数越大,但在开挖面上方,位移释放系数随围岩级别升高而减小,围岩位移突跳现象越明显。(2)竖井开挖面空间效应范围约为6倍开挖半径。

　　(3)本文提出了量化Ⅲ、Ⅳ级围岩LDP曲线的函数表达式。与隧道传统LDP曲线相比,竖井开挖面处产生的位移对最终位移的贡献远低于隧道,相差约为50%;并且二者在开挖面前后的位移释放系数的大小及收敛速度等均存在差异。该结果可为本工程确定支护时间及稳定性分析提供理论指导,并为类似工程提供一定的参考。(4)本文主要研究了Ⅲ级、Ⅳ级等围岩质量较好但开挖深度较浅的竖井开挖面空间效应,以后应对软弱围岩及深大竖井展开更进一步的研究。

　　参考文献(References)

　　[1]李广建.公路隧道大口径深竖井施工技术及支护参数研究[D].西安:长安大学,2017:1-10.

　　[2]谢阳,赵玉成,武淑敏,等.电缆隧道圆形竖井结构设计方法研究[J].铁道标准设计,2017,61(6):111-115.XIEY,ZHAOYC,WUSM,etal.Studyondesignmethodofcircularverticalshaftstructureincabletunnel[J].RailwayStandardDesign,2017,61(6):111-115.

　　[3]中华人民共和国交通部.公路隧道设计细则:JTG/TD70-2010[S].北京:人民交通出版社,2010:244-250.

　　[4]CARRANZA-TORRESC,FAIRHURSTC.Applicationoftheconvergence-confinementmethodoftunneldesigntorock-massesthatsatisfytheHoek-Brownfailurecriterion [J].TunnelingandUndergroundSpaceTechnology,2000,15(2):187-213.

　　[5]张标,崔岚,郑俊杰.基于Hoek-Brown屈服准则的修正纵向变形曲线分析[J].地下空间与工程学报,2017,13(增刊1):52-57.ZHANGB,CUIL,ZHENGJJ.AnalysisofmodifiedlongitudinaldeformationprofilebasedonHoek-Brownfailurecriterion[J].ChineseJournalofUndergroundSpaceandEngineering,2017,13(S1):52-57

　　作者：陈航1,侯义辉2,王薇3∗,张燕飞3