CN114239111B - 一种适用于硬质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硬质围岩的辅助坑道封堵结构，以及一种基于上述一种适用于硬质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。一种适用于硬质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。本发明可在满足结构安全要求的同时减少封堵结构的混凝土、钢筋、锚杆等材料用量，降低工程造价，实现工程经济性。
Description
技术领域
本发明涉及隧道工程结构设计领域，具体为一种适用于硬质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。
同时，在硬质围岩条件下，既有的封堵结构一般基于经验类比进行设计，未能结合硬质抗压强度高的特点、充分发挥围岩自身承载能力，故结构形式未能与硬质岩特性合理匹配，存在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。
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，抗冲击承载力强，可有效避免封堵墙体被冲击破坏的适用于硬质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基于上述一种适用于硬质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抗冲击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：一种适用于硬质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。
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5～15m。
进一步地，所述封堵体内设有排水孔。
进一步地，所述封堵体的外扩角α，α为10～20°。
上述的一种适用于硬质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：
其中，p0为封堵体的抗冲击极限承载力(kN)；
S内为封堵体的柱状部破裂面总面积(m2)；
S外为封堵体的扩展部有效受压总面积(m2)；
C为封堵体的混凝土结构等效粘聚力；
α为封堵体外扩角(°)，外扩角为扩展部的表面投影线相对封堵体的轴线的倾斜度；
μ为封堵体与辅助坑道围岩之间的摩擦系数。
发明的有益效果是：
1、本发明的封堵结构通过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，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，该封堵结构与围岩之间形成楔形联结，充分利用了硬质围岩抗压强度高承载特点，充分发挥围岩的承载能力，可在满足结构安全要求的同时减少封堵结构的混凝土、钢筋、锚杆等材料用量，降低工程造价，实现工程经济性；
2、本发明的计算方法基于硬质岩抗压强度高的围岩特性出发，推导了硬质岩条件下封堵结构破坏简化算法，给出了与硬质岩力学性质匹配的封堵结构抗冲击极限承载力计算公式，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是发明的封堵体的结构示意图；
图3是图2沿A-A的剖视图；
图4是本发明的封堵结构的封堵体受力示意图；
图中所示：正洞1，辅助坑道2，封堵体3，柱状部31，扩展部32，排水孔33，外支撑面34，内支撑面35。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明进一步说明。
如图1、图2所示，发明的一种适用于硬质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，中心的柱状部31与辅助坑道2的截面形状一致。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。
由于围岩为硬质围岩，辅助坑道的围岩不容易变形，基于硬质岩抗压强度高的围岩特性出发，封堵体3设置成锥台形，并通过扩展部32与辅助坑道围岩之间形成楔形联结，可将辅助坑道内的冲击荷载P分散传递至结构外侧围岩，提高了辅助坑道封堵结构的安全余量。
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。
封堵体3的小端与正洞1之间设有间距L，通过间距L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L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L为5～15m。
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。
封堵体3的外扩角α可以是大于0°小于90°的任意值，如图3所示，外扩角α为扩展部32的表面投影线相对封堵体3的轴线的倾斜度。本发明中，在保证封堵体3满足要求的前提下，封堵体3的外扩角α为10～20°时最为节约材料。
本发明还提供一种适用于硬质围岩的辅助坑道封堵结构的计算方法，以计算出上述封堵体的抗冲击极限承载力。
如图4所示，当围岩为硬质岩，冲击荷载P从0逐渐增大时，封堵体与围岩接触面压力和摩阻力随之增加，当P增大至P0时，封堵体内部抗剪强度无法克服围岩的反向作用，封堵体内部(沿洞周)出现破裂并发展至全面贯通，封堵体受力如图4所示。此时封堵体的抗冲击极限承载力P0是由封堵结构破裂面抗剪强度决定的极限摩阻力。
根据结构临界破坏状态下破裂面极限平衡有：
p0＝τ0S内(式1)
其中，P0为封堵体的抗冲击极限承载力(kN)；τ0为封堵体的容许剪应力，可根据《铁路隧道设计规范》(TB10003)按照混凝土强度等级进行取值(kPa)；S内为封堵体的柱状部破裂面总面积(m2)。
由于封堵体受剪破坏，S内等于柱状部31与扩展部32的接触面积，即为柱状部31的侧面面积。
同时，根据封堵体受力平衡有：
因此：
其中，P0为封堵体的抗冲击极限承载力(kN)；Nt为封堵体的扩展部有效受压面的法向应力在水平方向的分量(kPa)；S外为封堵体的扩展部有效受压面的总面积(m2)；μ为封堵体与辅助坑道围岩之间的摩擦系数；α为封堵体外扩角(°)。
由于封堵体受冲击载荷时，只有向远离正洞一侧倾斜的内支撑面35受力，因此，S外等于内支撑面35的面积。
另一方面，冲击荷载逐渐增大的过程中，封堵体环向压应力随之增大，其破裂面抗剪强度得以增强，两者关系遵循摩尔-库伦准则：
其中：Ns为封堵体外侧法向应力在竖直方向分量(kPa)；
为封堵体的混凝土结构等效计算摩擦角。
由此，根据三角函数关系，联立式(1)～(4)，可得：
即：
其中，p0为封堵体的抗冲击极限承载力(kN)；
S内为封堵体的柱状部破裂面总面积(m2)；
S外为封堵体的扩展部有效受压总面积(m2)；
C为封堵体的混凝土结构等效粘聚力；
α为封堵体外扩角(°)；
μ为封堵体与辅助坑道围岩之间的摩擦系数。
上述参数中：混凝土结构等效粘聚C以及封堵体与辅助坑道的围岩之间的摩擦系数μ可以通过现有的试验方法确定，封堵体的混凝土结构等效计算摩擦角
可通过三轴试验确定，通常取
上述计算模型推导了硬质岩条件下封堵结构破坏的简化算法，给出了与硬质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了理论依据。上述计算模型计算出封堵体的抗冲击极限承载力后，将封堵体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体是否满足要求或存在设计余量过大，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：
辅助坑道的最大冲击载荷P＝3.02×106Kn，封堵体的混凝土结构等效计算摩擦角
封堵体外扩角α＝10°，外支撑面34沿辅助坑道轴线方向的投影长度L2＝1m，封堵体的长度L1＝4m，测得封堵体与辅助坑道的围岩之间的摩擦系数μ＝1.0，辅助坑道断面近似直径d＝8m，封堵体的大端近似直径D＝10m，封堵体3以圆锥台计算，可得封堵体3的有效支撑面的长度L3＝4.09，S内＝π×D×L1＝100.5m2、
带入式(5)，可得硬质岩条件下封堵体的抗冲击极限承载力为P0＝3.07×106kN。P0大于P，且差值较小，封堵体的结构设计合理。
Claims (5)
1.一种适用于硬质围岩的辅助坑道封堵结构的计算方法，所述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)；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，其特征在于，所述计算方法的计算模型为：
其中，p0为封堵体的抗冲击极限承载力，kN；
S内为封堵体的柱状部破裂面总面积，m2；
S外为封堵体的扩展部有效受压总面积，m2；
C为封堵体的混凝土结构等效粘聚力；
α为封堵体外扩角，°，外扩角为扩展部(32)的表面投影线相对封堵体(3)的轴线的倾斜度；
μ为封堵体与辅助坑道围岩之间的摩擦系数。
2.如权利要求1所述的一种适用于硬质围岩的辅助坑道封堵结构的计算方法，其特征在于，所述封堵体(3)的大端倒棱设置。
3.如权利要求1所述的一种适用于硬质围岩的辅助坑道封堵结构的计算方法，其特征在于，所述封堵体(3)的小端与正洞(1)之间的间距为5～15m。
4.如权利要求1所述的一种适用于硬质围岩的辅助坑道封堵结构的计算方法，其特征在于，所述封堵体(3)内设有排水孔(33)。
5.如权利要求1所述的一种适用于硬质围岩的辅助坑道封堵结构的计算方法，其特征在于，所述封堵体(3)的外扩角α，α为10～20°。
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