礦井明槽段井筒受力性能有限元分析

周文亮

（神東工程設計有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017209）

0 引言

井筒是煤礦單位組織生產的重要通道，一般通過井筒輸送原煤、礦井生產管理人員、施工所需材料和井下生產設備以及通風設施、排水設施等。井筒建設工程是煤礦礦井建設工程中比較重要的一個環節，但是井筒工程量較小，一般占礦井建設工程量的5%左右，但是，由于井筒施工較為復雜，地質條件影響因素較為突出，雖然工程量有限但施工工期較長，大約占到礦井施工總工期的20%～30%。很大程度上直接影響其它井巷工程的施工進度［1-3］。井筒建設是礦井建設的關鍵所在，其建設周期和施工質量直接影響到礦井生產效益，因此，井筒設計、施工必須做到科學組織，合理控制。

明槽段井筒建設是井筒建設中最為復雜的一個環節，由于其地質條件通常由巖石層逐漸過渡到地面表土層，且地質條件不同，各有特點，因而給井筒的設計、施工帶來諸多困難［4-6］。工程技術人員也不斷的嘗試，通過經典的巖土理論，或者是通過目前較為先進的有限元計算軟件去考慮巖土對井筒的力學作用。

1 有限元原理及ANSYS軟件

有限元其實是最早的可以將抽象的理論和方法簡化為較為簡單、人們易于接受的方法。最經典的例子就是計算圓的周長問題，研究π的方法就是有限元應用的一個最為經典的案例。較為成熟的有限元計算方法最初被用作利用矩陣近似求解，后來經過不斷發展已經廣泛的應用于工程結構計算之中，由于有限元方法的實用、便利、快捷、有效，從而被工程技術人員廣泛應用［7-8］。

ANSYS是有限原理論計算一款經典的分析軟件，它可以分析目前工程領域諸多問題，例如，機械動力、熱力問題、電磁感應、工程結構靜力以及動力學等。通常利用有限元ANSYS軟件分析工程問題可以分成3個基本階段，依次是項目前處理、項目計算、求解以及項目后處理。其中，項目前處理是利用ANSYS平臺建立工程問題有限元的基本模型（“BASE”試件），在此基礎上根據項目要求精度完成單元網格劃分，并建立邊界條件。最后是項目后處理，它是根據分析計算結果讀取需要的計算結果信息，同時可以進行曲線、表格的自動生成，滿足用戶的需要。

2 工程背景及模型建立

2.1 工程背景

以神東煤炭集團補連塔煤礦2#輔運平硐場地配套設明槽段井筒工程為實例，其工程場地地層較為簡單，上部主要分布回填土及第四紀風積粉細砂，下部為志丹群風化砂巖，場地地層分布自上而下依次為填土、粉細砂、全風化砂巖。填土為褐紅色，松散-稍密，以粉細砂及風化砂巖碎塊為主，為機械回填碾壓整平形成，土質不均勻，該層一般堆積厚度約0.4～11.3 m。粉細砂為黃褐色，松散-稍密，稍濕，為風積成因，其主要礦物成分為石英、云母等，砂質純凈，該層層面埋深0.4～11.3 m，分布層厚1.7～18.5 m。全風化砂巖為黃褐色，全風化，密實、泥質結構，層狀構造，該層上部局部可見風化礫巖，礫巖厚度變化大，無規律。層面埋深0.5～19.5 m，層厚1.4～2.5 m，該層本次勘察未揭穿。

明槽段井筒采用明挖法施工，其余井下巷道采用盾構法施工工藝。明槽段井筒長度為50 m，起點始于TBM段（安裝盾構機段，該段長度約為25 m，采用鋼筋混凝土現澆結構，其余巷道處于巖石段，采用素混凝土），終點止于井口房。井筒斷面形式為三心拱，凈寬為9.2 m，高度為2.8 m。側壁、拱壁厚度均為1 m，底板厚度均為1.1 m。除墊層混凝土強度等級為C15外，其余混凝土強度等級均為C35抗滲混凝土，抗滲等級為P8。根據巖土勘察報告明槽段井筒覆土厚度為16 m，覆土為填土以及粉細砂。運營期地面面層采用140 mm瀝青混凝土路面，其下采用C15毛石混凝土砌筑。圖1為井筒斷面詳圖。

圖1 井筒斷面詳圖

2.2 模型建立

采用有限元分析軟件ANSYS進行分析計算，明槽段井筒主體結構由填土和混凝土兩種材料組成。如井筒采用三維有限元來分析，由于三維有限元分析本身的工作量太大，且井筒長度的選取對計算分析也會帶來諸多影響。相比之下，平面問題有限元分析就要簡便得多，而且其計算精度完全可以滿足工程要求。因此，平面問題有限元分析在工程中得到廣泛使用。當然，若直接用平面應變有限元來分析，顯然存在缺陷，應將井筒這種三維系統（或近似的軸對稱問題）轉換為平面應變問題來處理。綜上，采用平面應變應力狀態進行分析，即井筒只在平面內有應變，與該面垂直方向的應變可忽略不計，該方法通常用來分析地下通廊、水壩側向水壓等問題。

井筒計算分析中土體的本構關系計算模型選用摩爾-庫侖屈服準則，摩爾-庫侖屈服準則通常簡稱C-M屈服準則，同時考慮了正應力（平均應力）作用時的最大剪應力（單一剪應力）效應此時的受力狀態，這種狀態下的屈服理論稱之為C-M屈服準則。如果構件上剪應力與正應力之比達到或者接近最大值時，工程結構或者構件由于材料的失效從而發生屈服，最終導致試件破壞。本工程土體計算單元選用ANSYS單元庫提供的PLANE182計算單元，鋼筋混凝土計算單元選用三維實體BEAM188計算單元，BEAM188通常用于分析結構中梁、柱。為盡可能準確模擬桁架結構的實際受力性能，同時亦不過多增加計算機計算時間，在滿足工程求解進度的前提下，網格劃分時對受力和塑性變形相對較大區域進行了局部網格單獨加密，同時為了確保求解進度，以及計算結果的連續性單元兩個方向上網格不能相差太大，本工程最大的網格邊長比嚴格控制在10以內。

3 有限元計算結果與靜力分析

結構靜力計算分析是在靜力載荷作用下結構的應力、應變分析。結構靜力計算不同于動力計算之處在于，靜力計算不考慮結構本身由于質量而存在的慣性以及阻尼對結構受力的影響［8-9］。通常，結構靜力分析可以計算結構在活荷載、恒荷載（其值固定不變）作用下結構受力狀態。通常也可以處理那些近似為靜力荷載作用（結構計算較為常用的風載以及地震作用）。本工程井筒受到其頂部及側墻的土壓力，其內力分布如圖2～4所示。

圖2 土壓力作用下彎矩圖

圖3 土壓力作用下軸力圖

圖4 土壓力作用下剪力圖

由圖2可知，在土壓力作用下由于井筒為對稱結構，所以彎矩圖也同樣為對稱分布。最大彎矩出現在頂板跨中，側墻跨中及側墻底端，底板兩端。頂板跨中彎矩圖中彎矩出現最大值，該區域下部受拉（受拉鋼筋配置在該側，另外一側為構造配筋）。頂板下端彎矩較大，該區域彎矩為外側受拉。由于受土體拱效應影響，跨中彎矩逐漸向兩端轉移。土層中拱作用的產生與拱結構不同，拱結構是把材料制成拱形狀，在荷載作用下發揮其承受壓力的作用。而土體拱效應有其自身的形成過程，在荷載或自重的作用下，土體發生壓縮和變形，從而產生不均勻沉降，致使土顆粒間產生互相“楔緊”的作用，于是在一定范圍土層中產生“拱效應”。由于土拱效應的存在，使得圍護結構主動土壓力產生重分布。值得注意的是，土體中除了豎向存在土拱效應外，水平方向同樣存在著土拱效應。合理利用豎向及水平向的土拱效應可使土體的應力重分布向對工程有利的方向發展，充分利用土體自身的抗變形能力。土體拱效應是巖土工程中一個很普遍的現象。很多學者對土體拱效應進行了試驗和數值研究，研究結果已被用于很多地下結構的設計中。在地下管道工程實踐中，測得管道上的土壓力并非上覆土的重力，其中主要由于土拱效應的影響，主應力方向發生了偏轉。在非巖石地層中開挖坑道，坑道周圍地層就會產生變形或錯動，因而產生應力釋放現象，這種應力釋放現象實際上是坑道周圍應力向臨近部分傳遞的結果，即土體拱效應的結果。

由圖3可知，在土壓力作用下軸向力最大值出現在頂板跨中及兩端、側墻底端。由于鋼筋混凝土材料抗壓剛度較大，所以軸力并不起控制作用。對于底板軸力較為均勻，同時軸力較小，不起控制作用。同時，軸力變化幅度較小，分布較為均勻，因此，“三心拱”這種結構良好的受力性能發揮作用。三心拱形與圓弧拱形斷面，其凈斷面矢高與寬度的比值宜選用1/3。實際工程中通常直接選用凈斷面矢高與寬度的比值1/3，此時“三心拱”受力性能接近最優。

由圖4可知，在土壓力作用下剪力最大值出現在頂板跨中及兩端、側墻中部。底板跨中，由于土壓力作用下剪力呈反對稱分布，剪力并不起控制作用。通常井筒設計時，斷面較大、混凝土強度等級較高。所以，往往忽略剪力對井筒受力性能的影響。井筒通常布置梅花形橫向拉筋，但是橫向拉筋直徑往往很小，常用φ6或者φ8鋼筋。該鋼筋為構造鋼筋，不作為抗剪鋼筋，其作用是為了固定縱向鋼筋，有利于縱向鋼筋綁扎。

由上述分析可以得出，井筒結構受力體系較為合理，內力較為均勻，應力分布均勻。主要承受拉應力或者壓應力，充分發揮了混凝土抗壓強度較大，鋼筋抗拉強度較大這一特性，較適合應用于地下結構，可以充分發揮材料的作用，節約材料，減輕結構重量。設計時為了增加結構的可靠性，適當加強頂板跨中及兩端部剛度（增加受拉側鋼筋配置），對于側墻適當加強墻底端剛度，而對于底板則適當加強兩端部剛度，從而使井筒結構優勢發揮更加完整。

4 結論

（1）隨著煤礦礦井開采設備逐漸向自動化、大型化的發展，要求井筒斷面的截面不斷增加。井筒底板底鼓現象、側墻內凸、頂板塌落現象較為常見，為防止這些情況發生，設計時增加內力較大區域受拉側鋼筋配置，使井筒受力性能更加合理，充分利用了鋼筋受拉或者受壓強度較高的優點。

（2）由于“土拱效應”的存在（豎向及水平向同時存在），對井筒受力產生有利影響。所以，傳統的“土壓力理論”已經不完全適合井筒的計算。

（3）通過對三心拱截面形式的井筒受力性能計算分析，可以發現其表現出良好的受力性能，內力分布較為均勻，變形性能較強，是一種良好的受力體系。可以通過調整其矢跨比（拱矢高與跨度之比）合理利用這些特性，不斷調整和優化結構。

（4）明槽段井筒采用大開挖施工技術，施工方便、可以使用預制構件，便于工廠化生產，加快工程建設速度。