煤矿斜井管片衬砌接头力学性能研究.pdf

国内图书分类号U 4 5 1 ．4 国际图书分类号6 2 4 西南交通大学 硕士研究生学位论文 年级三Q 二四级 姓名．扬醒．主 申请学位级别王堂亟 专 业 援鎏量隧道王猩 指导教师鱼刖熬援 二零一七年五月 密级公开 达 接一 盟宣盟盟片一篚 管一性一 井一兰 斜一力一 矿一 煜 万方数据 C l a s s i f i e dI n d e x U 4 51 ．4 U ．D ．C 6 2 4 S o u t h w e s tJ i a o t o n g U n i v e r s i t y M a s t e rD e g r e eT h e s i s R E S E A R C H0 NM E C H A N I C A LB E H A V I O RO F S E G M E N TJ O I N T0 FI N C L I N E DS H A F T I N C O A LM 烈EC O N S T I ⅢC T E DB YS H I E L D G r a d e 2 0 1 4 C a n d i d a t e Y A N GX i n g y u A c a d e m i cD e g r e e A p p l i e df o r M a s t e r o f E n g i n e e r i n g S p e c i a l i t y B r i d g ea n dT u n n e lE n g i n e e r i n g S u p e r v i s o r P r o f ．H EC h u a n M a y , 2 0 1 7 万方数据 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部乡- j - p 勺容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 ．保密口，在年解密后适用本授权书 2 ．不保密∥使用本授权书。 请在以上方框内打“√” 指导老师签名歹易，叼 B 强≯- s f 气 万方数据 西南交通大学硕士学位论文主要工作 贡献 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下 1 依托神东补连塔煤矿斜井工程，针对斜井管片衬砌接头构件进行了试验研究， 研究了轴力、弯矩对管片接头张开量、转角、以及接缝附近混凝土应变的影响规律，并 对接头进行了破坏试验，探明了管片接头的破坏特性。 2 通过试验数据分析，研究了轴力、弯矩对接头抗弯刚度的影响规律，得到了不 同轴力、弯矩作用下的管片接头抗弯刚度。并采用有限元软件，对管片接头进行建模分 析，比较了数值模拟与试验研究结果的差异。 3 建立了考虑接头抗弯刚度迭代的粱一弹簧模型。研究了接头抗弯刚度对衬砌结 构内力、位移的影响规律。并比较分析了不同土柱压力下，梁一弹簧模型与匀质圆环模型 计算结果的差异。 本人郑重声明所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。本人完全 了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名 栖醒孚 日期洲- 7 ．孓‘7 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着煤炭资源的深部开采，采用斜井方式建设运输通道的方式被广泛运用。相比于 传统的矿山法修建煤矿斜井，盾构／T B M 工法安全程度高，施工速度快，采用盾构／T B M 工法修建煤矿长距离斜井己成为当前煤炭资源开发的重要课题。 本文依托神东补连塔煤矿斜井工程，针对煤矿斜井管片衬砌接头力学性能开展研究， 主要的研究工作及成果如下 1 ．制作了两组管片接头构件并布置了传感器，对盾构管片接头分别进行了正弯矩加 载试验与负弯矩加载试验。探明了不同轴力作用下，弯矩对管片接头张开量、转角以及 接缝附近各表面混凝土应变的影响规律。试验还对管片接头进行了破坏试验，得到了在 大轴力作用时，管片接头受弯破坏特点，其破坏特性表现为混凝土首先压碎破坏，螺栓 变形量较小。 2 ．以试验数据为基础，经过数学变换，研究了不同轴力下，管片接头抗弯刚度随弯 矩变化规律，并给出了不同轴力下抗弯刚度的取值范围。同时采用有限元软件，建立了 三维有限元模型，研究了不同轴力作用下，管片接头转角随弯矩变化关系，接头抗弯刚 度随弯矩变化关系，并与试验结果进行了对比分析，研究结果表明，有限元计算得到的 抗弯刚度值小于试验结果。 3 ．根据试验研究得到的管片接头抗弯刚度值，提出了基于接头抗弯刚度迭代的梁一弹 簧模型。研究了接头抗弯刚度对管片衬砌结构内力、位移的影响规律，接头抗弯刚度增 加，衬砌结构内力增大，位移减小。同时对比分析不同荷载组合下梁．弹簧模型与匀质圆 环模型计算结果的差异，梁一弹簧模型计算结果相对于匀质圆环计算结果，弯矩较小，剪 力、轴力、位移则较大。 关键词煤矿斜井；管片接头抗弯刚度；试验研究梁．弹簧模型 万方数据 A b s t r a c t W i t hc o a lr e s o u r c em i n i n gi nd e e p l y i n g b e i n gd e v e l o p e d ，t h et e c h n i q u eo f i n c l i n e ds h a f t t r a n s p o r t i n gc o a l sh a sb e e nw i d e l ya p p l i e d ．C o m p a r e dw i t ht h em i n i n gm e t h o d ，s h i e l d ／T B M m e t h o dh a sh i g h e rs a f e t yd e g r e ea n df a s t e rc o n s t r u c t i o ns p e e df o rt h ec o n s t r u c t i o no fm i n e i n c l i n e ．E x c a v a t i n gm i n ei n c l i n eb ys h i e l d ／T B Mm e t h o dc u r r e n t l yh a sb e c o m ea ni m p o r t a n t s u b j e c td u r i n gd e v e l o p m e n to fc o a lr e s o u r c e ． R e l i e do nt h eB u l i a n t am i n ei n c l i n eo fS h e n d o n g ，B e n d i n gm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo f s e g m e n tj o i n to fs h i e l dm i n ei n c l i n eh a sb e e ns t u d i e di nt h i sp a p e r ．T h em a i nc o n t e n t so ft h i s s t u d ya r es h o w na sf o l l o w s ． 1 A f t e rm a k i n gt w og r o u p so fs e g m e n tj o i n t sa n da r r a n g i n gs e n s o r s ，t h et w o g r o u p so f s e g m e n tj o i n t sr e s p e c t i v e l yw e r el o a d e dt h r o u g hp o s i t i v em o m e n ta n dn e g a t i v em o m e n t ．T h e i n f l u e n c er u l e so no p e n i n ga m o u n to f j o i n t , r o t a t o r ya n g l eo f j o i n ta n dt h es u r f a c es l z a i nn e a r j o i n tb yb e n d i n gm o m e n tw e r ei n v e s t i g a t e d ，i nt h ee a s eo fd i f f e r e n ta x i a lf o r c e ．T h r o u g h d e s t r u c t i o nt e s to f s e g m e n t j o i n t ，t h e b e n d i n gd e s t r u c t i o nf e a t u r e so f s e g m e n t j o i n tw e r es t u d i e s u n d e rt h ea c t i o no fl a r g ea x i a lf o r c e ．I ti st h a tc o n c r e t ei sc r u s h e df i r s t l yb u tt h e y i e l do fb o l ti s s m a l l ． 2 ．B a s eo ne x p e r i m e n td a t a ，t h r o u g hm a t h e m a t i c a lt r a n s f o r m a t i o n ，T h ei n f l u e n c er u l e so n b e n d i n gs t i f f n e s so f s e g m e n t j o i n tb yb e n d i n gm o m e n ta r ea n a l y z e di nt h ec a s eo f d i f f e r e n ta x i a l f o r c e ，a n dt h er a n g e so fb e n d i n gs t i f f n e s sa r eo b t a i n e d ．T h r o u g ht h r e e ．d i m e n s i o n a lf i n i t e e l e m e n tm o d e lb u i l tw i t hc o m m e r c i a ls o f t w a r e ，T h ei n f l u e n c er u l e so nr o t a t o r y a n g l ea n d b e n d i n gs t i f f n e s so f j o i n tb yb e n d i n gm o m e n ti nt h ec a s eo f d i f f e r e n ta x i a lf o r c ew e r er e s e a r c h e d ． w h i c ha l s ow e r ec o m p a r e dw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t ．T h er e s u l t si n d i c a t et h a tb e n d i n g s t i f f n e s s i sl e s st h r o u g hf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i st h a nt h r o u g he x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ． 3 ．A c c o r d i n gt ob e n d i n gs t i f f n e s sf r o me x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，b e a m ．s p r i n gm o d e lb a s e d o ni t e r a t i v eb e n d i n gs t i f f n e s so f j o i n tW a s p u tf o r w a r d ．T h ei n f l u e n c er u l e so ni n t e r n a lf o r c ea n d d i s p l a c e m e n to f s e g m e n t a ll i n i n gb yb e n d i n gs t i f f n e s so f j o i n tw e r es t u d i e d ．I ts h o wt h a ti n t e r n a l f o r c eo fs e g m e n tl i n i n gi n c r e a s ea n dd i s p l a c e m e n to f s e g m e n tl i n i n gd e c r e a s ea l o n gw i t ht h e i n c r e a s eo fb e n d i n gs t i f f n e s s ．R e s u l t sw i t hb e a m s p r i n gm o d e la n dh o m o g e n e o u s r i n gm o d e l a r ea n a l y z e dc o m p a r a t i v e l y ．C o m p a r e dw i t hh o m o g e n e o u sr i n gm o d e l ，m o m e n tv a l u ew i t h b e a m s p r i n gm o d e li sl e s s ，b u ta x i a lf o r c ev a l u e ，s h e a r i n gf o r c ea n dD i s p l a c e m e n tv a l u ea r e b i g g e r ． K e y w o r d s C o a lm i n ei n c l i n e ；S e g m e n tj o i n t ；B e n d i n gs t i f f n e s s ；E x p e r i m e n t a ls t u d y ；B e a m - s p r i n gm o d e l 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 I I 页 目录 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一l 1 ．1 研究背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 ．1 管片接头抗弯理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 ．2 衬砌结构设计计算理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 研究内容与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．4 工程背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．4 ．1 工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．4 ．2 地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 第二章煤矿斜井管片接头力学性能的试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．1 试验原理与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 管片接头力学试验装置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．3 管片接头试件制备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．4 测点布置及监测项目⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．4 ．1 接头张开量与张开角⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．4 ．2 接头垂直位移⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．4 ．3 混凝土表面应变⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．4 ．4 试验加载过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 2 ．5 试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．18 2 ．5 ．1 接缝张开量与弯矩关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 2 ．5 ．2 接缝转角与弯矩关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 2 ．5 ．3 混凝土应变⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 2 ．5 ．4 破坏实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 2 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 第三章煤矿盾构斜井管片接头抗弯刚度研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．1 管片接头抗弯刚度‰定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．2 基于数值模拟的抗弯刚度研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 3 ．2 ．1 建模假定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 V 页 3 ．2 ．2 有限元模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．31 3 ．2 ．3 荷载施加方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 3 ．2 ．4 计算工况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 3 ．2 ．5 计算结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 3 ．3 基于试验数据的抗弯刚度研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 3 ．3 ．1 抗弯刚度岛计算过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 3 ．3 ．2 抗弯刚度岛曲线拟合分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 第四章管片接头抗弯刚度对衬砌结构内力的影响研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．1 工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 4 ．1 ．1 管片分块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 4 ．1 ．2 仰拱块截面惯性矩⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 4 ．2 基于刚度迭代的梁．弹簧模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．2 ．1 荷载模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 4 ．2 ．2 接头单元⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 4 ．2 ．3 计算分析流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 4 ．2 ．4 实例计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 4 ．3 接头刚度变化对衬砌内力的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 4 ．3 ．1 内力及位移分布情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 4 ．3 ．2 内力及位移变化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 4 ．4 两种分析模型的比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 4 ．4 ．1 内力及位移分布情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 4 ．4 ．2 弯矩及位移变化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 8 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 攻读硕士学位期间发表的论文科及参加科研情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 ．1 研究背景及意义 目前在我国能源结构中，煤炭依然占据着能源的主体地位【I 】。我国煤炭资源丰富， 在我国一次能源生产和消费结构中的比重分别占7 6 ％和近7 0 ％。由于长期大规模的地下 开采，大量浅部煤炭资源已开采殆尽，现平均开采深度已经达到6 0 0 m 左右。随着煤炭 资源的深部开采，开发难度加大【2 1 。我国的许多煤矿现已经在进行煤炭资源的深部开采， 煤炭开采的运输通道方式主要有两种，一种是立井方式，一种是斜井方式。与斜井方式 相比较，立井方式不仅产量低，而且运营成本也较高。随着无轨胶轮车和大型超长钢丝 绳强力皮带等先进技术的发展应用，采用斜井方式长距离运输煤炭的能力大大提高，斜 井运输方式已经逐渐成为煤炭深部开采运输的主要方式。煤矿斜井一般为长距离小坡度 向地下延伸，采用矿山法施工工期长、造价昂贵、施工安全程度低，而盾构／T B M 工法 施工安全程度高，施工效率高，能够有效地缩短斜井建设周期。因此采用盾构／T B M 工 法修建煤矿长距离斜井，实现煤炭长距离运输已成为当前深部煤炭资源开发的重要课题 【3 】【4 】。 采用盾构／T B M 工法施工的煤矿长距离斜井，煤矿斜井长度长，深度变化大，从地 表浅层岩体逐步进入地下深部岩体，穿越第四系覆盖层直至白垩、侏罗系岩层，不同地 质年代的岩土体物理力学属性存在较大差异，且岩层中常伴随有断层破碎带和软弱夹层。 管片衬砌结构需承受由浅埋深过渡到深埋深不同围岩压力荷载作用，管片受力形式复杂 多样。而管片接头位置为整个盾构衬砌结构的薄弱环节，需对管片接头的受力行为及荷 载承受能力进行重点研究。 目前，盾构／T B M 工法主要应用于铁路公路交通领域，而盾构／T B M 工法应用于煤 矿长距离斜井的工程实例极少，煤矿斜井隧道与铁路公路交通隧道相比，围岩荷载、线 路平纵线型、盾构管片型式均有较大差异。因此有必要对煤矿盾构斜井管片衬砌接头抗 弯力学性能及其对管片衬砌整体结构受力的影响进行研究。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 管片接头抗弯理论 盾构管片衬砌是由盾构管片通过接头螺栓连接而成的整体圆环结构。管片接头的力 学性能对整体结构的力学性能有着显著影响，管片接头的存在会造成整环刚度降低。管 片接头力学特性受多种因素影响，且具有明显的非线性特性，在盾构隧道衬砌结构设计 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 中必须考虑管片接头对整体圆环结构的影响。目前国内外对管片接头的力学特性研究主 要集中在管片接头的抗弯特性方面，接头的抗弯刚度值也是梁一弹簧模型计算与壳．弹簧 模型计算计算中的重要参数。主要的研究方法有理论分析、数值模拟、试验研究。 在理论分析方面，国内外学者针对接缝端面受力状态提出了不同的接缝端面力学模 型。村上智博、小泉淳 1 9 8 0 对钢管片与钢筋混凝土管片接头连接进行了试验研究， 研究假定接缝断面受压区的压应力随管片厚度方向的分布状态为矩形，通过变形协调条 件与静力平衡条件可得到螺栓应力及对应的接头转角【5 1 。陆同寿、崔铁军 1 9 8 7 根据 模型刚度试验实验推导了大偏心受压情况下管片接头抗弯刚度细的理论计算公式【6 1 。陈 三江 1 9 8 6 将管片简化为板，将接头螺栓、弹性密封垫简化为弹簧，建立了刚性板．弹 簧接头模型，推导了管片接头受力的理论公式【7 】。T e o d o rI f t i m i e 1 9 9 2 ，1 9 9 4 忽略弹性 密封垫的影响，假定接缝端面混凝土受压区应力分布形态为抛物线形，认为混凝土的压 缩变形是造成管片接头变形张开的主要原因，从而推到了接头抗弯刚度计算公式【8 1 1 9 1 。 黄钟晖 2 0 0 3 假定接缝受压区应力随管片厚度方向分布表现为抛物线形，建立了管片 接头力学模型，并通过有限元软件建立了三维模型进行分析【1 0 1 。蒋洪胜、侯学渊等 2 0 0 2 ， 2 0 0 4 依托上海地铁二号线盾构法隧道工程，建立了合理的管片接头力学模型，模型考 虑了轴力、弯矩、螺栓预紧力综合作用的影响，并编写了程序对管片接头抗弯刚度进行 分析，得到了管片接头抗弯刚度随多种因素变化的一般规律。曾东洋 2 0 0 5 认为接缝 端面混凝土受压区压应力分布形态为三角形，用正交弹性梁的方法对变形进行计算，用 弹簧模拟接头螺栓，推导了管片接头抗弯刚度计算公式[ 1 3 】。吴兰婷 2 0 0 5 考虑了弹性 衬垫的影响，采用经典条带算法对管片接头抗弯刚度进行了计算分析，并建立了有限元 模型，对管片接头的非线性特性进行了合理模拟，同时探讨了轴力、弯矩、螺栓形式． 螺栓孔高度、弹性衬垫厚度对管片接头抗弯刚度的影响【1 4 1 。张建刚 2 0 0 8 考虑了螺栓 预紧力对接头抗弯刚度的影响，提出了改进的条带算法，结合武汉长江隧道工程，探讨 了承压衬垫、防水衬垫、螺栓连接方式、管片接触状态对管片接头抗弯刚度的影响【1 5 】1 5 。 孙文昊、焦齐柱等 2 0 0 8 合理简化了接头细部构造，忽略了弹性密封垫，将混凝土视 为弹性材料，建立了管片接头抗弯力学模型，并推导了接头抗弯刚度计算公式，并探讨 了多种不同因素对管片接头抗弯刚度的影, A t l 6 】【17 1 。 随着有限元分析软件的大量应用，许多学者采用数值模拟的方法对管片接头抗弯力 学行为进行了研究。张厚美、张正林等 2 0 0 3 采用有限元软件A l g o r 针对盾构管片接 头，建立了三维有限元模型，进行了线弹性与弹塑性两种分析，并将数值模拟结果与试 验结果进行对比分析【1 8 】。曾东洋、何川 2 0 0 4 在三维有限元模型中考虑了衬垫单元与 面．面接触单元，探讨了轴力、弯矩、螺栓预紧力、管片尺寸、衬垫厚度等因素对接头转 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 角与接头抗弯刚度的影响【”1 1 2 0 I ，并结合数值模拟分析结果，对大断面越江盾构隧道管片 接头选型进行了研列2 1 1 。贾永刚，王明年 2 0 0 4 建立了具有螺栓预紧单元与面．面接触 单元的有限元模型，对正负弯矩作用下管片接头变形与接头抗弯刚度进行了研究【2 2 1 。廖 少明，闫治国等 2 0 0 6 针对少筋钢纤维管片接头建立了三维非线性有限元模型，对在 施工及运营两阶段中管片接头与手孔局部应力进行了研究，分析了不同荷载作用下管片 接头变形及受力性能[ 2 3 1 。朱伟，钟晓春 2 0 0 6 根据传力衬垫与弹性密封垫压力试验结 果，推导了管片接头抗弯刚度与接头所受荷载的非线性关系，并建立了管片接头抗弯刚 度的双直线模型【2 4 】。严佳梁 2 0 0 6 对国内外接头形式与特点进行了统计，并采用三维 有限元软件对管片接头进行了建模，研究了接头非线性特性【2 5 1 。莫海鸿，陈俊生等通过 三维有限元分析，对管片接头开裂荷载、应力分布情况及裂缝开展分布情况进行了研究 【2 6 1 。彭志忠，何川 2 0 0 8 采用蒙特卡洛算法与响应面法对南京长江隧道管片接头进行 了可靠度分析，研究了多种不同因素对接头抗弯刚度的影响【2 7 1 1 2 8 1 。陈俊生，莫海鸿 2 0 0 9 采用三维有限元法对广州地铁盾构隧道管片接头进行了研究，探讨了不同弯矩作用下， 不同偏心距荷载作用下接头的变形特点，并得到了管片接头的抗弯刚度1 2 9 1 。 采用理论分析与数值模拟对盾构管片接头抗弯力学行为进行研究，均对实际管片接 头进行了大量的简化，且相关计算参数模糊，参数选取主观性强，难以得到关于管片接 头真实准确的结果。为此，国内外大量学者通过试验研究的方式，对管片接头的抗弯力 学性能进行研究，得到更加准确的管片接头抗弯性能参数，以指导工程实践。 林光俊 2 0 0 8 依托东京．横滨输气盾构隧道工程，针对盾构管片接头的抗弯性能进 行了试验研究，并将试验结果与理论公式及有限元计算结果进行了对比分析[ 3 0 1 1 3 1 1 。张厚 美、傅德明等 2 0 0 8 ，2 0 0 2 对穿黄隧道盾构管片接头进行了加载试验，试验一共对九 组管片接头进行了加载，分析了管片接头在不同荷载作用下混凝土应变、接头张开量、 螺栓应力、钢筋应力的变化规律，比较了直板型管片接头与弧形管片接头的差异，试验 结果表明两者差异较小【3 2 】【3 3 】3 3 ，并对试验数据结果进行了拟合，得到了管片接头抗弯刚度 的经验公式【3 4 】。王哲，李京爽 2 0 0 5 对地铁盾构管片接头进行了加载试验，主要研究 了管片接头的弯曲变形特征，得到了管片接头在正负弯矩作用下弯矩一转角关系曲线1 3 5 】。 雷华明，陈俊生 2 0 0 7 在室内对广州地铁盾构管片接头进行了足尺寸加载试验，研究 了管片接头抗弯刚度的变化规律，以及管片接头构造形式等因素对管片接头抗弯刚度的 影响【3 6 1 。苏宗贤 2 0 0 8 针对超大断面水下盾构隧道．南京长江盾构隧道工程进行了全面 的试验加载研究，深入研究了轴力、弯矩等因素对管片接头刚度的影响[ 3 7 1 。兰学平，鲁 亮等 2 0 0 9 对上海崇明长江盾构隧道管片接头开展了试验研究，对管片纵向接头刚度 和环向接头刚度进行了分析[ 3 引。于宁，白廷辉等 2 0 0 8 对预应力管片接头开展了模型 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 试验，通过试验结果，对管片接头抗弯刚度进行了分析，探讨了预应力对管片接头抗弯 刚度的影响作用【3 9 l 。周海鹰，陈廷国等 2 0 1 0 对地铁盾构隧道管片接头进行了试验研 究，探讨了多种不同因素对管片接头的影响规律【4 0 1 。滕丽，吕建中 2 0 1 0 针对排水盾 构隧道管片接头开展了试验加载研究，得到了不同拼装方式下管片接头所受弯矩与接头 转角的关系曲线，并分析了不同拼装方式、不同方向弯矩作用下管片接头的抗弯刚度及 抗弯能力【4 1 1 。陈正杰，杨志豪等 2 0 1 0 对上海崇明长江盾构隧道管片接头开展了加载 试验，探讨了不同方向弯矩作用下，管片接头转角随接头所受弯矩的变化规律【4 2 1 。 可见，国内外学者已经对盾构管片接头抗弯特性进行了大量的研究，主要集中在管 片接头抗弯刚度方面。综合不同的研究结果发现，不同的工程背景下的管片接头刚度差 异较大，采用不同研究方法也难以得到一致结果。因此，对于不同的盾构隧道工程，应 开展合理的试验研究，以得到相对准确的管片接头抗弯刚度及相关抗弯性能。 1 ．2 ．2 衬砌结构设计计算理论 本文主要研究考虑管片接头的盾构隧道单层管片衬砌的力学特性，因此需要对对国 内外隧道衬砌结构计算理论进行调查研究。目前国际隧道协会将隧道等地下结构的设计 计算方法分为四大类通过工程类比进行设计的经验法；根据现场测试并进行试验研究 的实用设计法；用作用．反作用模型进行计算的设计方法；用连续介质模型进行计算的设 计方法。刘建航、候学渊在总结国内外隧道设计特点的基础上，将隧道接头设计归纳为 四种经验类比设计法、收敛约束法、荷载结构法、地层结构法【4 3 1 。 盾构隧道作为一种预制衬砌结构隧道，具有施工安全可靠，掘进速度快速等方面的 优势，国内外大量学者对盾构隧道衬砌设计计算方法和理论进行了广泛的研究。 H e w e t 1 9 2 2 最先提出在进行圆形衬砌结构内力计算时应考虑周围岩层弹性抗力 的影响，在假定圆形衬砌两侧位移为零前提下进行地层抗力计算，忽略了衬砌变形的影 响【4 4 1 。S c h m i d 1 9 2 6 考虑了衬砌与围岩的相互作用，并弹性介质对盾构隧道进行计算 分析，该方法在大厚度衬砌结构时能够得到较好的结果【4 5 1 。波德洛夫 1 9 3 6 总结了苏 联地铁施工经验，提出用在地铁衬砌计算中采用W i n k l e r 假设，假定隧道径向位移值按 照三角级数分布，三角级数的各项系数按照最小功能原理计算得N t 4 6 1 。波德洛夫、马捷 里 1 9 3 9 提出用刚性链杆来模拟地层与衬砌结构的相互作用，链杆等效参数按照地层 变形符合W i n k l e r 假设进行计算【4 7 1 。B u l l 1 9 4 4 在圆形衬砌结构受力计算中合理考虑 弹性抗力的影响，忽略取消掉隧道顶部受拉链杆作用。各荷载按照叠加原理进行计算， 径向位移按照沿着衬砌个划分点等分的方式进行处理[ 4 8 1 。E n g e l b r e t h 1 9 5 7 将圆形衬砌 等效为连续介质模型，按照平面应变假定，采用理论推导方法得到了衬砌应力与变形的 解析解。月本土木协会 1 9 6 0 针对盾构隧道设计计算，提出了惯用设计法，该方法忽 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 略了管片接头的影响，将衬砌视为均质结构，并假定仅在水平方向．4 5 0 - - 4 5 0 范围内地层 抗力按照三角形分布，通过理论推导得到了衬砌各个位置处弯矩、轴力、剪力的解析解 [ 5 0 1 。M o r g a n 1 9 6 1 假定圆形衬砌在受到地层荷载作用后变形为规整椭圆形，不考虑地 层对衬砌结构作用的切应力、切应变，推导了圆形衬砌结构各个位置处内力的解析解【5 1 1 。 S c h u l z e 、D u d d e k 1 9 6 4 对地层与衬砌进行合理简化，通过理论推导，得到了浅埋圆形 隧道的内力的解析解【5 2 1 。K u b o 1 9 6 8 考虑了盾构管片接头的影响，提出了采用梁一弹 簧模型对衬砌结构内力进行计算，该方法将管片用梁单元模拟，将管片接头用弹簧单元 模拟[ 5 3 1 。P e c k 1 9 7 2 研究了盾构隧道先开挖，后按照管片衬砌结构受力过程进行了研 究，得到了管片衬砌内力解析解1 5 4 1 。D a r 1 9 7 4 对超压加载后的管片衬砌结构进行了 研究，推到了理论解【5 5 1 。M u i r w o o d 1 9 7 5 对M o r g a n 提出的方法进行了改进，考虑了 地层产生的切向应力以及初始地应力作用，考虑了接头的存在对管片整体结构的影响， 对管片衬砌刚度进行了折减【5 6 1 。C u r t i s 1 9 7 6 进一步改进了M u i r w o o d 提出的方法，考 虑了时间效应，在计算时考虑隧道径向变形以及衬砌围岩