不同支護(hù)方式下大坡度斜井鋼拱架與噴錨支護(hù)聯(lián)合受力分析

劉波 王廷益 劉廉輝 帖熠

摘要：目前，對(duì)于縱向坡度較大的大坡度斜井，兩種不同支護(hù)方式（鋼拱架鉛直向下和垂直洞軸線）對(duì)鋼拱架與噴錨支護(hù)聯(lián)合受力特性影響的研究較少。結(jié)合云南省滇中引水工程香爐山隧洞某斜井工程實(shí)際，針對(duì)鋼拱架鉛直向下和垂直洞軸線兩種布置型式分別與噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的聯(lián)合受力，采用三維有限元法對(duì)斜井開(kāi)挖過(guò)程中圍巖位移、應(yīng)力和噴層、錨桿及鋼拱架的應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算分析。結(jié)果表明：兩種鋼拱架布置型式下，圍巖變形和應(yīng)力分布規(guī)律基本相同，垂直洞軸線布置鋼拱架更有利于抑制圍巖縱向位移和豎向位移，并使支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力顯著減小，對(duì)斜井圍巖穩(wěn)定和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)更加有利。圍巖條件越差，支護(hù)效果越明顯。建議大坡度斜井中采用垂直洞軸線的型式布置鋼拱架。

關(guān)鍵詞：大坡度長(zhǎng)斜井； 鋼拱架； 噴錨支護(hù)； 滇中引水工程； 香爐山隧洞

中圖法分類號(hào)：TV53

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.06.019

文章編號(hào)：1006-0081（2023）06-0099-04

0 引 言

為加快隧洞施工進(jìn)度，通過(guò)增設(shè)斜井、平洞等輔助通道另辟工作面，實(shí)現(xiàn)“長(zhǎng)隧短打”是常用的有效措施［1］。斜井隧洞需要承擔(dān)出渣、進(jìn)料、行人的交通任務(wù)［2-4］，長(zhǎng)距離、大坡度斜井復(fù)雜的運(yùn)輸系統(tǒng)決定了斜井的重要性［5-7］。斜井支護(hù)方案的合理設(shè)計(jì)需要對(duì)大坡度長(zhǎng)斜井支護(hù)型式進(jìn)行分析，確定支護(hù)材料的用量。在地下工程施工過(guò)程中，支護(hù)措施不力或者支護(hù)時(shí)機(jī)不當(dāng)，都將影響洞室的穩(wěn)定［8-10］。武濤［11］結(jié)合哈密南湖一礦斜井，為提高斜井?dāng)嗝胬寐省⒔档椭ёo(hù)成本，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試了工字鋼拱形支架的承載力，進(jìn)行了金屬支架優(yōu)選，試驗(yàn)結(jié)果表明16號(hào)工字鋼拱架承載能力較強(qiáng)，連接部位未出現(xiàn)破壞。劉艷等［12］以五間房礦井副斜井為例，通過(guò)對(duì)礦井地質(zhì)資料的分析，結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)提出了“全封閉型鋼拱架+噴混凝+雙層鋼筋網(wǎng)”的有效支護(hù)方案。鋼拱架在斜井支護(hù)結(jié)構(gòu)中雖然發(fā)揮了重要的作用，但由于大坡度斜井縱向坡度較大，鋼拱架鉛直向下和垂直洞軸線兩種不同的支護(hù)方式對(duì)鋼拱架與噴

錨支護(hù)聯(lián)合受力特性有著重要影響，而且坡度越大，上述問(wèn)題越顯著，目前尚未見(jiàn)有關(guān)文獻(xiàn)對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行研究。本文以滇中引水工程香爐山隧洞某施工斜井為例，對(duì)大坡度長(zhǎng)斜井鋼拱架與噴錨支護(hù)型式進(jìn)行了分析，探討了鋼拱架布置型式在保證洞室穩(wěn)定和改善支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)等方面發(fā)揮的作用，可為今后類似工程提供參考。

1 計(jì)算模型與條件

1.1 工程概況

滇中引水工程香爐山隧洞某施工斜井洞口與斜井底部高差405 m，長(zhǎng)約1 246 m，斷面為城門(mén)洞型。斜井縱斷面由井口水平段、井身斜直段及井底車場(chǎng)段3個(gè)部分組成，井身段縱坡-24.71°。井口水平段、井身斜直段凈斷面設(shè)計(jì)尺寸為6.5 m×6.0 m（寬×高），井底車場(chǎng)段（水平段）凈斷面設(shè)計(jì)尺寸為6.5 m×10.0 m（寬×高）。斜井部位最大水平主應(yīng)力值約為14 MPa，最小水平主應(yīng)力值約為12 MPa，側(cè)壓力系數(shù)為1.0～2.3，應(yīng)力場(chǎng)以水平應(yīng)力為主，

總體屬低至中等地應(yīng)力水平。斜井一般埋深210～400 m，最大埋深430 m。

1.2 計(jì)算模型

以斜井典型斷面為研究對(duì)象建立有限元計(jì)算模型，如圖1所示。以斷面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，上部范圍取33 m、下部范圍取39 m、水平側(cè)向范圍取33 m。斜井軸向的水平范圍取20 m，高差9.2 m，縱向坡度-24.7°。左右兩側(cè)、前后端面以及底部全部采用法向位移約束，頂部邊界條件自由并施加對(duì)應(yīng)埋深的均布應(yīng)力，模擬上覆巖體自重應(yīng)力。

圍巖和混凝土噴層均采用縮減積分單元C3D8R模擬，錨桿采用桿單元T3D2模擬，鋼拱架采用梁?jiǎn)卧狟31模擬。圍巖采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，混凝土噴層采用塑性損傷本構(gòu)模型，錨桿和鋼拱架使用線彈性本構(gòu)模型。

1.3 材料參數(shù)

斜井圍巖分為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類，為了便于對(duì)比分析大坡度斜井在不同鋼拱架布置型式下與噴錨支護(hù)聯(lián)合受力特性，鋼拱架和噴錨支護(hù)參數(shù)在不同圍巖條件下保持一致：鋼拱架采用I20a型，縱向間距50 cm，邊墻、頂拱系統(tǒng)錨桿為C25，間排距1 m×1 m，長(zhǎng)度L=4.5 m，噴層為C20混凝土，厚度20 cm，材料參數(shù)列于表1。

2 計(jì)算方案

采用初始地應(yīng)力場(chǎng)為自重應(yīng)力場(chǎng)，開(kāi)挖荷載步中利用AQAQUS軟件命令流“*model change，remove”實(shí)現(xiàn)巖體開(kāi)挖，支護(hù)荷載步中利用命令流“*model change，add，with free strain”復(fù)活支護(hù)單元。在施作鋼拱架的同時(shí)，重點(diǎn)研究斜井中鋼拱架鉛直向下布置和垂直洞軸線布置兩種型式對(duì)圍巖變形、鋼拱架自身承載特性和其他支護(hù)結(jié)構(gòu)承載特性的影響，鋼拱架布置型式如圖2所示。

3 成果分析

3.1 圍巖變形

在表1中3種圍巖類別條件下，分別對(duì)鋼拱架鉛直向下布置和垂直洞軸線布置兩種型式進(jìn)行計(jì)算，開(kāi)挖完成后圍巖合位移如圖3所示。

從圖3可以看出，相同圍巖條件下，兩種鋼拱架布置型式對(duì)圍巖變形的抑制效果相同，位移值差異較小。鉛直向下布置鋼拱架更有利于抑制圍巖橫向位移，而垂直洞軸線布置鋼拱架更有利于抑制圍巖縱向位移和豎向位移。Ⅲ類圍巖條件下，兩種布置型式圍巖位移幾乎相同；Ⅳ類圍巖條件下，二者略有差異；Ⅴ類圍巖條件下，二者差異相對(duì)較大。說(shuō)明隨著圍巖條件變差，兩種布置型式對(duì)圍巖變形的抑制作用差別愈加明顯。

3.2 圍巖應(yīng)力

在表1中3種圍巖類別條件下，分別對(duì)鋼拱架鉛直向下布置和垂直洞軸線布置兩種型式進(jìn)行計(jì)算，開(kāi)挖完成后圍巖應(yīng)力如圖4所示。

從圖4可以看出，相同圍巖類別條件下，兩種鋼拱架布置型式圍巖應(yīng)力相差極小，均在0.4%以內(nèi)，且斷面內(nèi)的分布規(guī)律也幾乎無(wú)差別。隨著圍巖條件變差，兩種布置型式對(duì)圍巖應(yīng)力的影響逐漸增加。

3.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力

在表1中3種圍巖類別條件下，分別對(duì)鋼拱架鉛直向下布置和垂直洞軸線布置兩種型式進(jìn)行計(jì)算，以開(kāi)挖完成后鋼拱架Mises應(yīng)力最大處作為分析對(duì)象，并分別提取該位置錨桿Mises應(yīng)力和混凝土噴層的最小主應(yīng)力。不同圍巖類別條件下的支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力如表2所示。

從表2可以看出，在相同的圍巖類別條件下，采用垂直洞軸線布置型式可使支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力顯著減小，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)更加有利。隨著圍巖條件逐漸變差，尤其在Ⅴ類圍巖條件下，若采用鉛直向下布置型式，鋼拱架和錨桿應(yīng)力將超出其屈服強(qiáng)度，致使支護(hù)結(jié)構(gòu)失效；而采用垂直洞軸線布置型式，支護(hù)結(jié)構(gòu)仍能發(fā)揮作用。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)滇中引水工程香爐山隧洞某大坡度斜井在不同鋼拱架布置型式下與噴錨支護(hù)聯(lián)合受力進(jìn)行了三維有限元分析，得出以下結(jié)論：鋼拱架鉛直向下布置和垂直洞軸線布置兩種型式下，圍巖變形和應(yīng)力分布規(guī)律基本相同，鉛直向下布置鋼拱架更有利于抑制圍巖橫向位移，而垂直洞軸線布置鋼拱架更有利于抑制圍巖縱向位移和豎向位移。隨著圍巖力學(xué)參數(shù)變差，兩種布置型式對(duì)圍巖變形和應(yīng)力的影響愈加明顯。在相同圍巖條件下，垂直洞軸線布置型式可使支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力顯著減小，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)更加有利。隨著圍巖條件逐漸變差，垂直洞軸線布置型式的支護(hù)效果更加顯著。與鉛直向下布置相比，垂直洞軸線布置鋼拱架周長(zhǎng)小、用料省，可節(jié)約工程投資。因此，建議大坡度斜井中采用垂直洞軸線的鋼拱架布置型式。

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（編輯：李 慧）

Load analysis of combined support system of steel arch shelf and lock bolting with shotcrete in steep inclined shaft under different support methods

LIU Bo1，WANG Tingyi2，LIU Lianhui3，TIE Yi1

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；

2.Water Diversion Project Construction Administration of Central Yunnan Province，Kunming 650000，China；

3.Shenzhen Aoya Design Co.，Ltd.，Shenzhen 518000，China）

Abstract：

Currently，for large inclined shafts with large longitudinal slopes，there were few studies on the effects of the two different support methods （steel arch vertically downward and vertical tunnel axis） on the combined mechanical characteristics of steel arch and shotcrete anchor support.Based on the engineering practice of an inclined shaft project in the Xianglushan Tunnel of the Central Yunnan Water Diversion Project，the three-dimensional finite element method was used to calculate and analyze the displacement and stress of surrounding rock during the excavation process of the inclined shaft，and the stresses of the spray layer，anchor rod，and steel arch frame，aiming at the combined forces of the vertical downward and vertical arrangement of the steel arch frame and the shotcrete anchor support structure respectively.The results showed that under the two types of steel arch arrangement，the deformation and stress distribution of surrounding rock were basically the same，and the arrangement of steel arch perpendicular to the tunnel axis was more effective in suppressing the longitudinal and vertical displacement of surrounding rock，and significantly reducing the stress of the support structure，which was more conducive to the stability of surrounding rock in the inclined shaft and the stress state of the support structure.The worse the surrounding rock conditions were，the more obvious the support effectwas.It was recommended that the steel arch frame in the inclined shaft with large slope adopt the layout type of vertical tunnel axis．

Key words：

long inclined shafts with large slope； steel arch； shotcrete anchor support； Central Yunnan Water Diversion Project； Xianglushan Tunnel