一种富水围岩深大竖井主-被动支护结构设计方法

本发明属于地下工程，具体涉及一种富水围岩深大竖井主-被动支护结构设计方法。

背景技术：

1、竖井作为长大隧道建设中的主要附属结构，具有提高隧道施工、运营期通风效率的关键作用。随着凿井深度的不断增加，施工中难以避及地下水害的影响，尤其是建造于富水地层中的深大竖井，地下水压较小时影响正常施工，严重时则会导致突涌水引发淹井事故，造成人员伤亡及工期延误，不利于施工安全及成本管控。不同于隧道工程遵循“堵排结合”的原则，深井开挖后围岩及掌子面一旦出现突涌水，传统的抽排水方法耗时、费力、不经济，并严重影响施工进度。

2、目前从支护的角度进行止水和堵水是深大竖井涌水灾害可行的处置措施。现阶段主要采用两种理念，第一种为主动支护设计理念，如单一的锚固、注浆设计方法；第二种为增强一次衬砌刚度的被动支护设计理念。应用于实践中存在两点问题：其一，采用单一的锚固、注浆止水的主动设计方法时，不足以有效阻隔围岩中的承压水进入一次衬砌模板内部，影响后期一次衬砌浇筑质量；其二，采用配筋、高强混凝土等增强一次衬砌刚度的被动支护设计方法时，支护结构发挥作用前提是围岩发生一定的位移，以及水压直接可作用于结构，实际中上述条件很难达到，围岩不仅同被动支护结构难以贴合，而且结构背面却为水流下渗形成优势通道，严重影响深井涌水的处置效果。

技术实现思路

1、鉴于上述背景技术中存在的两点问题，本发明提供一种富水围岩深大竖井主-被动支护结构设计方法，研制一种富水围岩深大竖井柔性支护结构混凝土支护结构。首先，于开挖围岩表面铺设防水构造，借助实测竖井围岩外水压力大小，计算柔性支护结构厚度；其次，根据围岩锚固力学原理计算锚固区参数，并综合考虑支护结构厚度及锚固效应，设计锚网参数；最后，以支护结构的锚固承载力为衡量指标，评价支护后竖井围岩的稳定性。基于主被动组合支护理念，其设计方法具备止水堵水优点，克服了主动支护隔水、阻水差的缺陷，改善了因被动支护围岩同支护结构难以紧贴，以及止水差原因所导致的支护效果不佳问题，不仅可确保后期一次衬砌模板内混凝土浇筑质量，还可有效提升施工期围岩涌水处置效果，保障富水围岩竖井施工阶段的整体稳定，为富水地层深井涌水灾害风险应对及高效施工提供了积极措施。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种富水围岩深大竖井主-被动支护结构设计方法，所述的支护结构为注浆锚杆锚固的柔性支护结构，支护结构设计方法包括以下步骤：

4、【s1】柔性支护结构混凝土厚度计算

5、依据弹性失效准则，采用厚壁圆筒拉梅公式，推导得到竖井开挖半径、外水压力、柔性支护结构混凝土设计强度三个因素同柔性支护结构混凝土厚度之间的关系表达式；

6、【s2】柔性支护结构锚固区参数计算

7、基于支护段富水围岩渗流力学参数及竖井围岩外水压力值，推导得到锚固区参数，以此确定注浆锚杆长度及直径；

8、【s3】锚网参数计算

9、根据锚固后围岩弹性模量、内摩擦角、等效粘聚力、单轴抗压强度参数，确定注浆锚杆布设间距、排距以及锚固构造措施；

10、【s4】支护结构承载力验算

11、将竖井围岩、注浆锚杆、柔性支护结构等效为组合拱，推导组合拱承载力计算公式，建立支护结构整体稳定性判据，验算支护结构整体承载力。

12、上述富水围岩深大竖井主-被动支护结构设计方法中，所述步骤【s1】包含以下步骤：

13、【s11】获取外水压力值和混凝土设计强度

14、现场实测获取作用于支护结构背后的外水压力值p0，采用室内试验方法获得柔性支护结构混凝土设计强度fmc；

15、【s12】柔性支护结构混凝土厚度计算

16、依据弹性力学厚壁圆筒理论的拉梅解，结合材料破坏第三强度理论，推导柔性支护结构混凝土厚度计算公式：

17、

18、式中，tz为柔性支护结构混凝土厚度，单位m；r1为竖井开挖半径，单位m；fmc为柔性支护结构混凝土设计强度，单位mpa。

19、【s13】柔性模板每模宽度

20、考虑井筒及竖井吊桶的尺寸，在便于生产、吊运、安装便利性的前提下，选定柔性模板每模的宽度。

21、上述富水围岩深大竖井主-被动支护结构设计方法中，所述步骤【s2】包含以下步骤：

22、【s21】获取富水围岩支护段渗流物理力学参数

23、开展支护段富水围岩渗流物理力学参数测试，获取水头高度h、竖井围岩渗透系数k0、柔性支护结构混凝土渗透系数k1，并计算外水压力折减系数

24、

25、式中，p0为实测外水压力值，单位mpa；β为外水压力折减系数；h为水头高度，单位m；γw为地下水容重，单位kn/m3；

26、【s22】锚固区范围

27、推导得到注浆圈半径计算公式：

28、

29、根据注浆圈半径，求解锚固区半径

30、rj＝r2-r0-tz

31、式中，rj为注浆范围，单位m；k1为柔性支护结构混凝土渗透系数；k2为围岩渗透系数；k3为注浆锚杆注浆圈渗透系数；r1为竖井开挖半径；r0为柔性模板内侧半径；r2为注浆圈半径，单位m；

32、【s23】确定注浆锚杆长度和直径

33、根据锚固区范围r2，结合柔性支护结构混凝土厚度tz，确定注浆锚杆的长度l，计算注浆锚杆的极限锚固力tu，并确定注浆锚杆的直径d。

34、上述富水围岩深大竖井主-被动支护结构设计方法中，所述步骤【s3】包含以下步骤：

35、【s31】根据复合锚固体物理力学参数计算公式，计算得到注浆锚杆的间排距sr、sl；

36、

37、

38、

39、

40、上式中，eg为复合锚固体弹性模量，单位mpa；为复合锚固体内摩擦角，单位°；cg为复合锚固体粘聚力，单位mpa；σcg为复合锚固体单轴抗压强度，单位mpa；为竖井围岩内摩擦角，单位°；sr为注浆锚杆环向间距，单位m；sl为注浆锚杆纵向间距，单位m；α为注浆锚杆密度；

41、【s32】确定锚固构造措施

42、所述的锚固构造包括第一层钢筋网片、第二层钢筋网片、竖向支撑管、膨胀螺栓、托板。

43、上述富水围岩深大竖井主-被动支护结构设计方法中，所述步骤【s4】包含以下步骤：

44、【s41】支护结构整体承载力计算

45、将注浆锚杆、竖井围岩、柔性支护结构视为共同承载的厚壁圆筒，推导支护结构的整体承载力pk的计算公式：

46、

47、上式中，pk为承载力，单位mpa；fc为围岩的单轴抗压强度，单位mpa；

48、【s42】支护结构整体稳定性判别

49、建立支护结构整体稳定性判别条件，验算支护结构的整体稳定性。

50、上述富水围岩深大竖井主-被动支护结构设计方法中，所述的支护结构包括防水板、第一层钢筋网片、柔性模板和第二层钢筋网片，所述防水板紧贴竖井围岩设置，其外表面挂设所述的第一层钢筋网片；

51、所述柔性模板为沿竖井围岩轮廓方向平铺并拼接为一体的多个袋体结构，袋体由竖向支撑管和环向钢骨架支撑，柔性模板内部浇筑有混凝土，两者组成柔性支护结构；

52、所述注浆锚杆依次穿过第二层钢筋网片、柔性模板、第一层钢筋网片、防水板后锚固在竖井围岩内部，注浆锚杆的自由端设置有托板；所述第二层钢筋网片布设于柔性模板外侧面和托板之间。

53、上述富水围岩深大竖井主-被动支护结构设计方法中，柔性模板的袋体为双层聚乙烯塑料膜袋，柔性模板的袋体侧边设置有搭接孔，搭接孔内设置有膨胀螺栓。

54、上述富水围岩深大竖井主-被动支护结构设计方法中，第一层钢筋网片和第二层钢筋网片均为正方形网格状。

55、上述富水围岩深大竖井主-被动支护结构设计方法中，注浆锚杆杆体中开设有圆形注浆孔。

56、上述富水围岩深大竖井主-被动支护结构设计方法中，竖向支撑管通过钢管扣件进行竖向接长。

57、本发明的有益效果为：

58、(1)本发明基于围岩-支护共同作用原理，导出了锚固区范围同注浆圈及水压渗透参数之间的关系式；采用注浆锚杆围岩锚固复合体力学理论，导出了注浆锚杆间排距，不仅是充分利用及发挥围岩自承载能力，使得围岩-支护具有共体抗渗作用，也是现代地下工程支护理论的有益补充，相比现阶段较为保守的工程类比设计方法更为科学、经济、合理。

59、(2)本发明以厚壁圆筒理论结合第三破坏强度准则，推导了外水压力作用下柔性支护结构混凝土厚度计算公式，相比传统的概念设计方式，量化了外水压力同支护结构设计厚度的关系，同时弹性设计也给予支护结构就破碎、裂隙围岩形变、松动压力的承载空间，满足了支护结构的强度、刚度及稳定性要求；将“竖井围岩、注浆锚杆、柔性支护结构”视为组合拱，利用地层结构法，推导了整体承载力公式，由于考虑了岩体弹塑性破坏准则，相比常规较为保守的荷载-结构承载力验算方法，建设成本相对合理及经济。

60、(3)本发明通过注浆锚杆的浆液扩散特征，能够将围岩中渗水裂隙进行堵塞，发挥减渗、固结松散破碎岩体渗流通道的主动支护作用；采用柔性支护结构可适应围岩表面不平整特征，使其紧贴且施加于围岩面式的被动支护，同传统的单一支护相比，主被动两者相结合不仅可满足止水、隔水、堵水的优点，还可发挥协同支护作用以提高径向支护力，从而有效保证富水围岩竖井施工的整体稳定性。

61、(4)本发明采用双层聚乙烯塑料膜作为模板，具有从内至外单向透水不透浆的功能，可有效阻隔围岩中承压水通过井壁进入浇筑一次衬砌的模板内部，确保了一次衬砌结构混凝土的浇筑质量；同时，柔性支护结构混凝土具有自适应围岩不平整度能力，克服了传统刚性支护结构难以裂隙破碎围岩紧贴的弊端。

62、(5)本发明提出的柔性支护结构混凝土支护工艺，聚乙烯塑料膜相比传统钢模板自重轻，便于施工安装，可节约劳动力成本；同时，柔模袋内浇筑混凝土，相比湿喷混凝土具有强度可靠、井内空气污染小等显著优越性。