浅谈井巷隧洞优化设计

摘要：对一个项目的设计进行优化，首先要对工程的建筑的目的、工程的结构类型和支护型式、地质情况和有关设计依据了解的基础上，在不影响工程的使用功能、运行安全和使用寿命的前提下，采用新的施工技术，以达到节约工程投资的目的；提出合理化的方案，去完成工程施工任务。

关键词：井巷；隧洞；设计；优化

中图分类号： S611 文献标识码： A

1.前言

本文就四川省攀枝花市盐边县高堰沟引水隧洞工程如何对隧道工程进行优化。

目前，国内外对地下建筑工程理论的研究和发展，对岩石的物理力学性质和各种参数有一定程度定性和定量的认识，如岩石的分级，但都通过岩石的单体实验而得到的统计结果，从初始应力状态的岩体开挖隧道，开挖后应力重新分布（这种状态受爆破方法和开挖方法的影响）围岩中出现一系列的物理力学现象，如：岩爆、巷道变形、移动、掉块甚至崩塌；发生弹性变形和非弹性变形，当巷道的应力δ小于岩体的强度，围岩是稳定的。只有应力δ大于岩体的强度时，岩石向着空间移动或脱落―形成地压，即产生变地压和松散地压两种。基于此，设计上往往把重点放在支护结构和计算上――考虑较强的刚性支护；而从生产实践中人们愈来愈认识到，围岩即是造成荷载的主要来源，也是构成承载结构的基本建筑材料和能承载一定荷载的中构体，这种三位一体（荷载、材料、承载单元）的特征和岩石具有抗压、不抗拉及三向受压具有较高的承载能力的特点。因此，最大限度地利用和发挥岩体本身的承载能力是优化的主导思想。

长期以来，地下工程结构的设计计算，一直采用拱函静力学模式，而把支护结构视为拱形推力结构，来承受来自岩体的主动和被动荷载，这与地下的实际工作状态相差很大；例：未支护巷道中，巷道本身就是承载结构。新奥法就是在隧道开挖和支护过程中实质上就是实施控制；在开挖过程中，承载条件从三向应力状态变成双向应力状态，岩体承载能力显著下降，演替发生松弛、变形（强度降低、粘结力C和摩擦角减小ψ）从而降低了自身的承载能力。在实践中，对开挖后的岩石及时实施支护，及时封闭围岩，增加C、ψ值；变被动支护为主动支护，把支护结构和岩体作为一个统一的力学体系来考虑，两者之间的相互作用，把双向应力状态变成三向应力状态，充分利用岩体的承载能力。千垂山隧道全长2614.958m，底坡I=1.3775‰，开挖断面25-29m2净断面20.951 m2，过水断面16.72 m2，f=5―7，隧道埋深360m，用C15素混凝土400-600mm支护的无压过水隧道，从地质资料表明岩石为白垩系夹关组的厚岩层砂岩和导坑开挖后暴露的岩石情况，岩石主要以中、厚层状砂岩，块体结合紧密，完整性好，岩石赋存处于水平状或近似于水平状，顶板是主要来压方向，可视为两端固定的板系（或梁系），在顶板压力作用下，板系（或梁系），出现弯曲和离层，如任其自由挠曲，顶板围岩逐渐折断，冒落下来，最后形成阶梯冒落空间。那么：用锚杆把不稳定的岩层所在稳定的岩层上，锚杆如同链接螺栓将薄层组合成厚厚的梁和用薄层喷射砼及时封闭围岩，混凝土在高压风的作用下进入裂隙增加C、ψ值；提高其自身承载能力，显示出柔性支护由于刚性支护，隧道稳定。

结合工程实际，在不影响使用功能和运行安全的前提下，（1）、确保过水断面的造糙率，在过水高度内必须用混凝土支护才能保证过水面光滑。（2）、达到节约投资的目的。提出优化方案：

1、把半圆直墙拱改成圆弧直墙拱，增加墙高至4.27m。

2、减少边墙的混凝土支护厚度150mm，提高混凝土标号为C20

3、拱部采用δ=50mm后的喷射混凝土支护或喷锚联合支护。

4、为防止侧墙在隧道放空情况系倾覆，在墙、底板交接处增设450的阴角，提高其刚度。

5、底板300mm厚、C15的混凝土不变。

（一）、对隧道稳定性的判断：

用无量纲系数应力度S=rH/Rm

r-单体单位容重0.0026*10-3Kg/cm3

S=0.0026*10-3*360*100/400-2000 Rm-岩石的抗压强度

=0.234-0.0468

当S＜0.35-0.3时，周边位移较小，在这种条件下岩体是稳定的，巷道具有自稳能力。

（二）、地压力计算：

垂直均布压力q=0.45*26-srw(t/m3)S-围岩类别s=3

w-跨度影响系数 w=1+I（L-5）L-压力增减系数

L＜5m 时；取I=0.2

q=0.45*26-3*2.6*[1+0.2(4.1-5)]

=8.33(t/m2)

=0.833Kg /cm2

=8.16牛/ cm2

(三)、喷射层的抗力：

Ps=2dsts*sinаs

ds―喷射层厚度50 ts―抗剪强度，取抗剪强度20%

аs―剪切角度450-ψ/2=32-47-02

Ps=2*5*40/4.1* sinаs

=10*40/4.1*0.76

=128.4Kg/cm2

=1258.3牛/cm2

（四）、比较：Ps/q=1258.3/8.16=154倍

经比较喷射层的抗力远大于隧道的地压力，隧道运行是安全的。

（五）、抗倾复力验算：

隧道检修或隧道空的情况下，边墙的外水和地压的侧压力对边墙产生侧压力，使墙向隧道的混凝土边墙向内倾倒，所以在墙和底板交接处增设450的阴角以提高其刚度；计算时视为刚结。（取1米计算），围岩水平均布压力取q/4=e则：侧墙的倾覆力矩

M倾=（eh2/2+ph2/6）

P=rh=1t/ m3*4.27m=4.27t/m2=0.427 Kg/cm2

M倾=h2(p +3e ）/6=31960Kg-cm

M抗=4.27*1*0.15*2.4*2.125+0.3*1*2.05*2.4*2.05/2

=3.267t-m

=326700Kg- cm

M倾＜M抗侧墙安全

经过以上计算，充分证明隧道的运行是安全的，但：隧道的开挖采用导坑―扩邦―压拱的作业顺序开挖，爆破多次对围岩起到了振动和破坏作用，因此，控制爆破就想的非常重要。施工过程中，即要“破坏”围岩，又要“保护”和“爱护”围岩，对凿岩、爆破进行重新设计，确保巷道开挖轮廓线平整，确保优化以后省工、省时、省投资的目的。

1.装药：

装药时一定要按照预先计算好的每个炮眼装药量装填。总的装药长度不宜超过眼深的2/3。各孔装药参数：

⑴掏槽孔：采用连续偶合装药，药卷直径ф=32，装药系数取0.6；

⑵辅助孔与崩落孔：采用连续偶合装药，药卷直径ф=32，装药系数取0.5～0.6；

⑶周边孔：采用连续不偶合装药，药卷直径ф=32，装药系数取0.45。

2.填塞：

⑴填塞材料采用炮泥填塞。炮泥是用细砂与粘土配制而成的，其比例为3：1，再加上20%的水，混合均匀后再揉成直径稍小于炮眼直径的炮泥段，严禁炮泥内含有小砾石。

⑵填塞时将炮泥段送入炮眼，用炮棍适当加压捣实。

⑶填塞长度取炮孔深度的1/3。可根据现场实际地质情况，围岩坚硬系数调整填塞长度。

爆破后立即用干式喷射机TK―961对其进行薄层喷射混凝土支护，及时封闭围岩和调整爆破后不整齐的周界，改善岩体与喷射层的应力状态；再打锚杆，将不稳定岩层悬挂在上面稳定坚固的岩层上，将层理面发育岩石锚固在一起，形成组合梁，从而大大提高岩层的强度和刚度，再加喷混凝土至设计厚度，然后在筑混凝土边墙。

通过优化，节约石方开挖量5635m3，混凝土支护量3801m3，节约资金40.5万元，取得良好的经济效益和社会效率。

参考文献：

【1】《矿山井巷工程施工及验收规范》GB213-90；

【2】《金属非金属地下矿山安全规程》GB16423-2006

【3】《爆破安全规程》GB6722-2003

【4】卢义玉.井巷工程设计与施工2010.05ISBN：9787030276506

【5】庙延钢 栾龙发.爆破工程与安全技术2007.07 ISBN：9787122005205