矿山法地铁隧道斜井进正洞方式研究

矿山法地铁隧道斜井进正洞方式研究

周华龙

（深圳市综合交通与市政工程设计研究总院有限公司，广东省隧道及地下结构工程技术研究中心，深圳，518001）

摘  要结合昆明市地铁矿山法隧道中某座斜井，从施工工序、支护措施、受力特性等方面分析斜井采取正交进正洞的可靠性。通过Midas GTS有限元分析软件，分别建立斜井正交或斜交进隧道正洞的三维有限元模型，对斜井进隧道正洞的施工方法与步骤进行数值模拟分析与研究。从计算结果表明：在斜井与正洞交接处，斜井进正洞采用正交方式所产生的应力、变形更为有利。若斜井无法满足正交进正洞条件，应尽可能大角度进洞，对交接处斜井及横通道结构采取必要的加强措施，加固范围可根据内力、变形等计算结果综合确定。

关键词矿山法隧道斜井进正洞方式施工步序  数值模拟

1 引 言

目前，总体来讲，轨道交通区间隧道主要采用盾构法施工，技术较为成熟，且对周边环境影响较小，采用矿山法施工的区间隧道相对较少，除非特殊情况（比如下穿临近既有线等），同时由于区间隧道较短，在轨道交通隧道中设置斜井作为辅助坑道的情况较为少见，一般在长距离公路、铁路山岭隧道中出现较为频繁；其中斜井作为辅助坑道的一种，主要为缩短施工工期及加快施工进度所设，同时可有效地改善隧道通风环境。

根据总体工筹及工程规模情况，通风需求、出土排渣能力、有轨或无轨的通行要求，纵坡、地质等因素的影响，综合考虑斜井的设置长度、选址、行车道数、结构尺寸以及与正洞的衔接方式等。结合公路、铁路、市政隧道斜井设置的经验来看，斜井的开挖支护形式主要以矿山法为主。其中斜井与正洞交叉口处施工与设计均较为复杂，往往会出现应力集中的问题，在轨道交通的斜井设计中，对于接口段的设计往往会借鉴与参考铁路山岭隧道的常规做法，设计上对于接口处的处理未作深入说明与描述，往往需要施工单位根据现场地质情况及工程经验来判断，这样往往会留下一定的安全隐患，因此本文结合地铁斜井与正洞接口设计，在其施工步序、接口衔接设计等方面进行了研究与细化，提供一种单线矿山法地铁隧道斜井进正洞的处理方法，以供借鉴。

2工程概况

2.1 总体概况

本隧道设置1座斜井：斜井位于线路前进方向的左侧，与线路大里程方向平面交角为60°。

斜井洞身段采用无轨运输双车道断面，双车道内净空断面为7.8mx5.92m（宽x高）。

本斜井初期支护主要由长管棚、超前小导管、砂浆锚杆、钢筋网、C25早强喷射混凝土，工字钢钢架等组成联合支护体系,二衬采用C35混凝土。

2.2 地质概况

斜井及横通道围岩等级为Ⅴ级，斜井及横通道所处地层自上而下主要为 (12)2-1全风化泥质粉砂岩、(12)2-2强风化泥质粉砂岩、(12)2-3中风化泥质粉砂岩，底板主要位于全~中风化泥质粉砂岩,其中斜井与隧道接口处的地层主要为全风化泥质粉砂岩。

3斜井进正洞设计

目前，我国投入建设的铁路、公路山岭隧道中，根据工程实际需要，往往会设置一定数量的斜井以增加施工工作面。斜井通过横通道进入正洞，因此斜井与横通道主要采取正交与斜交两种方式。

斜井与横通道交汇段（含马头门）均采用短台阶法施工。斜井进正洞后，可最多提供4个工作面。当斜井施工至端头墙后，然后进行正洞开挖；首先开挖正洞左线或右线，待正洞开挖长度大于20m后，再进行相邻正洞区段的开挖。

3.1衔接转换设计

斜井与正洞的平面衔接中，由于地理环境的限制、临时行车的便利需求，传统平面衔接大多数采用斜交（如斜井与正洞间采用60°夹角）的方式进行交汇；虽便于行车，但在此衔接处采用斜交的方式，往往应力更为集中，不论对于设计还是施工都是有所不便，尤其在围岩较差的全、强风化岩层施工。为确保隧道施工安全，斜井与正洞接口处平面采用正交衔接。

立面衔接上采取挑顶完成过渡，其中挑顶分为垂直挑顶和斜挑顶两种，但在围岩地质较为软弱的地段，从斜井标准段过渡到加高段，采用挑顶施工的风险较高，因此上挑段根据地质情况采取加密设置超前小导管，进行注浆加固上调段三角区土体，超前小导管及注浆加固土体形成加固拱圈。

3.2施工工序

斜井及横通道施工工序简述如下：

第①步：先行对上挑段三角区土体注浆加固，采用短台阶法施工开挖，然后从上部斜开挖至隧道正线上方，施作超前预支护（打设加密小导管/锚杆等），喷射C25早强混凝土，挂设钢筋网片，架设上半断面临时钢架，打设脚部锁脚锚管。

第②步：逐步继续开挖马头门下半部分，形成闭合成环的型钢钢架支护。

第③步：最后采用短台阶法（分上、中、下台阶）开挖横通道直至端部。

3.3钢架布置

传统斜井初期支护型钢钢架沿结构中心线以一定间距等距布置，在斜井与横通道交接处（即垂直上调段）型钢钢架加密布置；其中横通道与斜井交接处采取折角过渡（斜交）或圆弧顺接（正交），采取圆弧方式顺接受力更为有利，且钢架易于架设，能更好控制钢架间距，确保现场施工质量。

4数值模拟

本次计算主要选取斜井与横通道顺接、斜井与横通道斜交（斜交夹角为30度）分别进行数值模拟计算，采取地层结构法进行对比计算分析，主要目的是对比分析斜井与横通道两种衔接方式下的变形特征及内力差异。

为便于对比分析，本次计算只针对斜井与横通道衔接处进行对比分析，其中地层参数中假定斜井与横通道断面及弹性模量一致。

4.1 模型参数

本项目中斜井与隧道交接处所处地层主要为全、强风化岩层。其中计算模型中横通道及斜井结构断面为9.6m×9.1m（宽×高）。

表1 岩土体物理力学参数

4.2 计算参数

将斜井及横通道内的初支钢架与喷射混凝土进行等效为一定厚度的喷射混凝土，等效换算如下：

E混A混+E钢A钢=E混A等

式中：E混为初支混凝土弹性模量（GPa）；A混为初支混凝土截面积（m2）；E钢为初支钢拱架弹性模量（GPa）；A钢为初支钢拱架截面积（m2 ）；A等为初支等效混凝土截面积（m2）。斜井初期支护及临时钢架均采用工18工字钢，此计算模型中，取隧道支护参数与横通道一致。支护参数如表2所示。

表2斜井及横通道支护参数

Table 2Support parameters of inclined shaft and cross passage

4.3开挖方法

为简化对比分析，计算模型采用全断面开挖模拟分析。

4.4 计算模型

为尽可能减少边界条件带来的影响，通过建立较大的地层模型来削弱边界条件的影响，模型左右两侧及下方地层边界距隧道外侧约3倍隧道横向跨度D，模型尺寸为46.3m×60m×50.1m（长×宽×高）。

根据实际工程情况，分别建立工况一斜井与隧道正交、工况二斜交与隧道斜交（与隧道夹角60°)两种情况下的斜井及横通道三维地层结构模型，其中工况一中斜井段结构长23.1m，横通道段结构长度为23.2m；工况二中斜井段结构长26.7m，横通道段结构长度为23.2m。

图4斜井及横通道三维有限元模型

4.5 计算结果及分析

本计算模型结合工程实际施工工序，基于工况一--斜井与隧道正交、工况二--斜井与隧道斜交60°（即斜井与横通道斜交30°)两种情况下，斜井及横通道所产生的水平收敛、拱顶沉降、初期支护内力进行计算分析。

4.5.1斜井及横通道水平收敛

考虑到斜井与横通道斜交情况，因此需综合考虑结构水平及纵向的收敛变形情况，此处水平收敛变形为结构水平及纵向共同作用下的变形。工况一中水平收敛变形差异较小，均为13mm左右；工况二中斜井及横通道段结构水平收敛为11~13mm，在斜井与横通道交接处阴角侧，水平收敛最大，达到24.2mm，斜井情况下水平收敛变形增加近1倍；可以看出，斜井与隧道斜交情况下，斜井与横通道交接处会产生较大的应变，所产生的水平收敛远大于正交情况下所产生的水平收敛。

图5斜井及横通道水平收敛

4.5.2斜井及横通道拱顶沉降

工况一中斜井与横通道拱顶沉降均为17mm左右，其中斜井与横通道交接处拱顶沉降为17.3mm；

工况二中斜井与横通道交接处拱顶沉降为22.9mm，大于斜井与隧道正交处横通道拱顶沉降，可以看出，在双向板及转角处应力集中共同作用下，斜井与隧道斜交处拱顶沉降有所增加，增加比例约35%。

图6 斜井及横通道拱顶沉降

4.5.3斜井及横通道初期支护内力

通过对斜井与横通道交接处内力进行计算分析，交接角度对横通道与斜井交接处应力影响较大，应力主要集中在拱腰和拱脚处，其中正交与斜交产生的横向弯矩差异较小，纵向弯矩差异较大；工况一中斜井与横通道交接处纵向最大弯矩为62kN.m，工况二中斜井与横通道交接处纵向最大弯矩为120kN.m，相较于工况一，弯矩增加近1倍，其中最大弯矩均发生在拱脚。可以看出工况二中斜井与横通道交接处产生较为明显的应力集中。

图7斜井及横通道初期支护内力

5结论

本次通过对昆明地铁矿山法隧道某座斜井进正洞方式进行比选、计算与分析。

通过建立斜井与横通道交接处的三维有限元模型，分析斜井在正交、斜交进洞两种情况下结构变形及受力特性，可以得出如下结论：

1）斜井与隧道尽量采取正交进洞衔接，若无法顺接，应尽量保证斜井与横通道大角度相交，同时对斜井及横通道结构在交接处采取必要的加强措施。

2）斜井平面折线尽量采取圆弧顺接过渡，减少应力集中，便于钢架现场拼装，过渡半径应满足行车转弯半径要求。

3）斜井及横通道若采取斜交进隧道，与正交进横通道相比，交接处会产生范围更广的应力集中与较大变形，应根据应力集中、变形范围对斜井、及横通道采取钢架加密、设置加强环梁、纵向钢架等加固措施，具体加固范围尚需根据内力、变形等计算结果作进一步分析与研究。

4）对于围岩较差地段，尽可能采取大断面横通道施工到端墙，然后由横通道向主隧道进行转换，从而实现由大到小的断面转换，降低斜井及横通道进正洞施工风险。

参考文献

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作者简介：周华龙（1988-），男，大学本科，工程师，主要从事隧道及地下工程结构方面的设计与研究工作