CN114233390A - 一种适用于软弱围岩的辅助坑道封堵结构及其计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是提供一种结构稳定的适用于软弱围岩的辅助坑道封堵结构，以及一种适用于软弱围岩的辅助坑道封堵结构的计算方法，以解决材料浪费或者封堵结构的抗冲击极限承载力不能满足要求的问题，涉及隧道工程结构设计领域。一种适用于软弱围岩的辅助坑道封堵结构，包括设置在辅助坑道内的混凝土封堵体，所述封堵体为锥台形，包括中心的柱状部和设置在柱状部外围的扩展部；所述封堵体的小端设置在靠近正洞的一侧，且所述封堵体的小端与正洞之间设有间距，所述扩展部楔入辅助坑道的围岩内；所述扩展部与辅助坑道的围岩之间设有一端伸入辅助坑道的围岩内，另一端伸入扩展部内的接茬钢筋。

Description

一种适用于软弱围岩的辅助坑道封堵结构及其计算方法
技术领域
本发明涉及隧道工程结构设计领域，具体为一种适用于软弱围岩的辅助坑道封堵结构及其计算方法。
背景技术
隧道辅助坑道可以根据运营期间使用情况分为兼做运营服务使用的永久型辅助坑道和仅作为施工使用的临时使用辅助坑道。为了避免临时使用辅助坑道在运营期间对正洞产生安全隐患，一般在辅助坑道井口及正洞与辅助坑道连接部位采用片石混凝土或混凝土进行封堵。
目前的应对技术中，一般在井底与正洞交叉口附近左右采用3～5m厚混凝土封堵体进行封堵，封堵体为与辅助坑道内径适配的柱状结构。此类封堵方法结构形式简单，但该结构存在不足：由于这种封堵结构仅通过封堵体与洞周之间的摩擦力作为抗滑阻力，缺乏与围岩之间的有效联结，在长期使用过程中，随着渗水侵蚀等劣化作用，结构与围岩的联结逐渐失效。作为临时使用仅采用临时支护的辅助坑道，长期存在坍方和涌水突泥，尤其是长大斜井中，坍方或涌水突泥从高处冲击封堵体，其封堵体结构稳定性难以保证。
为了提高在硬质围岩条件下封堵结构的稳定性，现出现了一种与辅助坑道围岩楔形联结的锥台形封堵体结构。不同于硬质围岩，软质围岩由于强度较低，易变形，将该封堵结构直接用于软弱围岩的辅助坑道封堵，依然存在封堵体结构稳定性难以保证的问题。另外，软质围岩条件下，封堵结构的破坏形式与硬质围岩条件下封堵结构的破坏形式完全不同，现阶段，在软弱围岩条件下，既有的封堵结构一般也只能基于经验类比进行设计，存在材料浪费或者封堵结构的抗冲击极限承载力不能满足要求的问题。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种结构稳定的适用于软弱围岩的辅助坑道封堵结构。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种适用于软弱围岩的辅助坑道封堵结构的计算方法，以解决材料浪费或者封堵结构的抗冲击极限承载力不能满足要求的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种适用于软弱围岩的辅助坑道封堵结构，包括设置在辅助坑道内的混凝土封堵体，所述封堵体为锥台形，包括中心的柱状部和设置在柱状部外围的扩展部；
所述封堵体的小端设置在靠近正洞的一侧，且所述封堵体的小端与正洞之间设有间距，所述扩展部楔入辅助坑道的围岩内；
所述扩展部与辅助坑道的围岩之间设有一端伸入辅助坑道的围岩内，另一端伸入扩展部内的接茬钢筋。
进一步地，所述接茬钢筋的长度为3～5m，在所述封堵体的周向方向，所述接茬钢筋之间的间距为1.0～1.5m，在所述封堵体的轴线方向所述接茬钢筋之间的间距为1.0～1.5m。
进一步地，所述封堵体的大端倒棱设置。
进一步地，所述封堵体的小端与正洞之间的间距为5～20m。
进一步地，所述封堵体内设有排水孔。
一种采用上述适用于软弱围岩的辅助坑道封堵结构的计算方法，所述计算方法的计算模型为：
Figure BDA0003421098810000021
其中，P0为封堵结构抗冲击极限承载力(kN)；
k1为断面简化后的承载力折减系数，取k1＝0.8；
k2为锚杆作用下辅助坑道围岩抗剪强度增大系数，取k2＝1.2；
D为封堵体最大断面近似圆的直径(m)；
d为封堵体柱状部断面近似圆的直径(m)；
l为封堵结构近似破裂圆柱面的长度(m)；
pa为辅助坑道喷锚衬砌结构提供的支护阻力(kPa)；
C为围岩粘聚力；
Figure BDA0003421098810000022
为围岩计算摩擦角(°)；
π为圆周率。
本发明的有益效果是：
1、该结构通过接茬钢筋以及封堵体的扩展部将辅助坑道洞内冲击荷载分散传递至结构外侧围岩，充分发挥了围岩自身承载能力，避免了载荷过大导致封堵结构整体滑移失稳，提高了辅助坑道封堵结构的安全余量，实现了工程经济性；
2、本发明的计算方法基于软质岩整体滑移破坏的受力模式出发，推导了软质岩条件下结构破坏简化算法，给出了与软质岩力学性质匹配的封堵结构承载力计算公式，为封堵结构参数设计提供理论依据，解决材料浪费或者封堵结构的抗冲击承载力不能满足要求的问题。
附图说明
图1是本发明的封堵结构示意图；
图2是本发明的封堵体的立体示意图；
图3是图2沿A-A的剖视图；
图4是本发明的封堵结构的受力分析图；
图中所示：正洞1，辅助坑道2，封堵体3，接茬钢筋4，近似破裂圆柱面5，实际破坏面6，支护结构7，柱状部31，排水孔33，扩展部32，外支撑面34。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1至图3所示，本发明的一种适用于软弱围岩的辅助坑道封堵结构，包括设置在辅助坑道2内的混凝土封堵体3，所述封堵体3为锥台形，包括中心的柱状部31和设置在柱状部31外围的扩展部32。柱状部31与辅助坑道大小一致。所述封堵体3的小端设置在靠近正洞1的一侧，且所述封堵体3的小端与正洞1之间设有间距，所述扩展部32楔入辅助坑道2的围岩内。所述扩展部32与辅助坑道2的围岩之间设有一端伸入辅助坑道2的围岩内，另一端伸入扩展部32内的接茬钢筋4。
本封堵结构在软弱围岩的辅助坑道内设有锥台形封堵体3，封堵体3通过扩展部32楔入辅助坑道2的围岩内，与围岩形成楔形联结，基于软质围岩易变形的特点，本发明通过接茬钢筋4将封堵体3与辅助坑道围岩连接在一起，提高了封堵体与围岩的整体性，可将辅助坑道洞内冲击荷载分散传递至结构外侧围岩，避免了冲击载荷过大导致封堵体整体滑移失稳，提高了辅助坑道封堵结构的抗冲击能力以及稳定性。
本发明中，封堵体3的长度通常为3～5m即可满足封堵强度要求。
接茬钢筋3的长度以及钢筋之间的间距可以根据需要设置调整，优选地，接茬钢筋3的长度为3～5m，在封堵体3的周向方向，接茬钢筋3之间的间距为1.0～1.5m，在封堵体3的轴线方向接茬钢筋3之间的间距为1.0～1.5m，以保证封堵体3与围岩之间的连接效果。
为了保证封堵结构周围围岩的稳定性，优选地，封堵体3的大端倒棱设置。如此，封堵体3的大端形成一个向正洞侧倾斜的外支撑面34，可以更好地支撑封堵体3的大端处的围岩，可以使围岩的稳定性更好。外支撑面34在封堵体的轴线方向的长度b可更加需要设置，通常b＝0.5～1.0m。
封堵体3的小端与正洞1之间设有间距a，通过间距a内的围岩可以支撑住封堵体，防止封堵体在受冲击载荷时在辅助坑道内移动。封堵体3的小端与正洞1之间的间距a具体根据辅助坑道围岩的强度以及辅助坑道可能受到的冲击载荷P的大小设置。根据经验，封堵体3的小端与正洞1之间的间距a为5～20m。
为了方便排水，封堵体3内设有排水孔33。排水孔33可以为一个或者多个，图2中排水孔为两个，分别设置在封堵体3的底部两侧。
本发明还提供一种适用于软弱围岩的辅助坑道封堵结构的计算方法，以计算出上述封堵结构的抗冲击极限承载力。
封堵结构受力分析如图4所示，并作出如下简化：
(1)由于软弱围岩的强度低，冲击荷载P逐渐增大的过程中，扩大端封堵结构与围岩挤压顶紧，接触面摩阻力带动周边围岩发生贯通的整体拉剪复合破坏，实际破坏面6的示意如图3所示。
(2)在软软弱围岩条件下，贯通破坏体可近似看作直径包络封堵体最大断面的近似破裂圆柱面5；封堵体最大断面近似圆的直径为D，时封堵结构的抗冲击极限承载力P0是由界面抗剪强度决定的近似破裂圆柱面5的抗滑承载力。
根据围岩临界破坏状态下破裂面极限平衡有：
Figure BDA0003421098810000041
S0＝πDl (式2)
式1、式2中，P0为封堵结构抗冲击极限承载力(kN)，K1为断面简化后的承载力折减系数，取k1＝0.8，k2为锚杆作用下辅助坑道围岩抗剪强度增大系数，取k2＝1.2，Fs为极限平衡状态下破裂面总剪切力(kN)，S0为封堵结构近似破裂圆柱面的面积，D为封堵体最大断面近似圆的直径，l为近似破裂圆柱面长度(m)，π为圆周率，τ为近似破裂圆柱面上的剪应力。
其中，封堵体最大断面近似圆的直径D等于将封堵体最大断面完全包络的最小圆的直径。
近似破裂圆柱面上的剪应力τ与主应力关系遵循摩尔-库伦准则：
Figure BDA0003421098810000042
其中，σr为辅助坑道在支护作用下，滑动破坏面最大主应力(kPa)，C为围岩粘聚力，
Figure BDA0003421098810000043
为围岩计算摩擦角(°)。
由隧道力学理论可得塑性区内的主应力表达式：
Figure BDA0003421098810000044
其中，pa为辅助坑道喷锚衬砌结构提供的支护阻力(kPa)。
由(式1)～(式4)式可得：
Figure BDA0003421098810000045
其中，P0为封堵结构抗冲击极限承载力(kN)；
k1为断面简化后的承载力折减系数，取k1＝0.8；
k2为锚杆作用下辅助坑道围岩抗剪强度增大系数，取k2＝1.2；
D为封堵体最大断面近似圆的直径(m)；
d为封堵体柱状部断面近似圆的直径(m)；
l为封堵结构近似破裂圆柱面的长度(m)；
pa为辅助坑道喷锚衬砌结构提供的支护阻力(kPa)；
C为围岩粘聚力；
Figure BDA0003421098810000051
为围岩计算摩擦角(°)；
π为圆周率。
C、
Figure BDA0003421098810000052
可根据围岩级别从《铁路隧道设计规范(TB10003)》中查出，pa可根据[关宝树《隧道力学概论》西南交通大学出版社1993]取值，通常取1.0Mpa，封堵体柱状部断面近似圆的直径d等于将封堵体柱状部断面完全包络的最小圆的直径，该值由辅助坑道大小决定。
上述计算模型推导了软弱围岩条件下封堵结构破坏的简化算法，给出了与软弱围岩力学性质匹配的封堵结构的抗冲击极限承载力的计算公式，为封堵结构参数设计提供理论依据。上述计算模型计算出封堵结构的抗冲击极限承载力后，将封堵结构的抗冲击极限承载力与施工地辅助坑道的最大冲击载荷比较，再根据两者的差值大小判断封堵结构是否满足要求或存在设计余量过大的问题，从而防止出现材料浪费或者封堵体结构强度不能满足要求的问题。
实施例：
辅助坑道的冲击荷载P＝1.50×106kN，封堵体柱状部断面近似圆的直径d＝8m，封堵体最大断面近似圆的直径D＝10m；封堵体长度为4m，b＝1m，封堵结构近似破裂圆柱面的长度l＝10m；则求得封堵结构近似破裂圆柱面的面积S0＝314.16m2；
进一步的，设此段围岩级别为V级，可根据《铁路隧道设计规范(TB10003)》取围岩力学参数c＝0.1MPa、
Figure BDA0003421098810000053
由此可求得塑性区内的主应力σr＝3130.84kPa。pa取1.0Mp，最后根据(式5)，可求得软弱围岩条件下封堵结构极限承载力为P0＝1.52×106kN。P0大于P，且差值较小，封堵体的结构设计合理。

Claims (7)

1.一种适用于软弱围岩的辅助坑道封堵结构，包括设置在辅助坑道(2)内的混凝土封堵体(3)，其特征在于，所述封堵体(3)为锥台形，包括中心的柱状部(31)和设置在柱状部(31)外围的扩展部(32)；
所述封堵体(3)的小端设置在靠近正洞(1)的一侧，且所述封堵体(3)的小端与正洞(1)之间设有间距，所述扩展部(32)楔入辅助坑道(2)的围岩内；
所述扩展部(32)与辅助坑道(2)的围岩之间设有一端伸入辅助坑道(2)的围岩内，另一端伸入扩展部(32)内的接茬钢筋(4)。
2.如权利要求1所述的一种适用于软弱围岩的辅助坑道封堵结构，其特征在于：所述接茬钢筋(3)的长度为3～5m，在所述封堵体(3)的周向方向，所述接茬钢筋(3)之间的间距为1.0～1.5m，在所述封堵体(3)的轴线方向所述接茬钢筋(3)之间的间距为1.0～1.5m。
3.如权利要求1所述的一种适用于软弱围岩的辅助坑道封堵结构，其特征在于，所述封堵体(3)的长度为3～5m。
4.如权利要求1所述的一种适用于软弱围岩的辅助坑道封堵结构，其特征在于，所述封堵体(3)的大端倒棱设置。
5.如权利要求1所述的一种适用于软弱围岩的辅助坑道封堵结构，其特征在于，所述封堵体(3)的小端与正洞(1)之间的间距为5～20m。
6.如权利要求1所述的一种适用于软弱围岩的辅助坑道封堵结构，其特征在于，所述封堵体(3)内设有排水孔(33)。
7.如权利要求1至6中任一权利要求所述的一种适用于软弱围岩的辅助坑道封堵结构的计算方法，其特征在于，所述计算方法的计算模型为：
Figure FDA0003421098800000011
其中，P0为封堵结构抗冲击极限承载力(kN)；
k1为断面简化后的承载力折减系数，取k1＝0.8；
k2为锚杆作用下辅助坑道围岩抗剪强度增大系数，取k2＝1.2；
D为封堵体最大断面近似圆的直径(m)；
d为封堵体柱状部断面近似圆的直径(m)；
l为封堵结构近似破裂圆柱面的长度(m)；
pa为辅助坑道喷锚衬砌结构提供的支护阻力(kPa)；
C为围岩粘聚力；
Figure FDA0003421098800000021
为围岩计算摩擦角(°)；
π为圆周率。
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