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        云臨高速大亮山隧道豎井結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

        2022-04-08 03:31:48鄭勇ZHENGYong陳星宇CHENXingyu段曉彬DUANXiaobin雷華LEIHua張偉ZHANGWei王安民WANGAnmin
        價值工程 2022年12期
        關(guān)鍵詞:豎井圓環(huán)井筒

        鄭勇 ZHENG Yong;陳星宇 CHEN Xing-yu;段曉彬 DUAN Xiao-bin;雷華 LEI Hua;張偉 ZHANG Wei;王安民 WANG An-min

        (①云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司,昆明 650041;②云南交投集團云嶺建設(shè)有限公司,昆明 650041)

        0 引言

        云南地處云貴高原,國土面積的94%以上為山地,受山區(qū)地形影響,一大批特長、超長高速公路隧道正在云南設(shè)計和施工,特長公路隧道往往需要通風(fēng)井來解決運營通風(fēng)的問題。相比其它井型,豎井在運營通風(fēng)方面具有長度短、摩阻小等優(yōu)勢,因而被廣泛采用。目前公路隧道行業(yè)的豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計多采用初支(噴錨支護)+二襯(模筑混凝土)的復(fù)合式襯砌,如陜西的秦嶺終南山隧道2 號隧道豎井、云南的五老山隧道豎井和阿扎河隧道豎井等均采用此設(shè)計,此法存在成井速度慢、造價偏高等缺點。

        本文參考并吸收煤炭行業(yè)建井的設(shè)計和施工技術(shù),探索了單層模筑、鋼波紋板+模筑襯砌的豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計和短段掘砌的快速施工方法,實踐證明,該方法結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、成井速度快、造價成本低,可作為公路隧道深大豎井建設(shè)的新方法。

        1 大亮山隧道豎井原設(shè)計概況

        1.1 隧道總體設(shè)計概況

        云縣至臨滄高速公路大亮山隧道單幅長10210m,為單洞雙車道隧道,左右幅線間距約為28~40m。為滿足輔助施工和運營通風(fēng)的需求,隧道設(shè)置1 座斜井和1 座豎井;云縣端設(shè)置長約1700m 的1 號斜井,臨滄端設(shè)置深約472m 的1 號豎井。(圖1)

        圖1 大亮山隧道斜(豎)井布置示意圖

        大亮山隧道豎井圍巖以片巖、花崗質(zhì)片巖和花崗巖為主。隧址區(qū)表層分布有大量碎石、粉質(zhì)黏土層,為第四系孔隙水類型,多以潛水形式出現(xiàn),富水性中等~較強。

        根據(jù)送排風(fēng)量、風(fēng)速的要求,并考慮施工、結(jié)構(gòu)受力等因素,豎井內(nèi)輪廓內(nèi)徑確定為8.0m,中隔墻的斷面布設(shè)位置根據(jù)豎井送、排風(fēng)量確定。

        1.2 隧道豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計

        根據(jù)豎井所處的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件,按新奧法原理進行設(shè)計和施工,采用初期支護+二次襯砌的復(fù)合式襯砌,其支護襯砌參數(shù)按工程類比,并結(jié)合數(shù)值分析確定。

        表1 隧道豎井襯砌設(shè)計參數(shù)表(原設(shè)計)

        豎井初期支護以噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)為主要支護手段,洞口段設(shè)置豎井鎖口,在豎井上部V 級圍巖段采用豎向帷幕注漿止水同時兼有加固地層的作用,并設(shè)置鋼拱架加強初期支護剛度二次襯砌采用C35 模筑混凝土結(jié)構(gòu)。為防止豎井二襯掉落,增加豎井支護結(jié)構(gòu)與地層間的嵌固力,設(shè)計沿豎井設(shè)置鋼筋混凝土壁座,Ⅴ級圍巖壁座縱向間隔20m 設(shè)置一處,Ⅳ級圍巖壁座縱向間隔30m 設(shè)置一處,Ⅲ級圍巖壁座縱向間隔40m 設(shè)置一處。

        2 大亮山隧道豎井結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

        2.1 豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計

        優(yōu)化后的豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計為:考慮到優(yōu)化設(shè)計時,井口段60m 范圍已完成施工,該段采用原設(shè)計;井身段60~215m、井底段280~472m 范圍采用模筑混凝土一次成型的支護體系(S5b);考慮到井身段215~280m 范圍圍巖破碎且富水,該段采用初支(鋼波紋板/PZJ-5.0 型)+二襯(模筑混凝土)的支護體系(S4a、S4b 和S3)。

        按《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計規(guī)范》(GB50384-2016)中普通鑿井法井筒支護的相關(guān)規(guī)定和工程類比法確定豎井的井壁厚度,S5b 模筑混凝土厚70cm,S4a、S4b 和S3 模筑混凝土厚50cm。結(jié)合豎井施工工藝、工序和支護體系的特征,對于S5b 的襯砌類型,模筑混凝土達到設(shè)計強度前,波紋板作為初期(臨時)支護承擔(dān)荷載,保障施工安全;運營階段,按照全部荷載由模筑混凝土承擔(dān)進行設(shè)計和計算,波紋板作為安全儲備。豎井二襯壁座設(shè)計同原設(shè)計。

        表2 隧道豎井襯砌設(shè)計參數(shù)表(優(yōu)化后)

        2.2 豎井井壁厚度驗算

        根據(jù)《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計規(guī)范》(GB 50384-2016),混凝土井壁厚度應(yīng)按下式計算:

        式中:

        t——井壁厚度,m;

        rn——計算處井壁內(nèi)半徑,m;

        fs——井壁材料強度設(shè)計值,MN/m2;

        fc——混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值,C35 混凝土,16.7MN/m2;

        f′y——鋼筋抗壓強度設(shè)計值,360MN/m2;

        Pk——作用在井壁上的均勻荷載標(biāo)準(zhǔn)值,MPa;

        P——計算處作用在井壁上的設(shè)計荷載計算值,MPa;

        ρmin——井壁圓環(huán)截面的最小配筋率,全截面配筋率不應(yīng)小于0.4%,截面單側(cè)配筋率不應(yīng)小于0.2%;

        νk——結(jié)構(gòu)安全系數(shù),均勻壓力νk=1.35,不均勻壓力νk=1.10;

        γ0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù),取1.10。

        如表3,按厚壁圓筒井壁厚度計算公式進行驗算,變更后的各段井壁厚度滿足要求。

        表3 混凝土井壁厚度計算

        2.3 豎井井壁環(huán)向穩(wěn)定性驗算

        根據(jù)《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計規(guī)范》(GB 50384-2016)有關(guān)規(guī)定,保證井壁環(huán)向穩(wěn)定應(yīng)符合下列基本條件:

        式中:

        L0——計算處井壁圓環(huán)計算長度(m);

        r0——計算處井壁中心半徑(m);

        t——計算處井壁厚度(m)。

        大亮山隧道豎井變更后采用一次模筑混凝土成型,井壁環(huán)向穩(wěn)定分析主要對模筑襯砌進行驗算。

        如表4,按井壁環(huán)向穩(wěn)定計算公式進行驗算,各段井壁環(huán)向穩(wěn)定性滿足要求。

        表4 井壁環(huán)向穩(wěn)定性計算表

        2.4 豎井井壁圓環(huán)截面內(nèi)力及承載力驗算

        2.4.1 均勻壓力作用下模筑襯砌承載力驗算

        按厚壁圓筒圓環(huán)截面軸向力公式進行驗算:(圖2)

        圖2 厚壁井壁圓環(huán)截面軸向力計算簡圖

        式中:σt——井壁圓環(huán)截面切向應(yīng)力(MPa);

        rw——計算處井壁外半徑(m);

        rn——計算處井壁內(nèi)半徑(m)。

        素混凝土井壁圓環(huán)截面承載力應(yīng)按下式計算:

        表5 均勻壓力作用下井壁承載力驗算表

        經(jīng)驗算,豎井模筑襯砌整體結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求。

        2.4.2 不均勻壓力作用下模筑襯砌承載力驗算

        按《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計規(guī)范》(GB 50384-2016)相關(guān)公式,不均勻壓力作用下井壁整體圓環(huán)內(nèi)力及承載力計算。(圖3)

        圖3 厚壁井壁彎矩和軸向力計算簡圖

        ①ω=0°(A 截面)時,應(yīng)按下列公式計算:

        ②ω=90°(B 截面)時,應(yīng)按下列公式計算:

        式中:NA、NB——A、B 截面的軸向力計算值(MN);

        MA、MB——A、B 截面的彎矩計算值(MN·m);

        PA、PB——A、B 截面的壓力計算值(MPa);

        β——不均勻荷載系數(shù),表土段,β=βt=0.2~0.3,基巖段,β=βy,當(dāng)巖石傾角≤55°,可取0.2,本次設(shè)計取0.2。

        表6 不均勻壓力作用下井壁控制性斷面彎矩和軸力計算表

        根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTG 3370.1-2018)規(guī)定,混凝土偏心受壓構(gòu)件按破壞階段進行強度驗算,具體計算方法為根據(jù)材料的極限強度,得出截面安全系數(shù):

        表7 不均勻壓力作用下井壁控制性斷面安全系數(shù)

        3 大亮山隧道豎井施工情況

        大亮山隧道豎井井身段60~472m 段,若按照原設(shè)計復(fù)合式襯砌豎井結(jié)構(gòu)采用長段單行作業(yè)施工,施工工期約需要13 個月。實際按照優(yōu)化后的單層模筑襯砌豎井結(jié)構(gòu)采用短段掘砌施工,該段施工時間為2021年4月至10月,施工時間7 個月,成井月進尺約59m,最快月進尺85m,創(chuàng)下了云南公路隧道豎井施工的月進尺記錄,節(jié)省工期約6 個月,工期優(yōu)勢明顯。

        圖4 大亮山隧道豎井施工現(xiàn)場圖

        4 結(jié)論和建議

        通過工程實例,結(jié)合筆者設(shè)計和后期服務(wù)的經(jīng)歷,總結(jié)大亮山隧道豎井結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的技術(shù)和經(jīng)驗,提出如下結(jié)論與建議。①豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計采用單層模筑襯砌,施工采用短段掘砌的方法,實踐證明,該方法結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、成井速度快、造價成本低,可作為公路隧道深大豎井建造的一種新方法。②隨著公路隧道豎井設(shè)計和施工水平的不斷提高,加上豎井在運營通風(fēng)上的優(yōu)勢,公路隧道井型的選擇可重點考慮豎井。③雖然豎井井筒施工工藝日漸成熟,但豎井中隔板的施工仍存在諸多問題,如中隔板與井筒鋼筋的搭接問題、中隔板的施工控制問題等,往后中隔板的材料設(shè)計和施工方案可作為重點研究對象。

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