斜井穿越流砂层支护结构受力特征分析

李向阳

（中铁第六勘察设计院集团有限公司 天津300308）

在深厚流砂地层中施工斜井施工面临诸多难题，选取合理的支护结构断面尺寸和支护参数对施工非常关键［1～7］，本文结合某煤矿过流砂层斜井施工为背景，通过数值模拟以及现场实测等研究方法相结合，对支护结构受力进行了数值模拟和实测分析。

1 工程地质概况

某斜井主要穿越风积砂为主的第四系表土层，由浅红色呈半固结状态细砂、粘土组成的古近系地层和由各粒级砂岩、粉砂岩、泥岩及煤层组成的侏罗系延安组地层等。且斜穿的地层中有3 个主要含水层组，特别是古近系地层主要是粘土与砂层互层组成，而砂层含水则极易形成流砂层。

2 斜井井壁结构受力因素

结构受力因素主要有：①地质：地应力、孔隙水压力、地质构造等；②地层岩土体的物理力学特性：岩土的变形与强度特征、孔隙率、含水率、矿物成分含量等；③工程因素：井壁结构参数、施工工艺等。

斜井井壁受力与变形特征的不同之处在于：

⑴立井井筒为圆形断面，呈空间轴对称结构，受力均匀，而斜井断面多为直墙半圆拱型，受力不均匀，差异显著，立井主要受水平地压和水压作用，而斜井受到竖直和水平的地压及有效水压作用［8，9］。

⑵立井的破坏多由附加应力在表土与基岩交界面处发生破坏。对斜井而言，不同的表土种类、地层走向、倾角、含水情况等对斜井的稳定性影响均不相同［10，11］。

⑶投产运营后长期的动荷载作用的影响，尤其是处于特殊的软弱地层中，问题更加复杂、严峻。

3 斜井井壁内力特性数值分析

3.1 数值计算方案

本项目斜井长度约120 m，坡度20°，最大埋深约43 m，数值分析研究对象为二衬支护结构，影响其受力状态的主要因素有地层埋深、结构形状及尺寸。

本节主要研究地压Pdc（因结构自身尺寸相对于地层埋深来说比较小，取四周应力均值简化分析）、井壁几何参数中边墙高度Hb与底拱半径Rd对井壁结构内力的影响。为了分析上述各因素对斜井支护结构的内力特性的影响，运用有限元软件ANSYS将井壁作为梁单元，建立分析井壁内力特性的二维数值模型，采用单因数计算分析，Pdc范围为2～6 MPa（步长1 MPa），Hb范围为0.7～2.2 m（步长0.3 m），Rd范围为5～14 m（步长3 m）。

3.2 数值计算结果分析

3.2.1 不同地层压力的影响

模拟井壁结构内力结果如图1所示。

图1 内力Fig.1 Internal Force

从图1 的变化规律可以看出，底板中央的正弯矩最大，底角处负弯矩最大，拱脚处轴力最大，底板中央轴力最小，底角上侧与靠底板侧及底拱中央是受力最不利的位置，在设计和施工中要注意控制。结构弯矩在拱脚与边墙部位变化最为明显，具体特征为：随着地压增加，边墙上侧从正弯矩逐渐向负弯矩转变，也就是边墙上侧从受压为主向受拉转变。而轴力随地压的变化不明显。将关键部位点（A、B、K、C、D 依次为顶、肩、腰、底脚和底）的内力值绘制成如图2所示的曲线。

图2 内力与地应力关系曲线Fig.2 Curve of Relationship between Internal Force and In-situ Stress

从图2的变化规律可以看出，随着地层压力增大，拱顶与拱脚弯矩变化较小，边墙、底角及底板位置的弯矩值均呈线性增加，轴力值也呈线性增加的趋势。

3.2.2 不同边墙高度的影响

从图3、图4可以看出，支护结构所受的弯矩在边墙与底板部位变化最为明显，具体特征为：随着边墙高度的增加，边墙从全部正弯矩到上侧正弯矩范围逐渐缩小并且向负弯矩转变，当边墙高度为1.6 m 时，弯矩开始发生方向转变，当边墙高度增加到2.2 m 时，边墙上半部分为负弯矩，下半部分为正弯矩。而轴力随边墙高度的变化不明显。将关键部位点的内力值绘制成曲线如图5所示。

图3 支护结构弯矩Fig.3 Bending Moment of Supporting Structure（kN·m）

图4 支护结构轴力Fig.4 Axial of Support Structure（kN）

由图5可知，随着边墙高度的变化，各关键部位的弯矩和轴力绝对值变化不显著，只是边墙上侧的弯矩有一个从正到负的变化过程。

图5 井壁结构截面内力与边墙高度关系曲线Fig.5 Relation Curve Between Internal Force of Shaft Lining Structure Section and Height of Side Wall

3.2.3 不同底拱半径的影响

从图6、图7 可以看出，随着结构底拱半径的变化，结构弯矩在底板部位变化最为明显，底拱半径越小，底板负弯矩范围越小，轴力分布越均匀，并且可以改变底板的受力状态，提高底板的承载能力。

图6 支护结构弯矩Fig.6 Bending Moment of Supporting Structure（kN·m）

图7 支护结构轴力Fig.7 Axial of Support Structure（kN）

4 支护结构选型及现场实测分析

4.1 支护结构设计选型

在超前支护的基础上（根据不同埋深和不同厚度流砂层厚度选取不同的超前支护形式），支护结构采用全封闭式支护结构（采用型钢支架配合钢筋网、喷射混凝土联合作为初支+现浇钢筋混凝土作为二次衬砌结构），以解决在深厚流砂层中斜井支护结构的长期承载和止水固砂等问题，确保结构的安全和稳定。

具体结构设计参数如表1所示。

4.2 监测分析

在施工过程中布置支护结构收敛变形、支护结构受力测点，通过施工过程中动态监测分析，为支护方案优化提供依据。现场实测数据整理后的曲线如图8所示，可以看出，支护结构顶部压力计数值为0.05 MPa，拱腰部压力计数值为0.09 MPa，帮部压力计数值为0.12 MPa。从图8b可以看出，刚开始第1～10 d内，钢筋受力有个变化调整阶段，然后逐渐增长，最后趋于稳定，只是有小幅度的波动，顶部钢筋计最大轴力值为9.666 7 kN；腰部钢筋计最大轴力值为6.338 1 kN；帮部钢筋计最大轴力值为9.510 1 kN。支护结构两侧收敛位移量约2.83 mm，顶底板收敛位移量约11.23 mm，总体收敛变控制效果较好。

图8 监测数据Fig.8 Monitoring Data

表1 井壁支护结构参数Tab.1 Shaft Lining Support Structure Parameters

5 结论

⑴将支护结构（井壁）作为梁单元，通过建立二维数值计算模型分析井壁结构的内力承载特性，获得了井壁的内力分布特征及地层压力、底拱半径与边墙高度对井壁内力分布的影响规律，主要为：

①随着地层压力增大，拱顶与拱脚弯矩变化较小，边墙、底角及底板位置的弯矩值均呈线性增加，各位置轴力值也呈线性增加的趋势。

②随着边墙高度的变化，各关键部位的弯矩和轴力绝对值变化不显著，只是边墙上侧的弯矩有一个从正到负的变化过程。

③随着结构底拱半径的变化，结构弯矩图在底板部位变化最为明显，底拱半径越小，底板负弯矩范围愈小，轴力分布愈均匀，并且可以改变底板的受力状态，提高底板的承载能力。

⑵通过现场动态监测支护结构受力与变形状态，分析验证了井壁结构的可行性。