深埋软岩盾构斜井支护结构受力特性及关键设计研究

游龙飞

(中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北武汉 430063）

1 引言

目前，当斜井长，坡度大时，采用现有的钻爆法施工工效较低，施工进度较慢，不适应现代矿山、铁路工程的需要。机械化程度较高的盾构法则应运而生，可将掘进、支护、出渣等工序有序地连贯起来，大大提高了煤矿开挖效率，保障了煤矿施工的安全，同时改善了施工人员的工作条件。此外，盾构施工煤矿斜井有利于矿区自然环境的保护，尤其针对长距离斜井施工，其优势更为明显。

补连塔煤矿新副斜井作为国内煤炭行业首次应用盾构工法施工、坡度最大的煤矿斜井，斜井从浅埋覆土逐渐穿越到较大埋深，斜井的管片结构荷载逐渐变化，管片内力变化大，与此同时，斜井支护结构设计也与常规盾构隧道管片设计有所不同。因此，本文结合神华神东补连塔矿区斜井工程，探讨长距离大坡度斜井盾构施工时管片衬砌结构的受力特性，后结合补连塔煤矿斜井工程特点，就支护结构力学方面进行关键设计。

2 工程概况

2.1 斜井简介

神华神东补连塔煤矿新副斜井位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗东南，乌兰木伦河一级阶地西缘的补连塔煤矿。斜井全长2 745 m，其中盾构段2 718 m，井筒倾角为-5.5°(-9.5%），埋深6.4～2 76.8 m，采用盾构(TBM）施工。斜井采用单层装配式衬砌，管片形式为钢筋混凝土平板型管片，管片内径6.6 m，外径7.3 m，厚0.35 m，幅宽1.5 m，管片混凝土等级为C40，抗渗等级P12。盾构衬砌环采用错缝拼装，衬砌环采用“3(标准块）+2(邻接块）+1(仰拱块）+1(封顶块）”分块方式。

补连塔煤矿位于冲积岩地层，斜井穿越第四系风积细砂、志丹群中粒砂岩、砾岩互层、延安组粉砂岩层、延安组细粒砂岩、延安组22煤层段，且砂质地层占总里程97%，具体见图1，地下水以基岩裂隙水为主。

图1 斜井盾构段地层示意（单位：m）

2.2 工程特点

(1）大坡度反坡施工:坡度-5.5°(-9.5%）为国内最大坡度。

(2）长距离:斜井全长约2 745 m，为国内盾构法施工最长的煤矿斜井。

(3）软岩大变形:斜井大幅度穿越软岩等复杂地质。

(4）埋深变化大:埋深变化从6.4 m到276.8 m，变化幅度大，管片衬砌需适应埋深从6.4 m到276.8 m的荷载变化。

(5）高水压:由于埋深大，地层地下水产生的水压大，管片结构需要承受一定的高水压。

3 管片结构横向受力特性

常见的盾构隧道结构荷载计算方法有全土柱法、泰沙基理论[1]、普氏理论[2]、谢家烋理论[3]、规范法[4]149-150，[5]、特征曲线法[6]107等。当盾构隧道处于埋深较浅或地质较差的地层时，常用全土柱法进行上覆土压力的计算[7-8]；而当盾构隧道处于埋深较大、地质条件好时，常用普氏理论或泰沙基理论进行荷载计算[9-10]；对于深埋隧道一般可采用规范法，也可采用特征曲线法进行荷载计算[6]107-111。除特征曲线法计算的是塑性形变压力外，其它计算的则是以松散塌落体重量作为荷载承担的松动压力。

目前，针对大坡度、长距离盾构施工煤矿斜井，其管片结构荷载计算尚无统一的计算方法，因此，本文分别采用特征曲线法、荷载结构法对补连塔煤矿斜井管片结构横向受力进行分析，后进行合理配筋，以此来保障斜井管片结构的正常使用。

3.1 特征曲线法

3.1.1 特征曲线法基本原理

特征曲线法是利用围岩的特征曲线和支护特征曲线交会的方法，来决定支护体系的最佳平衡条件。对于圆形隧道，隧道开挖后施加管片，假定地层与管片之间紧密接触，管片提供支护阻力为Pi。根据弹塑性理论和Mohr-Coulomb准则，结合文献[6]107-111可得到塑性区半径:

洞壁围岩收敛位移:

式中，r1、r0分别为管片外径、内径；Pi为管片支护阻力；p0为初始地压力；c为地层的粘聚力；φ为地层的内摩擦角；E为围岩的弹性模量；cr为塑性区的粘聚力；φr为塑性区的内摩擦角。

根据设计资料，接缝密封防水材料的防水能力暂按最大水压力50 m考虑。当实际运营过程中发生水压力超过50 m的情况时，在管片衬砌设置排水降压孔来降低水压力[11]。

管片内径r0=3.3 m，混凝土泊松比μc=0.2，弹模为33.5 GPa，为安全起见，这里对管片弹模进行折减75%，折减后的弹模Ec=25.125 GPa。假定隧道围岩进入塑形状态后，cr=0，φr=φ。由于盾构管片接头的存在，再对整体管片刚度进行折减，这里考虑刚度折减15%后的盾构管片刚度:

管片所提供支护阻力(μi为管片收敛位移）:

根据公式(2），给定洞壁收敛变形ur0即可反算出围岩塑性半径Rp。再根据公式(1），即可反推出在产生收敛变形ur0情况下管片提供的支护力Pi，根据支护力即可求得管片所受轴力N。

3.1.2 参数取值

由地勘资料可知，该区域围岩以Ⅳ、Ⅴ级围岩为主，部分区段存在Ⅲ级围岩，对比《铁路隧道设计规范》(简称《铁隧规》）[4]20-21、《矿山井巷工程施工及验收规范》[12]对围岩等级的划分基本一致。本文选取埋深最不利的两个断面，即是Ⅴ级围岩埋深277 m(断面1）、Ⅳ级围岩埋深227 m(断面2），见图1。计算两种状态下的管片内力情况。根据地勘资料和《铁隧规》，将Ⅳ级和Ⅴ级围岩计算参数取值整理于表1。

表1 围岩计算参数

由于勘察未进行地层应力测试，初始地层竖向应力按上覆地层压力计算，水平应力按竖向应力乘以侧压力系数进行计算，由于实际地层竖向应力与地层水平应力不相等，隧道处于双向不等压状态，为此将其换算为双向等压状态，则断面1、2的等效地层应力分别为4.14 MPa、3.26 MPa。

3.1.3 计算结果分析

围岩收敛位移分别取 160、140、120、100、80、60、40、20 mm，利用特征曲线法计算思路，代入相应参数，计算各工况下的管片压力、轴力以及各工况下的管片配筋形式，并将结果整理于表2。

表2 特征曲线法计算结果

从表2的计算结果可知，无论是Ⅴ级围岩还是Ⅳ级围岩，均呈现相同的规律，即是管片所受荷载与围岩收敛位移成反比，围岩收敛位移越大，管片所受压力越小，轴力越小。这反映了特征曲线法强调柔性支护，尽量允许围岩变形，将管片荷载值控制在合理范围内。

横向对比发现，在围岩达到同一收敛位移时，Ⅴ级围岩的管片压力比Ⅳ级围岩的管片压力大，轴力偏高。这与计算断面1所处的地应力高及围岩破碎有关系。配筋上，Ⅴ级围岩收敛位移20 mm时，内力偏大，配筋较高，其余均配4φ16+6φ14，即可满足要求。

3.2 荷载结构法

3.2.1 荷载结构法基本原理

作用于衬砌管片结构上的荷载按照现行《铁隧规》中规定，主要考虑永久荷载，包括围岩压力和水压力。这里将土压力采用规范法进行计算，水压力根据实际情况考虑0、20、50 m(对于Ⅳ级围岩，由于最小配筋已满足100 m水头计算要求，即不再计算50 m水头工况）和100 m水头对管片衬砌进行计算。

根据水土合算和水土分算两种计算形式进行计算，认为隧道竖向压力为《铁隧规》计算值的两倍。当采用水土分算时，要根据具体水头考虑水压力。由于该区域隧道普遍埋深较大，围岩荷载根据《铁隧规》采用深埋隧道公式计算。

式中各参数的含义见文献[4]131-132。

3.2.2 计算结果分析

由于该区域围岩主要为Ⅳ、Ⅴ级围岩，故本次计算分别对管片衬砌在Ⅳ、Ⅴ两类围岩状态下的衬砌内力进行计算。以Ⅳ级围岩水土合算为例，简要叙述计算思路。根据公式(6）、(7）计算得到此工况下的隧道拱顶塌落拱高度为4.43 m，考虑到隧道埋深较大实际计算塌落拱高度取计算值2倍，即h=8.86 m，然后计算垂直压力和水平均布压力，采用有限元软件MIDAS/GTS进行计算。

荷载结构法Ⅳ级围岩水土合算计算，管片内侧承受最大正弯矩为105 kN·m，对应轴力为894 kN；管片外侧承受最大负弯矩为59 kN·m，对应轴力为1 028 kN。现将各工况管片内力计算结果、配筋情况进行整理于表3。

表3 荷载结构法计算结果

从表3可知，管片弯矩上，各工况下的管片内侧弯矩比外侧弯矩较大。轴力方面，基本上是管片外侧轴力较内侧大，随着水压力增大，轴力也相应增大，且增长速率逐渐变大。配筋方面，Ⅳ级围岩的各种工况，管片内外侧采用4φ16+6φ14配筋形式，即可保证管片结构安全。由于管片采用泄水降压的设计，确保实际运营过程中管片所受水头在50 m以内(水压0.5 MPa），为方便起见，多采用对称配筋，Ⅴ级围岩一般地段采用4φ16+6φ14对称配筋，穿越煤层等破碎地段时，采用4φ18+6φ16对称配筋。

4 新型斜井组合支护结构关键设计

4.1 “等厚不等强”的管片结构设计

补连塔煤矿新副斜井盾构段围岩类型以Ⅳ级、Ⅴ级围岩为主；其次，管片衬砌需适应埋深从6.4 m到276.8 m的荷载变化；因此，运用特征曲线法、荷载结构法对管片结构进行力学计算，综合考虑以上计算结果，提出分段配筋设计方案，即管片采用“等厚不等强”的结构设计，内外侧采用对称配筋，主筋配筋方式及适用情况见表4。

表4 主筋配筋方式及其适用情况

4.2 让压柔性组合支护结构设计

面对斜井埋深大，管片结构处于高地应力状态，常规盾构法壁后注浆很难适应斜井高地应力的环境。因此，针对补连塔煤矿新副斜井高地应力的情况，设计一种让压柔性支护理念的管片结构与壁后填充层组合支护型式。该支护理念[13]与上文特征曲线法强调柔性支护的理念吻合。

在管片脱离盾尾后，及时在壁后喷射具有孔隙率大、压实性能好、流动性好的豆砾石材料，它具有很好的让压特性，可允许软岩发生一定的变形，释放围岩压力，实现管片和填充层的让压支护。然后回注水泥砂浆，固定豆砾石。

4.3 主动控制软岩变形的加长锚索设计

为进一步控制软岩地段的围岩变形，在让压柔性组合支护的基础上，设计了管片与锚索组合支护结构，通过加长锚索来主动控制围岩变形。加长锚索深入稳定岩层并与管片形成组合梁，对围岩起到悬吊作用；锚索(杆）与岩体间的抗剪作用阻止岩层间产生相对滑动，使围岩由二维应力状态转化为三维受力状态，提高了岩层的承载能力及整体刚度，抑制了岩体变形。在拼装管片后，根据围岩级别设置不同的软岩变形段加强支护参数，在软岩变形段设计系统中空注浆锚索(见表5）。

表5 软岩变形段支护设计

5 结论

(1）对管片结构横向受力分析可得，管片压力与围岩收敛位移成反比，反映了特征曲线法强调柔性支护的理念；管片内侧弯矩比外侧弯矩较大；基本上管片外侧轴力较内侧大，随着水压力增加，轴力也相应增加，且增长速率逐渐变大。

(2）综合特征曲线法、荷载结构法两种计算方法的计算结果，进行补连塔煤矿斜井的分段配筋设计，提出等厚不等强的管片结构设计。

(3）针对埋深变化大、外水压力高、软岩变形大、高地应力等特点，设计了盾构施工煤矿斜井新型组合式支护结构，其核心是以管片加锚索构成组合梁主动控制软岩变形，以豆砾石进行壁后填充构成让压支护层适应高地应力，以等厚不等强的管片应对不等地应力。