白俊嶺 李岳東 武帥

1 工程概況

新疆某工程發(fā)電引水系統(tǒng)調(diào)壓井為阻抗式，開挖直徑32.4 m，襯砌內(nèi)徑28 m，井頂開挖高程1 009.5 m，井底開挖高程864.8 m，井筒開挖高度144.7 m，是目前亞洲最大的調(diào)壓井之一。調(diào)壓室位于廠房后邊坡上，所處地形較平緩，基巖裸露，天然坡度15°～25°，地面高程1 005～1 015 m。

調(diào)壓室附近巖性以灰黑色黑云母石英片巖為主，夾雜少量花崗偉晶巖脈。黑云母石英片巖片理發(fā)育，巖層總體走向NW300°～350°，傾向NE，傾角45°～55°。根據(jù)鉆孔資料，調(diào)壓井附近弱風(fēng)化帶厚度32.5 m 左右，頂部0～32.5 m 處，巖體較破碎，以Ⅳ類圍巖為主，地面32.5 m 以下，多為Ⅲ類圍巖，局部為Ⅱ類和Ⅳ類圍巖。調(diào)壓井部位巖體風(fēng)化厚度大，巖體較破碎，開挖時(shí)成井條件一般，開挖時(shí)須及時(shí)采取系統(tǒng)的一次支護(hù)措施。

2 調(diào)壓井一次支護(hù)參數(shù)確定

2.1 支護(hù)參數(shù)確定原則

超大直徑調(diào)壓井的開挖及圍巖穩(wěn)定一直是工程中關(guān)注的重點(diǎn)問題，其主要特點(diǎn)是超大直徑調(diào)壓井開挖難度大，開挖過程中圍巖整體穩(wěn)定性差，支護(hù)措施多，工期長(zhǎng)，施工過程中易造成調(diào)壓井大規(guī)模坍塌，造成重大工程事故。結(jié)合國(guó)內(nèi)外超大直徑調(diào)壓井的開挖支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，支護(hù)參數(shù)的確定原則和主要開挖支護(hù)措施有：（1）當(dāng)調(diào)壓井大部分巖體處于強(qiáng)卸荷帶、周圍巖體較破碎時(shí)，可在井口平臺(tái)上對(duì)井圈外圍一定范圍內(nèi)的破碎巖體實(shí)施深孔預(yù)固結(jié)灌漿，填充圍巖裂隙，提高巖體整體穩(wěn)定性；并對(duì)井壁采取“噴混凝土、系統(tǒng)錨桿、掛鋼筋網(wǎng)加鋼筋混凝土襯砌（倒掛混凝土）”的聯(lián)合支護(hù)措施。[1]（2）當(dāng)調(diào)壓井上部破碎巖體范圍較小時(shí)，可采用一定高度的鎖口混凝土結(jié)合噴錨支護(hù)，錨桿可采用直徑25 mm 或28 mm，長(zhǎng)度4.5 m和L=6 m 的系統(tǒng)錨桿。（3）當(dāng)調(diào)壓井下部巖體相對(duì)較差，主要為Ⅲ類和Ⅳ類圍巖時(shí)，可采用噴錨+局部錨索的支護(hù)型式，其中錨桿可采用長(zhǎng)短結(jié)合交錯(cuò)布置，采用6、9、12 m 等長(zhǎng)度，錨索可根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)和圍巖穩(wěn)定計(jì)算選擇合適長(zhǎng)度的預(yù)應(yīng)力錨索，若調(diào)壓井直徑大于30 m，可采用20 m 或30 m 的預(yù)應(yīng)力錨索（1 000 kN）。（4）開挖時(shí)，首先利用反井鉆開挖溜渣導(dǎo)井，再開挖大井，大井?dāng)U挖自上而下進(jìn)行，開挖分層高度視圍巖完整性確定，并采用預(yù)留保護(hù)層光面爆破。

2.2 支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)勘察成果，調(diào)壓室上部約32.5 m 范圍屬Ⅳ類圍巖，巖體較為破碎，成井條件較差，地面32.5 m 以下，多為Ⅲ類圍巖，局部為Ⅱ類圍巖。結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范，在總結(jié)已建福堂、太平驛、錦屏一級(jí)、糯扎度、小灣等超大直徑調(diào)壓井[2]開挖支護(hù)技術(shù)與建設(shè)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，綜合考慮調(diào)壓井施工運(yùn)行、縮短工期、節(jié)約投資等因素，初步確定調(diào)壓井開挖支護(hù)措施為：頂部高程987.0～1 009.5 m 范圍豎井襯砌外設(shè)厚1 m 鎖口混凝土，鎖口混凝土外采用噴錨支護(hù)，掛Φ6.5 mm@150 mm 鋼筋網(wǎng)，噴C25 混凝土厚10 cm，錨桿采用直徑25 mm，L=4.5 m和直徑28 mm，L=6 m 的系統(tǒng)錨桿。鎖口混凝土以下井筒一次支護(hù)采用錨索+錨桿+掛網(wǎng)噴混凝土+混凝土圈梁的組合支護(hù)型式。支護(hù)參數(shù)為：噴C25 混凝土厚20 cm，兩層Φ6.5 mm@150 mm 鋼筋網(wǎng)。錨桿采用直徑28 mm 與32 mm 的系統(tǒng)錨桿和直徑32 mm 的預(yù)應(yīng)力錨桿（150 kN），長(zhǎng)分別為6、9、12 m，系統(tǒng)錨桿間、排距2.0 m，梅花形布置；預(yù)應(yīng)力錨桿間距2 m，排距10 m，梅花形布置。同時(shí)高度方向每隔10 m 設(shè)長(zhǎng)分別為20 m 和30 m 的預(yù)應(yīng)力錨索（1 000 kN），間距4 m，交錯(cuò)布置。每層錨索處設(shè)0.5 m×1.0 m 的環(huán)形C25 混凝土圈梁。調(diào)壓井開挖支護(hù)示意圖如圖1 所示。

3 調(diào)壓井圍巖開挖穩(wěn)定計(jì)算

3.1 穩(wěn)定計(jì)算本構(gòu)模型

本構(gòu)模型是巖土材料力學(xué)性質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)性描述，表達(dá)的是外載條件下巖、土體的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，因此，本構(gòu)模型的選擇是數(shù)值模擬的一個(gè)關(guān)鍵。本工程采用巖土工程中廣泛應(yīng)用的理想彈塑性模型——Mohr-Coulomb 模型。

Mohr-Coulomb 模型是按理想彈塑性定義。該行為假定對(duì)一般的巖土非線性分析來說結(jié)果是充分可靠的，因此，被廣泛用于模擬大部分巖土材料。

不同土體有不同的黏聚力和內(nèi)摩擦角，這些參數(shù)對(duì)應(yīng)于剪切強(qiáng)度方程。與其它土木材料不同，土體幾乎不抗拉，大部分情況下會(huì)發(fā)生剪切破壞。即，在自重或外力作用下，巖土內(nèi)側(cè)會(huì)產(chǎn)生剪應(yīng)力，隨著應(yīng)力的增加應(yīng)變也會(huì)增加，繼續(xù)發(fā)展就會(huì)沿著某個(gè)面破壞，這種破壞叫剪切破壞。剪應(yīng)力引起抗剪行為和抗剪極限，即剪切強(qiáng)度。土的抗剪強(qiáng)度包括黏聚力和內(nèi)摩擦角。

根據(jù)Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則，土的剪切強(qiáng)度按如下直線式表示。

式中 C——黏聚力；

σ——正應(yīng)力；

φ——內(nèi)摩擦角。

Mohr-Coulomb 模型屈服面函數(shù)為：

式中 φ——q-p 應(yīng)力面上Mohr-Coulomb 屈服面的傾斜角，稱為材料的摩擦角，0°≤φ≤90°；

c——材料的黏聚力；

Rmc——按下式計(jì)算，其控制了屈服面在π 平面的形狀。

3.2 穩(wěn)定計(jì)算判別標(biāo)準(zhǔn)

圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的控制性指標(biāo)參考Q/HYDRO?CHINA 009—2012《水電站地下廠房設(shè)計(jì)導(dǎo)則》中表7.10.3 給出的地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)控制性指標(biāo)。對(duì)于本工程調(diào)壓井開挖段，洞室埋深在0～300 m 之間，且以Ⅲ類圍巖為主，則對(duì)應(yīng)的洞室周邊允許位移相對(duì)值在0.10%～0.50%之間，洞周塑性區(qū)或松弛區(qū)深度不大于洞室跨度的0.50～0.60倍時(shí)，圍巖整體穩(wěn)定[3]。

3.3 計(jì)算模型與圍巖參數(shù)

調(diào)壓井洞室開挖穩(wěn)定計(jì)算三維有限元模型如圖2 所示，調(diào)壓井一次支護(hù)措施單元如圖3 所示。

圖2 調(diào)壓井三維有限元計(jì)算體型圖

圖3 調(diào)壓井一次支護(hù)措施單元圖

高程1 009.5～977.0 m 之間Ⅳ類圍巖為主；高程977.0～892.5 m 之間、高程878.0 m 及以下Ⅲ類圍巖為主，局部為Ⅳ類圍巖；高程892.5～878.0 m 之間Ⅱ類圍巖為主，局部為Ⅲ類圍巖。圍巖材料參數(shù)見表1。

表1 圍巖材料參數(shù)

3.4 計(jì)算假定

（1）計(jì)算時(shí)圍巖材料參數(shù)為各向同性的材料。

（2）考慮調(diào)壓井采取鉆爆法施工，考慮井壁向外拓展5 m 范圍出現(xiàn)一個(gè)松動(dòng)圈，松動(dòng)圈內(nèi)的圍巖類別降低一個(gè)量級(jí)，如開挖巖石為Ⅲ類圍巖，則松動(dòng)圈內(nèi)巖石為Ⅳ類圍巖。

（3）計(jì)算中，先開挖底部水平隧洞，而后從地面逐步向下開挖調(diào)壓井，按照施工提供的建議，調(diào)壓井開挖進(jìn)尺假定為10 m，每向下開挖一個(gè)進(jìn)尺，對(duì)上一個(gè)進(jìn)尺范圍的圍巖進(jìn)行噴錨支護(hù)，直到完成豎井開挖。

（4）根據(jù)地質(zhì)提供的資料，節(jié)理、裂隙無處不在，本處未發(fā)現(xiàn)斷層和大范圍的結(jié)構(gòu)面，計(jì)算時(shí)采用均一的彈塑性材料。

3.5 圍巖穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果與分析

采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型對(duì)調(diào)壓井進(jìn)行三維有限元計(jì)算，調(diào)壓井開挖后圍巖位移開展和塑性區(qū)的計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 調(diào)壓井開挖后圍巖井壁位移和圍巖塑性區(qū)計(jì)算結(jié)果

由表2 可知，在設(shè)計(jì)支護(hù)條件下井壁順?biāo)飨蛭灰谱畲笾捣謩e為2.02 cm，橫水流向位移最大值為1.65 cm，對(duì)應(yīng)的調(diào)壓井側(cè)壁最大相對(duì)收斂值分別為0.126% 和0.103%，均在0.10%～0.50% 之間；調(diào)壓井塑性區(qū)順?biāo)飨蜃畲箝_展深度為6.9 m，橫水流向最大開展深度分別為6.0 m，洞周塑性區(qū)深度與洞室跨度的比值分別為0.216 和0.188，均小于0.50～0.60，說明支護(hù)效果較好，圍巖整體穩(wěn)定。

3.6 圍巖內(nèi)摩擦角敏感性分析

考慮爆破、融水、卸荷、不規(guī)則節(jié)理裂隙等因素對(duì)圍巖強(qiáng)度參數(shù)的影響，結(jié)合以往的工程經(jīng)驗(yàn)，將圍巖摩擦角降低30%，Ⅲ類圍巖摩擦角降低12°，Ⅳ類圍巖摩擦角降低9.6°，V 類圍巖摩擦角降低6.6°，凝聚力不變，圍巖井壁位移和圍巖塑性區(qū)計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 降低圍巖凝聚力和內(nèi)摩擦角計(jì)算結(jié)果

降低圍巖抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)，圍巖的塑性區(qū)范圍出現(xiàn)明顯的增加，井壁單側(cè)位移小幅度的增加，井壁順?biāo)飨蛭灰谱畲笾禐?.47 cm，橫水流向位移最大值為1.93 cm，對(duì)應(yīng)的調(diào)壓井側(cè)壁最大相對(duì)收斂值分別為0.154%和0.121%，均在0.10%～0.50%以下；調(diào)壓井塑性區(qū)順?biāo)飨蜃畲箝_展深度為9.5 m，橫水流向最大開展深度分別為9.1 m，洞周塑性區(qū)深度與洞室跨度的比值分別為0.297 和0.284，均小于0.50～0.60。在設(shè)計(jì)支護(hù)措施下，即使圍巖物理力學(xué)參數(shù)有一定比率下降，調(diào)壓井圍巖仍然保持穩(wěn)定，說明支護(hù)效果較好。

4 結(jié) 語

超大直徑調(diào)壓井開挖支護(hù)非常復(fù)雜，涉及因素眾多，計(jì)算分析難度大，需全面系統(tǒng)分析論證。本文通過對(duì)新疆某工程超大直徑調(diào)壓井開挖一次支護(hù)及圍巖穩(wěn)定進(jìn)行深入分析研究，最終確定設(shè)計(jì)的開挖一次支護(hù)措施可有效保證圍巖整體穩(wěn)定，支護(hù)效果較好。