天台山特长隧道排风竖井凿井井架工作状态分析

岳祁，段德峰，程伟峰

（中交二公局第四工程有限公司，河南 洛阳471013）

1 工程概况

秦岭天台山特长隧道位于秦岭腹地宝鸡凤县境内，是宝鸡至坪坎高速公路的控制性工程，隧道左线长15 483m，右线长15 560m，为单洞3车道双向6车道公路特长隧道，总体走向近南北向，建设规模目前居世界第一位，被称为公路隧道里的世界第一隧道。天台山特长隧道设排、送风竖井各1座，排、送风竖井设计净直径为8.5m，井深分别为560.81m、554.68m，竖井井筒初衬采用锚杆、网、钢骨架及喷射混凝土支护，内衬采用混凝土及钢筋混凝土支护【1】。

中交二公局第四工程有限公司承担了天台山特长隧道2号排、送风竖井的施工工作，2个竖井井筒均采用普通钻眼爆破凿井施工方法。井下所有施工设备和设施采用钢丝绳吊挂在地面凿井井架上。根据排、送风竖井的特征、施工作业方案，井筒施工拟选用ⅣG凿井井架。该凿井井架可满足竖井净径6.0～8.0m，深度800m的立井井筒施工，凿井提升和悬吊钢丝绳最大工作荷载为2 945.4kN。

竖井凿井井架是竖井井筒施工期间进行提升和悬吊施工而设立的特殊钢结构体，是竖井施工的关键性构筑物，担负着立井井筒施工期间提升运输、排矸出渣、材料下放、人员上下、施工设备吊挂等工作任务，承受井筒施工的全部工作荷载，凿井井架能否满足立井凿井施工的需要，事关井筒施工的安全，对凿井井架工作状态进行分析十分必要。本文结合天台山特长隧道排风竖井情况，拟采用有限元方法对该井筒施工所选择的ⅣG凿井井架工作状态进行分析，以确保凿井井架工作的安全。

2 排风竖井凿井井架数值计算

2.1 凿井井架结构计算模型

宝坪高速天台山特长隧道2号排风竖井施工凿井井架选用的是ⅣG型钢管凿井井架，根据该井架的结构尺寸、天轮平台梁和支撑杆件的截面特征和材料特征，可构建凿井井架结构计算的三维实体分析模型（见图1）。考虑到排风竖井凿井井架天轮平台上的副梁布置较为复杂，在模型建立时，将副梁框架结构与凿井井架一起构建计算模型，可方便凿井井架天轮平台上工作荷载的计算工作【2】。

图1 排风井凿井井架结构工作状态分析模型

2.2 凿井井架正常工作计算荷载

天台山特长隧道排风竖井施工凿井井架正常工作计算荷载组合包括天轮平台上的荷载、翻矸台上的荷载、自重荷载和风荷载。天台山特长隧道排风竖井凿井井架天轮平台上的荷载主要是提升和悬吊工作荷载，这些荷载通过天轮平台副梁传递到凿井井架上。根据天轮平台上提升悬吊天轮的实际布置情况，可计算出提升悬吊荷载作用在排风竖井凿井井架天轮平台副梁上的荷载。井架正常工作时天轮平台上荷载施加到天轮平台副梁的荷载作用点上【3】，荷载施加情况如图2所示。

图2 凿井井架天轮平台上的作用荷载

排风井凿井井架翻矸平台上的荷载总计为260.0kN，主要是翻矸台上所布置的各类施工设施等，该荷载按均布荷载平均分配到翻矸台上，以垂直向下的集中荷载作用到翻矸台的各个节点上。凿井井架结构自重荷载的计算根据输入的结构截面特性参数由SAP2000软件系统自动进行自重荷载的计算。凿井井架外围包裹围护材料，故会受到较大的水平风荷载作用，应对其进行双向风荷载受力计算，并参与到荷载工况组合。选取基本风压为0.6kPa，同时地表粗糙度类别为A类【4】，GB 50009—2001根据《建筑结构荷载规范》（2006年版），考虑风压高度变化系数和风振系数，由SAP2000软件系统自动进行风荷载计算。

3 数值计算结果与分析

凿井井架工作状态计算分析中，采用压力比来表述杆件的受力状态，应力比是材料实际应力与允许应力的比值，正常工作计算荷载组合工况下构件材料的折算应力比应不超过0.7【5】。排风竖井施工凿井井架整体应力比如图3所示，井架天轮平台梁的应力比如图4所示，支撑杆件的应力比如图5所示。

图3 排风井凿井井架整体应力比

图4 排风井凿井天轮平台梁应力比

图5 排风井凿井支撑杆件梁应力比

根据图3～图5数值计算结果，可以统计得到凿井井架相关构件的最大应力比（见表1）。

表1 凿井井架相关构件最大应力比情况

由图3～图5及表1可知，天台山特长隧道排风竖井施工凿井井架在正常工作计算荷载组合工况下，井架整体应力比最大为0.497，小于控制应力比为0.7。其中，天轮平台主梁最大应力比为0.443，支撑杆件应力比最大为0.497，说明井架正常使用时所有构件均满足结构的强度、刚度和稳定性的要求【6】。

4 结语

宝坪高速天台山特长隧道排风竖井施工选用了ⅣG型钢管凿井井架，该井架可满足净直径8.0m、深度800m立井井筒施工的要求。为确保凿井井架在实际工程应用中的安全，通过建立凿井井架的三维数值计算分析模型，利用SAP2000软件对其正常工作计算荷载组合工况进行了结构计算和工作状态分析。排风竖井施工凿井井架在正常工作计算荷载组合下，井架整体应力比最大为0.497，小于控制应力比0.7，表明凿井井架在正常使用时所有构件均满足结构的强度、刚度和稳定性的要求。