40m填土下输煤暗道的结构设计分析

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摘 要：高填土下暗道使用越来越多，但目前国内外对于高填土下结构受力分析研究较少。本文结合平朔东露天选煤厂801输煤暗道结构设计，介绍了暗道的结构选型、荷载计算、内力分析、地基处理等内容，并针对设计过程中应注意的问题提出自己的设计体会，以供其它工程借鉴。

关键词：高填土；暗道；土压力；结构设计

Abstract： Coal transport culvert with high fill embankment is more and more popular， but there is few analyses about the structure performance of culvert at home and abroad. Based on the 801 coal transport culvert design of East PINGSHUO Coal Preparation Plant， this paper focused on structure selection， load calculation， internal force analysis， foundation treatment， and etc.， and gave suggestions to the key process of culvert design.

Keywords： high fill； culvert； soil pressure； structure design

地下或半地下储煤槽仓由于占用土地少，储量大，现在使用越来越多，而且储量越来越大。输煤暗道作为连接储煤槽仓和地面储煤系统的重要建筑物，承担着厂区内煤炭输送的重要任务，随着地下储煤槽仓的储量越来越大，使得输煤暗道埋深越来越大，但目前国内外对于高填土下暗道受力性能研究较少。本文依托东露天801输煤暗道工程实例，介绍了暗道的结构选型、荷载计算、内力分析、地基处理等内容，经过工程实例验证，该工程荷载计算准确，截面选取合理，对类似工程有较高的参考价值。

1.工程概况

东露天选煤厂801输煤暗道位于平朔煤炭工业公司东露天煤矿选煤厂内，为长约200m的钢筋混凝土结构，工艺要求净宽度5.4m，净高度为4.2m，竖向最低处为1.8m。暗道建成后进行回填，埋深约40m，后期回填物为剥离物，回填速度快。暗道所处位置地形较复杂，建筑场地为起伏较大的斜坡。地层特性自上而下依次为：冲填土、黄土、粉质粘土、强风化泥岩。土层极不均匀，沿暗道长度方向变化较大。

2.结构选型

合理的结构形式应在满足功能要求时，结构形式具有较好的受力性能，结构形式的选择应考虑使用功能、场地条件及其自身受力性能、施工难易等多方面的因素。暗道截面的形状有多种多样，且各有利弊，矩形截面形式简单，施工方便，空间利用率高，但其在土压力作用下，顶板产生较大的拉应力，并在两侧转角处出现明显的应力集中。矩形截面一般在跨度较小或者暗道埋深较浅时采用。而圆形截面作为一种闭合结构，在土压力作用下，其截面承受的压力分布接近均匀，可以充分利用混凝土材料较高的抗压能力，是一种理想的受力截面，但圆形截面形状复杂，施工难度大，空间利用率低。

本工程综合考虑使用要求、受力状况、施工条件和工程造价等多种因素，最终确定暗道截面如图1所示，总宽度7.1m，总高度7.65m，将暗道顶部设计成半圆加直墙的形式，底部设计成倒拱形。主要原因有：一是满足输煤暗道人员通行、设备检修以及工艺专业的要求；二又为方便地基处理施工，将底板底面设计成直线，由于底板受力较大，将底板加厚，底板边缘处剪力和弯矩均较大，而跨中截面的剪力较小，这样就能有效的利用截面。

高填土下暗道土压力计算图示如图2所示，当暗道顶部面内土柱沉降大于平面外土柱沉降（δ1；当面内外土柱沉降相同（δ=0）时，此时Ks=1。为此，在暗道设计时，首先应根据场地地形条件，地基处理方法，结构本身特性及填土土质和施工工艺等综合因素，确定面内外土柱沉降差，从而判断土压力集中系数。

顶拱板内力变化规律：在拱顶对称轴位置弯矩较大，板内侧受拉，在拱顶板约1/3处产生反弯点，变成外侧受拉，弯矩先增大后逐渐减小，在与直墙段相交处产生反弯点。

直墙段内力变化规律：沿直墙段往下弯矩逐渐增大，内侧受拉，至直墙段约1/3处，弯矩达到最大，往下逐渐减小，在直墙段约2/3处，产生反弯点，变为外侧受拉，至最底处弯矩达到最大。

底板内力变化规律：底板边缘处弯矩最大，底面受拉，往中部弯矩逐渐减小，在底板约1/3处产生反弯点，变成内侧受拉，弯矩逐渐增大，至底板中部位置弯矩达到最大。

由表1及内力分布图可以看出，暗道最大弯矩发生在直墙段与底板连接处，由于底部采用了反拱设计，减小了底板中间处的应力，最大剪力产生于底拱板与直墙连接处，结构设计时应加强局部连接处，同时要求施工时，施工缝位置应避开内力较大处，不得在直墙段与底板连接处设置施工缝。

最终截面弯矩、剪应力、轴力分布图如图6、7、8所示。

结构受土体荷载后，顶拱板处产生的最大位移为10.7mm，顶拱板沿竖向至底拱板位移量逐渐减小；底拱板在对称轴位置产生的位置为7.2mm，在底板两侧边缘的位移为9.1mm。

5.地基处理

文献[5]研究指出：顶部土压力、基底压力和结构内力随地基处理宽度的增大而减小，并逐渐趋于稳定。地基处理时应适当增加地基处理宽度，建议地基处理宽度取b+2h左右（b为结构宽度，h为结构物高度）；顶部土压力、基底压力和结构内力随地基处理深度和地基弹性模量的增加呈非线性增加，建议设计时地基处理的深度和刚度应以允许沉降或差异沉降为控制目标。

因此，重要的是保证地基的均匀性，避免由于不均匀沉降而导致结构的破坏或影响使用功能。在结构设计中，适当考虑一定的沉降量是必要的，合理的沉降缝设置可避免不均匀沉降引起结构物破坏。暗道地基所处的土层不均匀，沿长度方向变化较大。结合工程实际及本工程所处场地其它建筑物地基处理的经验， 地基处理采用CFG桩。基础底部做2m厚碎石垫层，减轻CFG桩对结构的作用。

为了减小地基不均匀沉降的对结构的不利影响，保证每一段暗道所处地层情况基本一致，沿暗道长度方向每隔10 m设置一道沉降缝，以减小地基不均匀沉降引起的附加应力。

6.其它措施

参考文献[4]试验研究及相关工程经验，在暗道顶部采用50cm厚聚苯乙烯泡沫塑料板（EPS板）作为柔性填料层铺设在暗道顶部0.6m处，能够减小暗道所受的土压力，改善结构受力状态。

对施工要求：要求暗道后期回填时，沿暗道纵向两侧同时均匀进行回填，可减小不均匀回填对结构内力的影响，要求暗道两侧回填土高差不超过10.0m；同时要求暗道顶部5m范围内回填不得采用大型机械。

7.结论

深埋输煤暗道的使用越来越广泛，土压力的确定是高填土暗道结构设计的关键，应根据场地地形条件，地基处理方法，结构本身特性及填土土质和施工工艺等综合因素，定性确定面内外土柱沉降差，判断土压力集中系数，从而计算土压力荷载。

高填土下结构截面形式应优先采用马蹄形，暗道直墙段与底板连接处水平剪力较大，设计中应加强节点构造；地基的刚度和弹性模量对结构的内力有较大的影响，高填土下暗道地基处理建议采用整片处理方式，处理后刚度不宜太大，应允许有一定的沉降，在确定截面时应考虑地基沉降对截面净高度的影响。

801暗道于2011年10月开始施工，2012年8月竣工并开始上部土回填，2013年3月回填至顶面设计标高，暗道如图9所示。目前该工程运行情况良好，经过工程检验，本工程荷载计算准确，截面选择合理，对于其他类似工程有较高的参考价值。

参考文献

[1] 顾安全.上埋式管道及洞室垂直土压力的研究[J].岩土工程学报，1981.3（1）.

[2] 林选青.高填土下结构物的竖向土压力及结构设计计算方法[J].土木工程学报，1989.22（4）.

[3] 冯忠居、顾安全.大型沟埋式管道侧向土压力的研究[J].西安公路学院学报，1995.15（1）.

[4] 顾安全、郭婷婷、王兴平.高填土涵洞（管）采用EPS板减荷的试验研究[J].岩土工程学报，2005.27（5）.

[5] 陈保国、孙金山、张磊.上埋式钢筋混凝土拱涵受力特性及地基处理研究[J].岩土力学，2011.32（5）.

【文章编号】1006-2688（2014）03-0043-04

【作者简介】傅庆旺（1977-）男，江西九江人，硕士研究生，毕业于西安科技大学结构工程专业，现在中煤西安设计工程有限责任公司从事结构设计工作。