斜井穿越流砂層支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征分析

李向陽(yáng)

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 天津300308）

在深厚流砂地層中施工斜井施工面臨諸多難題，選取合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面尺寸和支護(hù)參數(shù)對(duì)施工非常關(guān)鍵［1～7］，本文結(jié)合某煤礦過(guò)流砂層斜井施工為背景，通過(guò)數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等研究方法相結(jié)合，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)分析。

1 工程地質(zhì)概況

某斜井主要穿越風(fēng)積砂為主的第四系表土層，由淺紅色呈半固結(jié)狀態(tài)細(xì)砂、粘土組成的古近系地層和由各粒級(jí)砂巖、粉砂巖、泥巖及煤層組成的侏羅系延安組地層等。且斜穿的地層中有3 個(gè)主要含水層組，特別是古近系地層主要是粘土與砂層互層組成，而砂層含水則極易形成流砂層。

2 斜井井壁結(jié)構(gòu)受力因素

結(jié)構(gòu)受力因素主要有：①地質(zhì)：地應(yīng)力、孔隙水壓力、地質(zhì)構(gòu)造等；②地層巖土體的物理力學(xué)特性：巖土的變形與強(qiáng)度特征、孔隙率、含水率、礦物成分含量等；③工程因素：井壁結(jié)構(gòu)參數(shù)、施工工藝等。

斜井井壁受力與變形特征的不同之處在于：

⑴立井井筒為圓形斷面，呈空間軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，受力均勻，而斜井?dāng)嗝娑酁橹眽Π雸A拱型，受力不均勻，差異顯著，立井主要受水平地壓和水壓作用，而斜井受到豎直和水平的地壓及有效水壓作用［8，9］。

⑵立井的破壞多由附加應(yīng)力在表土與基巖交界面處發(fā)生破壞。對(duì)斜井而言，不同的表土種類、地層走向、傾角、含水情況等對(duì)斜井的穩(wěn)定性影響均不相同［10，11］。

⑶投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)后長(zhǎng)期的動(dòng)荷載作用的影響，尤其是處于特殊的軟弱地層中，問題更加復(fù)雜、嚴(yán)峻。

3 斜井井壁內(nèi)力特性數(shù)值分析

3.1 數(shù)值計(jì)算方案

本項(xiàng)目斜井長(zhǎng)度約120 m，坡度20°，最大埋深約43 m，數(shù)值分析研究對(duì)象為二襯支護(hù)結(jié)構(gòu)，影響其受力狀態(tài)的主要因素有地層埋深、結(jié)構(gòu)形狀及尺寸。

本節(jié)主要研究地壓Pdc（因結(jié)構(gòu)自身尺寸相對(duì)于地層埋深來(lái)說(shuō)比較小，取四周應(yīng)力均值簡(jiǎn)化分析）、井壁幾何參數(shù)中邊墻高度Hb與底拱半徑Rd對(duì)井壁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。為了分析上述各因素對(duì)斜井支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力特性的影響，運(yùn)用有限元軟件ANSYS將井壁作為梁?jiǎn)卧?，建立分析井壁?nèi)力特性的二維數(shù)值模型，采用單因數(shù)計(jì)算分析，Pdc范圍為2～6 MPa（步長(zhǎng)1 MPa），Hb范圍為0.7～2.2 m（步長(zhǎng)0.3 m），Rd范圍為5～14 m（步長(zhǎng)3 m）。

3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 不同地層壓力的影響

模擬井壁結(jié)構(gòu)內(nèi)力結(jié)果如圖1所示。

圖1 內(nèi)力Fig.1 Internal Force

從圖1 的變化規(guī)律可以看出，底板中央的正彎矩最大，底角處負(fù)彎矩最大，拱腳處軸力最大，底板中央軸力最小，底角上側(cè)與靠底板側(cè)及底拱中央是受力最不利的位置，在設(shè)計(jì)和施工中要注意控制。結(jié)構(gòu)彎矩在拱腳與邊墻部位變化最為明顯，具體特征為：隨著地壓增加，邊墻上側(cè)從正彎矩逐漸向負(fù)彎矩轉(zhuǎn)變，也就是邊墻上側(cè)從受壓為主向受拉轉(zhuǎn)變。而軸力隨地壓的變化不明顯。將關(guān)鍵部位點(diǎn)（A、B、K、C、D 依次為頂、肩、腰、底腳和底）的內(nèi)力值繪制成如圖2所示的曲線。

圖2 內(nèi)力與地應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.2 Curve of Relationship between Internal Force and In-situ Stress

從圖2的變化規(guī)律可以看出，隨著地層壓力增大，拱頂與拱腳彎矩變化較小，邊墻、底角及底板位置的彎矩值均呈線性增加，軸力值也呈線性增加的趨勢(shì)。

3.2.2 不同邊墻高度的影響

從圖3、圖4可以看出，支護(hù)結(jié)構(gòu)所受的彎矩在邊墻與底板部位變化最為明顯，具體特征為：隨著邊墻高度的增加，邊墻從全部正彎矩到上側(cè)正彎矩范圍逐漸縮小并且向負(fù)彎矩轉(zhuǎn)變，當(dāng)邊墻高度為1.6 m 時(shí)，彎矩開始發(fā)生方向轉(zhuǎn)變，當(dāng)邊墻高度增加到2.2 m 時(shí)，邊墻上半部分為負(fù)彎矩，下半部分為正彎矩。而軸力隨邊墻高度的變化不明顯。將關(guān)鍵部位點(diǎn)的內(nèi)力值繪制成曲線如圖5所示。

圖3 支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩Fig.3 Bending Moment of Supporting Structure（kN·m）

圖4 支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力Fig.4 Axial of Support Structure（kN）

由圖5可知，隨著邊墻高度的變化，各關(guān)鍵部位的彎矩和軸力絕對(duì)值變化不顯著，只是邊墻上側(cè)的彎矩有一個(gè)從正到負(fù)的變化過(guò)程。

圖5 井壁結(jié)構(gòu)截面內(nèi)力與邊墻高度關(guān)系曲線Fig.5 Relation Curve Between Internal Force of Shaft Lining Structure Section and Height of Side Wall

3.2.3 不同底拱半徑的影響

從圖6、圖7 可以看出，隨著結(jié)構(gòu)底拱半徑的變化，結(jié)構(gòu)彎矩在底板部位變化最為明顯，底拱半徑越小，底板負(fù)彎矩范圍越小，軸力分布越均勻，并且可以改變底板的受力狀態(tài)，提高底板的承載能力。

圖6 支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩Fig.6 Bending Moment of Supporting Structure（kN·m）

圖7 支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力Fig.7 Axial of Support Structure（kN）

4 支護(hù)結(jié)構(gòu)選型及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析

4.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型

在超前支護(hù)的基礎(chǔ)上（根據(jù)不同埋深和不同厚度流砂層厚度選取不同的超前支護(hù)形式），支護(hù)結(jié)構(gòu)采用全封閉式支護(hù)結(jié)構(gòu)（采用型鋼支架配合鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土聯(lián)合作為初支+現(xiàn)澆鋼筋混凝土作為二次襯砌結(jié)構(gòu)），以解決在深厚流砂層中斜井支護(hù)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期承載和止水固砂等問題，確保結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定。

具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

4.2 監(jiān)測(cè)分析

在施工過(guò)程中布置支護(hù)結(jié)構(gòu)收斂變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力測(cè)點(diǎn)，通過(guò)施工過(guò)程中動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析，為支護(hù)方案優(yōu)化提供依據(jù)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)整理后的曲線如圖8所示，可以看出，支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部壓力計(jì)數(shù)值為0.05 MPa，拱腰部壓力計(jì)數(shù)值為0.09 MPa，幫部壓力計(jì)數(shù)值為0.12 MPa。從圖8b可以看出，剛開始第1～10 d內(nèi)，鋼筋受力有個(gè)變化調(diào)整階段，然后逐漸增長(zhǎng)，最后趨于穩(wěn)定，只是有小幅度的波動(dòng)，頂部鋼筋計(jì)最大軸力值為9.666 7 kN；腰部鋼筋計(jì)最大軸力值為6.338 1 kN；幫部鋼筋計(jì)最大軸力值為9.510 1 kN。支護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)收斂位移量約2.83 mm，頂?shù)装迨諗课灰屏考s11.23 mm，總體收斂變控制效果較好。

圖8 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.8 Monitoring Data

表1 井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Shaft Lining Support Structure Parameters

5 結(jié)論

⑴將支護(hù)結(jié)構(gòu)（井壁）作為梁?jiǎn)卧ㄟ^(guò)建立二維數(shù)值計(jì)算模型分析井壁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力承載特性，獲得了井壁的內(nèi)力分布特征及地層壓力、底拱半徑與邊墻高度對(duì)井壁內(nèi)力分布的影響規(guī)律，主要為：

①隨著地層壓力增大，拱頂與拱腳彎矩變化較小，邊墻、底角及底板位置的彎矩值均呈線性增加，各位置軸力值也呈線性增加的趨勢(shì)。

②隨著邊墻高度的變化，各關(guān)鍵部位的彎矩和軸力絕對(duì)值變化不顯著，只是邊墻上側(cè)的彎矩有一個(gè)從正到負(fù)的變化過(guò)程。

③隨著結(jié)構(gòu)底拱半徑的變化，結(jié)構(gòu)彎矩圖在底板部位變化最為明顯，底拱半徑越小，底板負(fù)彎矩范圍愈小，軸力分布愈均勻，并且可以改變底板的受力狀態(tài)，提高底板的承載能力。

⑵通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力與變形狀態(tài)，分析驗(yàn)證了井壁結(jié)構(gòu)的可行性。