無壁座井頸設(shè)計在印度某副井中的應(yīng)用

張春虎，周新勍

（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038）

井筒是地下礦山的咽喉，在井巷工程結(jié)構(gòu)中屬一級建筑物。井頸作為接近地表的一段井筒，其所處地形及地質(zhì)條件相對復(fù)雜，除承受地層側(cè)壓力外，還承受井頸自重、井架或井塔的重力[1-3]。當(dāng)井頸上部與井塔相連時，井頸受井塔豎向荷載較大，往往需要在井頸段設(shè)置一定數(shù)量的壁座來承擔(dān)地面建筑物荷載，然而對大多數(shù)金屬礦山而言，習(xí)慣于采用結(jié)構(gòu)形式較為簡單的井架結(jié)構(gòu)。 當(dāng)豎井表土層地質(zhì)條件較好，且井頸與井架基礎(chǔ)分離時，井頸承受豎向荷載主要為自身的重力，此時僅需滿足井頸施工階段的自身穩(wěn)定即可，無需設(shè)置壁座。本文將從側(cè)向受力和豎向受力兩個方面，對印度某采用井架結(jié)構(gòu)的副井井頸設(shè)計進(jìn)行論述分析。

1 工程概況

印度某副井凈直徑D=6．5 m，采用單斜撐式井架，井頸段擬采用C30 級鋼筋混凝土支護(hù)，井頸及周邊作用的主要荷載有：1）側(cè)向土壓力及水壓力。2）永久井架荷載。立架基礎(chǔ)平面尺寸4 m×4 m，其中心距離井筒外邊緣3 m 處作用有集中荷載3 034 kN；斜撐基礎(chǔ)平面尺寸8．5 m×7 m，其中心距離井筒外邊緣28 m 處作用有集中荷載3 680 kN，其向下擴(kuò)散形成的側(cè)壓力較小，計算時可忽略。3）地面車輛及臨時施工機(jī)械荷載200 kPa，按均布荷載考慮。 該井頸穿越的巖土層參數(shù)，如表1 所示。

表1 井頸穿越的巖土層參數(shù)

2 側(cè)壓力作用下井頸厚度及配筋計算

2.1 各土層側(cè)向土壓力計算

某副井工勘報告中顯示地下水位于地表以下20 m，考慮降雨及其他可能導(dǎo)致地下水位上升的影響，設(shè)計中地下水位按與地表一致考慮。 第1 層粉質(zhì)粘土和第2 層高風(fēng)化巖層水土分算方法， 巖土層的重度均采用有效重度。 第3 層中風(fēng)化花崗巖層取芯完整度達(dá)到97%，按不透水層考慮。

側(cè)向土壓力計算采用經(jīng)典土力學(xué)公式：

式中：hi為第i層巖土的高度，m；γi為第i 層巖土的容重或有效容重，kN/m3；φi為第i層巖土體的內(nèi)摩擦角或似內(nèi)摩擦角，（°）；γw為水的容重，kN/m3；γQ為組合值系數(shù)，按印標(biāo)取1．5。

2.2 井架基礎(chǔ)擴(kuò)散側(cè)壓力計算

井架基礎(chǔ)引起的側(cè)壓力如圖1 所示。 井頸所受最大設(shè)計側(cè)壓力出現(xiàn)在基礎(chǔ)底面以下L-a/2 處，其值為：

式中：φ 為土層內(nèi)摩擦角，（°）；L為基礎(chǔ)中心線至井壁外緣距離，m；a為基礎(chǔ)寬度，m；b為基礎(chǔ)長度，m。

由式（2）可計算得到側(cè)向壓力為82．91 kPa，作用范圍-6～-12 m。

圖1 建筑物側(cè)壓力計算示意

2.3 地面均布荷載作用下側(cè)壓力計算

在土層側(cè)壓力、井架基礎(chǔ)擴(kuò)散側(cè)壓力、地面均布荷載側(cè)壓力作用下，井頸側(cè)向壓力設(shè)計值如2 所示。

圖2 井頸側(cè)向壓力設(shè)計值分布

2.4 側(cè)向壓力下井頸厚度計算

由fc=14．3 MPa；R=6．500/2=3．250 m， 同時結(jié)合圓環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計原理，得到井頸厚度。計算公式按照厚壁理論則：

由此，可計算出井頸厚度，如表2 所示。

由表2 得到，根據(jù)側(cè)向壓力得到的井頸的厚度應(yīng)大于184 mm，考慮到樹脂錨桿錨固托架的需要，此處取400 mm。

表2 井頸厚度的計算

2.5 井頸不均勻側(cè)向壓力下配筋計算

根據(jù)《采礦設(shè)計手冊》（井巷工程卷）[4]，按最大側(cè)壓力值746．67 kPa， 同時考慮井頸側(cè)向壓力的不均勻系數(shù)0．35，計算得到最大彎矩為-339．87 kN·m，最大軸向力為2 416．01 kN。 則計算可得：

副井井筒井頸按構(gòu)造配筋即可滿足配筋要求，設(shè)計中采用環(huán)向配筋Φ20＠250，雙層配置（Asc=2 512 mm2）。

根據(jù)計算結(jié)果和工程類比，副井建于巖土上的井頸采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，共分三段，第一段0～-3 m為臨時井頸；第二段-3～-10 m，井口盤厚度1 200 mm，井頸厚度600 mm；第三段-10～-43 m，井頸厚度400 mm。

3 豎向荷載下井頸變徑計算

井頸段豎向力包括井頸自重G，上部臨時荷載P，井頸側(cè)向摩擦力F， 巖土體對井口盤及井頸變徑處支承力FR。 井頸豎向荷載示意圖如圖3 所示。

圖3 井頸豎向荷載示意

3.1 井頸下沉自穩(wěn)段的確定

井頸摩擦力與井頸與巖土之間的摩擦系數(shù)的計算公式如下：

式中：μ 為井頸與巖土之間的摩擦系數(shù)；δ 為井頸與巖土之間的摩擦角，?。?～1）φ，取δ=0．3φ；qk為井頸側(cè)向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值（施工期排水，不考慮地下水）的0．5 倍（考慮2 倍的安全系數(shù)）；R1為井頸外半徑。

計算得到， 以下標(biāo)高處單位井頸摩擦力與單位井頸自重關(guān)系，如表4 所示。

表4 各層頂部單位井頸摩擦力與單位井頸自重 kN

由表4 數(shù)據(jù)可知，井頸下沉自穩(wěn)段為-25．3 m 以下，-3～-25．3 m 需要計算其懸掛承載力。

3.2 井頸下沉校核

取-3～-22 m 井頸作為研究對象，3 m 處和10 m處的地基承載力124．61 kPa、 240．04 kPa 由《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007-2011）[5]計算得到：

井頸摩擦力：

4 結(jié)論

1）井頸結(jié)構(gòu)求得側(cè)向主荷載后可通過厚壁理論，可以得到井頸的計算厚度，可通過考慮不均勻系數(shù)，可得到其結(jié)構(gòu)配筋；2）通過考慮井壁與巖土之間的摩阻力與自身重力的關(guān)系，找到井頸自穩(wěn)高度，而后通過變直徑來滿足井壁的支承，無需設(shè)置壁座，可為同類工程井頸設(shè)計計算提供參考