康孝孔

(中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000)

露天煤礦開采過程中，原煤及剝離物的運輸是其最核心的工序，運輸環(huán)節(jié)的工效高低，決定著一個露天煤礦效益的好壞。目前大多露天煤礦開采過程中，為了避免不同物料運輸?shù)缆菲矫娼徊?，提高生產(chǎn)安全性，原煤多采用沿一側(cè)邊幫的出入溝從露天坑底部直接提升運輸?shù)降孛婀潭c轉(zhuǎn)入帶式輸送機運輸系統(tǒng)，而剝離物運輸就不得不利用另一邊的邊幫布置運輸?shù)缆废到y(tǒng)，導(dǎo)致剝離掘進工作面土石方運輸?shù)絻?nèi)排土場難以形成最優(yōu)路徑，剝離運距大幅增加。研究開發(fā)適用于露天礦的立交工程是提高露天礦安全生產(chǎn)效率，實現(xiàn)運距短、運量大、安全高效運輸?shù)挠行緩健?/p>

根據(jù)安太堡露天礦生產(chǎn)計劃，平朔礦區(qū)工業(yè)大道主線K5+260處，需要對既有安太堡露天礦聯(lián)絡(luò)道路進行改線形成分離式上跨立交；工業(yè)大道主線 K8+900處安家?guī)X930E車輛出入道路運輸上跨立交。兩處立交工程處地基條件均為露天礦排土場填方區(qū)[1]，地基回填厚度約30m，考慮立交處地基條件，采用常規(guī)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式難以解決交叉問題。鋼波紋管作為一種裝配式結(jié)構(gòu)，具有造價低、工期短、工廠集約化生產(chǎn)、低碳環(huán)保等優(yōu)點，目前已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外諸多橋涵工程施工中。因此，本文提出采用大跨徑鋼波紋管解決工業(yè)大道與礦用卡車車輛的交叉運輸問題[2]。

1 工程概況

擬建平朔工業(yè)大道位于山西省朔州市平魯區(qū)內(nèi)，工業(yè)大道工程路線起點為平榆公路(X071)與平陶公路(X072)交叉口，利用現(xiàn)有平陶公路東南向走行約2.0km，到達安太堡露天礦排土場北側(cè)，離開平陶公路進入排土場后繼續(xù)走行1.0km，然后向南通過安太堡內(nèi)排土場預(yù)留的工業(yè)大道“走廊通道”，下穿既有帶式輸送機棧橋后行至安太堡訓(xùn)練場地，路線由南向東轉(zhuǎn)向，利用安太堡露天礦南幫一號道路經(jīng)參觀臺北側(cè)通過，行至930E維修車間以北，沿930E道路繼續(xù)向東走行，穿后安煤礦臨時停車場，終點與現(xiàn)有平陶公路相接，路線全長10.473km。平朔礦區(qū)工業(yè)大道平面布置如圖1所示。

圖1 平朔礦區(qū)工業(yè)大道平面布置

本文提出通過建設(shè)大跨徑鋼波紋管隧道來解決工業(yè)大道與安太堡露天礦及安家?guī)X露天礦礦用卡車運輸?shù)缆方徊鎲栴}，使工業(yè)大道與礦用卡車運輸系統(tǒng)相對獨立，互不影響，提高每個系統(tǒng)的可靠性，同時極大地降低發(fā)生礦山交通安全事故的概率[3-9]。工業(yè)大道沿線與礦區(qū)道路分離式立交2處，立交聯(lián)絡(luò)道路長1.761km。立交工程分別為安太堡隧道和安家?guī)X隧道，均為鋼波紋管隧道。鋼波紋管隧道采用馬蹄形斷面，跨徑12m，凈高8.08m，安太堡隧道長39.6m，隧道頂填土高度4m，安家?guī)X隧道長64.0m，隧道頂填土高度8m。隧道內(nèi)滿足工業(yè)大道建筑限界要求(二級公路建筑限界)，隧道頂為礦用卡車運輸?shù)缆贰?/p>

2 鋼波紋管隧道方案

2.1 荷載取值及荷載組合

2.1.1 荷載取值

1)恒載：鋼波紋管隧道回填材料，按其容重計入。

2)活載：930E重車荷載，凈載重量292t，空車重量210t，重車總重502t。930E礦用卡車單列布置，車道布置如圖2所示。

圖2 車道布置(m)

2.1.2 荷載組合

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)，主要考慮持久狀況承載能力極限狀態(tài)和持久狀況正常使用極限狀態(tài)，以及持久狀況和短暫狀況構(gòu)件的應(yīng)力計算，每個工作狀態(tài)的荷載效應(yīng)系數(shù)不同，取最不利效應(yīng)組合對結(jié)構(gòu)的強度、剛度和應(yīng)力進行了驗算[10-23]。

2.1.3 隧道頂最小覆土厚度

按CHBDC法設(shè)計的土壤-金屬結(jié)構(gòu)，其最小覆土厚度為下列各值中的最大值：

式中，Hmin為最小覆土厚度，m；Dh為波紋板隧道結(jié)構(gòu)的有效跨度(按波紋鋼板軸線計算)，m；Dv為波紋板隧道結(jié)構(gòu)的有效矢高(按波紋鋼板軸線計算)，m。

對于深波紋土壤-金屬結(jié)構(gòu)，其最小覆土厚度取0.8m或相同尺寸的淺波紋結(jié)構(gòu)最小覆土厚度兩者的較小值。實際隧道頂覆土厚度8.0m，大于最小覆土厚度2.126m，滿足要求。

2.2 隧道內(nèi)建筑限界

建筑限界為滿足工業(yè)大道行車道路面寬度，采用限寬9.5m，建筑限界高度5.0m，設(shè)雙側(cè)檢修道。隧道凈空、橫斷面組成除滿足行車凈空要求外，還考慮到照明、消防及其他運營管理設(shè)施所需空間。內(nèi)輪廓考慮對結(jié)構(gòu)受力良好、停車視距需要及便于施工，內(nèi)輪廓斷面設(shè)計采用馬蹄形，斷面采用4段圓弧拼接而成，最小圓弧半徑為1686mm，最大圓弧半徑為12994mm。

2.3 鋼波紋管隧道方案

2.3.1 鋼波紋管隧道布置考慮因素

1)使用荷載大。安家?guī)X隧道頂?shù)V用卡車運輸?shù)缆奋囕v按930E重車荷載計算，重車總重502t。930E重車荷載為普通公路-Ⅰ級荷載的9倍多。

2)露天礦排土場高填方地基。隧道地層自上而下為：①層填矸，土質(zhì)不均，松散-稍密，②層黃土，具中等濕陷性，中等壓縮性。此外，隧址及附近未發(fā)現(xiàn)有不良地質(zhì)問題，隧道位置段均屬填方區(qū)，隧道基底回填高度在30m左右。

對于露天礦高填方地基條件，普通鋼筋混凝土橋梁難以適應(yīng)，故需考慮采用具有一定抗變形能力的結(jié)構(gòu)形式，而波紋管具有較高的抗壓和抗沖擊強度又具有良好的柔韌性，結(jié)構(gòu)受力合理，荷載分布均勻，具有一定的抗變形能力，可避免地基不均勻沉降對結(jié)構(gòu)本身的破壞。

2.3.2 鋼波紋管隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋼波紋管是典型空間薄殼柔性結(jié)構(gòu)，與周圍填土發(fā)生土鋼相互作用，形成一個拱形和彈性的復(fù)合受力結(jié)構(gòu)，大大提高了變形適應(yīng)能力，能適應(yīng)不良地質(zhì)的特殊要求，結(jié)構(gòu)容許發(fā)生一定的均勻沉降，因而對地基承載力要求不高。其特殊的結(jié)構(gòu)形式近幾年在露天礦得到了應(yīng)用，如已建成的安家?guī)X露天礦帶式輸送機跨徑9.0m鋼波紋管。

安家?guī)X隧道采用馬蹄形，跨徑D=12.0m，凈高H=8.08m，覆土高度8.0m。該項目隧道波紋管跨徑屬于國內(nèi)最大的波紋管涵之一，安家?guī)X隧道設(shè)計長度為64.0m，隧道頂?shù)V用卡車道路路基寬度為32.0m，路基兩側(cè)按1∶1.5進行放坡，坡面采用綠化毯進行防護。

隧道用鋼波紋板波形400mm×150mm，板厚10mm，材質(zhì)Q355，一環(huán)長度1100mm，由6片鋼波紋板組拼而成，環(huán)向采用Z型法蘭高強螺栓連接，每一環(huán)正中間設(shè)置一道環(huán)向16#工字型鋼骨架，軸向接縫設(shè)置環(huán)向T型鋼骨架，T型鋼板厚5mm，軸向采用內(nèi)翻邊法蘭高強螺栓連接。

2.3.3 隧道基礎(chǔ)處理措施

由于安家?guī)X隧道位于露天礦填方區(qū)，基礎(chǔ)填方厚度約為30m，由于排土過程中基礎(chǔ)壓實度較差，故工業(yè)大道設(shè)計對結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)底采取強夯處理，同時結(jié)構(gòu)設(shè)計預(yù)留一定預(yù)沉降量。隧道內(nèi)路面結(jié)構(gòu)待隧道結(jié)構(gòu)施工完成后，通過檢測分析，整體沉降趨于穩(wěn)定后進行鋪筑，避免因隧道基礎(chǔ)沉降造成隧道內(nèi)路面重復(fù)施工。為降低基礎(chǔ)不均勻沉降帶來的病害，在強夯面頂隧道結(jié)構(gòu)底之間基礎(chǔ)采取加鋪四層土工格柵處理方案，以此提高基礎(chǔ)整體穩(wěn)定性。

3 結(jié)構(gòu)有限元分析

隧道結(jié)構(gòu)采用有限元軟件ABAQUS進行建模分析。按930E重車荷載計算，重車總重502t。鋼波紋管隧道跨徑12.0m，凈高8.08m，波紋板厚度為10mm，填土高度8m，頂部路寬32m，隧道總長64m。

3.1 基本假設(shè)

1)隧道環(huán)間波紋鋼采用錯縫連接，因結(jié)構(gòu)模型復(fù)雜，體量過大，故選取相鄰兩環(huán)。

2)三維計算時將螺栓、螺帽簡化成一體，不考慮密封墊作用，且螺栓不施加預(yù)緊力。

3)三維有限元計算中鋼材均采用理想彈塑性本構(gòu)模型。

4)為簡化建模過程，T型鋼建立成通環(huán)模型，不分段建模。

5)根據(jù)現(xiàn)有研究，不考慮隧道方向荷載不均勻變化導(dǎo)致的環(huán)間沉降差時，環(huán)間連接件的內(nèi)力響應(yīng)不明顯，因此建模時忽略環(huán)間螺栓。

3.2 參數(shù)選取

根據(jù)現(xiàn)場施工及地質(zhì)情況，鋼波紋管隧道為明挖回填施工，最大填土高度8m，最小填土高度4m，隧道頂鋪設(shè)礦用卡車通車?；靥钔良八淼澜Y(jié)構(gòu)中相關(guān)參數(shù)結(jié)合《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTG 3370.1—2018)以及《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)中的相關(guān)內(nèi)容，選取模型參數(shù)見表1。

表1 模型參數(shù)選取

3.3 模型建立

鋼波紋管隧道結(jié)構(gòu)由波紋鋼板片拼接而成，環(huán)向采用翻邊法蘭連接而成，縱向采用Z型法蘭連接成型，相鄰整環(huán)間錯縫拼接。鋼波紋板壁厚10mm，波高150mm，波距400mm；法蘭厚10mm。為保證鋼波紋管隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和承載力，每圈鋼波紋板上，增設(shè)一道加強型工字鋼及T型鋼結(jié)構(gòu)。由16#工字鋼和工字鋼擋板組成。波紋鋼、法蘭及T型鋼材均采用Q355，螺栓采用10.9S級高強螺栓。隧道截面尺寸及波紋鋼板片型號分布和整環(huán)模型如圖3所示。

圖3 建模效果示意

3.4 模擬結(jié)果分析

結(jié)構(gòu)位移分布如圖4所示。鋼波紋管隧道結(jié)構(gòu)豎向變形分布對稱，拱頂沉降最大，為3.3cm，隧道豎向沉降為隧道高度的0.4%。鋼波紋管隧道結(jié)構(gòu)水平變形分布對稱，左右上拱腰處最大，水平收斂為1.86cm，隧道水平收斂為0.15%。

圖4 結(jié)構(gòu)位移分布(放大20倍)

Mises應(yīng)力分布如圖5所示。可以看出，拱底A號波紋鋼板最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在板身板中波峰處，最大Mises應(yīng)力為176.4MPa。法蘭板最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在波紋-法蘭連接的波谷處，為103.1MPa。

圖5 Mises應(yīng)力分布

拱頂D號波紋板波谷處應(yīng)力大于波峰處應(yīng)力，最大Mises應(yīng)力為141.6MPa。法蘭板處在彈性階段，最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在波紋-法蘭連接的波谷處，為74.3MPa。下側(cè)拱腰B號波紋鋼板的最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在靠近A號波紋鋼板部分，為225.4MPa。法蘭板處在彈性階段，最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在波紋-法蘭連接的波谷處，為121MPa。上側(cè)拱腰C號波紋鋼板的最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在中部靠近B號波紋鋼板部分的波谷，為162.3MPa。法蘭板處在彈性階段，最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在波紋-法蘭連接的波峰處，為88.1MPa。上側(cè)拱腰E號波紋鋼板的最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在靠近F號波紋鋼板部分的波谷，為160.1MPa。法蘭板處在彈性階段，最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在波紋-法蘭連接的波峰處，為86.8MPa。下側(cè)拱腰F號波紋鋼板的最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在靠近A號波紋鋼板部分，為227.6MPa。法蘭板處在彈性階段，最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在波紋-法蘭連接的波谷處，為133MPa。E、F號波紋板連接處的螺栓有最大Mises應(yīng)力，為123.8MPa。T型鋼整體處于彈性階段，最大Mises應(yīng)力值為155.8MPa，出現(xiàn)在拱腳與仰拱連接處。

由模擬結(jié)果可知：

1)從結(jié)構(gòu)整體變形上來看，最大沉降位置出現(xiàn)在拱頂，最大水平位移位置出現(xiàn)在兩側(cè)上拱腰，結(jié)構(gòu)變形整體滿足規(guī)范要求，收斂值小于《公路隧道設(shè)計規(guī)范》中0.8%的限值。

2)從應(yīng)力上看，波紋鋼板片結(jié)構(gòu)Mises應(yīng)力均小于Q335鋼材屈服強度值，結(jié)構(gòu)處在彈性階段，結(jié)構(gòu)有足夠安全保證。

3)從應(yīng)力上看，T型鋼整體Mises應(yīng)力小于Q335鋼材屈服強度值，結(jié)構(gòu)處在彈性階段，且未發(fā)生屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象，T型鋼連接件有足夠安全保證。

4)螺栓、法蘭板Mises應(yīng)力均未達到屈服階段，接頭變形均較小，結(jié)構(gòu)尺寸布置合理，結(jié)構(gòu)安全。

5)鋼波紋管隧道結(jié)構(gòu)在拱底A號波紋鋼管片應(yīng)力較大，B、F號波紋鋼管片拱腰與仰拱連接位置與處應(yīng)力較大，實際施工中應(yīng)注意增加構(gòu)造措施預(yù)防仰拱隆起。

4 三維實體有限元校核

采用Midas GTS NX建立空間有限元模型，其中鋼波紋板采用板單元模擬，工字型鋼及T型鋼采用梁單元模擬，回填料采用實體單元模型。校核結(jié)果如圖6所示，基本組合工況下鋼波紋板最大應(yīng)力168MPa(壓)，位于拱腳處，小于Q355鋼材抗拉壓設(shè)計強度275MPa，滿足受力要求。標準值組合下鋼波紋板最大位移119mm，位于拱頂，小于有效跨度12000mm的1%。校核結(jié)果表明安家?guī)X鋼波紋管隧道滿足受力變形要求。

圖6 校核結(jié)果示意

5 結(jié) 論

1)大跨徑鋼波紋管涵結(jié)構(gòu)在露天煤礦重載工況下是一種新的立交方案，解決了高填方區(qū)、重載工況下普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)難以適應(yīng)地基基礎(chǔ)條件的難題，根據(jù)結(jié)構(gòu)分析及驗證，大跨徑鋼波紋管在工業(yè)大道工程中應(yīng)用技術(shù)可行。

2)該項目鋼波紋管跨徑屬于國內(nèi)最大的波紋管涵之一，尤其重載工況下其結(jié)構(gòu)適應(yīng)性更為復(fù)雜，因此系統(tǒng)觀測可為工程安全使用、及時維護和經(jīng)驗總結(jié)提供驗證數(shù)據(jù)，對結(jié)構(gòu)性回填區(qū)與管基區(qū)各標志層的變形監(jiān)測更為重要。

3)由于目前在國內(nèi)露天礦實施大跨徑波紋管工程甚少，尤其930E重載工況下該跨徑尚屬首例，因此必然會面臨諸多問題，如基礎(chǔ)處理、變形控制、檢測養(yǎng)護等，需要設(shè)計、制造、檢測不斷總結(jié)優(yōu)化，以求更加安全、經(jīng)濟。