杜明陽
中國交通建設集團股份有限公司軌道交通分公司
摘 要：依托實際工程案例，設計了豎井開挖模型試驗。結合前人研究結果和實際工程經驗，設定了4種替代圍岩的材料配合比，并進行了基礎力學試驗以确定最佳配合比。研究了不同開挖步序下各監測點位的圍岩側壓力變化規律，并對圍岩側壓力随深度變化規律進行分析。對施工豎井圍岩側壓力研究和依此進行的工程設計具有一定的參考價值。
關鍵詞：施工豎井;圍岩壓力;模型試驗;
作者簡介：杜明陽（1988—），男（滿族），北京人，工程師，從事軌道交通施工管理工作。;
0 引言
随着大陸城市化程序的推進和地下空間結構的發展，隧道工程越來越多。其中，地鐵車站深豎井開挖引起的圍岩側壓力增大一直是研究的重點和難點[1,2]。駱曉鋒等[3]為研究豎井開挖時圍岩的穩定性，通過有限元軟體對豎井開挖過程進行了仿真模拟，預測豎井開挖過程中圍岩的穩定性，結果表明，該預測方法能對施工時圍岩穩定性控制提供有效的技術支撐。劉力源等[4]考慮高滲透壓和不對稱圍壓情況，對流固耦合條件下的深豎井開挖圍岩有效應力進行了分析和計算，結果表明，由于裂隙水壓的作用，會增大圍岩破壞風險。周雄華等[5]依托實際工程案例，通過數值模拟手段研究了不同圍岩等級下豎井開挖時的圍岩應力和襯砌結構變形特征，結果顯示圍岩應力在豎井開挖完成後均已釋放完畢。王鵬等[6]通過三維有限元軟體模拟了高地應力條件下斜向豎井的爆破過程，分析了地應力對爆破振動的影響情況，結果表明，對于高地應力環境中的Ⅲ類圍岩周邊孔間距設為55cm，線裝藥量為0.22kg/m時表現出的效果和經濟性最好。郭繼林等[7]改進了硬質岩條件下深豎井施工技術，通過空氣潛孔錘代替傳統反井鑽機鑽頭，實踐表明能有效減少導孔傾斜度和鑽頭的磨損，并優化了豎井設計中圍岩壓力的取值。萬凱軍和趙建海[8]基于神經網絡深度學習方法，通過多個因素對豎井圍岩品質進行評價分級，其結果證明神經網絡的收斂性和穩定性均表現較好，展現了在岩體品質分級中良好的使用性能。
本文依托實際工程案例，設計了豎井開挖模型試驗。研究了不同開挖步序下各監測點位的圍岩側壓力變化規律，并分析了圍岩側壓力随深度變化的規律。其研究結果對施工豎井圍岩側壓力研究和依此進行的工程設計具有一定的參考價值。
1 工程概況
本文依托重慶軌道交通15号線二期項目，該線路全長15.2km，隧道埋置深度為12.5～33.1m，屬深埋隧道。含7座車站。設有施工豎井1座，開挖深度為30m，用于通風和聯絡線施工。豎井周圍圍岩等級為Ⅳ級，主要岩層為砂岩和砂質泥岩。表1為圍岩的實體參數。
表1 圍岩實體力學參數 下載下傳原圖
2 豎井模型試驗
2.1 試驗原理
本文設計了先固定後解除安裝的模型試驗系統，以便更好地監測相應點位的圍岩側壓力，進而實作對豎井施工過程的全方位仿真模拟。該模型試驗系統先令豎井模型與實際工程邊界條件進行等效，然後再去除限制，以模拟實際開挖過程中的力學效應。
試驗使用的模型箱由兩部分構成，分别為開口中空的長方形箱體和U形擋闆。豎井開挖的模型試驗共包含12個施工步驟，是以設有U形闆12個，用于模拟實際工程中的支擋結構。實際豎井高度為30m，長為15m，寬為5m，幾何相似比設為50，豎井模型高度為60cm，長度為30cm，寬度為10cm，模型箱尺寸設為長×寬×高=50cm×30cm×60cm。圖1為施工豎井試驗的模型箱示意圖。為更友善地監測豎井開挖引起的圍岩側壓力，沿着豎井長寬各一半，将模型箱分為兩部分，記作模型一和模型二。
圖1 施工豎井試驗模型箱 下載下傳原圖
結合實際工程中矩形豎井的特點，通過細砂、石灰和石膏三種材料對Ⅳ級圍岩進行配比，相似材料配合比如表2所示。此外，拌和水量為9︰1。編号名稱第一位表示砂膠比，第二位表示石膏與石灰的比值，即膏灰比。
表2 相似材料配合比 下載下傳原圖
根據上述配合比，每個配合比制作了30個長寬高均為100mm的标準試塊。經過養護後，采用岩石剪切流變試驗機測試單軸抗壓強度，并通過其他基礎實驗測得其他的實體參數，結果如表3所示。
表3 相似材料力學參數 下載下傳原圖
根據表3計算出相似系數後發現，編号586的配比與實際圍岩性質較為接近，為最佳替代材料。表4展示了配合比為586與實際圍岩的各實體參數相似系數。
表4 材料相似系數 下載下傳原圖
相似材料澆築完成後，連接配接監測系統電路，再進行為期7d的通風幹燥，使材料性質保持在一個較為穩定的水準，其幹燥度亦與進行基礎實驗時保持一緻。共12個開挖步驟，開挖時間的相似比設為24，依據實際工期，該模型試驗的開挖時長共計24h。
2.2 監測方案
通過動态信号采集系統采集豎井開挖時模型一和模型二的圍岩壓力，豎向共設6道監測點位，第一層監測點位為表面以下80mm，每層間的豎向間距亦為80mm。其中，模型箱一設定監測點位48個，即每層8個，模型二設定監測點位36個，即每層6個。監測點位如圖2所示。
圖2 監測點布置示意圖 下載下傳原圖
觀察監測資料發現，共存在5個點位未平衡，即電路或應變片連接配接異常。但考慮異常點位占比較少，且為非關鍵性點位，是以，本次試驗的監測資料仍具有研究意義。
3 結果分析與讨論
3.1 圍岩側壓力時程曲線
圖3為第一道監測點圍岩側壓力随開挖步序的變化情況。
圖3 第一道監測點圍岩側壓力随開挖步序變化曲線 下載下傳原圖
由圖3可知，随着開挖步序的增加，圍岩側壓力随之改變。在第二道開挖步序前，圍岩側壓力基本為零，這是由于開挖初期，開挖深度較淺，未達到第一道監測點深度，是以對該部分圍岩側壓力産生影響較少。第2道開挖步序後，模型一和模型二監測點的圍岩側壓力急劇增大，約在第4道開挖工序附近達到峰值後開始衰減。兩個模型相比，模型二的圍岩側壓力峰值更大，在第2道開挖工序後表現較為明顯。這是由于在模型二中，豎井開挖範圍占比更大，是以對圍岩産生的作用更明顯。可見豎井開挖尺寸對圍岩内力有顯著的影響。
圖4為第二道監測點圍岩側壓力随開挖步序的變化曲線。
圖4 第二道監測點圍岩側壓力随開挖步序變化曲線 下載下傳原圖
由圖4可知，在第二道開挖步序後，監測點圍岩側壓力随開挖步序增加而變化，很快達到峰值，峰值約在第2道開挖步序附近，與第一層監測點趨勢較為接近。然而，相比較而言，模型二圍岩監測點的側壓力未出現明顯的衰減。
圖5為第4道監測點圍岩側壓力随開挖步序的變化曲線。圖中呈現出上升趨勢，即未開挖到監測深度之前，監測點的圍岩側壓力基本為零，開挖深度接近監測點深度後，監測點的圍岩側壓力急劇增加後出現一定的衰減直至穩定。兩模型相比，模型一圍岩側壓力數值更大。
觀察圖3、圖4和圖5，并結合模型一和模型二的點位分布情況，可以發現豎井監測點位受模型邊界的空間限制效應較為顯著，由于空間的限制效應，使豎井圍岩側壓力被抑制，未受到空間限制的監測點位明顯大于前者。
圖5 第四道監測點圍岩側壓力随開挖步序變化曲線 下載下傳原圖
3.2 圍岩側壓力随深度變化特征
圖6和圖7分别為模型一和模型二各監測點位圍岩側壓力随深度變化曲線。由圖中可以看出，圍岩側壓力數值受深度影響較大，未出現随着深度增加圍岩側壓力增大或減小的一般性規律，而是随着深度的增加，圍岩側壓力出現一個拐點，約在豎井開挖深度的2/3左右。在拐點之前，深度增加圍岩側壓力增大，呈現出近似線性的關系。而在拐點之後，随着深度增加圍岩側壓力出現一定的降低，與傳統理論中對圍岩側壓力與深度呈線性變化的假定存在差異。
在模型一中，圍岩側壓力峰值最大的為8号點位。與此同時，8号點位的圍岩側壓力峰值對應的深度更深，結合監測點布置位置，可發現8号點位受空間限制較為明顯，使其圍岩側壓力增加被抑制，進而導緻其峰值出現的深度更大。在模型二中，同一深度下數值最大的均為2号點位，觀察模型二中監測點布置位置，可以發現監測點2、3、4、5均未受到空間限制作用，是以大小關系更為穩定。
圖6 模型一各監測點位圍岩側壓力随深度變化曲線 下載下傳原圖
圖7 模型二各監測點位圍岩側壓力随深度變化曲線 下載下傳原圖
4 結論
本文依托實際工程，設計了豎井開挖模型試驗。結合前人研究結果和實際工程經驗，設定了4種替代圍岩的材料配合比，并進行了基礎力學試驗确定最佳配合比。研究了不同開挖步序下各監測點位的圍岩側壓力變化規律，并分析圍岩側壓力随深度變化規律。得出主要結論如下：
(1）随着豎井開挖的不斷深入，同一深度下的圍岩側壓力出現先增再減後趨于穩定的變化趨勢。
(2）豎井監測點位受模型邊界的空間限制效應較為顯著，由于空間的限制效應，使豎井圍岩側壓力被抑制，未受到空間限制的監測點位明顯大于前者。
(3）未出現随着深度增加圍岩側壓力增大或減小的一般性規律，而是随着深度的增加，圍岩側壓力出現一個拐點，約在豎井開挖深度的2/3左右，這與傳統理論中對圍岩側壓力與深度呈線性變化的假定存在差異。
參考文獻
[1] 李義華，翟志國，許維青，等．京沈客專望京隧道超深豎井施工技術革新[J].隧道建設（中英文），2022,42(8):1482-1490.
[2] 齊保衛，孟帥堯，李東利，等.面向豎井掘進機的超寬帶分層平面定位系統設計與應用[J]．隧道建設（中英文），2022,42(6):1077-1083.
[3] 駱曉鋒，邱偉，杜小凱，等．豎井土質圍岩綜合力學參數反演及穩定性預測[J]．人民長江，2021,52(S1):296-300.
[4] 劉力源，紀洪廣，王濤，等．高滲透壓和不對稱圍壓作用下深豎井圍岩損傷破裂機理[J]．工程科學學報，2020,42(6):715-722.
[5] 周雄華，許聖祥，冷希喬．深大豎井正井法施工圍岩與結構力學特性分析[J]．現代隧道技術，2019,56(S2):325-331.
[6] 王鵬，侍克斌，龍小明，等.高地應力區層狀圍岩斜豎井施工爆破數值模拟[J].水資源與水工程學報，2013,24(2):89-91.
[7] 郭繼林，張俊儒，李小剛，等.一種改進的硬質岩深豎井反井施工技術及豎井圍岩壓力取值探讨[J].隧道建設，2016,36(5):585-591.
[8] 萬凱軍，趙建海.神經網絡在礦山豎井工程圍岩品質分級中的分析與應用[J].工業建築，2014,44(S1):797-801.
聲明：我們尊重原創，也注重分享。有部分内容來自網際網路，版權歸原作者所有，僅供學習參考之用，禁止用于商業用途，如無意中侵犯了哪個媒體、公司、企業或個人等的知識産權，請聯系删除（郵箱：[email protected]），另本頭條号推送内容僅代表作者觀點，與頭條号營運方無關，内容真僞請讀者自行鑒别，本頭條号不承擔任何責任。