高地应力环境下深埋竖井施工稳定性控制研究.pdf

水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期Water Resources and Hydropower Engineering Vol.54 No.S2蔡柳洲,张金龙.高地应力环境下深埋竖井施工稳定性控制研究J.水利水电技术(中英文),2023,54(S2):207-209.CAI Liuzhou,ZHANG Jinlong,.Study on construction stability control of deep buried shaft under high ground stress environmentJ.Water Resources and Hydropower Engineering,2023,54(S2):207-209.高地应力环境下深埋竖井施工稳定性控制研究蔡柳洲,张金龙(中国葛洲坝集团第三工程有限公司,陕西 西安 710077)收稿日期:2022-09-01作者简介:蔡柳洲(1992),男,工程师,副主任,学士,主要从事水利水电工程领域技术管理研究。E-mail:1132480229 通信作者:张金龙(1990),男,工程师,主任助理,学士,主要从事水利水电工程领域技术管理研究。E-mail:1157943270 摘 要:深埋且围岩状况复杂条件下竖井开挖存在较大的风险。为保证竖井稳定,提出采用先导孔进行泄压的施工措施,并采用三维数值仿真模型对开挖过程进行分析。研究发现,对于 Q5 级别围岩,工作面稳定性在埋深 400 m 情况下较差,应采取必要的超前支护措施。先导孔的存在会使得应力向先导孔处集中,能够降低竖井周边的围岩压力和喷射混凝土应力,具有泄压作用。关键词:竖井;先导孔;稳定性;数值仿真DOI:10.13928/ki.wrahe.2023.S2.033中图分类号:TU94文献标志码:A文章编号:1000-0860(2023)S2-0207-03Study on construction stability control of deep buried shaft under high ground stress environmentCAI Liuzhou,ZHANG Jinlong(China Gezhouba Group No.3 Engineering Co.,Ltd.,Xi an 710077,Shaanxi,China)Abstract:There is great risk in shaft excavation under the condition of deep buried and complex surrounding rock.To ensure the vertical shaft stability,the construction measures of pressure relief by pilot hole are proposed,and the three-dimensional numeri-cal simulation model is used to analyze the excavation process.Research results show that the working face stability is poor for Q5 surrounding rock when the buried depth is 400 m,and necessary advanced support measures should be introduced.The existence of pilot hole can make the stress concentrate to the pilot hole,which can reduce the surrounding rock pressure and shotcrete stress around the shaft,and has the function of pressure relief.Keywords:vertical shaft;the guide hole;stability;simulation0 引 言0 引 言 竖井是隧洞建设的重要组成部分。近年来,随着国家基础设施建设的逐步实施,隧洞埋深增大且穿越的地层更加复杂,也给竖井的建设带来了挑战,其主要难点体现在高地应力环境下深埋竖井施工的稳定性控制研究。为保证隧洞建设的顺利进行,郑可跃等1考虑围岩松动效应和控制支护让压程度的必要性,通过多工况比选确定第二层增设钢拱架的支护时机和支护参数,研究成果能准确反映高地应力构造破碎带隧道大变形灾变过程。梁宁等2基于单轴抗压试验分析了围岩的变形破坏过程,发现大埋深高地应力条件下岩体的各向异性和地应力变化是影响硬脆性围岩稳定性的重要因素。苏利军等3分析比较得到了不同埋深条件的硬岩和软岩的变形分布特性、最大拉应力分布702蔡柳洲,等/高地应力环境下深埋竖井施工稳定性控制研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期特性、最大压应力分布特性及可能岩爆区和塑性变形区分布、剪切破坏区分布。王道远等4基于不同支护方案的受力及变形控制方法现场试验研究,分析各方案在高地应力隧道开挖中优缺点。高晓春等5通过数值模型分析高地应力作用下不同侧压力系数对高地应力软岩隧道开挖变形的影响作用。王凤云6以开挖隧道后围岩的塑性区力学状态和位移变形为基础,采用理论分析、室内试验和数值模拟等相结合的方式揭示了围岩破坏后塑性区内的力学参数和位移的演化过程,探讨了深埋隧道围岩破坏的渐进性过程及锚杆锚固机制。国内学者对深埋竖井也进行了研究,刘力源等7针对高渗透压和不对称围压作用下深竖井围岩损伤破裂问题,构建流固损伤耦合效应力学分析模型探讨了孔隙水压及地应力场对围岩损伤破裂演化的作用机制。刘焕新等8采用熵权法和逼近理想解排序法(TOPSIS 法)建立了岩爆多指标综合危险性等级预测模型,分析了竖井深部开挖后围岩应力与弹性应变能分布。殷有泉等9研究发现,竖井围岩的不稳定及其岩爆的发生不仅取决于岩石材料应力应变全过程曲线的峰后特性,还取决于竖井开挖过程对应的平衡路径曲线的类型。杨官涛等10根据弹塑性力学及围岩支护相互作用原理,分析了竖井稳定性,推导了竖井围岩与支护的应力、位移以及支护厚度的计算公式。分析既有研究成果可以看出,关于高地应力环境下竖井施工依然缺乏相关研究,如何保证该复杂环境下的施工安全依然未知。为此,基于某引水隧洞工程,开展高地应力环境下竖井开挖稳定性分析,研究成果可为竖井施工提供一定指导。1 工程概况1 工程概况1.1 工程地质条件 某引水隧洞工程中有多处压力管道,埋深在200400 m 之间,围岩类型在 Q4Q5范围内,竖井开挖直径为 5 m。压力管道处地层成单斜构造,片理总体走向为 NE60NE80,倾向 NW,倾角以 6080为主。受构造、卸荷等影响,地表倾角相对较缓,约为 40。1.2 围岩初始地应力 地应力测试表明,工程区的水平构造作用力明显,最大水平主应力占主导地位,区域主导应力情况为 Hzh。最大水平主应力在 1.01 49.93 MPa范围内,最小水平主应力在 0.55 30.13 MPa 范围内,铅直向应力在 0.2838.78 MPa 范围内。2 有限元模型建立2 有限元模型建立2.1 计算模型 本次模拟采用 FLAC3D有限差分程序进行开挖支护分析,其能够较好地模拟岩土体的力学特征,在岩土工程领域得到了广泛应用。根据实际情况建立压力竖井三维模型,模型几何尺寸取 40 m40 m100 m(长宽高)。模型上部边界为自由边界施加自重力边界荷载,其余边界施加位移约束。实际施工期间,支护方式采用喷混凝土、钢支撑及锚杆支护。模型中,围岩采用 Hoek-Brown 弹塑性本构模型,混凝土喷层采用 shell 单元模拟,钢支撑采用 beam 单元模拟,钢支撑固定锚杆采用cable 单元模拟。2.2 计算参数 模拟开挖支护按实际现场施工过程进行模拟。对于 Q4和 Q5围岩,开挖进尺分别为 3 m 和 2.5 m,钢拱架和喷射混凝土紧跟工作面,即距掌子面 1 1.5 m。对于埋深大于 300 m 的竖井段,考虑先导洞对应力释放的影响。根据地质勘测资料,确定围岩计算参数如表 1 所列。3 竖井开挖稳定性分析3 竖井开挖稳定性分析3.1 Q4围岩段 对于埋深较大区域,地应力会对竖井稳定产生较大影响。为保证施工安全,施工单位拟采用先导孔释放地应力。为分析该施工方案的可行性,依次分析有、无先导孔两种情况下的围岩应力、塑性区范围和喷射混凝土应力,结论如下:(1)先导孔的存在会使得应力向先导孔处集中,竖井周边的围岩压力减小,表明先导孔具有泄压的作用。表 1 围岩力学参数类 别埋深/mE/GPac/MPa/()t/MPaQ44002.460.980.3137.10.03Q52000.990.470.3535.930.013000.990.540.3534.290.014000.990.730.3530.90.01 注:t为岩体抗拉强度。802蔡柳洲,等/高地应力环境下深埋竖井施工稳定性控制研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期 (2)未使用先导孔情况下,围岩塑性区较大且主要集中在竖井两侧。使用先导孔后,围岩塑性区减小,且主要集中在先导孔两侧,对于已开挖的竖井影响有限。(3)先导孔的存在能够降低喷射混凝土应力。不考虑先导孔应力释放情况下,喷射混凝土最大压应力为 29.5 MPa,最小拉应力为 3.58 MPa。考虑先导孔应力释放作用情况下,喷射混凝土最大压应力为26.1 MPa,最大拉应力为 2.83 MPa。3.2 Q5围岩段 埋深 200 m、300 m 和 400 m 工况下,分析结论如下:(1)埋深 200 m、300 m 和 400 m 时,工作面塑性区深度分别为 1.6 m、1.8 m 和 2.5 m。埋深 300 m情况下,围岩塑性区深度为洞径的 34.6%,工作面仍有一定的稳定性。当埋深为 400 m 时,工作面稳定性差,应采取必要的超前支护措施。(2)无先导孔情况下,应力主要集中在竖井底部两侧,最大应力为 8.4 MPa。有先导孔时,两侧的应力为 6.4 MPa,应力的集中在竖井底部与先导孔处,表明先导孔对于竖井开挖有提前释放压力的作用。(3)无先导孔情况下,喷混凝土最大压应力为29 MPa,最大拉应力为 2.4 MPa,混凝土应力较大,存在局部破坏失效的风险。有先导孔情况下,因先导孔的 应 力 释 放 作 用,喷 混 凝 土 最 大 压 应 力 为20.8 MPa,最大拉应力为 1.0 MPa,混凝土应力较小,支护体系处于安全状态。4 结 论4 结 论 本文通过对引水隧洞工程中不同埋深的压力竖井进行模拟开挖,对比分析了先导孔施工与否对竖井稳定性的影响。(1)Q5 围岩状况下,埋深 200 m、300 m 和400 m 时,工作面塑性区深度分别为 1.6 m、1.8 m和 2.5 m。埋深 300 m 情况下,围岩塑性区深度为洞径的 34.6%,工作面仍有一定的稳定性。当埋深为400 m 时,工作面稳定性差,应采取必要的超前支护措施。(2)先导孔的存在会使得应力向先导孔处集中,竖井周边的围岩压力减小,表明先导孔具有泄压的作用。未使用先导孔情况下,围岩塑性区较大且主要集中在竖井两侧。使用先导孔后,围岩塑性区减小,且主要集中在先导孔两侧。(3)先导孔的存在能够降低喷射混凝土应力。不考虑先导孔应力释放情况下,喷射混凝土最大压应力为 29.5 MPa,最小拉应力为 3.58 MPa。考虑先导孔应力释放作用情况下,喷射混凝土最大压应力为26.1 MPa,最大拉应力为 2.83 MPa。参考文献:1 郑可跃,施成华,雷明锋,等.考虑松动效应的高地应力构造破碎带隧道稳定性分析及大变形支护设计优化J.岩石力学与工程学报,2021,40(8):1603-1613.2 梁宁,伍法权,王云峰,等.大埋深高地应力关山隧道围岩变形破坏分析J.岩土力学,2016,37(S2):329-336.3 苏利军,翁建良,卢文波.千米深埋隧洞高地应力稳定分析及其工程应用J.岩土力学,2008,29(S1):221-226.4 王道远,刘佳,张逴,等.高地应力深埋隧道断裂破碎带大变形控制方法现场试验研究J.岩土工程学报,2020,42(4):658-666.5 高晓春,张学高.高地应力状态下软岩公路隧道的大变形机理与规律研究J.公路工程,2020,45(2):195-199.6 王凤云.深埋隧道软弱围岩稳定性分析及其锚固控制研究J.岩石力学与工程学报,2020,39(10):2160.7 刘力源,纪洪广,王涛,等.高渗透压和不对称围压作用下深竖井围岩损伤破裂机理J.工程科学学报,2020,42(6):715-722.8 刘焕新,谭卓英,王玺,等.新城金矿深竖井开挖岩爆危险性预测J.中国矿业大学学报,2020,49(2):296-304.9 殷有泉,李平恩,邸元.竖井开挖的不稳定性和岩爆的力学机制J.力学学报,2014,46(3):398-408.10 杨官涛,李夕兵,刘希灵.竖井围岩-支护系统稳定性分析的最小安全系数法J.煤炭学报,2009,34(2):175-179.(责任编辑 王海锋)902