维普资讯 http://www.cqvip.com 铁道 建筑 ２００６年第８期 Ｒａｉｌｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ５５ 文章编号：１００３．１９９５（２００６）０８．００５５．０４ 芨芨沟竖井掘砌施工及井筒结构的稳定分析 王 宁 ，雷 军 （１．石家庄铁道学院土木分院，石家庄０５００４３；２．北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 １０００３７） 摘要：结合乌鞘岭特长隧道芨芨沟竖井具体工程，考虑地层失水沉降负摩擦力及地层重力作用对井筒受 力的影响，对竖井掘砌施工过程进行动态模拟，分析拟采用的竖井掘砌施工方案的安全性及可行性，为 类似工程施工方案的制订提供参考。 关键词：竖井掘砌井筒结构稳定分析 中图分类号：Ｕ４５５．８文献标识码：Ｂ 砂岩互层；基岩段以砂岩为主，．间夹少量页岩及薄层 １问题的提出 煤，节理发育，岩体破碎。 竖井表土段井筒结构为内外复合式衬砌，初期支 竖井结构是矿山以及长大隧道施工中与外界联系 护采用Ｒ２５中空锚杆，长２．５ ｍ，每圈８根，梅花形布 的通道。竖井的安全、快速施工是增开工作面，及早进 置。井壁初期支护为Ｃ２０喷射混凝土，厚度为１２ ｃｍ， 入正洞的关键，为此，必须确保竖井在施工过程中具有 二次衬砌为Ｃ３０模筑混凝土井壁，厚０．３５～０．５ ｍ。竖 足够的安全度。 井衬砌断面如图１。 长期以来，竖井结构的设计都是将其简化为平面 问题处理，采用半经验的方法。但是井壁所承受的主 要外荷载侧向土压力是随着深度的增加而不断变化 的，这就与平面问题的条件不相符。为了使竖井结构 分析更加接近实际，在设计及施工过程进行动态模拟， 考虑竖井结构的空间效应，也就是进行空间受力分析 是十分必要的Ｉ 。 一般来说，造成竖井变形破坏的原因包括地质构 造情况、地层排水沉降引起的负摩擦力和水平地应力 等因素的综合作用，尤其是表土段受地层失水沉降的 摩擦作用而成为薄弱部位。目前，对竖井的施工过程 的模拟研究比较少，本文结合兰新铁路乌鞘岭隧道芨 图１表土段井筒横断面图（单位：ｅｍ） 芨沟竖井具体工程，对表土段施工过程进行模拟，分析 围岩应力场、围岩稳定性及井壁结构应力分析，为该竖 ３掘砌施工方案 井掘砌施工的安全提供指导。 表土段施工程序的安排及施工方法由竖井所处地 ２工程概况 质条件来确定，根据土层的稳定程度选用台阶开挖、分 块对称挖掘法等。芨芨沟竖井采用的施工方案为表土 芨芨沟竖井为乌鞘岭隧道５号斜井（位于右线隧 井口挖掘采用７６５５风枪钻眼，岩石采用硝铵２ 炸药 道ＹＤＫ１６７＋５７５右侧，总长约２．２ ｋｍ）上增设的具有 爆破，辅助以锹、镐和风镐等。遇到坚硬的土层或卵 生产能力的通风竖井，位于天祝县上芨芨沟，地形狭 石、砾石层时，采用浅打眼、少装药、分次放炮的方法。 长、属祁连山山脉。井口距５号斜井与右洞交点为 采用小绞车提升出碴；喷锚网钢架支护、塑料夹层、混 ２２３．９ ｍ，竖井设计深度为４６６．６ ｍ，井筒净断面直径 凝土井壁，绳捆钢模砌壁，溜灰管下混凝土施工井筒井 ５．１ ｍ，井身表土段为坡积层、粘土层及碎石土、泥岩、 壁。 维普资讯 http://www.cqvip.com ５６ 铁道 建筑 Ａｕｇｕｓｔ，２００６ 按设计规格下挖２～３ ｍ时，随即架设临时锁口， 吊挂临时井圈，安设井盖；由于竖井表土较厚，因此连 续下挖至１０～２０ ｍ后施工壁座，采用整体式模板砌筑 永久井壁。井筒下掘深度达２５ ｍ左右时，待地面布置 好提升机及各种凿井绞车，可安设吊盘、稳绳和悬吊各 种管线，此后即可进入正常掘砌施工。 施工井筒２５ ｍ后将吊盘全部铺设好，达到正常开 工的施工条件。进入正常施工后采用短段掘砌混合作 业法，将井筒划分为若干个３～６ ｍ的井段，自上向下 逐段施工，在每个井段内，掘进后不架设临时支架，模 板高与段高一致，也取３～６ Ｉｎ，掘进和砌壁工序在一 个循环段内先后（少量工作有一定交叉）进行。 施工中每掘一个段高后，在一定厚度的浮矸上组 立模板，浇筑１ ｍ左右高的混凝土，然后开始出矸，同 时浇筑余下部分的混凝土井壁，浇筑结束后，掘进工作 继续进行，如此依次循环。即将掘、砌工作混合在一 起，将砌壁工序穿插在装岩工序之中进行。由于使用 移动式金属模板，使拆模等工作简化和机械化，拆模工 作得以和掘进平行进行；施工中使用速凝剂，缩短混凝 土的养护时间；同时由于不需要清底和多次接管等原 因，使砌壁辅助时间大为缩短。 ４竖井表土段施工动态模拟 为了对拟采用的施工方案的安全性进行分析。需 要对竖井表土段的施工进行动态模拟。地层和井筒只 考虑自重应力，由于表土段施工后地层失水沉降是井 壁破坏的重要因素，因此模拟中还将考虑地层对井壁 的摩擦作用。 ４．１计算模型的建立 根据设计的竖井井筒结构断面尺寸和地层情况， 按地层一结构连续体建立三维有限元模型。模型中， 围岩和结构均采用８节点实体等参元Ｓｏｌｉｄ４５，围岩采 用弹塑性ＤＰ本构模型，结构采用线弹性本构模型。 对于某一具体的井筒，其井壁负摩擦力的大小和 分布规律很难确定。在这方面的理论研究也甚少。为 了模拟施工结束后表土段围岩失水沉降对井筒造成的 负摩擦力的影响，在井筒衬砌外表面用Ｓｕｒ１ｆ５４表面单 元对井筒施加竖直向下的切向摩擦力，摩擦力大小按 以往矿井破坏的统计资料数据取最不利情况，按１００ ｋＰａ的均布力考虑 。ｊ。 在有限元计算当中，边界条件对计算结果影响较 大。因此，为尽量减少模型中边界条件对计算结果产 生的不利影响，计算模型的边界范围按照如下原则确 定：径向往井筒外侧取井径的１２倍，即６０ ｍ，垂直方向 向下取为基岩以上，厚度５０ ｍ。考虑到计算模型的对 称性，取１／４结构进行分析。 计算模型的边界条件为：底面为竖向约束，围岩外 边界面为径向约束，上边界为荷载自由边界，其他两面 为对称约束，计算模型及其网格划分详见图２。计算 区域内的单元总数为３ ３７１，节点总数为３ ６５４。 图２竖井模型及网格划分图 ４．２结构与围岩计算参数的选取 为了研究方便，模型中进行了适当简化： １）围岩材料假定为理想弹塑性，并认为表土段为 均一地层，取其参数的平均值作为围岩材料参数。 ２）支护结构中的钢筋作用按等效方法予以考虑， 即将钢筋的弹性模量折算给混凝土。其计算方法为Ｈ ＝ ＋．ｓ （１） 。．） 式中， 为折算后混凝土等效弹模（ＭＰａ）；Ｅ。为素混 凝土弹模（ＭＰａ）；Ｓ 为钢筋的横截面积（ｍ２）；Ｅ 为钢 材弹模（ＭＰａ）；Ｓ 为混凝土截面积（１ｌ１２）。 ３）锚杆根据其作用的等效原则考虑。初期支护中 的有压注浆锚杆具有组合、悬吊、挤压等作用，此外注 浆、自身抗剪及为洞周围岩提供高强度抗力点等作用 而使围岩参数得到提高。主要是提高围岩的粘聚力和 内摩擦角来替代锚杆的作用，其中摩擦角的改变一般 不大，锚固岩体的粘聚力可由经验公式给出ｂ】。 Ｃ＝Ｃｏ（１＋ ×１０＇） （２） 式中，ｃ０为未加锚杆时围岩的粘聚力（ＭＰａ）；Ｃ为加 锚杆时围岩的粘聚力（ＭＰａ）；ｒ锚杆最大抗剪应力 （ＭＰａ）；Ｓ 锚杆的面积（１ｌ１２）；ａ，ｂ为锚杆的纵、横向间 距（ｍ）； 经验系数，可取为２～５。 模型中各材料所采用的参数见表１。 ４．３竖井施工过程的模拟 模拟竖井施工过程的步骤：①计算自重作用下的 原始地应力场；②开挖表土段０～１０ ｍ（为简化计算工 作量，循环进尺取为１０ ｍ）；③开挖１０～２０ ｍ并进行初 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００６年第８期 芨芨沟竖井掘砌施工及井筒结构的稳定分析 ５７ 期支护，包括锚杆加固区和喷射混凝土，用ＥＫＩＬＬ和 ＭＰＣＨＧ命令来模拟 ：同时对０～１０ ｍ部分进行井壁 衬砌；④上述方法以此类推，直至最后一段４０～５０ ｉｎ 完成井壁衬砌，见表２。 表１模型中所采用的各材料力学指标值 鞫：：： ； －４＂／２５“ 。㈣材料类型 弹性模 泊松比 密度 粘聚力 内摩擦角 ，ＭＰａ ／（ｋｇ・ｍ。） ，ｋＰａ ，（。） 围岩 ｌ ５ｏ０ ｏ．４ｏｏ ｏ ｌ ９ｏｏ ｌ００ ２５ 锚杆区 ｌ ６０ｏ ０．３８０ ０ ｌ ９ｏｏ ｌ２０ ２６ 初支 ２ ５ｏ０ ｏ．１６７ ０ ２ ２４５ 井壁 ２ ８ｏ０ ０．１６６ ７ ２ ５００ 表２竖井结构与围岩体系施工阶段与荷载步 计算时间步 施工阶段内容 计算时间步 施工阶段内容 围岩自重 ３Ｏ ４ｏ ｍ开挖， １１ＭＥｌ 应力场 １１ＭＥ５ ２０ ３０ ｍ锚杆、 初支、砌壁 ４ｏ ５０ ｍ开挖， １１ＭＥ２ ０ ＩＯｍ开挖 １１ＭＥ６ ３Ｏ～４ｏ ｍ锚杆、 初支、砌壁 ｌＯ ２０ｍ开挖， ４ｏ ５０ ｍ锚杆、初支、 １１ＭＥ３ ０ ＩＯｍ锚杆、 初支、砌壁 对井壁摩擦力 ２０ ３０ ｍ开挖， １１ＭＥ４ ｌＯ ２０ ｍ锚杆、Ｉ１１ＭＥ７ 一－砌壁，施加土体 初支、砌壁 ４．４结果分析 图３、图４、图５描述了竖井表土段施工各阶段围 岩及支护结构主应力的发展变化情况（仅取ＴＩＭＥ６时 间步，其余略）。 富 图３ ＴＩＭＥ６ ．应力图 由各时间步应力云图可见，竖井开挖以后，井筒周 围的围岩由于开挖卸载，应力迅速减小，在井筒底部， 开挖造成原来受到上部土体压力的井底成为临空面， 应力几乎完全释放，从而导致底板向上隆起而产生拉 应力。 应力图 图５，Ｉ１ＭＥ６ ｙ应力图 在初支和井壁衬砌以后，井壁底部由于周围土体 的侧向压力作用导致该部位衬砌主应力增大，产生张 ．拉应力，ＴＩＭＦＡ井壁衬砌最大拉应力 ．为０．２６ ＭＰａ， 最大压应力ｄ 为一１．１９ ＭＰａ，随着逐步向下施工，井 壁受力最大值逐渐增大，部位向下转移，到ＴＩ ＭＥ６时 井壁下部受力最大，最大拉应力 ．为１．４２ ＭＰａ，最大 压应力为一４．９８ ＭＰａ，但均小于混凝土材料的抗拉和 抗压强度，因而施工是安全的。 由应力分布云图可见。每循环掘进工作面附近围 岩均有不同程度的应力集中，越向下开挖则应力集中 越大，应力云图中掘进循环交接部位变化明显，因此在 施工是应加强这些部位的支护。 由最大剪应力ｙ分布云图也可以看出，随着不断 向下开挖，最大剪应力值不断增大，起初最大剪应力发 生在井底下部围岩中，开始衬砌后，最大剪应力发生在 井壁衬砌中，由于开挖卸荷作用，越向下则围岩和衬砌 中剪应力越大，最大值为１．０６ ＭＰａ，但也小于混凝土的 抗剪强度。 表土段井壁衬砌施工完毕以后，由于周围土体失 水沉降，对井壁产生向下的摩擦力。井壁是处于三向 受压应力状态结构，其竖向应力和环向应力几乎相当 于主应力，井壁发生破坏将是在水平侧向荷载和竖向 荷载共同作用下的结果，其破坏特征由它的应力状态 所决定，地表下沉对井筒产生的附加力（负摩擦力）是 引起井壁破坏的重要原因。 由ＴＩＭＥ７主应力分布云图可以看到，井壁在周围 土体摩擦力的作用下显著增大，井壁大部分区域最大 维普资讯 http://www.cqvip.com 铁５８ 道建筑 Ａｕｇｕｓｔ，２００６ Ｒａｉｌｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 文章编号：１００３．１９９５（２００６）０８．００５８．０３ 超前管棚支护在隧道工程中的应用 林希鹤 ，卢清国 ，马艳春 （１．北京工业大学，北京１０００２２；２．中铁十八局集团上海公司，上海２０００７１） ． 摘要：超前管棚支护是隧道施工中穿越软弱、破碎围岩的一种有效的加固施工方法。文章介绍了超前管 棚在不良地质隧道施工中的受力原理与模型、管棚设计与施工要点及适用范围等内容，并结合工程实 例，论证了超前管棚技术在隧道施工中的应用价值。 关键词：隧道施工超前管棚支护施工工艺 中图分类号：Ｕ４５５．４９文献标识码：Ｂ Ｏ 引言 近年来，随着高速公路建设的飞速发展和工程设 棚应用实践的基础上，对管棚的受力原理、计算模型、 设计参数及施工工艺等方面进行了综合的探讨。 计、施工技术的进步，公路等级不断提高，在道路设计 越大。而部分隧道所处地段或地质情况差，或隧道断 面大、跨度大，或埋深浅，这都给施工带来了极大的难 度。众多工程实践表明，超前管棚技术是克服上述情 况的最为有效的辅助施工方法之一Ｌｌ 。 １管棚受力原理与计算模型 上裁弯取直，使得隧道工程在公路里程中的比例越来 、 １．１受力原理 超前管棚支护是在拟开挖的隧道、地下洞室等开 挖外轮廓周边上，间隔一定的间距，沿洞轴以一定的外 插角钻孔，安装惯性矩大的钢管，然后进行注浆固结的 一种预支护措施。其工作原理为：①通过管棚注浆，使 在特殊地质、地段，如极其破碎的岩体、塌方体、岩 锥地段、砂土质地层、强膨胀地层、强流变性地层、裂隙 拱顶预先形成加固的保护环。而加固环发挥“承载拱” 的作用，承受拱上部的地面荷载和岩层重量，使拱内部 围岩仅承受拱部围岩的形变压力，从而创造了理想的 发育岩体、断裂破碎带、浅埋大偏压等围岩，采用管棚 预支护并辅以注浆能取得较好的效果；在流塑状岩体 开挖条件。②当超前管棚沿隧道开挖轮廓周边密布 时，加固环的变形变小，传递给隧道支护结构的上部荷 载大大减小，同时通过环形固结层与管棚，将拱部围岩 月成井９３．３２ ＩＸＩ，最高月成井１３４．６ ｉｎ的铁路隧道竖井 井筒施工纪录，实现了顺利、快速、安全施工。 参 考 文 献 或岩溶严重流泥地段，采用管棚与围岩预注浆相结合 的手段更是行之有效的方法。本文在总结大量超前管 拉应力 。在０．５９ ２．９１ ＭＰａ之间，最大压应力 在 一１．７４一一３．５ ＭＰａ之间，虽然最大主应力较ＴＩＭＥ６有 所减小，但高应力区分布范围显著增大，最大主应力的 减小主要是由于模型的边界引起的。表土施工及衬砌 完毕后，井壁最大剪应力０．８７—１．９７ ＭＰａ范围内，均 满足混凝土材料强度要求。 （３）：ｌ１１．１１８． ［１］毕思文．竖井变形破坏机理与对策研究［Ｊ］．地质前缘，１９９６， ［２］杨平．立井井壁负摩擦力的反演统计分析［Ｊ］．东北煤炭技 ５ 结语 通过芨芨沟竖井掘砌过程的动态模拟分析可见， 虽然掘进面附近应力集中较大，地层失水沉降造成的 井壁摩擦力对井筒衬砌产生影响，井壁受力增大，高应 术，１９９７，（６）：２２．２６． ［３］邵德胜，周传美．竖井井壁破坏分析和最大负摩擦力的确定 ［Ｊ］．金属矿山，１９９６，（７）：２５．２６． ［４］吴波，刘维宁，高波，等．地铁分岔隧道施工性态的三维数值 模拟与分析［Ｊ］．岩石力学与工程学报．２００４，２３（１８）：３ ０８１． ３ ０８６． 力区的范围显著扩大。但施工各阶段围岩及支护结构 应力和位移均符合安全性的要求。现场施工表明，芨 芨沟竖井的短段掘砌施工方法是可行的，创造了平均 修回日期：２００６—０５—２３ （责任审编 王天威）