魏福貴， 李 鰲， 雷 楊， 黎 倩， 田青峰

(1. 四川川交路橋有限責(zé)任公司， 四川廣漢 618300; 2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

近年來我國基礎(chǔ)建設(shè)事業(yè)蓬勃發(fā)展，全國范圍內(nèi)高速公路里程不斷增加，尤其是在我國多山多嶺的西南區(qū)域高速公路更是交通事業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。由于多山多嶺的區(qū)域特點(diǎn)，難以避免會(huì)出現(xiàn)長大型公路隧道。長大公路隧道的修建需克服許多困難，其中通風(fēng)豎井的修建便是其一。

目前在公路隧道領(lǐng)域，為通風(fēng)和輔助施工需要，豎井工程施工越來越多。但一直至今為止都沒有一套完整的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范對(duì)公路隧道豎井施工進(jìn)行指導(dǎo)。在豎井施工中最關(guān)鍵的因素莫過于支護(hù)，支護(hù)方式和支護(hù)厚度的選擇和確定是豎井安全施工的關(guān)鍵。

在此方面已有許多國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行研究，也不乏有許多成果。李輝[1]以某軟巖地質(zhì)水電站閘門豎井為例，利用彈塑性力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)進(jìn)行豎井支護(hù)方案對(duì)比分析，通過計(jì)算比較發(fā)現(xiàn)對(duì)于軟巖豎井開挖可用混凝土襯砌作為主要支護(hù)，錨桿支護(hù)只可用作臨時(shí)輔助；楊官濤[2]利用圍巖—支護(hù)相互作用原理，推導(dǎo)出了豎井圍巖和支護(hù)的應(yīng)力、位移和支護(hù)厚度的計(jì)算公式，建立安全系數(shù)評(píng)價(jià)方法，為支護(hù)厚度的確定提供了依據(jù)；吳梅[3]以兩河口水電站建筑物系統(tǒng)為工程依托，較為全面的分析總結(jié)了在豎井施工中可能會(huì)出現(xiàn)的安全事故，并逐步進(jìn)行預(yù)防措施施作，保證了施工安全；崔浩[4]針對(duì)極寒地區(qū)深井支護(hù)工程為依托，利用理論分析和現(xiàn)場測試手段進(jìn)行探究，對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，確定了在高寒地區(qū)深井所需的合理支護(hù)厚度；李廣健[5]對(duì)豎井反井施工和滑模施工常見的各種問題進(jìn)行分析，提出可行的豎井施工方案，并提出了合理的初支和二襯支護(hù)參數(shù)，適用于巖層傾角較小的豎井工程；樊建華[6]利用模糊綜合評(píng)價(jià)法等理論對(duì)深井開挖支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化確定，得出結(jié)論：利用不同方法進(jìn)行支護(hù)時(shí)得到的結(jié)果并不一致，更關(guān)鍵的是根據(jù)實(shí)際工程情況進(jìn)行合理選擇；郭旗[7]利用噴射混凝土支護(hù)來代替澆筑混凝土支護(hù)對(duì)哈圖金礦豎井馬頭門以上部分進(jìn)行支護(hù)，提升了建井速度，降低了建井成本；豎井在支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到實(shí)際工程所決定的工程條件，現(xiàn)有豎井施工中基本都是采用整體式的混凝土支護(hù)[8]。

胡志耀[9]針對(duì)國內(nèi)暗挖地鐵豎井多采用類比法進(jìn)行設(shè)計(jì)施工的現(xiàn)狀，以土巖結(jié)合地區(qū)地鐵工程為背景進(jìn)行理論分析，并輔以數(shù)值計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證得到不同地質(zhì)條件下豎井?dāng)嗝嫘问胶椭ёo(hù)參數(shù)的選取方法；郭繼林[10]等以徑深比較小的官田隧道豎井為工程依托，使用空氣潛孔錘代替?zhèn)鹘y(tǒng)反井鉆機(jī)鉆頭進(jìn)行反井法鉆進(jìn)，形成一套適用于徑深比較小的反井施工技術(shù)。

從以上分析可以知道，現(xiàn)有豎井研究涉及各個(gè)方面，各位專家和學(xué)者利用各種手段和方法對(duì)豎井?dāng)嗝婧椭ёo(hù)進(jìn)行研究探討，并且獲得一些可用成果，但在單純地豎井襯砌支護(hù)厚度方面鮮有提出，對(duì)于巖石地質(zhì)條件下豎井襯砌厚度變化造成的豎井圍巖應(yīng)力變化研究較少。

因此本文以巖石條件下采用短段掘砌混合作業(yè)法公路隧道豎井為工程依托，探究不同襯砌厚度對(duì)豎井開挖圍巖應(yīng)力的影響，總結(jié)出襯砌厚度和圍巖應(yīng)力的影響規(guī)律，確定最佳的豎井襯砌厚度，達(dá)到在保證施工安全的同時(shí)，節(jié)省施工時(shí)間和施工成本。

1 工程概況

本文依托豎井工程所在隧道長8.8 km，右洞在 K18+570測設(shè)線右側(cè)60 m設(shè)置一座通風(fēng)豎井，豎井深 227.5 m，其中V級(jí)圍巖段62.5 m，上部主要為卵石土及中砂，下部為強(qiáng)-中風(fēng)化礫巖，卵石土呈稍密-中密狀，粒間充填粉質(zhì)黏土，礫巖風(fēng)化強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎；Ⅳ級(jí)圍巖段165 m，巖性主要為中厚層狀的中風(fēng)化礫巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，礫巖為較硬巖。豎井內(nèi)徑為9.6 m，外徑10.8 m，襯砌厚度60 cm，豎井結(jié)構(gòu)可見圖1。豎井采用短段掘砌混合作業(yè)法進(jìn)行施工，施工步距為4 m，施工流程可見圖2。 63.0～230.6 m 測深范圍的最大水平主應(yīng)力為3.7～12.6 MPa，最小水平主應(yīng)力為2.7～7.6 MPa，豎向應(yīng)力σz為1.6～6.0 MPa最大主應(yīng)力方向?yàn)楸逼珫|74 °。

圖1 豎井結(jié)構(gòu)示意(單位：cm)

圖2 豎井施工流程

2 現(xiàn)有豎井支護(hù)理論

眾所周知目前有關(guān)豎井施工支護(hù)多采用擋土墻理論進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，但是擋土墻理論的局限性在于其僅適用于巖土或者松散軟巖地質(zhì)條件，對(duì)于巖石條件下的豎井施工并不適用。

現(xiàn)有公路隧道豎井地層多是巖石地層，在設(shè)計(jì)施工時(shí)多是借用礦山領(lǐng)域豎井設(shè)計(jì)施工方法。具體理論如下；

在井筒周邊取一小塊單元體來研究，如圖3所示。其上作用豎向應(yīng)力σz=γH，水平應(yīng)力σθ=2μγH/(1-μ)，而σr為0,在判定出σz與σθ哪個(gè)是最大主應(yīng)力σmax后，用σmax繪制莫爾圓，看其是否與強(qiáng)度曲線相切。如果莫爾圓在巖體強(qiáng)度曲線以下，說明衍生的剪應(yīng)力τ<σtanφ+C，因而，井幫是穩(wěn)定的；如果其與強(qiáng)度曲線相切，則說明井壁巖體處于極限平衡狀態(tài)。

當(dāng)井壁巖體處于極限平衡狀態(tài)時(shí)，根據(jù)摩爾圓與強(qiáng)度曲線相切的關(guān)系，有：

sinφ=(σmax/2)/(Ccotφ+σmax/2)

(σmax/2)(1-sinφ)=Ccotφsinφ=Ccosφ

所以：

σmax=2Ccosφ/(1-sinφ)

故井幫穩(wěn)定條件為：

σmax≤2Ccosφ/(1-sinφ)

或

σmax≤2Ccosφ/(1-sinφ)

=2Csin(90°+φ)/[1+cos(90°+φ)]

=2Ctan[(90°+φ)/2]

(a) 受力狀況

(b) 摩爾圓圖3 極限平衡狀態(tài)和摩爾圓

所以：

σmax≤2Ctan[(90°+φ)/2]

以上便是現(xiàn)有公路隧道豎井設(shè)計(jì)施工所采用的圍巖應(yīng)力計(jì)算理論，在礦山豎井領(lǐng)域采用此種計(jì)算理論并無不妥，因?yàn)榈V山豎井兼有生產(chǎn)運(yùn)營需求。但對(duì)于公路隧道通風(fēng)豎井而言，尤其是采用短段掘砌混合作業(yè)法進(jìn)行施工的豎井采用此理論進(jìn)行設(shè)計(jì)施工所采用的的支護(hù)方式是偏于保守的。

3 數(shù)值計(jì)算

3.1 計(jì)算條件

為探明在短段掘砌混合作業(yè)法施工情況下不同襯砌厚度對(duì)公路隧道豎井施工的影響，本文以豎井工程V級(jí)圍巖段為例進(jìn)行計(jì)算模擬。選取有限元計(jì)算軟件MIDAS GTS進(jìn)行模擬，考慮到依托工程圍巖裂隙較發(fā)育的實(shí)際情況，圍巖參數(shù)取值見表1。

分別設(shè)置襯砌厚度為60 cm、40 cm、20 cm進(jìn)行計(jì)算模擬，探究豎井圍巖在不同情況下的圍巖應(yīng)力變化和變形情況。

表1 圍巖參數(shù)

計(jì)算模型如圖4所示，除襯砌厚度外，其他條件均一致。計(jì)算模型長40 m，寬40 m，高56 m。

圖4 計(jì)算模型

寶鼎2號(hào)豎井實(shí)際施工過程中，采用的是短段掘砌混合作業(yè)法配合模筑混凝土襯砌，施工過程中開挖步距為4 m，開挖出碴后即開始施做模筑混凝土。計(jì)算過程中，按照寶鼎2號(hào)隧道實(shí)際施工步距和施工步驟進(jìn)行模擬，在計(jì)算中共計(jì)設(shè)置10個(gè)施工循環(huán)，底部留出16 m高度不開挖。

3.2 計(jì)算結(jié)果

3.2.1 不同襯砌厚度結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力

根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)不同襯砌厚度下最靠近襯砌外側(cè)的圍巖單元的應(yīng)力及位移情況進(jìn)行分析，其對(duì)比數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 不同襯砌厚度結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力

從圖5可以看出，在不同襯砌厚度情況下圍巖應(yīng)力均是隨著豎井深度增加沒有較大波動(dòng)，但是當(dāng)豎井開挖深度超過30 m時(shí)，圍巖應(yīng)力出現(xiàn)陡增情況。直至開挖完畢后豎井圍巖應(yīng)力開始下降并在44～52 m范圍內(nèi)有較大波動(dòng)。三種工況下最大圍巖應(yīng)力均出現(xiàn)在40 m埋深處，并且40 cm襯砌厚度時(shí)，圍巖應(yīng)力最大，為1 MPa左右，60 cm襯砌厚度次之，約為0.97 MPa，20 cm襯砌厚度時(shí)圍巖應(yīng)力最小，為0.8 MPa?？梢园l(fā)現(xiàn)周邊圍巖應(yīng)力的大小并不是單純地隨襯砌厚度的增加而增加或者是隨襯砌厚度增加而降低的關(guān)系。在開挖至32 m之前，三種工況下周邊圍巖應(yīng)力大小關(guān)系符合三種工況下襯砌厚度的大小關(guān)系，但是在32 m之后，40 cm襯砌厚度時(shí)圍巖應(yīng)力增加最多，隨之便是60 cm襯砌厚度，20 cm襯砌厚度時(shí)增加最少，并且20 cm襯砌厚度工況，圍巖應(yīng)力最先開始增加。

3.2.2 不同襯砌厚度下圍巖位移情況

不同襯砌厚度下周邊圍巖的豎向位移均是隨著深度的增加而增加，直至36 m深度處，位移達(dá)到最大，當(dāng)深度繼續(xù)增加時(shí)，周邊圍巖豎向位移逐漸降低。不同于圍巖應(yīng)力的變化規(guī)律，圍巖豎向位移并未出現(xiàn)在豎井底部，反而出現(xiàn)在36 m左右位置。40 cm襯砌厚度時(shí)最大豎向位移為2.5 mm，而20 cm和60 cm厚度襯砌的最大豎向位移均在2.3 mm左右(圖6)。

圖6 不同襯砌厚度圍巖豎向位移

不同襯砌厚度工況下，豎井圍巖徑向位移情況變化規(guī)律基本與豎向位移變化規(guī)律保持一致。不同之處就在于在36～40 m開挖深度時(shí)，徑向位移降低幅度比之豎向位移大出許多。并且從40 m至44 m處有增加趨勢，然后隨深度增加繼續(xù)減小(圖7)。

圖7 不同襯砌厚度圍巖徑向位移

4 結(jié)論

根據(jù)本文對(duì)公路隧道通風(fēng)豎井以上分析結(jié)果可得出以下結(jié)論：

(1)豎井開挖后，對(duì)掌子面以下圍巖的影響范圍在12～16 m左右，即3～4個(gè)施工循環(huán)。三種各工況下，40 cm襯砌厚度時(shí)豎井底部周邊圍巖的位移和應(yīng)力均是最大的?；诖?，可以得出在豎井設(shè)計(jì)施工時(shí)并非是襯砌越厚越好，對(duì)于寶鼎二號(hào)隧道豎井而言，在40 cm襯砌厚度附近應(yīng)有一個(gè)最佳襯砌厚度值，既能保證結(jié)構(gòu)安全，又可以降低施工混凝土用量。

(2)從本文中分析可以看出不同斷面最大圍巖壓力及應(yīng)變均出現(xiàn)在最大水平主應(yīng)力方向附近，因此在豎井施工期間需對(duì)最大水平主應(yīng)力方向附近圍巖加強(qiáng)關(guān)注。

(3)通過對(duì)不同斷面圍巖壓力情況分析可以得到，采用短段掘砌混合作業(yè)法進(jìn)行豎井施工時(shí)，圍巖性質(zhì)和圍巖的完整性對(duì)圍巖壓力影響較大，尤其是在一定深度范圍內(nèi)(本依托工程中為150 m左右)，其影響要超過圍巖深度影響。