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LDP曲線研究主要集中于隧道開挖過程中各因素對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別等因素,提出量化豎井正向擴挖過程的LDP曲線的函數表達式,并與隧道傳統LDP曲線進行了對比分析。結果表明:豎井正向擴挖過程中,開挖面空間效應范圍約為6倍開挖半徑;開挖面深度及圍巖亞類分級對LDP曲線影響較小,基本分級下,圍巖越好,豎井開挖面下方曲線越陡峭,開挖面處位移突變越明顯,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架設前井壁徑向位移提供指導,并為本工程準確運用收斂約束法進行豎井支護設計及穩定性分析提供理論基礎。

　　關鍵詞:公路隧道;縱向變形曲線;數值計算;豎井;正向擴挖

　　目前,豎井已經成為長大公路隧道的重要附屬工程之一,在提高隧道通風能力方面有較大的優勢[1]。豎井開挖后為保證其安全運營,必須施作合理的支護結構,目前國內外及各行各業規范中尚未給出明確的支護設計詳細方案[2],《公路隧道設計細則》[3]中指出豎井應采用復合式襯砌結構,從復合式襯砌豎井施工方式及結構受力形式看,結構設計過程中應充分發揮圍巖的自承能力。

　　鐵路論文范例：地鐵隧道移動通信網絡施工及技術探討

　　而收斂約束法以充分發揮圍巖自承力為基礎,將圍巖與支護結構視為一個整體,強調圍巖與支護結構相互作用以共同承擔開挖荷載,因此將收斂約束法引入到豎井支護設計具有重要研究價值。收斂約束法最先使用于隧道結構設計中,其基本組成部分包括圍巖特性曲線(groundreactioncurve,GRC)、支護特性曲線(supportcharacteristiccurve,SCC)、縱向變形(longitudinaldisplacementprofiles,LDP)曲線[4]。

　　該法通過圍巖特征曲線與支護結構特征曲線相交來確定支護體系的最佳平衡條件,從而求得維護隧道穩定所需的支護力[5],進而確定圍巖及支護結構安全系數,分析隧道結構穩定性。應用收斂約束法的關鍵是確定支護結構架設前洞壁徑向位移值,該值通過LDP獲得。PANETM[6]、HOEKE[7]基于實測資料通過數據擬合的方法得出了LDP曲線公式,PANETM[8]在后續研究中對其公式進行了修正;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準則,提出了考慮隧在應用中具有較高的認可度杰等[11]基于廣義Hoke道應力水平及圍巖質量影響的LDP曲線表達式,并與現有成果做了對比分析,證明了其適用性;張常光等[12]將考慮開挖面空間效應的支護力系數法與位移釋放系數法進行定性與定量分析,得出位移釋放系數法適用于各種彈塑性圍巖,能更直觀反映開挖面效應及影響范圍,工程應用前景更加廣泛;張標等[5]根據FLAC3D模擬結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量對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值模型,通過將數值模擬結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,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,先導孔及擴孔會先貫通整個豎井,之后采用鉆爆法正向擴挖形成豎井,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時機時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結構的相互作用,開展對豎井開挖時圍巖縱向變形規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,穿越地層復雜多變,這為考慮豎井縱向變形規律又增加了難度。

　　針對這些問題,本文基于杭紹臺高速公路某隧道豎井,利用有限元軟件ANSYS建立不同圍巖級別下三維豎井反井法開挖模型,得出圍巖級別及開挖面深度對豎井井壁LDP曲線的影響,并利用數學方法擬合得到曲線數學表達式,最后將該曲線表達式與隧道LDP曲線進行對比分析,得出豎井與隧道LDP曲線的異同點,這可以為該豎井使用收斂約束法確定豎井支護時機及穩定性分析提供理論指導,對類似的工程也具有一定借鑒意義。

　　1　工程概況

　　杭紹臺高速公路某隧道豎井,成井內輪廓設計直徑為5.0m,井口標高345.0m,井底處標高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向孔,然后自下而上進行反向擴孔,之后自上而下正向擴孔并施作初期支護,最后自下而上施作二次襯砌。工藝流程如圖1所示,其中先導孔直徑為0.27m,反向擴孔直徑為1.4m,正向擴挖井徑為6m。

　　2數值模擬及分析

　　2.1物理參數

　　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系列屈服準則中的DP1準則。

　　2.2模型尺寸

　　為節省計算資源,模型開挖深度簡化為150m進行規律探究,依據圣維南原理,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�？紤]到計算模型的對稱性,既能保證精度也能減少計算量,故取1/4模型進行計算。

　　2.3網格劃分及邊界條件

　　模型中圍巖采用Solid45實體單元,本模型采用了mesh200單元輔助網格劃分,采用映射網格劃分方式,沿豎井開挖方向網格尺寸為1m,模型及網格劃分豎井沿-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力作用、忽略土層本身的構造應力。土層在初始地應力下,已完成了固結,故對豎井開挖不形成影響,因此,在模擬中要平衡地應力,對初始位移清零。模擬時選取循環進尺為3m,整個施工過程如下:(1)形成自重應力場;(2)初始地應力平衡,(3)導孔開挖,貫穿整個模型,(4)反向擴孔開挖,貫穿整個模型,(5)0~-3m巖體開挖,(6)-3~-6m巖體開挖,(7)如此循環,完成-6m至-150m豎井開挖。

　　3計算結果與分析

　　3.1模擬效果驗證

　　為驗證數值模擬的可行性,本文在進行LDP曲線研究之前,首先依據上述建模方法再建立與實際工況類似的模型,將模型結果與實測數據進行對比分析。該通風豎井工期進度如下:2019年8月15日完成先導孔,2019年9月6日完成反向擴孔工作,截止2019年12月3日,已正向擴挖至30.2m,在正向擴孔過程中,由于爆破劇烈,監測儀器在豎井井壁難以安裝,故目前尚未進行井壁徑向位移的測量,只進行了地表沉降測量,因此地表沉降將作為模擬結果與現場數據的主要對比項。

　　4結論

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

　　(3)本文提出了量化Ⅲ、Ⅳ級圍巖LDP曲線的函數表達式。與隧道傳統LDP曲線相比,豎井開挖面處產生的位移對最終位移的貢獻遠低于隧道,相差約為50%;并且二者在開挖面前后的位移釋放系數的大小及收斂速度等均存在差異。該結果可為本工程確定支護時間及穩定性分析提供理論指導,并為類似工程提供一定的參考。(4)本文主要研究了Ⅲ級、Ⅳ級等圍巖質量較好但開挖深度較淺的豎井開挖面空間效應,以后應對軟弱圍巖及深大豎井展開更進一步的研究。

　　參考文獻(References)

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　　[2]謝陽,趙玉成,武淑敏,等.電纜隧道圓形豎井結構設計方法研究[J].鐵道標準設計,2017,61(6):111-115.XIEY,ZHAOYC,WUSM,etal.Studyondesignmethodofcircularverticalshaftstructureincabletunnel[J].RailwayStandardDesign,2017,61(6):111-115.

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　　[5]張標,崔嵐,鄭俊杰.基于Hoek-Brown屈服準則的修正縱向變形曲線分析[J].地下空間與工程學報,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