不同支护方式下大坡度斜井钢拱架与喷锚支护联合受力分析

刘波 王廷益 刘廉辉 帖熠

摘要：目前，對于纵向坡度较大的大坡度斜井，两种不同支护方式（钢拱架铅直向下和垂直洞轴线）对钢拱架与喷锚支护联合受力特性影响的研究较少。结合云南省滇中引水工程香炉山隧洞某斜井工程实际，针对钢拱架铅直向下和垂直洞轴线两种布置型式分别与喷锚支护结构的联合受力，采用三维有限元法对斜井开挖过程中围岩位移、应力和喷层、锚杆及钢拱架的应力进行了计算分析。结果表明：两种钢拱架布置型式下，围岩变形和应力分布规律基本相同，垂直洞轴线布置钢拱架更有利于抑制围岩纵向位移和竖向位移，并使支护结构应力显著减小，对斜井围岩稳定和支护结构受力状态更加有利。围岩条件越差，支护效果越明显。建议大坡度斜井中采用垂直洞轴线的型式布置钢拱架。

关键词：大坡度长斜井； 钢拱架； 喷锚支护； 滇中引水工程； 香炉山隧洞

中图法分类号：TV53

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.06.019

文章编号：1006-0081（2023）06-0099-04

0 引 言

为加快隧洞施工进度，通过增设斜井、平洞等辅助通道另辟工作面，实现“长隧短打”是常用的有效措施［1］。斜井隧洞需要承担出渣、进料、行人的交通任务［2-4］，长距离、大坡度斜井复杂的运输系统决定了斜井的重要性［5-7］。斜井支护方案的合理设计需要对大坡度长斜井支护型式进行分析，确定支护材料的用量。在地下工程施工过程中，支护措施不力或者支护时机不当，都将影响洞室的稳定［8-10］。武涛［11］结合哈密南湖一矿斜井，为提高斜井断面利用率、降低支护成本，通过试验测试了工字钢拱形支架的承载力，进行了金属支架优选，试验结果表明16号工字钢拱架承载能力较强，连接部位未出现破坏。刘艳等［12］以五间房矿井副斜井为例，通过对矿井地质资料的分析，结合施工经验提出了“全封闭型钢拱架+喷混凝+双层钢筋网”的有效支护方案。钢拱架在斜井支护结构中虽然发挥了重要的作用，但由于大坡度斜井纵向坡度较大，钢拱架铅直向下和垂直洞轴线两种不同的支护方式对钢拱架与喷

锚支护联合受力特性有着重要影响，而且坡度越大，上述问题越显著，目前尚未见有关文献对该问题进行研究。本文以滇中引水工程香炉山隧洞某施工斜井为例，对大坡度长斜井钢拱架与喷锚支护型式进行了分析，探讨了钢拱架布置型式在保证洞室稳定和改善支护结构应力状态等方面发挥的作用，可为今后类似工程提供参考。

1 计算模型与条件

1.1 工程概况

滇中引水工程香炉山隧洞某施工斜井洞口与斜井底部高差405 m，长约1 246 m，断面为城门洞型。斜井纵断面由井口水平段、井身斜直段及井底车场段3个部分组成，井身段纵坡-24.71°。井口水平段、井身斜直段净断面设计尺寸为6.5 m×6.0 m（宽×高），井底车场段（水平段）净断面设计尺寸为6.5 m×10.0 m（宽×高）。斜井部位最大水平主应力值约为14 MPa，最小水平主应力值约为12 MPa，侧压力系数为1.0～2.3，应力场以水平应力为主，

总体属低至中等地应力水平。斜井一般埋深210～400 m，最大埋深430 m。

1.2 计算模型

以斜井典型断面为研究对象建立有限元计算模型，如图1所示。以断面中心为坐标原点，上部范围取33 m、下部范围取39 m、水平侧向范围取33 m。斜井轴向的水平范围取20 m，高差9.2 m，纵向坡度-24.7°。左右两侧、前后端面以及底部全部采用法向位移约束，顶部边界条件自由并施加对应埋深的均布应力，模拟上覆岩体自重应力。

围岩和混凝土喷层均采用缩减积分单元C3D8R模拟，锚杆采用杆单元T3D2模拟，钢拱架采用梁单元B31模拟。围岩采用Mohr-Coulomb本构模型，混凝土喷层采用塑性损伤本构模型，锚杆和钢拱架使用线弹性本构模型。

1.3 材料参数

斜井围岩分为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类，为了便于对比分析大坡度斜井在不同钢拱架布置型式下与喷锚支护联合受力特性，钢拱架和喷锚支护参数在不同围岩条件下保持一致：钢拱架采用I20a型，纵向间距50 cm，边墙、顶拱系统锚杆为C25，间排距1 m×1 m，长度L=4.5 m，喷层为C20混凝土，厚度20 cm，材料参数列于表1。

2 计算方案

采用初始地应力场为自重应力场，开挖荷载步中利用AQAQUS软件命令流“*model change，remove”实现岩体开挖，支护荷载步中利用命令流“*model change，add，with free strain”复活支护单元。在施作钢拱架的同时，重点研究斜井中钢拱架铅直向下布置和垂直洞轴线布置两种型式对围岩变形、钢拱架自身承载特性和其他支护结构承载特性的影响，钢拱架布置型式如图2所示。

3 成果分析

3.1 围岩变形

在表1中3种围岩类别条件下，分别对钢拱架铅直向下布置和垂直洞轴线布置两种型式进行计算，开挖完成后围岩合位移如图3所示。

从图3可以看出，相同围岩条件下，两种钢拱架布置型式对围岩变形的抑制效果相同，位移值差异较小。铅直向下布置钢拱架更有利于抑制围岩横向位移，而垂直洞轴线布置钢拱架更有利于抑制围岩纵向位移和竖向位移。Ⅲ类围岩条件下，两种布置型式围岩位移几乎相同；Ⅳ类围岩条件下，二者略有差异；Ⅴ类围岩条件下，二者差异相对较大。说明随着围岩条件变差，两种布置型式对围岩变形的抑制作用差别愈加明显。

3.2 围岩应力

在表1中3种围岩类别条件下，分别对钢拱架铅直向下布置和垂直洞轴线布置两种型式进行计算，开挖完成后围岩应力如图4所示。

从图4可以看出，相同围岩类别条件下，两种钢拱架布置型式围岩应力相差极小，均在0.4%以内，且断面内的分布规律也几乎无差别。随着围岩条件变差，两种布置型式对围岩应力的影响逐渐增加。

3.3 支護结构应力

在表1中3种围岩类别条件下，分别对钢拱架铅直向下布置和垂直洞轴线布置两种型式进行计算，以开挖完成后钢拱架Mises应力最大处作为分析对象，并分别提取该位置锚杆Mises应力和混凝土喷层的最小主应力。不同围岩类别条件下的支护结构应力如表2所示。

从表2可以看出，在相同的围岩类别条件下，采用垂直洞轴线布置型式可使支护结构的应力显著减小，对支护结构更加有利。随着围岩条件逐渐变差，尤其在Ⅴ类围岩条件下，若采用铅直向下布置型式，钢拱架和锚杆应力将超出其屈服强度，致使支护结构失效；而采用垂直洞轴线布置型式，支护结构仍能发挥作用。

4 结 语

对滇中引水工程香炉山隧洞某大坡度斜井在不同钢拱架布置型式下与喷锚支护联合受力进行了三维有限元分析，得出以下结论：钢拱架铅直向下布置和垂直洞轴线布置两种型式下，围岩变形和应力分布规律基本相同，铅直向下布置钢拱架更有利于抑制围岩横向位移，而垂直洞轴线布置钢拱架更有利于抑制围岩纵向位移和竖向位移。随着围岩力学参数变差，两种布置型式对围岩变形和应力的影响愈加明显。在相同围岩条件下，垂直洞轴线布置型式可使支护结构应力显著减小，对支护结构更加有利。随着围岩条件逐渐变差，垂直洞轴线布置型式的支护效果更加显著。与铅直向下布置相比，垂直洞轴线布置钢拱架周长小、用料省，可节约工程投资。因此，建议大坡度斜井中采用垂直洞轴线的钢拱架布置型式。

参考文献：

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［11］ 武涛.大断面软岩斜井支护支架选型优化研究［J］.煤炭科学技术，2015，43（12）：18-22.

［12］ 刘艳，辛德林.大断面斜井软岩支护技术［J］.建井技术，2020，41（1）：13-16.

（编辑：李 慧）

Load analysis of combined support system of steel arch shelf and lock bolting with shotcrete in steep inclined shaft under different support methods

LIU Bo1，WANG Tingyi2，LIU Lianhui3，TIE Yi1

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；

2.Water Diversion Project Construction Administration of Central Yunnan Province，Kunming 650000，China；

3.Shenzhen Aoya Design Co.，Ltd.，Shenzhen 518000，China）

Abstract：

Currently，for large inclined shafts with large longitudinal slopes，there were few studies on the effects of the two different support methods （steel arch vertically downward and vertical tunnel axis） on the combined mechanical characteristics of steel arch and shotcrete anchor support.Based on the engineering practice of an inclined shaft project in the Xianglushan Tunnel of the Central Yunnan Water Diversion Project，the three-dimensional finite element method was used to calculate and analyze the displacement and stress of surrounding rock during the excavation process of the inclined shaft，and the stresses of the spray layer，anchor rod，and steel arch frame，aiming at the combined forces of the vertical downward and vertical arrangement of the steel arch frame and the shotcrete anchor support structure respectively.The results showed that under the two types of steel arch arrangement，the deformation and stress distribution of surrounding rock were basically the same，and the arrangement of steel arch perpendicular to the tunnel axis was more effective in suppressing the longitudinal and vertical displacement of surrounding rock，and significantly reducing the stress of the support structure，which was more conducive to the stability of surrounding rock in the inclined shaft and the stress state of the support structure.The worse the surrounding rock conditions were，the more obvious the support effectwas.It was recommended that the steel arch frame in the inclined shaft with large slope adopt the layout type of vertical tunnel axis．

Key words：

long inclined shafts with large slope； steel arch； shotcrete anchor support； Central Yunnan Water Diversion Project； Xianglushan Tunnel