摘要:縱向變形(LDP)曲線是收斂約束法的重要組成部分,目前對(duì)LDP曲線研究主要集中于隧道開挖過程中各因素對(duì)LDP曲線的影響,較少探討豎井開挖過程中圍巖LDP曲線,因此,本文以杭紹臺(tái)高速公路某隧道反井法施工豎井工程,采用有限元軟件建立三維豎井開挖模型,考慮開挖面深度變化及圍巖級(jí)別等因素,提出量化豎井正向擴(kuò)挖過程的LDP曲線的函數(shù)表達(dá)式,并與隧道傳統(tǒng)LDP曲線進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明:豎井正向擴(kuò)挖過程中,開挖面空間效應(yīng)范圍約為6倍開挖半徑;開挖面深度及圍巖亞類分級(jí)對(duì)LDP曲線影響較小,基本分級(jí)下,圍巖越好,豎井開挖面下方曲線越陡峭,開挖面處位移突變?cè)矫黠@,開挖面上方曲線較平緩;豎井LDP曲線與隧道相比存在顯著差異,表明開展反井施工下豎井LDP曲線的研究具有重要意義。LDP曲線的獲得能為確定支護(hù)架設(shè)前井壁徑向位移提供指導(dǎo),并為本工程準(zhǔn)確運(yùn)用收斂約束法進(jìn)行豎井支護(hù)設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性分析提供理論基礎(chǔ)。

　　關(guān)鍵詞:公路隧道;縱向變形曲線;數(shù)值計(jì)算;豎井;正向擴(kuò)挖

　　目前,豎井已經(jīng)成為長(zhǎng)大公路隧道的重要附屬工程之一,在提高隧道通風(fēng)能力方面有較大的優(yōu)勢(shì)[1]。豎井開挖后為保證其安全運(yùn)營(yíng),必須施作合理的支護(hù)結(jié)構(gòu),目前國(guó)內(nèi)外及各行各業(yè)規(guī)范中尚未給出明確的支護(hù)設(shè)計(jì)詳細(xì)方案[2],《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》[3]中指出豎井應(yīng)采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu),從復(fù)合式襯砌豎井施工方式及結(jié)構(gòu)受力形式看,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分發(fā)揮圍巖的自承能力。

　　鐵路論文范例：地鐵隧道移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)施工及技術(shù)探討

　　而收斂約束法以充分發(fā)揮圍巖自承力為基礎(chǔ),將圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)視為一個(gè)整體,強(qiáng)調(diào)圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用以共同承擔(dān)開挖荷載,因此將收斂約束法引入到豎井支護(hù)設(shè)計(jì)具有重要研究?jī)r(jià)值。收斂約束法最先使用于隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,其基本組成部分包括圍巖特性曲線(groundreactioncurve,GRC)、支護(hù)特性曲線(supportcharacteristiccurve,SCC)、縱向變形(longitudinaldisplacementprofiles,LDP)曲線[4]。

　　該法通過圍巖特征曲線與支護(hù)結(jié)構(gòu)特征曲線相交來確定支護(hù)體系的最佳平衡條件,從而求得維護(hù)隧道穩(wěn)定所需的支護(hù)力[5],進(jìn)而確定圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù),分析隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。應(yīng)用收斂約束法的關(guān)鍵是確定支護(hù)結(jié)構(gòu)架設(shè)前洞壁徑向位移值,該值通過LDP獲得。PANETM[6]、HOEKE[7]基于實(shí)測(cè)資料通過數(shù)據(jù)擬合的方法得出了LDP曲線公式,PANETM[8]在后續(xù)研究中對(duì)其公式進(jìn)行了修正;VLACHOPOULOSN與DIEDERICHSMS[9]利用彈塑性理論提出了LDP新公式,該公式。

　　吳順川等[10]、耿曉Brown準(zhǔn)則,提出了考慮隧在應(yīng)用中具有較高的認(rèn)可度杰等[11]基于廣義Hoke道應(yīng)力水平及圍巖質(zhì)量影響的LDP曲線表達(dá)式,并與現(xiàn)有成果做了對(duì)比分析,證明了其適用性;張常光等[12]將考慮開挖面空間效應(yīng)的支護(hù)力系數(shù)法與位移釋放系數(shù)法進(jìn)行定性與定量分析,得出位移釋放系數(shù)法適用于各種彈塑性圍巖,能更直觀反映開挖面效應(yīng)及影響范圍,工程應(yīng)用前景更加廣泛;張標(biāo)等[5]根據(jù)FLAC3D模擬結(jié)果采用非線性回歸的分析方法建立了修正的LDP曲線擬合公式,并利用該公式探討了圍巖質(zhì)量對(duì)開挖面附近的位移釋放率的影響;張妍珺等[13]建立了輸水隧洞三維數(shù)值模型,通過將數(shù)值模擬結(jié)果與已有理論公式不斷推演,最終得出了擬合效果良好的LDP曲線修正公式。

　　以上對(duì)LDP曲線的研究集中于隧道開挖,較少研究豎井開挖過程中的空間效應(yīng),然而在豎井開挖過程中開挖方向與巖體重力方向相同,且使用反井法開挖時(shí),先導(dǎo)孔及擴(kuò)孔會(huì)先貫通整個(gè)豎井,之后采用鉆爆法正向擴(kuò)挖形成豎井,這與隧道開挖具有明顯差異,所以,使用收斂-約束法研究豎井支護(hù)時(shí)機(jī)時(shí)參考隧道開挖縱向曲線研究成果則具有很大的不確定性,因此,為了研究豎井中圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,開展對(duì)豎井開挖時(shí)圍巖縱向變形規(guī)律的研究具有重要意義,此外,在豎井開挖過程中開挖面深度不斷變化,穿越地層復(fù)雜多變,這為考慮豎井縱向變形規(guī)律又增加了難度。

　　針對(duì)這些問題,本文基于杭紹臺(tái)高速公路某隧道豎井,利用有限元軟件ANSYS建立不同圍巖級(jí)別下三維豎井反井法開挖模型,得出圍巖級(jí)別及開挖面深度對(duì)豎井井壁LDP曲線的影響,并利用數(shù)學(xué)方法擬合得到曲線數(shù)學(xué)表達(dá)式,最后將該曲線表達(dá)式與隧道LDP曲線進(jìn)行對(duì)比分析,得出豎井與隧道LDP曲線的異同點(diǎn),這可以為該豎井使用收斂約束法確定豎井支護(hù)時(shí)機(jī)及穩(wěn)定性分析提供理論指導(dǎo),對(duì)類似的工程也具有一定借鑒意義。

　　1　工程概況

　　杭紹臺(tái)高速公路某隧道豎井,成井內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)直徑為5.0m,井口標(biāo)高345.0m,井底處標(biāo)高102.8m,豎井深度為242.2m。豎井采取反井法開挖,即首先自上而下鉆導(dǎo)向孔,然后自下而上進(jìn)行反向擴(kuò)孔,之后自上而下正向擴(kuò)孔并施作初期支護(hù),最后自下而上施作二次襯砌。工藝流程如圖1所示,其中先導(dǎo)孔直徑為0.27m,反向擴(kuò)孔直徑為1.4m,正向擴(kuò)挖井徑為6m。

　　2數(shù)值模擬及分析

　　2.1物理參數(shù)

　　本文模型基于ANSYS有限元軟件,圍巖材料特性按各向同性彈塑性考慮,采用Drucker-Prager系列屈服準(zhǔn)則中的DP1準(zhǔn)則。

　　2.2模型尺寸

　　為節(jié)省計(jì)算資源,模型開挖深度簡(jiǎn)化為150m進(jìn)行規(guī)律探究,依據(jù)圣維南原理,取巖土的邊界約為豎井井徑的5~6倍,模型中取巖土邊界距井中心30m。考慮到計(jì)算模型的對(duì)稱性,既能保證精度也能減少計(jì)算量,故取1/4模型進(jìn)行計(jì)算。

　　2.3網(wǎng)格劃分及邊界條件

　　模型中圍巖采用Solid45實(shí)體單元,本模型采用了mesh200單元輔助網(wǎng)格劃分,采用映射網(wǎng)格劃分方式,沿豎井開挖方向網(wǎng)格尺寸為1m,模型及網(wǎng)格劃分豎井沿-Z方向延伸,模型邊界條件為:模型上表面為地面,位于XOY面,取自由約束(無約束),右、下、后表面均為法向約束,前、左表面為對(duì)稱約束條件。

　　2.4模擬過程

　　ANSYS提供了生死單元功能,可以通過殺死單元來有效模擬豎井開挖過程。本文只考慮土體自重應(yīng)力作用、忽略土層本身的構(gòu)造應(yīng)力。土層在初始地應(yīng)力下,已完成了固結(jié),故對(duì)豎井開挖不形成影響,因此,在模擬中要平衡地應(yīng)力,對(duì)初始位移清零。模擬時(shí)選取循環(huán)進(jìn)尺為3m,整個(gè)施工過程如下:(1)形成自重應(yīng)力場(chǎng);(2)初始地應(yīng)力平衡,(3)導(dǎo)孔開挖,貫穿整個(gè)模型,(4)反向擴(kuò)孔開挖,貫穿整個(gè)模型,(5)0~-3m巖體開挖,(6)-3~-6m巖體開挖,(7)如此循環(huán),完成-6m至-150m豎井開挖。

　　3計(jì)算結(jié)果與分析

　　3.1模擬效果驗(yàn)證

　　為驗(yàn)證數(shù)值模擬的可行性,本文在進(jìn)行LDP曲線研究之前,首先依據(jù)上述建模方法再建立與實(shí)際工況類似的模型,將模型結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。該通風(fēng)豎井工期進(jìn)度如下:2019年8月15日完成先導(dǎo)孔,2019年9月6日完成反向擴(kuò)孔工作,截止2019年12月3日,已正向擴(kuò)挖至30.2m,在正向擴(kuò)孔過程中,由于爆破劇烈,監(jiān)測(cè)儀器在豎井井壁難以安裝,故目前尚未進(jìn)行井壁徑向位移的測(cè)量,只進(jìn)行了地表沉降測(cè)量,因此地表沉降將作為模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的主要對(duì)比項(xiàng)。

　　4結(jié)論

　　(1)豎井開挖中,圍巖亞類分級(jí)及開挖深度變化對(duì)LDP曲線的影響較小。基本分級(jí)下,圍巖級(jí)別對(duì)LDP曲線的影響主要集中開挖面下方,圍巖級(jí)別越高即圍巖越好,圍巖位移釋放系數(shù)越大,但在開挖面上方,位移釋放系數(shù)隨圍巖級(jí)別升高而減小,圍巖位移突跳現(xiàn)象越明顯。(2)豎井開挖面空間效應(yīng)范圍約為6倍開挖半徑。

　　(3)本文提出了量化Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖LDP曲線的函數(shù)表達(dá)式。與隧道傳統(tǒng)LDP曲線相比,豎井開挖面處產(chǎn)生的位移對(duì)最終位移的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)低于隧道,相差約為50%;并且二者在開挖面前后的位移釋放系數(shù)的大小及收斂速度等均存在差異。該結(jié)果可為本工程確定支護(hù)時(shí)間及穩(wěn)定性分析提供理論指導(dǎo),并為類似工程提供一定的參考。(4)本文主要研究了Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)等圍巖質(zhì)量較好但開挖深度較淺的豎井開挖面空間效應(yīng),以后應(yīng)對(duì)軟弱圍巖及深大豎井展開更進(jìn)一步的研究。

　　參考文獻(xiàn)(References)

　　[1]李廣建.公路隧道大口徑深豎井施工技術(shù)及支護(hù)參數(shù)研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2017:1-10.

　　[2]謝陽,趙玉成,武淑敏,等.電纜隧道圓形豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2017,61(6):111-115.XIEY,ZHAOYC,WUSM,etal.Studyondesignmethodofcircularverticalshaftstructureincabletunnel[J].RailwayStandardDesign,2017,61(6):111-115.

　　[3]中華人民共和國(guó)交通部.公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則: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]張標(biāo),崔嵐,鄭俊杰.基于Hoek-Brown屈服準(zhǔn)則的修正縱向變形曲線分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2017,13(增刊1):52-57.ZHANGB,CUIL,ZHENGJJ.AnalysisofmodifiedlongitudinaldeformationprofilebasedonHoek-Brownfailurecriterion[J].ChineseJournalofUndergroundSpaceandEngineering,2017,13(S1):52-57

　　作者：陳航1,侯義輝2,王薇3∗,張燕飛3