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《中国矿业大学(北京)》 2015年
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TBM(盾构)施工斜井围岩—支护相互作用机理研究

李晶晶  
【摘要】:近年来,随着高产、高效矿井建设的发展,为了提高运输和提升能力,许多新建和改扩建矿井采用斜井开拓或者斜井-立井结合的开拓方式。为了确保TBM(盾构)施工斜井的井筒安全,论文研究了TBM(盾构)施工斜井条件下的围岩-支护相互作用机理问题。通过对两向不等压轴对称圆巷进行弹塑性摄动求解,引入斜井围岩在均匀应力场和非均匀应力场的弹塑性求解;通过对围岩-回填层-管片的弹性求解,获取了围岩、回填层和管片之间的径向应力传递规律,进而确定了复合衬砌结构(管片+回填层)的荷载模式;通过实验室试验、理论计算,获得了复合衬砌的支护特性曲线(SCC);对斜井开挖过程进行了三维数值模拟,确定了开挖面空间效应曲线(LDP);将LDP曲线与SCC曲线耦合,进行了弹塑性条件下斜井围岩-支护(管片+回填层)的全过程解析,确定了斜井围岩弹塑性变形的空间分布规律,揭示了围岩-支护的相互作用机制。主要研究内容、结论如下:(1)非对称荷载作用下圆巷的弹塑性摄动解对非对称荷载作用下轴对称圆巷的弹塑性问题进行摄动求解,给出了弹性区域考虑二阶微量的应力分布和弹塑性交界线的摄动解析表达式,并应用该理论对工程实例进行计算分析。结果表明:两向不等压条件下轴对称圆巷的弹塑性交界线近似于椭圆;弹性区的切向应力σθ和径向应力σr有相等的情况,且径向应力的稳定值大于原岩应力(侧压力系数λ1);弹性区应力和塑性区域的大小对兄的变化敏感。将摄动解的非线性拟合结果与已有的д.A.加林解进行了对比,结果显示两者具有高度的一致性。(2)斜井(圆形)围岩的弹塑性分析均匀应力场条件下,建立外荷载线性分布的厚壁圆筒模型(斜井井筒),对该空间模型进行弹塑性求解,结果表明,表达形式与轴对称平巷(圆形)相同。非均匀应力场中,获取了斜井围岩弹性应力解、弹塑性界限曲线公式,以及基于M-C、D-P准则塑性区域考虑二阶小量的应力分布的摄动解。斜井围岩弹性应力σr、σθ的稳定值相差较大;σr+σθ≠2p0;非均匀地应力条件下,斜井围岩周边变形的不均匀导致斜井横断面变成椭圆形,基于M-C、D-P准则采用摄动法求解塑性区域考虑二阶小量的应力分布。影响斜井围岩塑性区半径的参数有:原岩应力p。、内摩擦角φ、粘聚力C和井轴倾角β(β为井轴与竖直方向的夹角)。其中,在工程实践意义范围内,粘聚力不作为主要影响因素。(3)斜井(圆形)围岩-回填层-管片的弹性解利用弹性力学的理论知识,研究在复杂应力作用下斜井围岩-回填层-管片的应力传递规律。对回填层和管片在理想状态下的受力特性进行分析,将原问题进行化简分解,由位移连续条件推导出斜井围岩、回填层和管片的内力和位移的解析表达式和围岩至回填层和管片的压力传递系数表达式;在此基础上,计算分析不同因素影响下复合衬砌的承载能力。结果表明:回填层厚度适当范围的增大、回填层弹性模量适当范围的增大或者减小、斜井倾角适当(45。β90。)地增大对复合衬砌的承载能力有利。(4)复合衬砌支护特性曲线①利用自由变形圆环模型的思想,对错缝拼装的管片衬砌进行内力求解。采用力法的基本思想,求得非均匀力作用下圆环结构的内力:M=R2/1(2q1+q2)cos2(?)/6,Nq0R1(1-εcos2(?))②引入参数ε,建立衬砌外荷载参数之间的代数关系,从而寻找衬砌内力与其径向压力p1之间的关系表达式:M=εP1R2/1/2(1+εcos2(?)cos2(?),N=p1R11-εcos2(?)/1+εcos2(?)特例情况,当λ=1时,即均匀荷载作用下,有Ⅳ=p1R1,与以往的理论吻合。③通过室内试验,测定了管片橡胶垫的受压荷载与压缩变形之间的关系,拟合后的本构关系为:σ=0.03963e3.9068Δl,(0.27MPaσ88.15mpA)④利用混凝土材料的应力-应变关系,推导了复合衬砌外荷载与径向压缩变形之间的关系:(5)斜井开挖面空间效应①与平巷相比,斜井围岩顶板的开挖面空间效应的影响范围较大(x/R0=-6至x/R0=8):未开挖部分围岩比平巷中相同部位承受的荷载大,因此,该部分围岩顶板在掘进过程中较早地产生变形;已开挖部分围岩释放的应力比平巷中相同部位释放的应力小,故开挖后围岩顶板释放变形的速率比平巷慢。②开挖面前方的影响范围与测点位置、侧压力系数及围岩的力学参数有关:围岩顶板的变形受开挖面影响范围最大,两帮次之,围岩底板最小;开挖面前方受到开挖面空间效应的影响范围也随侧压力系数增大;围岩的力学参数越小,其稳定性越差,开挖面前方受开挖面扰动的范围也越大。③开挖面至监测断面前释放的变形占围岩最终变形总量的比例ur0/ur0(∞)随侧压力系数变化的差别较明显。λ=0.5时,围岩底板和顶板释放变形比例最大,两帮最小;λ=1.25和λ=1.0时,uR0/uR0(∞)相差不大,围岩底板和顶板释放变形比例小,两帮大。④采用分段函数的形式来表示均匀应力场中围岩顶板变形uR0与开挖面之间距离x/R。的关系,有:根据监测断面处变形监测结果,拟合计算相应α、b、α0、b0和α1、b1值,获得围岩顶板变形uR0和与开挖面间距离x/R。的经验关系式:A、K1zh岩层围岩的拟合结果为:B、J2a岩层围岩的拟合结果为:C、J2z岩层围岩的拟合结果为:D、J1-2y岩层围岩的拟合结果为:(6)弹塑性变形条件下斜井围岩-支护相互作用全过程解析①根据开挖面空间效应原理,及通过数值模拟监测数据得到的均匀应力场中LDP曲线拟合方程,计算了神华“新街台格庙”矿区TBM工法长距离斜井工程四种岩层中围岩径向弹塑性变形沿巷道轴向方向的空间分布规律。计算结果表明,A、支护时机早,围岩顶板塑性变形的临界点会滞后于支护时机较晚或无支护的情况,但该工程中四种岩层中的围岩顶板进入塑性变形时间较早,支护结构的支护反力p1与围岩的虚拟支护力p2联合作用效果并不明显;B、在保证支护结构不失效的前提下,支护结构作用的越早,则对围岩顶板的径向弹塑性变形约束越明显。因此,选择合适的支护时机,对围岩顶板径向弹塑性变形的约束是很有意义的。②对均匀应力场中TBM(盾构)施工斜井的围岩(顶板)-支护(管片+回填层)相互作用的全过程进行了解析求解,获得了相关结论。
【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】:TD352

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【参考文献】
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