斜井穿越流砂层支护结构承载特性分析.pdf

第3 7 卷第2 期 2 0 1 7 年0 4 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 7 №2 A p r i l2 0 1 7 斜井穿越流砂层支护结构承载特性分析① 李向阳 中铁隧道勘测设计院有限公司，广东广州5 1 0 0 0 0 摘要采用数值模拟及现场实测相结合的方法，对斜井穿越流砂层支护结构承载特性进行了分析，结果表明，混凝土强度与结构 厚度对支护结构的极限承载力影响明显，底拱半径次之；存在合理的边墙高度可使结构极限承载力达到最大；配筋率达到一定值后 对整体承载影响不明显。支护结构极限承载力与混凝土强度、结构厚度呈线性关系，与底拱半径呈二次关系，与边墙高度呈三次关 系。研究结果不仅对斜井的安全施工具有指导意义，而且可为斜井支护结构的设计提供依据。 关键词斜井；支护结构；流砂地层；受力特征 中图分类号T D 3 5 2 文献标识码A d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 6 0 9 9 ．2 0 1 7 ．0 2 ．0 0 8 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 7 0 2 - 0 0 3 2 - 0 4 A n a l y s i so fB e a r i n g - c h a r a c t e r i s t i c so fS u p p o r tS t r u c t u r ei nD r i f tS a n dS t r a t u m w i t ha nP a s s i n g - t h r o u g hI n c l i n e dS h a f t L IX i a n g - - y a n g C h i n aR a i l w a yT u n n e lS u r v e y D e s i g nI n s t i t u t eC oL t d ，G u a n g z h o u51 0 0 0 0 ，G u a n g d o n g ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nan u m e t i c Ms i m u l a t i o nc o m b i n e dw i t ho n s i t em e a s u r e m e n t ，t h eb e a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs u p p o r t s t r u c t u r ei nad r i f ts a n ds t r a t u mw i t hai n c l i n e ds h a f tp a s s i n gt h r o u g hw a sa n a l y z e d ．I ti sf o u n dt h a tb o t hc o n c r e t es t r e n g t h a n ds t r u c t u r et h i c k n e s sh a v eg r e a ti m p a c to nu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h es u p p o as t r u c t u r e ，w h i l et h er a d i u so f i n v e r t e da r c hh a sal e s s e ri m p a c t ．Ar e t a i n i n gw a l lw i t har e a s o n a b l eh e i g h tc a l lm a k et h eu l t i m a t eb e a t i n gc a p a c i t yo ft h e s u p p o r tp o s s i b l yu pt ot h em a x i m u m ，b u tt h er e i n f o r c e m e n tr a t i oa f t e rr e a c h i n gac e r t a i nv a l u ew o n ’tb r i n gf u r t h e ri m p a c t o nt h ew h o l eb e a r i n gc a p a c i t y ．T h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t ys h o w st ob el i n e a rt ot h ec o n c r e t es t r e n g t ha n ds t r u c t u r e t h i c k n e s s ，b u ts h o w saq u a d r a t i cr e l a t i o nw i t ht h er a d i u so fi n v e r t e da r c h ，a n dac u b i c a lr e l a t i o nw i t hr e t a i n i n gw a l l h e i g h t ．T h eo b t a i n e dr e s u l tc a nb er e g a r d e dn o to n l ya sg u i d a n c ef o r s a f eo p e r a t i o ni na ni n c l i n e ds h a f t ，b u ta l s oa s r e f e r e n c ei nt h es u p p o r ts t r u c t u r ed e s i g nf o ra ni n c l i n e ds h a f t ． K e yw o r d s i n c l i n e ds h a f t ；s u p p o r ts t r u c t u r e ；d r i f ts a n ds t r a t u m ；s t r e s sf e a t u r e 斜井过流砂地层施工将遇到两大难题，一是流砂 层的有效控制；二是合理支护结构形式与结构参数的 选定[ 1 - 6 ] 。尽管流砂等特殊地层斜井施工已获得一些 经验，但在深埋较厚的流砂地层条件下，斜井施工与支 护结构设计仍有许多待解决的难题。j 。本文以中煤 集团李家坝煤矿主斜井过流砂层为研究对象，对斜井 支护结构受力进行了数值模拟和实测分析。 砂岩、粉砂岩、泥岩及煤层组成，煤岩层的力学性能极 软弱。且穿越地层存在3 个主要含水层组，即第四系、 古近系及基岩风化带裂隙～孔隙含水层组 I 、侏罗 系中统延安组1 2 煤以上砂岩孔隙～裂隙承压含水层 组 1 1 I 及侏罗系中统延安组1 2 1 8 煤砂岩孔隙～裂 隙承压含水层组 Ⅳ ，特别是古近系地层主要由粘土 与砂层互层组成，而砂层若含水则极易形成流砂层。 1 工程概况2 斜井支护结构承载特性数值分析 李家坝煤矿主斜井坡度2 0 。，主要穿越第四系表 土层、古近系地层和侏罗系延安组地层等。其中第四 系主要为风积砂；古近系地层主要由浅红色呈半固结 状态细砂、粘土组成；侏罗系延安组地层主要由各粒级 2 ．1 数值计算方案 利用三维模型计算支护结构的极限承载力，采用 A N S Y S 中S O L I D 6 5 单元模拟，模型底部和前后3 个面 施加位移固定约束，上部和左右3 个面施加法向荷载， ①收藕日期2 0 1 6 1 0 2 6 作者简介李向阳 1 9 8 8 - - ，男，山西长治人，硕士，主要从事岩土工程勘察与设计工作。 万方数据 第2 期李向阳斜井穿越流砂层支护结构承载特性分析 轴向取5m 进行计算，如图1 所示。 图1 三维计算模型 E A D J 由上述5 种影响因素的分析可以看出，混凝土强 度与支护结构厚度对斜井支护结构的极限承载力影响 明显，底拱半径次之；而边墙存在合理的高度可使支护 结构的极限承载力达到最大；配筋可以延缓裂缝的扩 ’ 展，提高支护结构承载力，但满足一定的配筋率后对支 G 护结构整体承载影响不明显，把钢筋平均弥散到混凝 “ 土中进行模拟，其缺点是不能体现配筋的位置及钢筋 支护结构的承载能力主要取决于混凝土强度工。 以及结构厚度t 、断面几何参数 尺。与风 、配筋P 等 因素，为分析各因素对斜井支护结构极限承载力P 。的 影响程度，通过典型参数模型试验分析支护结构的破 坏模式，在此基础上，每次取一个因素作为自变量变 化，其它因素取为固定值不变，考察极限承载力与各因 素间的关系。通过支护结构极限承载力的求解方法， 施加一个较大的荷载，设定足够多的荷载子步数以保 证求解精度，将每一步的结果输出，取不收敛时的前一 步作为其极限荷载。物理力学参数见表1 ，典型参数 取值见表2 。 表1 物理力学参数 2 ．2 数值计算结果分析 2 ．2 ．1 典型参数模拟结果分析 典型点荷载．位移曲线见图2 。由图2 可知，支护结 构底角处的极限承载力为5 ．7 5M P a ，底板处的极限承载 力为5 ．8 5M P a ，边墙处的极限承载力为6 ．1 2M P a 。支护 结构底板受拉开裂产生破坏，底板混凝土出现裂缝后， 应力有所释放，由钢筋开始全部承担拉应力，直至钢筋 屈服。底板发生拉裂破坏；支护结构底角处由于应力集 中导致压应力过大破坏，建议设计时进行倒角处理。 2 ．2 ．2 单因素组合模拟结果 模拟结果见图3 ～6 。由图可知，极限承载能力与 混凝土强度以及结构厚度都呈线性关系，与底拱半径 呈二次曲线关系，与边墙高度近似呈三次函数关系。 随着配筋率增大，支护结构极限承载力先快速增加后 缓慢增加，当支护结构整体配筋率超过o ．2 ％后变化不 大，配筋率为O ．5 ％时，极限承载力最大。 荷载／M P a 图2 典型参数模拟结果 a C 位置； b D 位置； c K 位置； d D 位置； e C 位置 厶 至 ＼ C t ／m 图3 极限承载力与混凝土强度和结构厚度的关系 万方数据 矿冶工程第3 7 卷 R d ／m R d ／m 图4 极限承载力与底拱半径的关系 图5 支护结构极限承载力与边墙高度的关系 图6 配筋率与极限承载力关系 与混凝土之间粘结作用等重要特征对支护结构极限承 载力的影响。 3 支护结构选择及现场实测分析 3 ．1 合理支护结构的选择及设计参数 基于软岩巷道支护理论及围岩稳定性控制技术， 过流砂层段斜井井筒支护模拟采用全封闭式支护结 构，即初次支护采用型钢支架配合钢筋网、喷射混凝土 等组成的联合支护方式；然后在初次型钢支架与喷网 支护基础上，采用现浇钢筋混凝土构成二次衬砌结构， 以解决过流砂层段斜井井筒支护结构的长期承载和止 水固砂等问题，确保斜井井筒的长期稳定与安全。主 斜井整体衬砌结构如图7 所示，其设计参数汇于表3 。 图7 主斜井过流砂层衬砌结构配筋图 表3 支护结构参数 注t 帮角与底角1 ．2 5m 范围内，外环向钢筋间距为1 5 0i n l n ，直径2 5n l m 。 3 ．2 现场实测分析 通过在施工过程中布设压力盒和钢筋计，监测斜 井井筒围岩收敛变形、支护结构受力；通过分析监测结 果，优化斜井井筒施工技术与支护方案，保证斜井过流 砂层时的施工安全。实时监测曲线如图8 所示。分析 可知，主斜井顶部压力计数值为0 ．0 5M P a ，拱腰部压 力计数值为0 ．0 9M P a ，帮部压力计数值为0 ．1 2M P a 。 从钢筋受力曲线可以看出，第1 1 0d 内，钢筋受力有 个调整过程，然后逐渐增长，最后逐步趋于稳定，只是 万方数据 第2 期李向阳斜井穿越流砂层支护结构承载特性分析 3 5 芒 点 督 蠢 翼 抒 善 昌 鲁 ＼ 删 碘 袱 k 嘶 图8 监测数据 a 二衬受力； b 钢筋受力； C 支护结构收敛变形 存在幅度较小的波动，顶部钢筋计出现的最大轴力值为 9 ．6 6 7k N ；腰部钢筋计出现的最大轴力值为6 ．3 3 81k N ； 帮部钢筋计出现的最大轴力值为9 ．5 1k N 。两帮移近量 2 ．8 3i n n l ，顶底板移近量1 1 ．2 3m l n ，总体控制效果较好。 4 结论 1 数值分析结果表明，混凝土强度与结构厚度对 支护结构的极限承载力影响明显，底拱半径次之；存在 合理的边墙高度可使结构极限承载力达到最大；满足 一定的配筋率后对整体承载影响不明显。支护结构极 限承载力与混凝土强度、结构厚度呈线性关系，与底拱 半径呈二次关系，与边墙高度呈三次关系。 2 现场实测了支护结构的受力与变形状态，结果 表明现有的支护结构能满足斜井的稳定性要求，验证 了支护结构的可行性。 参考文献 [ 1 ] 李向阳．斜井穿越流砂层井壁变形与承载特性研究[ D ] ．徐州中 国矿业大学力学与建筑工程学院，2 0 1 4 ． [ 2 ] 刘希亮．深厚表土不稳定地层中井壁受力研究[ M ] ．北京煤炭 工业出版社，2 0 0 4 ． [ 3 ]王衍森．特厚冲积层冻结井外壁的强度增长及受力与变形规律 [ M ] ．徐州中国矿业大学出版社，2 0 0 8 ． [ 4 ] 刘英杰，李成涛．斜井穿越流砂层施工[ J ] ．建井技术，2 0 0 6 ，2 7 4 2 - 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