不同支護方式下大坡度斜井鋼拱架與噴錨支護聯合受力分析

劉波 王廷益 劉廉輝 帖熠

摘要：目前，對于縱向坡度較大的大坡度斜井，兩種不同支護方式（鋼拱架鉛直向下和垂直洞軸線）對鋼拱架與噴錨支護聯合受力特性影響的研究較少。結合云南省滇中引水工程香爐山隧洞某斜井工程實際，針對鋼拱架鉛直向下和垂直洞軸線兩種布置型式分別與噴錨支護結構的聯合受力，采用三維有限元法對斜井開挖過程中圍巖位移、應力和噴層、錨桿及鋼拱架的應力進行了計算分析。結果表明：兩種鋼拱架布置型式下，圍巖變形和應力分布規律基本相同，垂直洞軸線布置鋼拱架更有利于抑制圍巖縱向位移和豎向位移，并使支護結構應力顯著減小，對斜井圍巖穩定和支護結構受力狀態更加有利。圍巖條件越差，支護效果越明顯。建議大坡度斜井中采用垂直洞軸線的型式布置鋼拱架。

關鍵詞：大坡度長斜井； 鋼拱架； 噴錨支護； 滇中引水工程； 香爐山隧洞

中圖法分類號：TV53

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.06.019

文章編號：1006-0081（2023）06-0099-04

0 引 言

為加快隧洞施工進度，通過增設斜井、平洞等輔助通道另辟工作面，實現“長隧短打”是常用的有效措施［1］。斜井隧洞需要承擔出渣、進料、行人的交通任務［2-4］，長距離、大坡度斜井復雜的運輸系統決定了斜井的重要性［5-7］。斜井支護方案的合理設計需要對大坡度長斜井支護型式進行分析，確定支護材料的用量。在地下工程施工過程中，支護措施不力或者支護時機不當，都將影響洞室的穩定［8-10］。武濤［11］結合哈密南湖一礦斜井，為提高斜井斷面利用率、降低支護成本，通過試驗測試了工字鋼拱形支架的承載力，進行了金屬支架優選，試驗結果表明16號工字鋼拱架承載能力較強，連接部位未出現破壞。劉艷等［12］以五間房礦井副斜井為例，通過對礦井地質資料的分析，結合施工經驗提出了“全封閉型鋼拱架+噴混凝+雙層鋼筋網”的有效支護方案。鋼拱架在斜井支護結構中雖然發揮了重要的作用，但由于大坡度斜井縱向坡度較大，鋼拱架鉛直向下和垂直洞軸線兩種不同的支護方式對鋼拱架與噴

錨支護聯合受力特性有著重要影響，而且坡度越大，上述問題越顯著，目前尚未見有關文獻對該問題進行研究。本文以滇中引水工程香爐山隧洞某施工斜井為例，對大坡度長斜井鋼拱架與噴錨支護型式進行了分析，探討了鋼拱架布置型式在保證洞室穩定和改善支護結構應力狀態等方面發揮的作用，可為今后類似工程提供參考。

1 計算模型與條件

1.1 工程概況

滇中引水工程香爐山隧洞某施工斜井洞口與斜井底部高差405 m，長約1 246 m，斷面為城門洞型。斜井縱斷面由井口水平段、井身斜直段及井底車場段3個部分組成，井身段縱坡-24.71°。井口水平段、井身斜直段凈斷面設計尺寸為6.5 m×6.0 m（寬×高），井底車場段（水平段）凈斷面設計尺寸為6.5 m×10.0 m（寬×高）。斜井部位最大水平主應力值約為14 MPa，最小水平主應力值約為12 MPa，側壓力系數為1.0～2.3，應力場以水平應力為主，

總體屬低至中等地應力水平。斜井一般埋深210～400 m，最大埋深430 m。

1.2 計算模型

以斜井典型斷面為研究對象建立有限元計算模型，如圖1所示。以斷面中心為坐標原點，上部范圍取33 m、下部范圍取39 m、水平側向范圍取33 m。斜井軸向的水平范圍取20 m，高差9.2 m，縱向坡度-24.7°。左右兩側、前后端面以及底部全部采用法向位移約束，頂部邊界條件自由并施加對應埋深的均布應力，模擬上覆巖體自重應力。

圍巖和混凝土噴層均采用縮減積分單元C3D8R模擬，錨桿采用桿單元T3D2模擬，鋼拱架采用梁單元B31模擬。圍巖采用Mohr-Coulomb本構模型，混凝土噴層采用塑性損傷本構模型，錨桿和鋼拱架使用線彈性本構模型。

1.3 材料參數

斜井圍巖分為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類，為了便于對比分析大坡度斜井在不同鋼拱架布置型式下與噴錨支護聯合受力特性，鋼拱架和噴錨支護參數在不同圍巖條件下保持一致：鋼拱架采用I20a型，縱向間距50 cm，邊墻、頂拱系統錨桿為C25，間排距1 m×1 m，長度L=4.5 m，噴層為C20混凝土，厚度20 cm，材料參數列于表1。

2 計算方案

采用初始地應力場為自重應力場，開挖荷載步中利用AQAQUS軟件命令流“*model change，remove”實現巖體開挖，支護荷載步中利用命令流“*model change，add，with free strain”復活支護單元。在施作鋼拱架的同時，重點研究斜井中鋼拱架鉛直向下布置和垂直洞軸線布置兩種型式對圍巖變形、鋼拱架自身承載特性和其他支護結構承載特性的影響，鋼拱架布置型式如圖2所示。

3 成果分析

3.1 圍巖變形

在表1中3種圍巖類別條件下，分別對鋼拱架鉛直向下布置和垂直洞軸線布置兩種型式進行計算，開挖完成后圍巖合位移如圖3所示。

從圖3可以看出，相同圍巖條件下，兩種鋼拱架布置型式對圍巖變形的抑制效果相同，位移值差異較小。鉛直向下布置鋼拱架更有利于抑制圍巖橫向位移，而垂直洞軸線布置鋼拱架更有利于抑制圍巖縱向位移和豎向位移。Ⅲ類圍巖條件下，兩種布置型式圍巖位移幾乎相同；Ⅳ類圍巖條件下，二者略有差異；Ⅴ類圍巖條件下，二者差異相對較大。說明隨著圍巖條件變差，兩種布置型式對圍巖變形的抑制作用差別愈加明顯。

3.2 圍巖應力

在表1中3種圍巖類別條件下，分別對鋼拱架鉛直向下布置和垂直洞軸線布置兩種型式進行計算，開挖完成后圍巖應力如圖4所示。

從圖4可以看出，相同圍巖類別條件下，兩種鋼拱架布置型式圍巖應力相差極小，均在0.4%以內，且斷面內的分布規律也幾乎無差別。隨著圍巖條件變差，兩種布置型式對圍巖應力的影響逐漸增加。

3.3 支護結構應力

在表1中3種圍巖類別條件下，分別對鋼拱架鉛直向下布置和垂直洞軸線布置兩種型式進行計算，以開挖完成后鋼拱架Mises應力最大處作為分析對象，并分別提取該位置錨桿Mises應力和混凝土噴層的最小主應力。不同圍巖類別條件下的支護結構應力如表2所示。

從表2可以看出，在相同的圍巖類別條件下，采用垂直洞軸線布置型式可使支護結構的應力顯著減小，對支護結構更加有利。隨著圍巖條件逐漸變差，尤其在Ⅴ類圍巖條件下，若采用鉛直向下布置型式，鋼拱架和錨桿應力將超出其屈服強度，致使支護結構失效；而采用垂直洞軸線布置型式，支護結構仍能發揮作用。

4 結 語

對滇中引水工程香爐山隧洞某大坡度斜井在不同鋼拱架布置型式下與噴錨支護聯合受力進行了三維有限元分析，得出以下結論：鋼拱架鉛直向下布置和垂直洞軸線布置兩種型式下，圍巖變形和應力分布規律基本相同，鉛直向下布置鋼拱架更有利于抑制圍巖橫向位移，而垂直洞軸線布置鋼拱架更有利于抑制圍巖縱向位移和豎向位移。隨著圍巖力學參數變差，兩種布置型式對圍巖變形和應力的影響愈加明顯。在相同圍巖條件下，垂直洞軸線布置型式可使支護結構應力顯著減小，對支護結構更加有利。隨著圍巖條件逐漸變差，垂直洞軸線布置型式的支護效果更加顯著。與鉛直向下布置相比，垂直洞軸線布置鋼拱架周長小、用料省，可節約工程投資。因此，建議大坡度斜井中采用垂直洞軸線的鋼拱架布置型式。

參考文獻：

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［12］ 劉艷，辛德林.大斷面斜井軟巖支護技術［J］.建井技術，2020，41（1）：13-16.

（編輯：李 慧）

Load analysis of combined support system of steel arch shelf and lock bolting with shotcrete in steep inclined shaft under different support methods

LIU Bo1，WANG Tingyi2，LIU Lianhui3，TIE Yi1

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；

2.Water Diversion Project Construction Administration of Central Yunnan Province，Kunming 650000，China；

3.Shenzhen Aoya Design Co.，Ltd.，Shenzhen 518000，China）

Abstract：

Currently，for large inclined shafts with large longitudinal slopes，there were few studies on the effects of the two different support methods （steel arch vertically downward and vertical tunnel axis） on the combined mechanical characteristics of steel arch and shotcrete anchor support.Based on the engineering practice of an inclined shaft project in the Xianglushan Tunnel of the Central Yunnan Water Diversion Project，the three-dimensional finite element method was used to calculate and analyze the displacement and stress of surrounding rock during the excavation process of the inclined shaft，and the stresses of the spray layer，anchor rod，and steel arch frame，aiming at the combined forces of the vertical downward and vertical arrangement of the steel arch frame and the shotcrete anchor support structure respectively.The results showed that under the two types of steel arch arrangement，the deformation and stress distribution of surrounding rock were basically the same，and the arrangement of steel arch perpendicular to the tunnel axis was more effective in suppressing the longitudinal and vertical displacement of surrounding rock，and significantly reducing the stress of the support structure，which was more conducive to the stability of surrounding rock in the inclined shaft and the stress state of the support structure.The worse the surrounding rock conditions were，the more obvious the support effectwas.It was recommended that the steel arch frame in the inclined shaft with large slope adopt the layout type of vertical tunnel axis．

Key words：

long inclined shafts with large slope； steel arch； shotcrete anchor support； Central Yunnan Water Diversion Project； Xianglushan Tunnel