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《中国矿业大学(北京)》 2015年
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TBM(盾构)施工斜井管片和锚喷衬砌结构力学特性研究

杨悦  
【摘要】:我国煤炭资源作为主要能源的现状在短时间内无法改变,煤炭的开采深度逐年增大,对于深部煤矿斜井的应用会越来越多。为了提高建井施工效率,选用TBM(盾构)进行斜井的建设势在必行。但关于TBM(盾构)施工斜井的衬砌结构受力性能的研究还不成熟,深部斜井的相关研究也较少。本文针对神华新街台格庙矿区TBM(盾构)施工段斜井的工程地质资料、支护结构设计和施工方法等,充分运用弹塑性力学、隧道力学、岩石力学、结构力学、煤矿地质学等理论进行了大量的理论推导,得到了围岩、管片衬砌结构和锚喷支护结构的位移、应力和应变的解析解。采用FLAC3D软件对TBM(盾构)施工过程进行了全过程数值模拟。采用ANSYS有限元软件对管片衬砌结构在非均匀荷载作用下的内力进行了数值计算。主要完成了以下工作:1、开挖面空间效应的理论分析和数值分析(1)考虑到软岩变形不是瞬间完成的,需要开挖面不断地向前开挖,进而释放开挖面的约束效应才能得到充分变形这一特点,本文首先借助既有公式,计算了TBM(盾构)开挖过程中每个开挖步对应的围岩位移。总结了考虑开挖面空间效应的影响,在TBM(盾构)开挖过程中围岩位移的发展规律。(2)采用FLAC3D软件对TBM(盾构)开挖过程进行了全过程模拟,暂不考虑支护过程。选取了长59.5m的开挖范围,每个开挖步进尺为1.5m。提取了每个开挖步对应的围岩位移和围岩应力,总结了二者随开挖步的变化规律。(3)将围岩位移的解析解和数值解对比分析。结果表示,二者在随掌子面推进过程中的发展规律是一致的。掌子面在观察面之前2倍洞口半径时,观察面处开始产生位移,直到经过观察面以后5倍洞口半径为止,位移达到稳定。另外,还可以看出,埋深越大时围岩位移释放的越慢,达到稳定状态需要的时间越长。(4)将围岩应力的解析解和数值解进行对比分析,应力变化的主要特征基本相同。径向应力在开挖后大幅度降低,切向应力大幅度增加。但是数值解和解析解变化过程略有不同,解析解在开挖前后没有逐渐变化的过程,只是在开挖的瞬间发生突变。而数值解在开挖前后有一个逐渐变化过程。数值解更符合实际工况,而围岩应力的既有公式没有考虑开挖面空间效应的影响。2、对锚喷支护结构的力学特性进行理论研究和数值计算(1)对于锚喷支护结构,通过理论计算确定了斜井在300m、400m、500m和600m四个埋深处的最早支护时机,分别是在与掌子面距离为2.5倍、2.56倍、2.98倍和3.34倍的洞口半径处。由此得出埋深越大的断面最早支护时机越晚的结论。(2)求解了锚喷支护结构在TBM(盾构)施工过程中的应力解析解,对比分析了几种不同支护时机下锚喷支护结构的应力发展过程。得出当埋深一定时,支护结构施设得越晚,其应力越小的结论。虽然对其本身受力是有利的,但是如果支护过晚,可能造成围岩破坏。(3)用flac3d软件对最早支护时机下的tbm(盾构)开挖、锚喷支护过程进行仿真模拟,计算了锚喷支护结构的位移和应力的数值解,探明二者在施工过程中的变化规律。并将锚喷支护时和只开挖不支护时的围岩位移量进行对比,得到锚喷支护结构基本上是不能减小施工过程中围岩的变形量,只是减小了其位移发展速度的结论。(4)用flac3d软件对几种不同支护时机下的tbm(盾构)开挖、锚喷支护过程进行仿真模拟,计算了锚喷支护结构的位移和应力的数值解,探明二者的变化过程受支护时机的影响规律。提取最后一步时锚喷支护结构的位移和应力数值,分析支护时机对二者的影响规律。(5)对于埋深500m处的tbm(盾构)施工斜井,假设四种不同的围岩侧压力系数,逐一用flac3d软件对施工过程模拟,计算锚喷支护结构的位移和围岩压力的数值解,分析它们随掌子面推进的变化过程受侧压力系数的影响规律。并将侧压力系数的影响程度和支护时机造成的影响程度对比,认为支护时机的影响比较显著。3、对管片衬砌结构支护的力学特性进行理论解析和数值计算(1)考虑开挖面空间效应,建立了回填层和管片衬砌结构的力学模型,推导了在tbm(盾构)开挖支护过程中管片和回填层的应力应变解析表达式。计算了掌子面推进过程中支护结构承受的围岩压力解析解。计算了管片衬砌结构和回填层的应力解析解,总结二者的应力在tbm(盾构)开挖支护过程中的变化规律。(2)考虑开挖面空间效应,采用flac3d软件对tbm(盾构)开挖、管片衬砌结构支护进行全过程数值模拟。提取管片衬砌结构和回填层的应力数值,分析它们随盾构机掌子面推进的变化规律。(3)对于埋深500m处的tbm(盾构)施工斜井,假设四种不同的围岩侧压力系数,逐一用flac3d软件对开挖和管片支护过程模拟,计算管片衬砌结构的应力的数值解,并分析它在施工过程中的发展趋势受侧压力系数的影响规律。(4)将tbm(盾构)开挖支护过程中管片衬砌结构和回填层二者的应力数值解和解析解进行对比分析。结果显示,应力的数值解和解析解随施工过程的变化规律一致,只是应力的数值解结果达到稳定的时间较早。4、管片衬砌结构的力学特性受回填层影响的理论分析(1)利用弹性力学理论,计算了不考虑回填层时管片衬砌结构的应力,将其值和前面考虑回填层时管片的应力解析解进行对比。分析回填层对管片应力的影响。认为回填层能使管片衬砌结构的应力绝对值降低很多,建议在盾构隧道的管片结构设计时,要对管片衬砌结构受到的围岩压力进行折减,来降低施工成本。(2)回填层是由豆砾石和水泥砂浆组成的复合材料,利用均匀化理论、摄动技术和弹性力学理论,提出了求解复合材料等效弹性模量的一种新方法,推求了它的解析式。利用此新方法,计算了新街台格庙矿区TBM(盾构)施工斜井的回填层的等效弹性模量。利用虎克定律,由前面求得的管片衬砌结构的应力值,进而计算其应变值。并将考虑和不考虑回填层时管片衬砌结构的应变进行对比。认为回填层对管片衬砌结构的稳定性是有利因素。(3)TBM(盾构)施工时,在脱出盾尾的一环管片衬砌结构外表面立即回填豆砾石,之后灌注水泥砂浆。由于水泥砂浆的强度在28天之内是持续变化的,使得回填层对管片衬砌结构的侧面摩擦阻力也随之变化。查阅了大量的文献和规范,综合分析并拟合出豆砾石灌浆回填层的强度值在各个时间段的变化曲线,给出各个阶段回填层对管片侧面能提供的最大摩擦阻力的表达式。(4)在TBM(盾构)施工过程中,千斤顶支撑在未脱出盾尾的管片结构上,从而提供向前的反推力,同时管片衬砌结构也受到千斤顶向后的推力。根据各个时间段内回填层对管片衬砌结构能提供的最大摩擦阻力,逐块进行受力分析,计算各环管片衬砌结构之间的相互作用。明确盾构机推进过程中千斤顶的推力对管片衬砌结构的影响范围。并研究影响范围内各环管片的正截面压应力和侧表面剪应力的递变规律。5、非均匀荷载作用下管片衬砌结构的受力特性分析在井夯工程中,非均匀荷载经常出现。针对常用的一种非均匀荷载分布形式,计算了管片衬砌结构的径向变形量。经过查阅大量文献,综合分析确定了围岩的弹性抗力系数。进而计算变形产生的被动弹性抗力的分布模式。在非均匀荷载和弹性抗力共同作用下,基于多铰圆环模型推求了管片衬砌结构的内力解析式。计算了管片衬砌结构上每一截面的弯矩和轴力的解析解。又借助ANSYS有限元软件,分别基于多铰圆环模型和均质圆环模型,对管片衬砌结构内力进行了数值计算。采用beam188单元释放自由度的办法实现了铰接不传递弯矩的效应。将两种模型的数值解结果和基于多铰圆环模型的解析解结果对比分析,得出了弯矩和轴力的分布规律的异同点,提出了一些建议。
【学位授予单位】:中国矿业大学(北京)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:U455.43

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