深埋軟巖盾構斜井支護結構受力特性及關鍵設計研究

游龍飛

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司 湖北武漢 430063）

1 引言

目前，當斜井長，坡度大時，采用現有的鉆爆法施工工效較低，施工進度較慢，不適應現代礦山、鐵路工程的需要。機械化程度較高的盾構法則應運而生，可將掘進、支護、出渣等工序有序地連貫起來，大大提高了煤礦開挖效率，保障了煤礦施工的安全，同時改善了施工人員的工作條件。此外，盾構施工煤礦斜井有利于礦區自然環境的保護，尤其針對長距離斜井施工，其優勢更為明顯。

補連塔煤礦新副斜井作為國內煤炭行業首次應用盾構工法施工、坡度最大的煤礦斜井，斜井從淺埋覆土逐漸穿越到較大埋深，斜井的管片結構荷載逐漸變化，管片內力變化大，與此同時，斜井支護結構設計也與常規盾構隧道管片設計有所不同。因此，本文結合神華神東補連塔礦區斜井工程，探討長距離大坡度斜井盾構施工時管片襯砌結構的受力特性，后結合補連塔煤礦斜井工程特點，就支護結構力學方面進行關鍵設計。

2 工程概況

2.1 斜井簡介

神華神東補連塔煤礦新副斜井位于內蒙古自治區鄂爾多斯市伊金霍洛旗東南，烏蘭木倫河一級階地西緣的補連塔煤礦。斜井全長2 745 m，其中盾構段2 718 m，井筒傾角為-5.5°(-9.5%），埋深6.4～2 76.8 m，采用盾構(TBM）施工。斜井采用單層裝配式襯砌，管片形式為鋼筋混凝土平板型管片，管片內徑6.6 m，外徑7.3 m，厚0.35 m，幅寬1.5 m，管片混凝土等級為C40，抗滲等級P12。盾構襯砌環采用錯縫拼裝，襯砌環采用“3(標準塊）+2(鄰接塊）+1(仰拱塊）+1(封頂塊）”分塊方式。

補連塔煤礦位于沖積巖地層，斜井穿越第四系風積細砂、志丹群中粒砂巖、礫巖互層、延安組粉砂巖層、延安組細粒砂巖、延安組22煤層段，且砂質地層占總里程97%，具體見圖1，地下水以基巖裂隙水為主。

圖1 斜井盾構段地層示意（單位：m）

2.2 工程特點

(1）大坡度反坡施工:坡度-5.5°(-9.5%）為國內最大坡度。

(2）長距離:斜井全長約2 745 m，為國內盾構法施工最長的煤礦斜井。

(3）軟巖大變形:斜井大幅度穿越軟巖等復雜地質。

(4）埋深變化大:埋深變化從6.4 m到276.8 m，變化幅度大，管片襯砌需適應埋深從6.4 m到276.8 m的荷載變化。

(5）高水壓:由于埋深大，地層地下水產生的水壓大，管片結構需要承受一定的高水壓。

3 管片結構橫向受力特性

常見的盾構隧道結構荷載計算方法有全土柱法、泰沙基理論[1]、普氏理論[2]、謝家烋理論[3]、規范法[4]149-150，[5]、特征曲線法[6]107等。當盾構隧道處于埋深較淺或地質較差的地層時，常用全土柱法進行上覆土壓力的計算[7-8]；而當盾構隧道處于埋深較大、地質條件好時，常用普氏理論或泰沙基理論進行荷載計算[9-10]；對于深埋隧道一般可采用規范法，也可采用特征曲線法進行荷載計算[6]107-111。除特征曲線法計算的是塑性形變壓力外，其它計算的則是以松散塌落體重量作為荷載承擔的松動壓力。

目前，針對大坡度、長距離盾構施工煤礦斜井，其管片結構荷載計算尚無統一的計算方法，因此，本文分別采用特征曲線法、荷載結構法對補連塔煤礦斜井管片結構橫向受力進行分析，后進行合理配筋，以此來保障斜井管片結構的正常使用。

3.1 特征曲線法

3.1.1 特征曲線法基本原理

特征曲線法是利用圍巖的特征曲線和支護特征曲線交會的方法，來決定支護體系的最佳平衡條件。對于圓形隧道，隧道開挖后施加管片，假定地層與管片之間緊密接觸，管片提供支護阻力為Pi。根據彈塑性理論和Mohr-Coulomb準則，結合文獻[6]107-111可得到塑性區半徑:

洞壁圍巖收斂位移:

式中，r1、r0分別為管片外徑、內徑；Pi為管片支護阻力；p0為初始地壓力；c為地層的粘聚力；φ為地層的內摩擦角；E為圍巖的彈性模量；cr為塑性區的粘聚力；φr為塑性區的內摩擦角。

根據設計資料，接縫密封防水材料的防水能力暫按最大水壓力50 m考慮。當實際運營過程中發生水壓力超過50 m的情況時，在管片襯砌設置排水降壓孔來降低水壓力[11]。

管片內徑r0=3.3 m，混凝土泊松比μc=0.2，彈模為33.5 GPa，為安全起見，這里對管片彈模進行折減75%，折減后的彈模Ec=25.125 GPa。假定隧道圍巖進入塑形狀態后，cr=0，φr=φ。由于盾構管片接頭的存在，再對整體管片剛度進行折減，這里考慮剛度折減15%后的盾構管片剛度:

管片所提供支護阻力(μi為管片收斂位移）:

根據公式(2），給定洞壁收斂變形ur0即可反算出圍巖塑性半徑Rp。再根據公式(1），即可反推出在產生收斂變形ur0情況下管片提供的支護力Pi，根據支護力即可求得管片所受軸力N。

3.1.2 參數取值

由地勘資料可知，該區域圍巖以Ⅳ、Ⅴ級圍巖為主，部分區段存在Ⅲ級圍巖，對比《鐵路隧道設計規范》(簡稱《鐵隧規》）[4]20-21、《礦山井巷工程施工及驗收規范》[12]對圍巖等級的劃分基本一致。本文選取埋深最不利的兩個斷面，即是Ⅴ級圍巖埋深277 m(斷面1）、Ⅳ級圍巖埋深227 m(斷面2），見圖1。計算兩種狀態下的管片內力情況。根據地勘資料和《鐵隧規》，將Ⅳ級和Ⅴ級圍巖計算參數取值整理于表1。

表1 圍巖計算參數

由于勘察未進行地層應力測試，初始地層豎向應力按上覆地層壓力計算，水平應力按豎向應力乘以側壓力系數進行計算，由于實際地層豎向應力與地層水平應力不相等，隧道處于雙向不等壓狀態，為此將其換算為雙向等壓狀態，則斷面1、2的等效地層應力分別為4.14 MPa、3.26 MPa。

3.1.3 計算結果分析

圍巖收斂位移分別取 160、140、120、100、80、60、40、20 mm，利用特征曲線法計算思路，代入相應參數，計算各工況下的管片壓力、軸力以及各工況下的管片配筋形式，并將結果整理于表2。

表2 特征曲線法計算結果

從表2的計算結果可知，無論是Ⅴ級圍巖還是Ⅳ級圍巖，均呈現相同的規律，即是管片所受荷載與圍巖收斂位移成反比，圍巖收斂位移越大，管片所受壓力越小，軸力越小。這反映了特征曲線法強調柔性支護，盡量允許圍巖變形，將管片荷載值控制在合理范圍內。

橫向對比發現，在圍巖達到同一收斂位移時，Ⅴ級圍巖的管片壓力比Ⅳ級圍巖的管片壓力大，軸力偏高。這與計算斷面1所處的地應力高及圍巖破碎有關系。配筋上，Ⅴ級圍巖收斂位移20 mm時，內力偏大，配筋較高，其余均配4φ16+6φ14，即可滿足要求。

3.2 荷載結構法

3.2.1 荷載結構法基本原理

作用于襯砌管片結構上的荷載按照現行《鐵隧規》中規定，主要考慮永久荷載，包括圍巖壓力和水壓力。這里將土壓力采用規范法進行計算，水壓力根據實際情況考慮0、20、50 m(對于Ⅳ級圍巖，由于最小配筋已滿足100 m水頭計算要求，即不再計算50 m水頭工況）和100 m水頭對管片襯砌進行計算。

根據水土合算和水土分算兩種計算形式進行計算，認為隧道豎向壓力為《鐵隧規》計算值的兩倍。當采用水土分算時，要根據具體水頭考慮水壓力。由于該區域隧道普遍埋深較大，圍巖荷載根據《鐵隧規》采用深埋隧道公式計算。

式中各參數的含義見文獻[4]131-132。

3.2.2 計算結果分析

由于該區域圍巖主要為Ⅳ、Ⅴ級圍巖，故本次計算分別對管片襯砌在Ⅳ、Ⅴ兩類圍巖狀態下的襯砌內力進行計算。以Ⅳ級圍巖水土合算為例，簡要敘述計算思路。根據公式(6）、(7）計算得到此工況下的隧道拱頂塌落拱高度為4.43 m，考慮到隧道埋深較大實際計算塌落拱高度取計算值2倍，即h=8.86 m，然后計算垂直壓力和水平均布壓力，采用有限元軟件MIDAS/GTS進行計算。

荷載結構法Ⅳ級圍巖水土合算計算，管片內側承受最大正彎矩為105 kN·m，對應軸力為894 kN；管片外側承受最大負彎矩為59 kN·m，對應軸力為1 028 kN。現將各工況管片內力計算結果、配筋情況進行整理于表3。

表3 荷載結構法計算結果

從表3可知，管片彎矩上，各工況下的管片內側彎矩比外側彎矩較大。軸力方面，基本上是管片外側軸力較內側大，隨著水壓力增大，軸力也相應增大，且增長速率逐漸變大。配筋方面，Ⅳ級圍巖的各種工況，管片內外側采用4φ16+6φ14配筋形式，即可保證管片結構安全。由于管片采用泄水降壓的設計，確保實際運營過程中管片所受水頭在50 m以內(水壓0.5 MPa），為方便起見，多采用對稱配筋，Ⅴ級圍巖一般地段采用4φ16+6φ14對稱配筋，穿越煤層等破碎地段時，采用4φ18+6φ16對稱配筋。

4 新型斜井組合支護結構關鍵設計

4.1 “等厚不等強”的管片結構設計

補連塔煤礦新副斜井盾構段圍巖類型以Ⅳ級、Ⅴ級圍巖為主；其次，管片襯砌需適應埋深從6.4 m到276.8 m的荷載變化；因此，運用特征曲線法、荷載結構法對管片結構進行力學計算，綜合考慮以上計算結果，提出分段配筋設計方案，即管片采用“等厚不等強”的結構設計，內外側采用對稱配筋，主筋配筋方式及適用情況見表4。

表4 主筋配筋方式及其適用情況

4.2 讓壓柔性組合支護結構設計

面對斜井埋深大，管片結構處于高地應力狀態，常規盾構法壁后注漿很難適應斜井高地應力的環境。因此，針對補連塔煤礦新副斜井高地應力的情況，設計一種讓壓柔性支護理念的管片結構與壁后填充層組合支護型式。該支護理念[13]與上文特征曲線法強調柔性支護的理念吻合。

在管片脫離盾尾后，及時在壁后噴射具有孔隙率大、壓實性能好、流動性好的豆礫石材料，它具有很好的讓壓特性，可允許軟巖發生一定的變形，釋放圍巖壓力，實現管片和填充層的讓壓支護。然后回注水泥砂漿，固定豆礫石。

4.3 主動控制軟巖變形的加長錨索設計

為進一步控制軟巖地段的圍巖變形，在讓壓柔性組合支護的基礎上，設計了管片與錨索組合支護結構，通過加長錨索來主動控制圍巖變形。加長錨索深入穩定巖層并與管片形成組合梁，對圍巖起到懸吊作用；錨索(桿）與巖體間的抗剪作用阻止巖層間產生相對滑動，使圍巖由二維應力狀態轉化為三維受力狀態，提高了巖層的承載能力及整體剛度，抑制了巖體變形。在拼裝管片后，根據圍巖級別設置不同的軟巖變形段加強支護參數，在軟巖變形段設計系統中空注漿錨索(見表5）。

表5 軟巖變形段支護設計

5 結論

(1）對管片結構橫向受力分析可得，管片壓力與圍巖收斂位移成反比，反映了特征曲線法強調柔性支護的理念；管片內側彎矩比外側彎矩較大；基本上管片外側軸力較內側大，隨著水壓力增加，軸力也相應增加，且增長速率逐漸變大。

(2）綜合特征曲線法、荷載結構法兩種計算方法的計算結果，進行補連塔煤礦斜井的分段配筋設計，提出等厚不等強的管片結構設計。

(3）針對埋深變化大、外水壓力高、軟巖變形大、高地應力等特點，設計了盾構施工煤礦斜井新型組合式支護結構，其核心是以管片加錨索構成組合梁主動控制軟巖變形，以豆礫石進行壁后填充構成讓壓支護層適應高地應力，以等厚不等強的管片應對不等地應力。