天臺山特長隧道排風(fēng)豎井鑿井井架工作狀態(tài)分析

岳祁，段德峰，程偉峰

（中交二公局第四工程有限公司，河南 洛陽471013）

1 工程概況

秦嶺天臺山特長隧道位于秦嶺腹地寶雞鳳縣境內(nèi)，是寶雞至坪坎高速公路的控制性工程，隧道左線長15 483m，右線長15 560m，為單洞3車道雙向6車道公路特長隧道，總體走向近南北向，建設(shè)規(guī)模目前居世界第一位，被稱為公路隧道里的世界第一隧道。天臺山特長隧道設(shè)排、送風(fēng)豎井各1座，排、送風(fēng)豎井設(shè)計凈直徑為8.5m，井深分別為560.81m、554.68m，豎井井筒初襯采用錨桿、網(wǎng)、鋼骨架及噴射混凝土支護，內(nèi)襯采用混凝土及鋼筋混凝土支護【1】。

中交二公局第四工程有限公司承擔(dān)了天臺山特長隧道2號排、送風(fēng)豎井的施工工作，2個豎井井筒均采用普通鉆眼爆破鑿井施工方法。井下所有施工設(shè)備和設(shè)施采用鋼絲繩吊掛在地面鑿井井架上。根據(jù)排、送風(fēng)豎井的特征、施工作業(yè)方案，井筒施工擬選用ⅣG鑿井井架。該鑿井井架可滿足豎井凈徑6.0～8.0m，深度800m的立井井筒施工，鑿井提升和懸吊鋼絲繩最大工作荷載為2 945.4kN。

豎井鑿井井架是豎井井筒施工期間進行提升和懸吊施工而設(shè)立的特殊鋼結(jié)構(gòu)體，是豎井施工的關(guān)鍵性構(gòu)筑物，擔(dān)負著立井井筒施工期間提升運輸、排矸出渣、材料下放、人員上下、施工設(shè)備吊掛等工作任務(wù)，承受井筒施工的全部工作荷載，鑿井井架能否滿足立井鑿井施工的需要，事關(guān)井筒施工的安全，對鑿井井架工作狀態(tài)進行分析十分必要。本文結(jié)合天臺山特長隧道排風(fēng)豎井情況，擬采用有限元方法對該井筒施工所選擇的ⅣG鑿井井架工作狀態(tài)進行分析，以確保鑿井井架工作的安全。

2 排風(fēng)豎井鑿井井架數(shù)值計算

2.1 鑿井井架結(jié)構(gòu)計算模型

寶坪高速天臺山特長隧道2號排風(fēng)豎井施工鑿井井架選用的是ⅣG型鋼管鑿井井架，根據(jù)該井架的結(jié)構(gòu)尺寸、天輪平臺梁和支撐桿件的截面特征和材料特征，可構(gòu)建鑿井井架結(jié)構(gòu)計算的三維實體分析模型（見圖1）?？紤]到排風(fēng)豎井鑿井井架天輪平臺上的副梁布置較為復(fù)雜，在模型建立時，將副梁框架結(jié)構(gòu)與鑿井井架一起構(gòu)建計算模型，可方便鑿井井架天輪平臺上工作荷載的計算工作【2】。

圖1 排風(fēng)井鑿井井架結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)分析模型

2.2 鑿井井架正常工作計算荷載

天臺山特長隧道排風(fēng)豎井施工鑿井井架正常工作計算荷載組合包括天輪平臺上的荷載、翻矸臺上的荷載、自重荷載和風(fēng)荷載。天臺山特長隧道排風(fēng)豎井鑿井井架天輪平臺上的荷載主要是提升和懸吊工作荷載，這些荷載通過天輪平臺副梁傳遞到鑿井井架上。根據(jù)天輪平臺上提升懸吊天輪的實際布置情況，可計算出提升懸吊荷載作用在排風(fēng)豎井鑿井井架天輪平臺副梁上的荷載。井架正常工作時天輪平臺上荷載施加到天輪平臺副梁的荷載作用點上【3】，荷載施加情況如圖2所示。

圖2 鑿井井架天輪平臺上的作用荷載

排風(fēng)井鑿井井架翻矸平臺上的荷載總計為260.0kN，主要是翻矸臺上所布置的各類施工設(shè)施等，該荷載按均布荷載平均分配到翻矸臺上，以垂直向下的集中荷載作用到翻矸臺的各個節(jié)點上。鑿井井架結(jié)構(gòu)自重荷載的計算根據(jù)輸入的結(jié)構(gòu)截面特性參數(shù)由SAP2000軟件系統(tǒng)自動進行自重荷載的計算。鑿井井架外圍包裹圍護材料，故會受到較大的水平風(fēng)荷載作用，應(yīng)對其進行雙向風(fēng)荷載受力計算，并參與到荷載工況組合。選取基本風(fēng)壓為0.6kPa，同時地表粗糙度類別為A類【4】，GB 50009—2001根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（2006年版），考慮風(fēng)壓高度變化系數(shù)和風(fēng)振系數(shù)，由SAP2000軟件系統(tǒng)自動進行風(fēng)荷載計算。

3 數(shù)值計算結(jié)果與分析

鑿井井架工作狀態(tài)計算分析中，采用壓力比來表述桿件的受力狀態(tài)，應(yīng)力比是材料實際應(yīng)力與允許應(yīng)力的比值，正常工作計算荷載組合工況下構(gòu)件材料的折算應(yīng)力比應(yīng)不超過0.7【5】。排風(fēng)豎井施工鑿井井架整體應(yīng)力比如圖3所示，井架天輪平臺梁的應(yīng)力比如圖4所示，支撐桿件的應(yīng)力比如圖5所示。

圖3 排風(fēng)井鑿井井架整體應(yīng)力比

圖4 排風(fēng)井鑿井天輪平臺梁應(yīng)力比

圖5 排風(fēng)井鑿井支撐桿件梁應(yīng)力比

根據(jù)圖3～圖5數(shù)值計算結(jié)果，可以統(tǒng)計得到鑿井井架相關(guān)構(gòu)件的最大應(yīng)力比（見表1）。

表1 鑿井井架相關(guān)構(gòu)件最大應(yīng)力比情況

由圖3～圖5及表1可知，天臺山特長隧道排風(fēng)豎井施工鑿井井架在正常工作計算荷載組合工況下，井架整體應(yīng)力比最大為0.497，小于控制應(yīng)力比為0.7。其中，天輪平臺主梁最大應(yīng)力比為0.443，支撐桿件應(yīng)力比最大為0.497，說明井架正常使用時所有構(gòu)件均滿足結(jié)構(gòu)的強度、剛度和穩(wěn)定性的要求【6】。

4 結(jié)語

寶坪高速天臺山特長隧道排風(fēng)豎井施工選用了ⅣG型鋼管鑿井井架，該井架可滿足凈直徑8.0m、深度800m立井井筒施工的要求。為確保鑿井井架在實際工程應(yīng)用中的安全，通過建立鑿井井架的三維數(shù)值計算分析模型，利用SAP2000軟件對其正常工作計算荷載組合工況進行了結(jié)構(gòu)計算和工作狀態(tài)分析。排風(fēng)豎井施工鑿井井架在正常工作計算荷載組合下，井架整體應(yīng)力比最大為0.497，小于控制應(yīng)力比0.7，表明鑿井井架在正常使用時所有構(gòu)件均滿足結(jié)構(gòu)的強度、剛度和穩(wěn)定性的要求。