本文關(guān)鍵詞：TBM（盾構(gòu)）施工斜井圍巖—支護(hù)相互作用機(jī)理研究　出處：《中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)》2015年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

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【摘要】：近年來(lái),隨著高產(chǎn)、高效礦井建設(shè)的發(fā)展,為了提高運(yùn)輸和提升能力,許多新建和改擴(kuò)建礦井采用斜井開(kāi)拓或者斜井-立井結(jié)合的開(kāi)拓方式。為了確保TBM(盾構(gòu))施工斜井的井筒安全,論文研究了TBM(盾構(gòu))施工斜井條件下的圍巖-支護(hù)相互作用機(jī)理問(wèn)題。通過(guò)對(duì)兩向不等壓軸對(duì)稱(chēng)圓巷進(jìn)行彈塑性攝動(dòng)求解,引入斜井圍巖在均勻應(yīng)力場(chǎng)和非均勻應(yīng)力場(chǎng)的彈塑性求解；通過(guò)對(duì)圍巖-回填層-管片的彈性求解,獲取了圍巖、回填層和管片之間的徑向應(yīng)力傳遞規(guī)律,進(jìn)而確定了復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)(管片+回填層)的荷載模式；通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、理論計(jì)算,獲得了復(fù)合襯砌的支護(hù)特性曲線(SCC)；對(duì)斜井開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,確定了開(kāi)挖面空間效應(yīng)曲線(LDP)；將LDP曲線與SCC曲線耦合,進(jìn)行了彈塑性條件下斜井圍巖-支護(hù)(管片+回填層)的全過(guò)程解析,確定了斜井圍巖彈塑性變形的空間分布規(guī)律,揭示了圍巖-支護(hù)的相互作用機(jī)制。主要研究?jī)?nèi)容、結(jié)論如下：(1)非對(duì)稱(chēng)荷載作用下圓巷的彈塑性攝動(dòng)解對(duì)非對(duì)稱(chēng)荷載作用下軸對(duì)稱(chēng)圓巷的彈塑性問(wèn)題進(jìn)行攝動(dòng)求解,給出了彈性區(qū)域考慮二階微量的應(yīng)力分布和彈塑性交界線的攝動(dòng)解析表達(dá)式,并應(yīng)用該理論對(duì)工程實(shí)例進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)果表明：兩向不等壓條件下軸對(duì)稱(chēng)圓巷的彈塑性交界線近似于橢圓；彈性區(qū)的切向應(yīng)力σθ和徑向應(yīng)力σr有相等的情況,且徑向應(yīng)力的穩(wěn)定值大于原巖應(yīng)力(側(cè)壓力系數(shù)λ1)；彈性區(qū)應(yīng)力和塑性區(qū)域的大小對(duì)兄的變化敏感。將攝動(dòng)解的非線性擬合結(jié)果與已有的д.A.加林解進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果顯示兩者具有高度的一致性。(2)斜井(圓形)圍巖的彈塑性分析均勻應(yīng)力場(chǎng)條件下,建立外荷載線性分布的厚壁圓筒模型(斜井井筒),對(duì)該空間模型進(jìn)行彈塑性求解,結(jié)果表明,表達(dá)形式與軸對(duì)稱(chēng)平巷(圓形)相同。非均勻應(yīng)力場(chǎng)中,獲取了斜井圍巖彈性應(yīng)力解、彈塑性界限曲線公式,以及基于M-C、D-P準(zhǔn)則塑性區(qū)域考慮二階小量的應(yīng)力分布的攝動(dòng)解。斜井圍巖彈性應(yīng)力σr、σθ的穩(wěn)定值相差較大；σr+σθ≠2p0;非均勻地應(yīng)力條件下,斜井圍巖周邊變形的不均勻?qū)е滦本畽M斷面變成橢圓形,基于M-C、D-P準(zhǔn)則采用攝動(dòng)法求解塑性區(qū)域考慮二階小量的應(yīng)力分布。影響斜井圍巖塑性區(qū)半徑的參數(shù)有：原巖應(yīng)力p。、內(nèi)摩擦角φ、粘聚力C和井軸傾角β(β為井軸與豎直方向的夾角)。其中,在工程實(shí)踐意義范圍內(nèi),粘聚力不作為主要影響因素。(3)斜井(圓形)圍巖-回填層-管片的彈性解利用彈性力學(xué)的理論知識(shí),研究在復(fù)雜應(yīng)力作用下斜井圍巖-回填層-管片的應(yīng)力傳遞規(guī)律。對(duì)回填層和管片在理想狀態(tài)下的受力特性進(jìn)行分析,將原問(wèn)題進(jìn)行化簡(jiǎn)分解,由位移連續(xù)條件推導(dǎo)出斜井圍巖、回填層和管片的內(nèi)力和位移的解析表達(dá)式和圍巖至回填層和管片的壓力傳遞系數(shù)表達(dá)式；在此基礎(chǔ)上,計(jì)算分析不同因素影響下復(fù)合襯砌的承載能力。結(jié)果表明：回填層厚度適當(dāng)范圍的增大、回填層彈性模量適當(dāng)范圍的增大或者減小、斜井傾角適當(dāng)(45。β90。)地增大對(duì)復(fù)合襯砌的承載能力有利。(4)復(fù)合襯砌支護(hù)特性曲線①利用自由變形圓環(huán)模型的思想,對(duì)錯(cuò)縫拼裝的管片襯砌進(jìn)行內(nèi)力求解。采用力法的基本思想,求得非均勻力作用下圓環(huán)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力：M=R2/1(2q1+q2)cos2(?)/6,Nq0R1(1-εcos2(?))②引入?yún)?shù)ε,建立襯砌外荷載參數(shù)之間的代數(shù)關(guān)系,從而尋找襯砌內(nèi)力與其徑向壓力p1之間的關(guān)系表達(dá)式：M=εP1R2/1/2(1+εcos2(?)cos2(?),N=p1R11-εcos2(?)/1+εcos2(?)特例情況,當(dāng)λ=1時(shí),即均勻荷載作用下,有Ⅳ=p1R1,與以往的理論吻合。③通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn),測(cè)定了管片橡膠墊的受壓荷載與壓縮變形之間的關(guān)系,擬合后的本構(gòu)關(guān)系為：σ=0.03963e3.9068Δl,(0.27MPaσ88.15mpA)④利用混凝土材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,推導(dǎo)了復(fù)合襯砌外荷載與徑向壓縮變形之間的關(guān)系：(5)斜井開(kāi)挖面空間效應(yīng)①與平巷相比,斜井圍巖頂板的開(kāi)挖面空間效應(yīng)的影響范圍較大(x/R0=-6至x/R0=8)：未開(kāi)挖部分圍巖比平巷中相同部位承受的荷載大,因此,該部分圍巖頂板在掘進(jìn)過(guò)程中較早地產(chǎn)生變形；已開(kāi)挖部分圍巖釋放的應(yīng)力比平巷中相同部位釋放的應(yīng)力小,故開(kāi)挖后圍巖頂板釋放變形的速率比平巷慢。②開(kāi)挖面前方的影響范圍與測(cè)點(diǎn)位置、側(cè)壓力系數(shù)及圍巖的力學(xué)參數(shù)有關(guān)：圍巖頂板的變形受開(kāi)挖面影響范圍最大,兩幫次之,圍巖底板最小；開(kāi)挖面前方受到開(kāi)挖面空間效應(yīng)的影響范圍也隨側(cè)壓力系數(shù)增大；圍巖的力學(xué)參數(shù)越小,其穩(wěn)定性越差,開(kāi)挖面前方受開(kāi)挖面擾動(dòng)的范圍也越大。③開(kāi)挖面至監(jiān)測(cè)斷面前釋放的變形占圍巖最終變形總量的比例ur0/ur0(∞)隨側(cè)壓力系數(shù)變化的差別較明顯。λ=0.5時(shí),圍巖底板和頂板釋放變形比例最大,兩幫最小；λ=1.25和λ=1.0時(shí),uR0/uR0(∞)相差不大,圍巖底板和頂板釋放變形比例小,兩幫大。④采用分段函數(shù)的形式來(lái)表示均勻應(yīng)力場(chǎng)中圍巖頂板變形uR0與開(kāi)挖面之間距離x/R。的關(guān)系,有：根據(jù)監(jiān)測(cè)斷面處變形監(jiān)測(cè)結(jié)果,擬合計(jì)算相應(yīng)α、b、α0、b0和α1、b1值,獲得圍巖頂板變形uR0和與開(kāi)挖面間距離x/R。的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：A、K1zh巖層圍巖的擬合結(jié)果為：B、J2a巖層圍巖的擬合結(jié)果為：C、J2z巖層圍巖的擬合結(jié)果為：D、J1-2y巖層圍巖的擬合結(jié)果為：(6)彈塑性變形條件下斜井圍巖-支護(hù)相互作用全過(guò)程解析①根據(jù)開(kāi)挖面空間效應(yīng)原理,及通過(guò)數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得到的均勻應(yīng)力場(chǎng)中LDP曲線擬合方程,計(jì)算了神華“新街臺(tái)格廟”礦區(qū)TBM工法長(zhǎng)距離斜井工程四種巖層中圍巖徑向彈塑性變形沿巷道軸向方向的空間分布規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明,A、支護(hù)時(shí)機(jī)早,圍巖頂板塑性變形的臨界點(diǎn)會(huì)滯后于支護(hù)時(shí)機(jī)較晚或無(wú)支護(hù)的情況,但該工程中四種巖層中的圍巖頂板進(jìn)入塑性變形時(shí)間較早,支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)反力p1與圍巖的虛擬支護(hù)力p2聯(lián)合作用效果并不明顯；B、在保證支護(hù)結(jié)構(gòu)不失效的前提下,支護(hù)結(jié)構(gòu)作用的越早,則對(duì)圍巖頂板的徑向彈塑性變形約束越明顯。因此,選擇合適的支護(hù)時(shí)機(jī),對(duì)圍巖頂板徑向彈塑性變形的約束是很有意義的。②對(duì)均勻應(yīng)力場(chǎng)中TBM(盾構(gòu))施工斜井的圍巖(頂板)-支護(hù)(管片+回填層)相互作用的全過(guò)程進(jìn)行了解析求解,獲得了相關(guān)結(jié)論。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TD352

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前6條

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本文編號(hào)：1316065