軟弱圍巖通風豎井開挖穩定性研究

江俊杰

（四川川交路橋有限責任公司，四川 廣漢 618300）

0 引言

目前豎井作為一種大型通風道廣泛應用于長大隧道的建設中[1-3]。豎井除了通風作用，還可以增加主洞開挖工作面，故而許多長大隧道為了縮短工期，常常在靠近隧道中部位置修建豎井[4-5]。隨著豎井建設需求的增大，軟弱圍巖等復雜地質條件下的深大豎井逐漸出現，有些工程前期地質勘察不夠、開挖方案不適合等，導致開挖過程中豎井結構失穩破壞，引起一系列安全事故。

國內外眾多學者對軟巖豎井的建設展開了大量研究?？卓频萚6]借助有限元軟件研究分析了軟弱圍巖豎井建設過程中合理的支護體系，研究結果表明豎井建設過程中初支宜采用混凝土，錨桿可作為輔助支護措施。李輝[7]通過理論分析，研究了軟巖豎井開挖過程中各種不同的支護方案。趙胤[8]依托頭屯河水庫豎井工程，介紹了整套軟弱圍巖豎井的開挖支護工藝。曾昭友[9]通過對豎井展開水壓致裂法，獲得了現場豎井地應力分布特征，通過對豎井地應力分布規律的研究，針對性地對豎井局部進行加固，達到了安全施工的目的。丘永富[10]通過采取多種圍巖應力釋放的泄壓措施，有效控制了豎井施工過程中的軟巖大變形問題，豎井成功穿越了200 m厚的膨脹性凝灰巖。孫強[11]借助大型有限元軟件ANSYS模擬軟巖豎井的施工，分析了井口土體穩定性，通過加固井口土體，保證了豎井掘進的安全。

綜上，大多學者主要研究的是軟巖豎井的開挖方式及支護方式，對軟巖豎井支護結構的受力特征及圍巖變形規律的研究還較少。本文以白馬隧道軟巖通風豎井為工程背景，借助有限差分軟件FLAC3D對豎井進行開挖-支護全過程模擬，分析豎井開挖后圍巖位移的變化規律以及支護結構的受力特性，以此驗證豎井開挖方案的合理性，保證豎井施工的安全性。研究成果對類似工程具有一定參考價值。

1 工程概況

白馬隧道出口端（綿陽端）位于四川省平武縣白馬藏族鄉亞者造祖村，穿白馬至九寨溝縣勿角鄉蒲南村。隧道左線起訖樁號為K34+707～K47+720，長13 013 m；右線隧道起論樁號為YK34+664～K47+664，長13 000 m，最大埋深約1 092 m，屬深埋特長隧道。

隧道中部設置兩通風豎井，井身段穿過的主要巖性為板巖，巖性較軟，層間結合較差，同時風化較嚴重，圍巖等級為Ⅴ級，豎井縱剖面如圖1所示。

圖1 豎井剖面圖Fig.1 Shaft profile

2 施工方案

2.1 斷面設計

根據現行《公路隧道設計規范》（JTGD70—2014），對于直徑不大于7 m的豎井，有參考的支護參數。隧道中部采用分離式雙豎井布設，即左右線豎井各一座，豎井開挖深度為333 m，豎井內徑均為 7 m，凈空面積均為36.64 m2，豎井橫斷面設計如圖2所示。

圖2 豎井橫斷面Fig.2 Shaft cross section

2.2 施工步驟

采用復合式襯砌加短段掘砌混合施工作業，一次開挖4 m，每循環具體施工步驟可分為：鉆孔、爆破、第一次出渣、襯砌施工、出渣、清底。具體流程如圖3所示。

圖3 豎井施工工序圖Fig.3 Shaft construction process diagram

2.3 支護設計

豎井全部處于V級圍巖段，參照相關規范及類似工程，初期支護采用鋼筋網、鋼拱架、錨桿加噴射混凝土，二次襯砌為綁扎鋼筋網和模筑混凝土。施工采用一掘一砌，整體移動式液壓伸縮金屬模板砌壁。具體支護措施見表1。

表1 豎井支護方案Tab.1 Shaft support scheme

3 數值三維建模

3.1 參數選取

根據現場地勘資料，圍巖參數取值見表2。

表2 圍巖參數取值Tab.2 Parameter value of surrounding rock

對于支護結構，采用等效方法計算鋼拱架和鋼筋網的支護作用，即將鋼拱架和鋼筋網的彈性模量折算給混凝土，計算方法如式（1）所示：

式中：EC為折算后混凝土彈性模量，GPa；E0為原混凝土彈性模量，GPa；AS為鋼拱架截面積，mm2；ES為鋼材彈模，GPa；AC為混凝土面積，mm2。

3.2 模型建立

為了保證計算精度并降低計算量，本次計算采用1/4對稱模型，同時為了降低邊界效應，計算模型高336 m，長和寬均為100 m。根據軸對稱模型的特點，對對稱面施加法向的位移進行約束，即只允許對稱面上的節點產生切向位移，而不能產生法向位移。在模型底部采用位移約束，限定豎向位移，側向采用應力邊界，頂部采用自由邊界。本次計算模型劃分單元141 120個，節點152 945個。計算采用伯格斯蠕變模型，因本次數值模型主要研究支護與圍巖的作用關系，所以只取單個豎井進行研究。

模擬采用復合式襯砌加短段掘砌混合施工作業，短段掘砌混合作業施工方法是在短段單行作業基礎上發展出來的一種快速、安全的施工方法，該方法的主要工序為鉆孔、爆破、第一次出渣、襯砌施工、出渣、清底。模擬一次掘進4 m，考慮了爆破對圍巖的損傷作用（降低損傷區圍巖參數），分析了襯砌厚度及強度、錨桿長度、鋼拱架選型等對支護結構穩定性的影響。模擬中，錨桿支護采用（cable）單元進行模擬，初支采用殼（shell）單元進行模擬，模筑砼（二襯）采用實體單元模擬，具體模型圖如4所示。

圖4 模型示意圖Fig.4 Model diagram

4 結果分析

4.1 圍巖應力及位移

不同埋深下圍巖主應力圖如圖5所示。由圖5知，隨著深度的增加，豎井襯砌背后圍巖壓力逐漸增加，在豎井上部圍巖壓力小于3 MPa，豎井中部圍巖壓力在4～6 MPa間，豎井深部最大圍巖壓力達到7～8 MPa。受開挖爆破影響，在靠近襯砌范圍內圍巖內力較小，圍巖形成一定的損傷區，破碎區圍巖應力發生重分布，初期應力釋放有利于減小襯砌受力，但應及時支護，以形成有效承載結構，保證施工安全?？傮w而言，滿足設計安全要求。

圖5 不同埋深圍巖主應力云圖Fig.5 Main stress nephogram of surrounding rocks with different buried depths

圖6為豎井開挖后不同埋深處的圍巖位移量圖，由圖6所示，豎井開挖引起的位移隨深度增加逐漸增大，位移量隨埋深近似呈線性增加，其中井底圍巖位移量最大，為0.72 mm，滿足開挖穩定性要求。

圖6 不同埋深下圍巖變形量Fig.6 Deformation of surrounding rock under different burial depths

4.2 初支受力分析

不同埋深下初支最大主應力云圖如圖7所示。由圖7可見，豎井開挖深度超過120 m時，豎井初支最大主應力小于6 MPa；當初支埋深位于240～330 m之間時，豎井初支最大主應力在6～9 MPa范圍內，最大主應力約為8.96 MPa，初支結構安全可靠?？傮w上，豎井初支最大主應力隨豎井開挖深度增加而逐漸增大。

圖7 不同埋深下初支最大主應力圖Fig.7 Maximum principal stress diagram of initial support under different burial depths

4.3 二襯受力分析

不同埋深下二襯最大主應力云圖如圖8所示。由圖8可見，開挖支護后，二襯最大主應力隨隧道埋深逐漸增大，二襯最大主應力在井底附近，最大值為6.94 MPa；且受水平構造應力影響，在Y方向襯砌結構受力較大，但總體而言，二襯內力整體較小，不超過7 MPa，滿足設計要求。

圖8 不同埋深下二襯最大主應力圖Fig.8 Maximum principal stress diagram of the second lining under different burial depths

5 結語

（1）圍巖最大主應力隨豎井開挖深度逐漸增加，圍巖最大主應力位于豎井井底附近，大小約為7.89 MPa；受豎井爆破開挖影響，豎井周圍形成松動圈，圈內圍巖應力重分布，圍巖主應力較小，但需及時支護，以形成有效承載結構，保證施工安全。

（2）豎井開挖穩定后，圍巖位移隨豎井開挖深度呈近線性增長關系，井底圍巖位移量最大，為0.72 mm，能夠滿足開挖穩定性要求。

（3）豎井支護結構受力隨著豎井開挖深度加深逐漸增大，豎井底部支護結構受力最大，初支最大主應力為8.96 MPa，二襯最大主應力為6.94 Mpa，均滿足設計要求。