岚山油气管廊竖井结构受力分析及空间优化_崔明.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202209025开放科学（资源服务）标识码（OSID）岚山油气管廊竖井结构受力分析及空间优化崔 明，任正刚，裴宏宇（中交一公局集团有限公司，北京100024）摘要：竖井支护在岩石地层中通常使用锚杆喷射混凝土，在土层中使用“围护结构内支撑”方式。依托烟台岚山管廊竖井工程，分析“锚喷网+拱架+注浆”的围护结构下双拼型钢横撑、无横撑、圆管横撑三种工况的复合地层矩形竖井围护结构受力和变形等参数；提出地表沉降、侧壁收敛、安全性、施工难易程度、竖井洞口有效面积和经济性六指标的竖井支护结构性能综合评价方法，并优选出“锚喷网+拱架+注浆+圆管横撑”支护结构。竖井支护结构的轴向应力、Mises 应力，圆管横撑的压杆稳定性和挠度，均满足规范要求，结构安全可靠。关键词：油气管廊；竖井；空间布置；支护结构；圆管撑；受力分析中图分类号：U491文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)01 0184 07 0 引言油气公共管廊工程是大型工业园区“上下游产业一体化”工业基地的重要公用基础设施，是连接港口、化工园区以及入园企业之间物料运输的主要通道。油气管廊的施工不可避免会与现有的路网工程发生交叉，穿越高速公路是常见的施工难题，而穿越竖井施工缺乏统一标准，支护结构差异较大，设计施工风险高1-7。典型竖井工程调研，见表 1。“锚喷网+拱架+注浆”与钢管横撑组合的围护结构施工案例鲜少。表1典型竖井工程调研工程名称断面形状地质条件支护形式研究内容作者某水电站圆形D=10.0 m洪积堆积体、冰川、冰水堆积体、滑坡堆积体竖井的受力和位移代鑫等1（2012）上海某地铁风井深基坑矩形39.9 m21.5 m黏质粉土、淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土地下连续墙+混凝土支撑+钢管撑地表沉降谭勇等2（2016）某工程矩形11.0 m8.0 m中粗砂、淤泥质粉质黏土、粉质黏土等旋喷桩+环框梁井壁水平变形，地表沉降钱康等3（2017）柴河水库输水工程圆形D=5.7 m粉质黏土及粉质黏土夹碎石旋喷桩+系统锚杆+注浆井口土体稳定，支护结构稳定孙强4（2018）米仓山隧道圆形D=10.2 m石英闪长岩，岩体较完整单层衬砌支护，参照新奥法，适时施作二衬。衬砌结构变形、受力和稳定性周雄华等5（2019）厦门抽水蓄能电站圆形D=8.6 m围岩为类，属于软弱地层挂网喷混凝土+超前锚杆+系统锚杆+钢拱架+管棚注浆施工中围岩稳定性 骆晓锋等6（2021）日本山区输电工程圆形D=2.53.0 m未限定围岩等级钢筋笼+模注混凝土竖向掘进机施工Hara T等7（2018）烟台岚山管廊项目是目前国内规模最大、线路最长、管线介质最多、技术最复杂的油气公共管廊项目。岚山管廊竖井断面面积 215.76 m2，大于三车道隧道断面，对支护结构和围岩稳定要求高，采用竖直运输出渣，横撑形式、间距和出渣口面积直接关系到安全性和施工效率。1 工程概况岚山管廊穿越沈海高速 G15 段，下穿段共设2 座竖井，东侧#1 竖井深 27.6 m，西侧#2 竖井深26.5 m，净尺寸 14.0 m（长）9.0 m（宽），壁厚1.4 m，开挖轮廓线 17.4 m12.4 m，采用机械开挖。竖井平面位置，见图 1。收稿日期：2022 10 20基金项目：国家重点研发计划课题(2017YFC0805305)作者简介：崔明（1985），男，河北唐山人。高级工程师，博士，研究方向：岩石力学及隧道施工技术。E-mail：。路基工程 184 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）#1竖井#2竖井图1竖井平面位置 地层从上向下依次为强风化片麻岩（土状）12.0 m，强风化片麻岩（块状）8.0 m，中风化片麻岩 6.8 m。竖井补勘钻芯，见图 2。各层岩土的物理力学性质指标，见表 2。补勘钻孔1补勘钻孔2图2竖井补勘钻芯 表2各层岩土的物理力学性质指标岩土层名称fa0/kPaEs/MPack/kPak/()强风化片麻岩（土状）50030535强风化片麻岩（块状）800502035中风化片麻岩（块状）150030010045 竖井围护结构进行两阶段设计。强风化花岗片麻岩:型钢拱架+超前小导管支护，竖向间距 0.5 m；超前小导管长 3.5 m，环向间距 500 mm，竖向间距为一榀钢拱架间距，注浆区水平范围 3.0 m。中风化片麻岩：锚杆+挂网+湿喷混凝土支护，喷 C25混凝土厚 300 mm，全黏结型砂浆锚杆长 3.5 m，间距 1.0 m 和 1.5 m，梅花型布置，双层钢筋网间距 150 mm。竖井阴角部分采用 I20a、I22b 工字钢两道斜撑，竖井中间横撑比选双拼 I28b 工字钢横撑、无横撑，609 mm 圆管横撑（t=16 mm）三种情况，并分析围岩应力释放率（30%、50%）对岩土及结构受力和变形的影响。4 种支护设计方案，见表 3。表34 种支护设计方案方案横撑情况角撑情况应力释放率/%1双拼I28b横撑，水平3道，竖直40多道I20a、I22b两道角撑302无横撑I20a、I22b两道角撑303609 mm圆管横撑水平2道，竖直8道I20a、I22b两道角撑304609 mm圆管横撑水平2道，竖直8道I20a、I22b两道角撑50 2 数值分析 2.1 数值模型建立采用 midas GTS 有限元软件，岩土选用摩尔-库仑本构模型，结构选用线弹性本构模型，建立数值模型尺寸 137.00 m120.00 m100.00 m，见图 3。基坑开挖深度 26.75 m。底面为竖向约束，四周为法向约束，支护结构相交处按共节点设置。方案 3支护结构内部情况，见图 4。初支小导管注浆加固区120100137XYZ中点角点图3三维数值模型（单位：m）钢管撑角撑初支图4竖井支护结构内部地表荷载取 20 kN/m2；钢拱架刚度折算到喷射混凝土中；考虑到最不利工况，圆管撑和双拼型钢横撑未施加预应力；未考虑地下水渗流作用。支护结构和注浆区的物理力学参数，见表 4、表 5。表4支护构件力学参数构件名称容重/（kNm3）泊松比弹性模量E/MPa初支26.00.2337.0103锚杆78.50.302.1106609 mm圆管撑78.50.302.1106工字钢I20a78.50.302.1106工字钢I22b78.50.302.1106工字钢I28b78.50.302.1106 表5小导管注浆区力学参数容重/（kNm3）泊松比 弹性模量E/MPa黏聚力标准值ck/kPa内摩擦角标准值k/()260.235067.519 2.2 施工过程模拟岩土体开挖前：重力平衡，位移清零，保留应力。崔 明，等：岚山油气管廊竖井结构受力分析及空间优化 185 强风化岩：第 1 层超前注浆第 1 层基坑开挖第 1 层围护（初支）和支撑结构（斜撑和对撑）第 2 层超前注浆第 2 层基坑开挖第 2 层围护和支撑结构依次循环。中风化岩：第 41 层基坑开挖第 41 层围护和支撑结构依次循环。2.3 结果分析 2.3.1 地表沉降基坑边角点和中点地表沉降曲线，见图 5。方案 1、2、3 地 表 沉 降 最 大 值 分 别 为 18.29、18.45、18.09 mm，方案 4 为20.76 mm，明显高于方案 1、2、3。基岩每层开挖应力释放率是影响地表沉降变形的关键因素，支护结构每步应力释放 50.00%的地表沉降比 30.00%时，数值增加8.56%，现场施工过程中，注浆开挖后应及时施做横撑和角撑。4 种方案地表沉降值均满足规范城市轨道交通工程监测技术规范（GB 509112013）累计 30 mm 的要求。0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 2625201510505地表沉降/mm开挖深度/m工况1-角点工况2-角点工况3-角点工况4-角点工况1-中点工况2-中点工况3-中点工况4-中点图5基坑边角点和中点地表沉降曲线 2.3.2 侧壁水平位移各方案竖井侧壁最大收敛值，见图 6。方案1、2、3、4 最大水平位移值分别为 5.23、31.15、12.78、14.17 mm，方案 2 位移值明显较高。竖井横向支撑提高了结构横向刚度，是限制水平位移的关键因素。围岩应力释放率 30%时，方案 2 最大收敛值 31.15 mm，是方案 3 的 2.44 倍，且超出规范 值（围 护 结 构 最 大 水 平 位 移 为 0.15H 和30.00 mm 的最大值）。支护方案设计时，基坑横向支撑需保留，横撑结构形式应作出调整。30252015105051015竖井深度/m20253035井壁水平位移/mm方案1方案2方案3方案4中风化片麻岩强风化片麻岩-土状强风化片麻岩-碎石状图6各方案竖井侧壁最大收敛值 2.3.3 不同设计方案出渣口有效面积率有效面积率为出渣口面积与竖井井口面积之比，同时考虑横撑之间和横撑与基坑侧壁最大距离，为出渣、下料的核心参数。=(an1Li)bab(m+1)（1）式中：a 为竖井井口长度；b 为竖井井口宽度；Li为楼梯、锚喷厚度、横撑宽度等无效宽度；n 为无效宽度个数；m 为横撑个数。方案 1、2、3 的洞口横撑间有效面积率分别为 22%、74%、31%。3 综合指标评价评价管廊竖井设计方案，综合分析支护结构及布置形式的差异，主要有六个指标：地表沉降、侧壁收敛数值是否满足国标规范要求和安全稳定性要求、施工难易程度、安全性、洞口横撑间有效面积率、经济性。方案比选参数指标，见表 6。表6方案比选参数指标方案地表沉降/mm侧壁位移/mm安全性施工难易程度有效面积率经济性118.3 5.2变形和受力满足规范要求，变形值相对较小双拼型钢先焊接固定一端，后在另一端加焊钢板连接围檩，安装困难风险性高，拆除为逆过程风险同样高22%，出渣困难双拼型钢横撑最终废弃成本高，经济性差218.531.2侧壁位移不满足规范要求不设置横撑方便施工；不涉及拆除问题74%，出渣容易不设置横撑，不涉及安拆问题，经济性最优318.112.8变形和受力满足规范要求609 mm圆管横撑水平方向2道，竖直方向8道，通过汽车吊安装方便，有托架和系绳固定安全31%，出渣方便后期随着二衬施工成型，逐步回收圆管撑，经济性好420.814.2变形和受力满足规范要求609 mm圆管横撑水平方向2道，竖直方向8道，通过汽车吊安装方便，并有托架和系绳固定31%，出渣方便后期随着二衬施工成型，逐步回收圆管撑，经济性好 方案 1 横撑安拆风险性高，型钢横撑废弃成本高；洞口有效面积率低，出渣、下料不便利，易碰触横撑影响井下施工安全；方案 2 安全性不满足要求；方案 3、方案 4 变形指标满足规范要求，圆管撑安装方便可回收，出渣方便、易于施工，经济性安全性良好。优选方案 3 需进一步细化分析。路基工程 186 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）4 优选方案的计算结果分析优选方案竖井支护结构及 609 mm 圆管撑空间布置，见图 7。数值分析中，假定竖井基岩每步开挖应力释放率 30%，对应每步支护应力释放率70%。（a）横断面（b）纵剖面17400竖向间距每榀钢拱架（余同）I28bI45b双拼300300200020002000200024002400400030030020002000200020003800I45b双拼3000300030003000300030003309124002500154001500 3003005550625015001000691017700HW200200b（余同）图7竖井支护结构（单位：mm）竖井位移，见图 8。竖井短边侧壁位移大于3.94 mm 的区域，总体呈现上小下大的“葫芦状”，深 920 m，水平方向中线对称，最大值6.56 mm，葫芦缩颈处深度 12 m，在强风化片麻岩土状和块状分界面处。+6.58e+000+5.26e+000+3.94e+000+2.63e+000+1.31e+0005.2