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

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【摘要】：近年來,隨著高產(chǎn)、高效礦井建設(shè)的發(fā)展,為了提高運輸和提升能力,許多新建和改擴建礦井采用斜井開拓或者斜井-立井結(jié)合的開拓方式。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-支護相互作用機理問題。通過對兩向不等壓軸對稱圓巷進行彈塑性攝動求解,引入斜井圍巖在均勻應(yīng)力場和非均勻應(yīng)力場的彈塑性求解；通過對圍巖-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；通過實驗室試驗、理論計算,獲得了復(fù)合襯砌的支護特性曲線(SCC)；對斜井開挖過程進行了三維數(shù)值模擬,確定了開挖面空間效應(yīng)曲線(LDP)；將LDP曲線與SCC曲線耦合,進行了彈塑性條件下斜井圍巖-支護(管片+回填層)的全過程解析,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-支護的相互作用機制。主要研究內(nèi)容、結(jié)論如下：(1)非對稱荷載作用下圓巷的彈塑性攝動解對非對稱荷載作用下軸對稱圓巷的彈塑性問題進行攝動求解,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解析表達式,并應(yīng)用該理論對工程實例進行計算分析。結(jié)果表明：兩向不等壓條件下軸對稱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)域的大小對兄的變化敏感。將攝動解的非線性擬合結(jié)果與已有的д.A.加林解進行了對比,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)力場條件下,建立外荷載線性分布的厚壁圓筒模型(斜井井筒),對該空間模型進行彈塑性求解,結(jié)果表明,表達形式與軸對稱平巷(圓形)相同。非均勻應(yīng)力場中,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,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。對回填層和管片在理想狀態(tài)下的受力特性進行分析,將原問題進行化簡分解,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式和圍巖至回填層和管片的壓力傳遞系數(shù)表達式；在此基礎(chǔ)上,計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。)地增大對復(fù)合襯砌的承載能力有利。(4)復(fù)合襯砌支護特性曲線①利用自由變形圓環(huán)模型的思想,對錯縫拼裝的管片襯砌進行內(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)系表達式：M=εP1R2/1/2(1+εcos2(?)cos2(?),N=p1R11-εcos2(?)/1+εcos2(?)特例情況,當(dāng)λ=1時,即均勻荷載作用下,有Ⅳ=p1R1,與以往的理論吻合。③通過室內(nèi)試驗,測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)斜井開挖面空間效應(yīng)①與平巷相比,斜井圍巖頂板的開挖面空間效應(yīng)的影響范圍較大(x/R0=-6至x/R0=8)：未開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過程中較早地產(chǎn)生變形；已開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,故開挖后圍巖頂板釋放變形的速率比平巷慢。②開挖面前方的影響范圍與測點位置、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挖面影響范圍最大,兩幫次之,圍巖底板最小；開挖面前方受到開挖面空間效應(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,開挖面前方受開挖面擾動的范圍也越大。③開挖面至監(jiān)測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,圍巖底板和頂板釋放變形比例最大,兩幫最�。沪�=1.25和λ=1.0時,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)的形式來表示均勻應(yīng)力場中圍巖頂板變形uR0與開挖面之間距離x/R。的關(guān)系,有：根據(jù)監(jiān)測斷面處變形監(jiān)測結(jié)果,擬合計算相應(yīng)α、b、α0、b0和α1、b1值,獲得圍巖頂板變形uR0和與開挖面間距離x/R。的經(jīng)驗關(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-支護相互作用全過程解析①根據(jù)開挖面空間效應(yīng)原理,及通過數(shù)值模擬監(jiān)測數(shù)據(jù)得到的均勻應(yīng)力場中LDP曲線擬合方程,計算了神華“新街臺格廟”礦區(qū)TBM工法長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。計算結(jié)果表明,A、支護時機早,圍巖頂板塑性變形的臨界點會滯后于支護時機較晚或無支護的情況,但該工程中四種巖層中的圍巖頂板進入塑性變形時間較早,支護結(jié)構(gòu)的支護反力p1與圍巖的虛擬支護力p2聯(lián)合作用效果并不明顯；B、在保證支護結(jié)構(gòu)不失效的前提下,支護結(jié)構(gòu)作用的越早,則對圍巖頂板的徑向彈塑性變形約束越明顯。因此,選擇合適的支護時機,對圍巖頂板徑向彈塑性變形的約束是很有意義的。②對均勻應(yīng)力場中TBM(盾構(gòu))施工斜井的圍巖(頂板)-支護(管片+回填層)相互作用的全過程進行了解析求解,獲得了相關(guān)結(jié)論。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TD352

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前6條

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本文編號：1316065