0 引言

马城铁矿主斜坡道硐口布置在主副井工业场地东侧。斜坡道施工时开口处标高为16m，成巷后硐口标高为17.1m，自硐口向北以12%坡度下掘，出工业场地后继续向北下行，至矿界附近后向北下行至37和39勘探线之间基岩出露较高处，至-117.6m标高后即结束第四系与强风化层内的特殊法施工。

本次方案设计冻结段斜坡道单线段断面支护上、下部分别采用200mm厚钢拱架喷射混凝土加800mm厚钢筋混凝土支护和200mm厚钢拱架喷射混凝土加850mm厚钢筋混凝土支护。主斜坡道穿过第四系与强风化地层部分采用冻结法施工方案，第四系段断面采用半圆拱，直墙，底板采用反拱。

主斜坡道所处区域第四系松散岩层厚大、巷道断面大、地质条件复杂、地下水丰富，数值模拟所考虑因素众多，计算条件复杂。矿山并未针对斜坡道穿过区域进行专门的岩土工程勘察和支护结构的力学实验测试工作，缺少必要的计算参数和计算边界条件，因而此次计算岩(土)体和支护结构力学参数的选取主要根据经验类比获得，且计算过程中对岩层条件进行了一定的概化。因此，在当前计算条件下，通过分析流固耦合作用下当前支护方案的可靠性，为设计和施工提供一定参考依据。

1 支护模拟方法

——根据马城主斜坡道的施工情况，模拟分析采用全断面开挖，开挖模型采用null模型。临时支护采用shell结构单元进行模拟，永久支护采用实体单元进行模拟，模拟斜坡道开挖后，通过命令激活初衬实体单元，赋予本构模型为弹性模型。此处为简化计算，钢拱架的模拟采用等效作用方法，即根据抗压刚度相等的原则，把钢拱架的弹摸折算到混凝土上，修改混凝土参数以代替钢拱架。等效模拟法不能分析不同型号钢拱架在不同间距下的受力特征，但对该工程我们主要关心当前支护方案的可靠性，所以仍然满足我们的计算要求。

——此次数值模拟采用壳体结构单元进行临时支护的模拟，每个壳型结构单元是由其几何形状与材料参数来定义的，一个壳构件被假定为由3节点组成的均厚度三角形，由这些三角形壳型构件组成的面可形成一个任意形状的壳。每个壳构件可视为各向同性或是异性的线弹性材料，并且无破坏极限，也可以沿壳型构件边沿使用塑性铰。每个壳构件提供了5 种有限单元：包含两个膜单元、一个平板弯曲单元和两个壳单元。由于这些全是薄壳有限单元，所以壳构件适合模拟那些忽略横向剪切变形的薄膜结构。每个壳结构单元的力学性能可分成壳材料的结构响应和壳构件与网格的交互作用方式。壳构件与网格是刚性连接的，当网格变形时，壳内将产生应力。

2 计算条件与计算参数

2.1 计算条件

——此次分析应用有限差分软件FLAC3D，对主斜坡道开挖、支护过程中，存在地下水影响时(考虑极端情况—斜坡道围岩富含地下水)围岩渗流场和应力场的耦合作用进行分析。

——斜坡道纵报影及计算范围见图1。由于斜坡道属于细长结构物，即斜坡道的横断面相对于纵向的长度来说很小，可假定在围岩荷载作用下，其没有纵向位移，只发生横向位移。所以对于对于斜坡道的力学分析可采用弹性理论中的平面应变模型进行分析。建模时考虑斜坡道开挖半径的影响范围，在宽度方向上左右各取单洞3倍洞径以上，计算时选取斜坡道最不利位置为研究对象。计算模型见图2，斜坡道标高-117m，数值解析区域范围为47m×40m，在斜坡道长度方向延伸长度为10m。

——整个模型共划分13 871个节点，12 380个单元，计算模型采用位移边界条件，四周施加水平位移边界，底部固定垂直位移边界，顶部应力边界，根据斜坡道埋深，顶部施加竖向应力2.06MPa，在重力条件下计算至初始平衡，获得初始地应力。本构模型采用摩尔-库仑塑性模型。

——在渗流场计算中，各边界均采用不透水边界。斜坡道开挖前所处围岩为全部饱水地层，开挖前孔隙水压力为静水压力，水压力场与深度成正比，水头按距地表3m考虑，初始孔隙水压力场采用p=ρwgy进行计算。

——FLAC3D计算岩土体的流固耦合效应时，将岩体视为多孔介质，流体在孔隙介质中的流动依据Darcy定律，同时满足Biot方程，具体的流固耦合计算原理此处不再赘述。

2.2 计算参数

因目前矿山并未进行专门的岩土工程勘察、岩土工程试验和支护结构力学参数实验，此次计算相关参数的获取主要参考2012年9月中冶地勘岩土工程有限责任公司编制的《马城铁矿1号副井岩土工程勘察报告》及相关文献,见表1～3。

注：通过查阅文献获得。

注：参考1号副井岩土工程勘察报告和相关文献，并将土层进行概化(上覆土层通过施加应力边界进行模拟)。

注：根据表2概化结果，渗流参数按强含水层选取。

3 计算结果及分析

3.1 计算结果

马城铁矿主斜坡道上部为地表第四系覆盖层及风化岩石层，厚度大且赋存有多处极强含水层，根据设计，该部分主斜坡道采用冷冻法进行施工，该法通过冷冻把天然岩土变成冻土，可增加其强度和稳定性，隔绝地下水。因此计算过程中，先关闭渗流计算模式，进行斜坡道开挖，释放一部分应力后立即喷射200mm厚混凝土进行临时支护，再进行钢拱架和混凝土永久支护，然后打开渗流计算模式，进行流固耦合计算，直至计算平衡。图3～8为部分计算结果图。

3.2 结果分析

——支护初期临时支护喷射混凝土时，由于强度较低，变形系数较小，容易产生变形，不能起到有效的支撑作用，加入钢筋网和钢拱架可使支护体系的刚度和韧性都得到提高。采取永久支护后支护作用明显提高，有效抑制了围岩的变形、应力集中和塑性区的扩展，且在当前地质条件下，支护体系可维持自稳。

——渗流场分析结果表明，斜坡道开挖后，周围孔隙水压力明显降低，约为1.5MPa，钢筋混凝土可起到较好的隔水作用，渗水部位主要集中在两侧边墙处。

——应力场分析结果表明，由于开挖卸荷作用，拱顶及底板处围岩出现低应力区，拱脚处则出现应力集中区，约为3.9MPa。底板中央部位出现了部分拉应力区域，此处应加强底板的支护处理，及时施作仰拱。

——位移场分析结果表明，地下水的存在对围岩变形有着重要影响，地下水渗流会导致更大的岩土体位移。斜坡道围岩主要是第四系和风化岩，岩体质量较差，抵抗变形能力较差，且地下水丰富，渗透系数较高。支护后围岩最大位移发生在拱顶处，约为3.6cm，

——塑性区分析结果表明，围岩塑性破坏范围不大，主要分布在两侧边墙和顶拱处，顶拱围岩以剪切破坏为主，两侧边墙围岩以拉伸破坏为主。塑性区深度约为0.6m。两侧边墙也是地下水的主要流出部位，因而施工过程中要特别注意增强该部位的支护。

——存在的问题：因计算基础资料缺乏，此次计算对地层进行了概化，岩(土)力学参数和支护结构力学参数主要依据经验选取，与实际工程条件存在一定差距，计算结果可能与实际情况有一定差距，建议尽快开展专门性的岩土工程勘察、试验和支护结构力学参数研究工作，为设计和施工提供可靠的依据。

4 结语

马城铁矿主斜坡道第四系段支护方案设计与优化，无论是从工程角度还是从岩石力学角度都是一个复杂的课题。主斜坡道所处区域第四系松散岩层厚大、巷道断面大、地质条件复杂、地下水丰富，数值模拟所考虑因素众多，计算条件复杂。目前无工勘报告及专门性相关实验工作，数值模拟所需参数主要参照2012年9月中冶地勘岩土工程有限责任公司编制的《马城铁矿1号副井岩土工程勘察报告》及相关文献。此次数值模拟主要结论仅供参考，待具体针对性工作开展以后，可进行进一步的研究和探索。