在长输管道施工中, 地形、地质条件往往是制约工程的主要因素。在坡度较大的黄土边坡和冲沟等地段, 若按照传统的“大开挖”方法施工, 不仅会产生占地面积多、土方工程量大、施工进度缓慢、地貌恢复困难、水土流失等问题, 而且会对管道安全运行造成严重威胁。在陕京二线输气管道建设中, 利用斜井掘进工艺成功地解决了在地势陡峭的黄土梁上进行管道施工的难题。为控制斜井周围的土体产生过大变形及土体塌落, 在斜井开挖过程中采用了组合支架的支护方式。虽然该施工方式类似于一般的隧道施工, 但通过采用缩小支架间距来提高斜井施工的安全度, 会相应增加工程造价, 延长施工工期。因此, 有必要研究合理的斜井支护方案。

一.   斜井穿越工程的分析模型

基于陕西某地黄土边坡斜井穿越工程, 依据该工程的勘探资料和黄土边坡稳定性分析结果, 建立斜井穿越工程的分析模型。

1   穿越工程的力学模型

相关勘探资料显示, 该工程的穿越边坡坡高为40 m, 坡角为40°, 边坡从数米至几十米范围内的黄土呈浅灰黄色、灰黄色, 粒度均匀, 结构较疏松, 无层理构造, 垂直节理发育, 以马兰黄土(Q₃) 为主。通过地质勘探取样在室内进行黄土物理力学试验, 得到土性参数及邓肯-张非线性本构模型参数, 见表 1和表 2。

表  1  马兰黄土边坡弹塑性力学参数

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表  2  马兰黄土非线性弹性模型参数取值

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根据邓肯-张非线性模型, 土体切线模量E_t与泊松比υ_t随应力水平变化^{[1, 2]}:

式中E_t——黄土的切线模量;

R_f——破坏比;

C——黄土的粘聚力;

φ——黄土的内摩擦角;

σ₁——最大主应力;

σ₃——最小主应力;

P_a——大气压, Pa;

υ_t——黄土的切线泊松比;

G、F、D、K、n——邓肯-张非线性模型的试验常数;

ε₁——轴向应变。

卸荷(开挖) 及重复加载时切线模量为:

式中E_ur——卸荷及重复加荷时弹性模量。

在整个斜井开挖支护过程中, 塑性模型采用摩尔-库仑屈服准则, 支护(支架) 按弹性材料处理。

2   数值计算模型

根据实际地形图所建立的简化计算模型见图 1, 其中标注了斜井断面形状、尺寸及斜井位置。斜井位置是在确定边坡潜在最危险滑动面(根据简化Bishop条分法^[3]确定) 后设计, 斜井位于稳定滑床区, 与水平面形成的倾角为25°。斜井从坡顶向下掘进, 斜井开挖总长度(L) 为96 m, 每次开挖不超过2 m。在洞口位置沿斜井长度方向约6 m开挖作业坑, 以便运出弃土及进行管道的敷设和回填。

为减少边界效应对数值模拟计算的影响, 取坡肩距离左侧边界为100 m, 坡脚距离右侧边界为60 m, 计算模型总高度为80 m, 总宽度为60 m。模型底面边界为固定约束, 四周边界施加法向约束。

图  1  黄土斜井穿越模型

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二.   斜井支护方式

斜井支护能够有效防止在开挖施工、管道敷设及斜井回填整个过程中发生斜井坍塌, 保证施工人员安全。因此, 确定合理的临时支护方案是确保安全施工的必然要求。为了加快施工进程, 临时支护可以采用安全支架形式, 安全支架由外径为50 mm、壁厚为3.5 mm的钢管煨制成5个架子。架子间距为0.25 m, 支架长度为1 m, 通过焊接连成一体, 并在表层覆盖一张钢板, 钢板厚度为2 mm。将钢管与钢板视为同种钢(弹性模量为200 GPa, 泊松比为0.3), 支架的形状、尺寸与斜井断面相同(洞高1.8 m, 洞宽1.5 m)。随着斜井的掘进, 安全支架随之跟进, 并按一定的间距放置^[4]。

三.   斜井穿越支护方案分析

利用数值模拟方法对斜井不支护情况以及根据施工进尺设计的五种支护方案进行分析。五种支护方案支架放置的间距分别为0、1、2、3、4 m。

1   位移分析

在斜井开挖支护过程中, 对每种支护方案沿斜井纵向设置16个断面(断面间距为6 m), 每个断面取4个关键点(见图 1) 进行位移分析。

由于斜井开挖的特殊性, 关键点1和4在xz平面内进行合位移分析, 关键点2和3主要考虑是y方向的位移。图 2为五种支护方案的拱顶下沉位移曲线。该曲线变化趋势相似, 下沉的最大位移均出现在斜井的中间部位, 方案1支架能够很好地控制拱顶下沉, 斜井最大位移仅为6.6 mm; 方案2与方案3斜井的最大位移约为20 mm; 方案4与方案5拱顶下沉位移曲线几乎重合, 最大位移约达到30 mm。图 3为五种支护方案底板上鼓的位移曲线, 斜井穿越支护支架为无仰拱结构, 有利于对斜井的拱部和边墙部位进行支护, 不受临时支护的影响。

图  2  拱顶下沉位移曲线

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图  3  底板上鼓位移曲线

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图 4为边墙2关键点位移曲线, 边墙2点随断面与洞口距离的增加, 位移长度也呈单调增加趋势。方案1边墙2点的最大位移仅为7.29 mm, 方案2最大位移为16.8 mm, 其余三种方案最大位移相差不大, 均为23 mm左右。

根据上述分析, 方案1 (全封闭支护) 支架很好地控制了拱顶下沉与边墙内移, 是最安全的支护方案, 但不是最合理的支护方案。方案4与方案5对拱顶下沉与边墙位移所起作用几乎一样, 并且与不支护方案所产生的位移十分相近, 控制斜井变形的效果不明显。

图  4  边墙2点位移曲线

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2   塑性区分析

根据数值模拟分析结果, 统计斜井开挖支护过程中井周塑性区的分布, 通过程序计算井周破坏区的体积, 以判断每种支护方案的优劣, 井周塑性区体积曲线见图 5。

图  5  井周塑性区体积曲线

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图 6为不加支护斜井的井周塑性区分布, 图 7为支架间距4 m的井周塑性区分布。从图中可以看出, 两种方案的井周塑性区体积相差很大, 不加支护方案破坏区域主要集中在井口至斜井长度的3/4位置; 支护间距为4 m的方案井周破坏区域沿斜井零星分布, 但主要集中在斜井中间部位。方案4支架虽然对拱顶下沉与边墙位移所起作用不大, 但能够控制塑性区范围。

图  6  不加支护斜井井周塑性区分布

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图  7  支架间距为4 m的井周塑性区分布

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四.   斜井穿越合理支护方案的确定

1   设计要点

(1) 受风化作用的影响, 为了防止松软土体在开挖、支护及回填过程中塌陷, 应在距斜井井口4 m范围内采取全封闭支护。

(2) 在距井口4 m至斜井1/4 L范围内, 拱顶下沉、边墙内移值以及塑性区范围不大, 将支护间距设为4 m即可满足施工安全要求。

(3) 在斜井(1/4~3/4) L范围内, 斜井处于受力变形大的区域, 拱顶下沉、底板上鼓位移值以及塑性区范围都较大, 是施工过程中重点考虑支护的部位。

(4) 在斜井(1/4~3/4) L范围内, 斜井的位移变化呈减小趋势, 该部位即使不支护也几乎不出现塑性区, 但适当支护可以控制边墙内移值(见图 7)。

2   斜井穿越合理支护方案

在距斜井井口4 m范围内实施全封闭支护, 在距井口4~24 m范围内支架放置间距为4 m, 斜井距井口24~72 m范围内支架间距为2 m, 其余部分支架间距取4 m。按照这种支护方案进行数值模拟分析, 得到的关键点位移和塑性区见图 8和图 9。

图  8  关键点位移曲线

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图  9  合理支护方案塑性区分布

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合理支护下斜井长度方向上拱顶下沉、底板上鼓位移变化比较平缓, 斜井拱顶下沉最大位移约为22 mm, 边墙关键点2最大位移出现在斜井底部约为23 mm; 塑性区分布范围比较理想, 总体积约为124 m³。由此可见, 这是该斜井开挖施工比较合理的支护方案。

五.   结束语

(1) 黄土陡坡斜井穿越开挖支护方案, 是针对特定工程的土性参数、边坡角度、管道角度等进行研究的, 对于不同的黄土地区、不同的斜井, 开挖支护方案会有相应的变化。对于某些土性较差的边坡斜井开挖施工进尺应低于2 m。

(2) 对于黄土陡坡斜井开挖支护方案, 不能仅仅笼统地确定支护深度, 而应针对斜井的具体位置, 采用相应的支护方式。斜井受力变形大的部位应加密支架。

(3) 合理的支护方案既能确保施工的安全, 又能加快施工进度, 减小支护成本, 取得良好的经济效益和社会效益。斜井井口和斜井与水平巷道的交叉部位是斜井开挖的特殊位置, 应在施工支护过程中重点关注, 以全封闭支护为佳; 在斜井的(1/4~3/4) L范围内, 井周受力变形比较大, 十分容易塌陷, 支架的放置间距不能超过一个施工步。当斜井周围土性较差时, 应使用带仰拱的支架以控制底板上鼓位移, 其余部位支护间距以不超过两个施工步为宜。