无壁座井颈设计在印度某副井中的应用

张春虎，周新勍

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330038）

井筒是地下矿山的咽喉，在井巷工程结构中属一级建筑物。井颈作为接近地表的一段井筒，其所处地形及地质条件相对复杂，除承受地层侧压力外，还承受井颈自重、井架或井塔的重力[1-3]。当井颈上部与井塔相连时，井颈受井塔竖向荷载较大，往往需要在井颈段设置一定数量的壁座来承担地面建筑物荷载，然而对大多数金属矿山而言，习惯于采用结构形式较为简单的井架结构。 当竖井表土层地质条件较好，且井颈与井架基础分离时，井颈承受竖向荷载主要为自身的重力，此时仅需满足井颈施工阶段的自身稳定即可，无需设置壁座。本文将从侧向受力和竖向受力两个方面，对印度某采用井架结构的副井井颈设计进行论述分析。

1 工程概况

印度某副井净直径D=6．5 m，采用单斜撑式井架，井颈段拟采用C30 级钢筋混凝土支护，井颈及周边作用的主要荷载有：1）侧向土压力及水压力。2）永久井架荷载。立架基础平面尺寸4 m×4 m，其中心距离井筒外边缘3 m 处作用有集中荷载3 034 kN；斜撑基础平面尺寸8．5 m×7 m，其中心距离井筒外边缘28 m 处作用有集中荷载3 680 kN，其向下扩散形成的侧压力较小，计算时可忽略。3）地面车辆及临时施工机械荷载200 kPa，按均布荷载考虑。 该井颈穿越的岩土层参数，如表1 所示。

表1 井颈穿越的岩土层参数

2 侧压力作用下井颈厚度及配筋计算

2.1 各土层侧向土压力计算

某副井工勘报告中显示地下水位于地表以下20 m，考虑降雨及其他可能导致地下水位上升的影响，设计中地下水位按与地表一致考虑。 第1 层粉质粘土和第2 层高风化岩层水土分算方法， 岩土层的重度均采用有效重度。 第3 层中风化花岗岩层取芯完整度达到97%，按不透水层考虑。

侧向土压力计算采用经典土力学公式：

式中：hi为第i层岩土的高度，m；γi为第i 层岩土的容重或有效容重，kN/m3；φi为第i层岩土体的内摩擦角或似内摩擦角，（°）；γw为水的容重，kN/m3；γQ为组合值系数，按印标取1．5。

2.2 井架基础扩散侧压力计算

井架基础引起的侧压力如图1 所示。 井颈所受最大设计侧压力出现在基础底面以下L-a/2 处，其值为：

式中：φ 为土层内摩擦角，（°）；L为基础中心线至井壁外缘距离，m；a为基础宽度，m；b为基础长度，m。

由式（2）可计算得到侧向压力为82．91 kPa，作用范围-6～-12 m。

图1 建筑物侧压力计算示意

2.3 地面均布荷载作用下侧压力计算

在土层侧压力、井架基础扩散侧压力、地面均布荷载侧压力作用下，井颈侧向压力设计值如2 所示。

图2 井颈侧向压力设计值分布

2.4 侧向压力下井颈厚度计算

由fc=14．3 MPa；R=6．500/2=3．250 m， 同时结合圆环结构设计原理，得到井颈厚度。计算公式按照厚壁理论则：

由此，可计算出井颈厚度，如表2 所示。

由表2 得到，根据侧向压力得到的井颈的厚度应大于184 mm，考虑到树脂锚杆锚固托架的需要，此处取400 mm。

表2 井颈厚度的计算

2.5 井颈不均匀侧向压力下配筋计算

根据《采矿设计手册》（井巷工程卷）[4]，按最大侧压力值746．67 kPa， 同时考虑井颈侧向压力的不均匀系数0．35，计算得到最大弯矩为-339．87 kN·m，最大轴向力为2 416．01 kN。 则计算可得：

副井井筒井颈按构造配筋即可满足配筋要求，设计中采用环向配筋Φ20＠250，双层配置（Asc=2 512 mm2）。

根据计算结果和工程类比，副井建于岩土上的井颈采用钢筋混凝土结构，共分三段，第一段0～-3 m为临时井颈；第二段-3～-10 m，井口盘厚度1 200 mm，井颈厚度600 mm；第三段-10～-43 m，井颈厚度400 mm。

3 竖向荷载下井颈变径计算

井颈段竖向力包括井颈自重G，上部临时荷载P，井颈侧向摩擦力F， 岩土体对井口盘及井颈变径处支承力FR。 井颈竖向荷载示意图如图3 所示。

图3 井颈竖向荷载示意

3.1 井颈下沉自稳段的确定

井颈摩擦力与井颈与岩土之间的摩擦系数的计算公式如下：

式中：μ 为井颈与岩土之间的摩擦系数；δ 为井颈与岩土之间的摩擦角，取（0～1）φ，取δ=0．3φ；qk为井颈侧向土压力标准值（施工期排水，不考虑地下水）的0．5 倍（考虑2 倍的安全系数）；R1为井颈外半径。

计算得到， 以下标高处单位井颈摩擦力与单位井颈自重关系，如表4 所示。

表4 各层顶部单位井颈摩擦力与单位井颈自重 kN

由表4 数据可知，井颈下沉自稳段为-25．3 m 以下，-3～-25．3 m 需要计算其悬挂承载力。

3.2 井颈下沉校核

取-3～-22 m 井颈作为研究对象，3 m 处和10 m处的地基承载力124．61 kPa、 240．04 kPa 由《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011）[5]计算得到：

井颈摩擦力：

4 结论

1）井颈结构求得侧向主荷载后可通过厚壁理论，可以得到井颈的计算厚度，可通过考虑不均匀系数，可得到其结构配筋；2）通过考虑井壁与岩土之间的摩阻力与自身重力的关系，找到井颈自稳高度，而后通过变直径来满足井壁的支承，无需设置壁座，可为同类工程井颈设计计算提供参考