游龍飛

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430063）

1 引言

目前，當(dāng)斜井長(zhǎng)，坡度大時(shí)，采用現(xiàn)有的鉆爆法施工工效較低，施工進(jìn)度較慢，不適應(yīng)現(xiàn)代礦山、鐵路工程的需要。機(jī)械化程度較高的盾構(gòu)法則應(yīng)運(yùn)而生，可將掘進(jìn)、支護(hù)、出渣等工序有序地連貫起來(lái)，大大提高了煤礦開(kāi)挖效率，保障了煤礦施工的安全，同時(shí)改善了施工人員的工作條件。此外，盾構(gòu)施工煤礦斜井有利于礦區(qū)自然環(huán)境的保護(hù)，尤其針對(duì)長(zhǎng)距離斜井施工，其優(yōu)勢(shì)更為明顯。

補(bǔ)連塔煤礦新副斜井作為國(guó)內(nèi)煤炭行業(yè)首次應(yīng)用盾構(gòu)工法施工、坡度最大的煤礦斜井，斜井從淺埋覆土逐漸穿越到較大埋深，斜井的管片結(jié)構(gòu)荷載逐漸變化，管片內(nèi)力變化大，與此同時(shí)，斜井支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也與常規(guī)盾構(gòu)隧道管片設(shè)計(jì)有所不同。因此，本文結(jié)合神華神東補(bǔ)連塔礦區(qū)斜井工程，探討長(zhǎng)距離大坡度斜井盾構(gòu)施工時(shí)管片襯砌結(jié)構(gòu)的受力特性，后結(jié)合補(bǔ)連塔煤礦斜井工程特點(diǎn)，就支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)方面進(jìn)行關(guān)鍵設(shè)計(jì)。

2 工程概況

2.1 斜井簡(jiǎn)介

神華神東補(bǔ)連塔煤礦新副斜井位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗東南，烏蘭木倫河一級(jí)階地西緣的補(bǔ)連塔煤礦。斜井全長(zhǎng)2 745 m，其中盾構(gòu)段2 718 m，井筒傾角為-5.5°(-9.5%），埋深6.4～2 76.8 m，采用盾構(gòu)(TBM）施工。斜井采用單層裝配式襯砌，管片形式為鋼筋混凝土平板型管片，管片內(nèi)徑6.6 m，外徑7.3 m，厚0.35 m，幅寬1.5 m，管片混凝土等級(jí)為C40，抗?jié)B等級(jí)P12。盾構(gòu)襯砌環(huán)采用錯(cuò)縫拼裝，襯砌環(huán)采用“3(標(biāo)準(zhǔn)塊）+2(鄰接塊）+1(仰拱塊）+1(封頂塊）”分塊方式。

補(bǔ)連塔煤礦位于沖積巖地層，斜井穿越第四系風(fēng)積細(xì)砂、志丹群中粒砂巖、礫巖互層、延安組粉砂巖層、延安組細(xì)粒砂巖、延安組22煤層段，且砂質(zhì)地層占總里程97%，具體見(jiàn)圖1，地下水以基巖裂隙水為主。

圖1 斜井盾構(gòu)段地層示意（單位：m）

2.2 工程特點(diǎn)

(1）大坡度反坡施工:坡度-5.5°(-9.5%）為國(guó)內(nèi)最大坡度。

(2）長(zhǎng)距離:斜井全長(zhǎng)約2 745 m，為國(guó)內(nèi)盾構(gòu)法施工最長(zhǎng)的煤礦斜井。

(3）軟巖大變形:斜井大幅度穿越軟巖等復(fù)雜地質(zhì)。

(4）埋深變化大:埋深變化從6.4 m到276.8 m，變化幅度大，管片襯砌需適應(yīng)埋深從6.4 m到276.8 m的荷載變化。

(5）高水壓:由于埋深大，地層地下水產(chǎn)生的水壓大，管片結(jié)構(gòu)需要承受一定的高水壓。

3 管片結(jié)構(gòu)橫向受力特性

常見(jiàn)的盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)荷載計(jì)算方法有全土柱法、泰沙基理論[1]、普氏理論[2]、謝家烋理論[3]、規(guī)范法[4]149-150，[5]、特征曲線(xiàn)法[6]107等。當(dāng)盾構(gòu)隧道處于埋深較淺或地質(zhì)較差的地層時(shí)，常用全土柱法進(jìn)行上覆土壓力的計(jì)算[7-8]；而當(dāng)盾構(gòu)隧道處于埋深較大、地質(zhì)條件好時(shí)，常用普氏理論或泰沙基理論進(jìn)行荷載計(jì)算[9-10]；對(duì)于深埋隧道一般可采用規(guī)范法，也可采用特征曲線(xiàn)法進(jìn)行荷載計(jì)算[6]107-111。除特征曲線(xiàn)法計(jì)算的是塑性形變壓力外，其它計(jì)算的則是以松散塌落體重量作為荷載承擔(dān)的松動(dòng)壓力。

目前，針對(duì)大坡度、長(zhǎng)距離盾構(gòu)施工煤礦斜井，其管片結(jié)構(gòu)荷載計(jì)算尚無(wú)統(tǒng)一的計(jì)算方法，因此，本文分別采用特征曲線(xiàn)法、荷載結(jié)構(gòu)法對(duì)補(bǔ)連塔煤礦斜井管片結(jié)構(gòu)橫向受力進(jìn)行分析，后進(jìn)行合理配筋，以此來(lái)保障斜井管片結(jié)構(gòu)的正常使用。

3.1 特征曲線(xiàn)法

3.1.1 特征曲線(xiàn)法基本原理

特征曲線(xiàn)法是利用圍巖的特征曲線(xiàn)和支護(hù)特征曲線(xiàn)交會(huì)的方法，來(lái)決定支護(hù)體系的最佳平衡條件。對(duì)于圓形隧道，隧道開(kāi)挖后施加管片，假定地層與管片之間緊密接觸，管片提供支護(hù)阻力為Pi。根據(jù)彈塑性理論和Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，結(jié)合文獻(xiàn)[6]107-111可得到塑性區(qū)半徑:

洞壁圍巖收斂位移:

式中，r1、r0分別為管片外徑、內(nèi)徑；Pi為管片支護(hù)阻力；p0為初始地壓力；c為地層的粘聚力；φ為地層的內(nèi)摩擦角；E為圍巖的彈性模量；cr為塑性區(qū)的粘聚力；φr為塑性區(qū)的內(nèi)摩擦角。

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，接縫密封防水材料的防水能力暫按最大水壓力50 m考慮。當(dāng)實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中發(fā)生水壓力超過(guò)50 m的情況時(shí)，在管片襯砌設(shè)置排水降壓孔來(lái)降低水壓力[11]。

管片內(nèi)徑r0=3.3 m，混凝土泊松比μc=0.2，彈模為33.5 GPa，為安全起見(jiàn)，這里對(duì)管片彈模進(jìn)行折減75%，折減后的彈模Ec=25.125 GPa。假定隧道圍巖進(jìn)入塑形狀態(tài)后，cr=0，φr=φ。由于盾構(gòu)管片接頭的存在，再對(duì)整體管片剛度進(jìn)行折減，這里考慮剛度折減15%后的盾構(gòu)管片剛度:

管片所提供支護(hù)阻力(μi為管片收斂位移）:

根據(jù)公式(2），給定洞壁收斂變形ur0即可反算出圍巖塑性半徑Rp。再根據(jù)公式(1），即可反推出在產(chǎn)生收斂變形ur0情況下管片提供的支護(hù)力Pi，根據(jù)支護(hù)力即可求得管片所受軸力N。

3.1.2 參數(shù)取值

由地勘資料可知，該區(qū)域圍巖以Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖為主，部分區(qū)段存在Ⅲ級(jí)圍巖，對(duì)比《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(簡(jiǎn)稱(chēng)《鐵隧規(guī)》）[4]20-21、《礦山井巷工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》[12]對(duì)圍巖等級(jí)的劃分基本一致。本文選取埋深最不利的兩個(gè)斷面，即是Ⅴ級(jí)圍巖埋深277 m(斷面1）、Ⅳ級(jí)圍巖埋深227 m(斷面2），見(jiàn)圖1。計(jì)算兩種狀態(tài)下的管片內(nèi)力情況。根據(jù)地勘資料和《鐵隧規(guī)》，將Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖計(jì)算參數(shù)取值整理于表1。

表1 圍巖計(jì)算參數(shù)

由于勘察未進(jìn)行地層應(yīng)力測(cè)試，初始地層豎向應(yīng)力按上覆地層壓力計(jì)算，水平應(yīng)力按豎向應(yīng)力乘以側(cè)壓力系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，由于實(shí)際地層豎向應(yīng)力與地層水平應(yīng)力不相等，隧道處于雙向不等壓狀態(tài)，為此將其換算為雙向等壓狀態(tài)，則斷面1、2的等效地層應(yīng)力分別為4.14 MPa、3.26 MPa。

3.1.3 計(jì)算結(jié)果分析

圍巖收斂位移分別取 160、140、120、100、80、60、40、20 mm，利用特征曲線(xiàn)法計(jì)算思路，代入相應(yīng)參數(shù)，計(jì)算各工況下的管片壓力、軸力以及各工況下的管片配筋形式，并將結(jié)果整理于表2。

表2 特征曲線(xiàn)法計(jì)算結(jié)果

從表2的計(jì)算結(jié)果可知，無(wú)論是Ⅴ級(jí)圍巖還是Ⅳ級(jí)圍巖，均呈現(xiàn)相同的規(guī)律，即是管片所受荷載與圍巖收斂位移成反比，圍巖收斂位移越大，管片所受壓力越小，軸力越小。這反映了特征曲線(xiàn)法強(qiáng)調(diào)柔性支護(hù)，盡量允許圍巖變形，將管片荷載值控制在合理范圍內(nèi)。

橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，在圍巖達(dá)到同一收斂位移時(shí)，Ⅴ級(jí)圍巖的管片壓力比Ⅳ級(jí)圍巖的管片壓力大，軸力偏高。這與計(jì)算斷面1所處的地應(yīng)力高及圍巖破碎有關(guān)系。配筋上，Ⅴ級(jí)圍巖收斂位移20 mm時(shí)，內(nèi)力偏大，配筋較高，其余均配4φ16+6φ14，即可滿(mǎn)足要求。

3.2 荷載結(jié)構(gòu)法

3.2.1 荷載結(jié)構(gòu)法基本原理

作用于襯砌管片結(jié)構(gòu)上的荷載按照現(xiàn)行《鐵隧規(guī)》中規(guī)定，主要考慮永久荷載，包括圍巖壓力和水壓力。這里將土壓力采用規(guī)范法進(jìn)行計(jì)算，水壓力根據(jù)實(shí)際情況考慮0、20、50 m(對(duì)于Ⅳ級(jí)圍巖，由于最小配筋已滿(mǎn)足100 m水頭計(jì)算要求，即不再計(jì)算50 m水頭工況）和100 m水頭對(duì)管片襯砌進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)水土合算和水土分算兩種計(jì)算形式進(jìn)行計(jì)算，認(rèn)為隧道豎向壓力為《鐵隧規(guī)》計(jì)算值的兩倍。當(dāng)采用水土分算時(shí)，要根據(jù)具體水頭考慮水壓力。由于該區(qū)域隧道普遍埋深較大，圍巖荷載根據(jù)《鐵隧規(guī)》采用深埋隧道公式計(jì)算。

式中各參數(shù)的含義見(jiàn)文獻(xiàn)[4]131-132。

3.2.2 計(jì)算結(jié)果分析

由于該區(qū)域圍巖主要為Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖，故本次計(jì)算分別對(duì)管片襯砌在Ⅳ、Ⅴ兩類(lèi)圍巖狀態(tài)下的襯砌內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算。以Ⅳ級(jí)圍巖水土合算為例，簡(jiǎn)要敘述計(jì)算思路。根據(jù)公式(6）、(7）計(jì)算得到此工況下的隧道拱頂塌落拱高度為4.43 m，考慮到隧道埋深較大實(shí)際計(jì)算塌落拱高度取計(jì)算值2倍，即h=8.86 m，然后計(jì)算垂直壓力和水平均布?jí)毫Γ捎糜邢拊浖﨧IDAS/GTS進(jìn)行計(jì)算。

荷載結(jié)構(gòu)法Ⅳ級(jí)圍巖水土合算計(jì)算，管片內(nèi)側(cè)承受最大正彎矩為105 kN·m，對(duì)應(yīng)軸力為894 kN；管片外側(cè)承受最大負(fù)彎矩為59 kN·m，對(duì)應(yīng)軸力為1 028 kN?，F(xiàn)將各工況管片內(nèi)力計(jì)算結(jié)果、配筋情況進(jìn)行整理于表3。

表3 荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算結(jié)果

從表3可知，管片彎矩上，各工況下的管片內(nèi)側(cè)彎矩比外側(cè)彎矩較大。軸力方面，基本上是管片外側(cè)軸力較內(nèi)側(cè)大，隨著水壓力增大，軸力也相應(yīng)增大，且增長(zhǎng)速率逐漸變大。配筋方面，Ⅳ級(jí)圍巖的各種工況，管片內(nèi)外側(cè)采用4φ16+6φ14配筋形式，即可保證管片結(jié)構(gòu)安全。由于管片采用泄水降壓的設(shè)計(jì)，確保實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中管片所受水頭在50 m以?xún)?nèi)(水壓0.5 MPa），為方便起見(jiàn)，多采用對(duì)稱(chēng)配筋，Ⅴ級(jí)圍巖一般地段采用4φ16+6φ14對(duì)稱(chēng)配筋，穿越煤層等破碎地段時(shí)，采用4φ18+6φ16對(duì)稱(chēng)配筋。

4 新型斜井組合支護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵設(shè)計(jì)

4.1 “等厚不等強(qiáng)”的管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

補(bǔ)連塔煤礦新副斜井盾構(gòu)段圍巖類(lèi)型以Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖為主；其次，管片襯砌需適應(yīng)埋深從6.4 m到276.8 m的荷載變化；因此，運(yùn)用特征曲線(xiàn)法、荷載結(jié)構(gòu)法對(duì)管片結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，綜合考慮以上計(jì)算結(jié)果，提出分段配筋設(shè)計(jì)方案，即管片采用“等厚不等強(qiáng)”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，內(nèi)外側(cè)采用對(duì)稱(chēng)配筋，主筋配筋方式及適用情況見(jiàn)表4。

表4 主筋配筋方式及其適用情況

4.2 讓壓柔性組合支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

面對(duì)斜井埋深大，管片結(jié)構(gòu)處于高地應(yīng)力狀態(tài)，常規(guī)盾構(gòu)法壁后注漿很難適應(yīng)斜井高地應(yīng)力的環(huán)境。因此，針對(duì)補(bǔ)連塔煤礦新副斜井高地應(yīng)力的情況，設(shè)計(jì)一種讓壓柔性支護(hù)理念的管片結(jié)構(gòu)與壁后填充層組合支護(hù)型式。該支護(hù)理念[13]與上文特征曲線(xiàn)法強(qiáng)調(diào)柔性支護(hù)的理念吻合。

在管片脫離盾尾后，及時(shí)在壁后噴射具有孔隙率大、壓實(shí)性能好、流動(dòng)性好的豆礫石材料，它具有很好的讓壓特性，可允許軟巖發(fā)生一定的變形，釋放圍巖壓力，實(shí)現(xiàn)管片和填充層的讓壓支護(hù)。然后回注水泥砂漿，固定豆礫石。

4.3 主動(dòng)控制軟巖變形的加長(zhǎng)錨索設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步控制軟巖地段的圍巖變形，在讓壓柔性組合支護(hù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了管片與錨索組合支護(hù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)加長(zhǎng)錨索來(lái)主動(dòng)控制圍巖變形。加長(zhǎng)錨索深入穩(wěn)定巖層并與管片形成組合梁，對(duì)圍巖起到懸吊作用；錨索(桿）與巖體間的抗剪作用阻止巖層間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，使圍巖由二維應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為三維受力狀態(tài)，提高了巖層的承載能力及整體剛度，抑制了巖體變形。在拼裝管片后，根據(jù)圍巖級(jí)別設(shè)置不同的軟巖變形段加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)，在軟巖變形段設(shè)計(jì)系統(tǒng)中空注漿錨索(見(jiàn)表5）。

表5 軟巖變形段支護(hù)設(shè)計(jì)

5 結(jié)論

(1）對(duì)管片結(jié)構(gòu)橫向受力分析可得，管片壓力與圍巖收斂位移成反比，反映了特征曲線(xiàn)法強(qiáng)調(diào)柔性支護(hù)的理念；管片內(nèi)側(cè)彎矩比外側(cè)彎矩較大；基本上管片外側(cè)軸力較內(nèi)側(cè)大，隨著水壓力增加，軸力也相應(yīng)增加，且增長(zhǎng)速率逐漸變大。

(2）綜合特征曲線(xiàn)法、荷載結(jié)構(gòu)法兩種計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行補(bǔ)連塔煤礦斜井的分段配筋設(shè)計(jì)，提出等厚不等強(qiáng)的管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(3）針對(duì)埋深變化大、外水壓力高、軟巖變形大、高地應(yīng)力等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了盾構(gòu)施工煤礦斜井新型組合式支護(hù)結(jié)構(gòu)，其核心是以管片加錨索構(gòu)成組合梁主動(dòng)控制軟巖變形，以豆礫石進(jìn)行壁后填充構(gòu)成讓壓支護(hù)層適應(yīng)高地應(yīng)力，以等厚不等強(qiáng)的管片應(yīng)對(duì)不等地應(yīng)力。