煤矿斜井管片衬砌结构受力分析.pdf

国内图书分类号U 4 5 5 ．4 3 国际图书分类号6 2 4 密级公开 西南交通大学 硕士研究生学位论文 年级三Q 二四级 姓名逛圣基 申请学位级别王堂亟 专业叠鋈皇隧道王猩 指导教师鱼刖塾拯 二零一七年五月 一奄一屯平丑月 万方数据 C l a s s i f i e dI n d e x U 4 5 5 ．4 3 U ．D ．C 6 2 4 S o u t h w e s t J i a o t o n gU 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 M E C H A N I C A LB E H A V I O RO FS E G M E N T L I N I N G ⅢC O A LM I N E ⅢC L I N E DS H A F T G r a d e C a n d i d a t e A c a d e m i cD e g r e eA p p l i e df o r S p e c i a l i t y S u p e r v i s o r 2 0 1 4 W A N G D o n g b i n g M a s t e ro f E n g i n e e r i n g B r i d g ea n dT u n n e lE n g i n e e r i n g 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分内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“寸’ 学位论文作者签名茳尽晏 醐卅，主．一 指导老师签名歹雳／1 嘴≯ - j j 穗’ 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 考虑软岩峰后应变软化与扩容效应，采用理论解析方法，得到深埋圆形巷道 受非轴对称荷载作用下的围岩位移、应力及塑性区范围的解析解，并将其与理想弹塑 性下的围岩塑性区半径结果进行对比。在此基础上，利用快速拉格朗日有限差分软件 内置应变软化模型对隧道围岩进行模拟，以研究应变软化和体积扩容参数对围岩位移 和管片应力的影响。 2 借助快速拉格朗日有限差分软件，对采用管片预留可压缩层施工工艺的单护 盾T B M 开挖和支护隧道进行数值模拟。研究隧道开挖支护后的围岩位移和管片应力随 豆砾石层灌浆滞后距离的变化规律，并据此确定不同埋深情况下的豆砾石层合理灌浆 滞后距离。 3 采用快速拉格朗日有限差分软件内置B u r g e r s 黏弹塑性蠕变本构模型，对大 埋深软岩隧道长期蠕变效应进行数值模拟研究。分析在不同埋深、不同侧压力系数情 况下的煤矿斜井，在建成1 0 0 年内围岩位移和管片应力随时间的变化规律，以研究隧 道的长期安全性。 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己经发表或撰 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。 学位论文作者签名芦冬兵 日期为刁 『] 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 随着国民经济的高速发展，煤炭能源消耗量逐年增长，许多煤矿已进入深部开采 阶段。采用安全高效的T B M 施工工法，以斜井形式快速进入开采工作面已成为目前深 部煤矿开采的首选方案。在深部高地应力软岩中采用T B M 工法修建煤矿斜井时，如何 有效地减小作用在管片衬砌上的塑性形变压力及保证隧道在具有显著蠕变效应的软岩 中的长期安全性，成为斜井设计和施工中的关键难题。 本文以神华新街台格庙矿区T B M 工法长距离试验斜井工程为依托，结合煤炭联合 基金项目复杂条件下T B M 盾构 修建煤矿巷道 斜井 的衬砌结构设计基础理论， 针对斜井“大埋深、软弱围岩’’的特点，分别开展深埋软岩隧道基于应变软化模型的 弹塑性分析、T B M 施工合理灌浆滞后距离以及蠕变效应下的长期安全性研究，以期为 单护盾T B M 过软岩段施工难题提供参考。本文主要研究内容及成果如下 1 基于应变软化模型，推导得到深埋圆形巷道受非轴对称荷载作用下的围岩位 移、应力及塑性区范围的解析解。结果表明，应变软化模型的塑性区半径大于理想弹 塑性模型的结果，但两者塑性区的分布规律一致。在此基础上，利用F L A C 3 D 内置应 变软化模型模拟隧道围岩，研究不同程度的粘聚力软化、内摩擦角软化及剪胀角软化 对隧道开挖支护后的围岩位移、塑性区范围和管片应力的影响，结果表明，随软化程 度的加大，围岩位移、塑性区范围及管片应力均有所增大，从而说明对深埋软岩隧道， 考虑岩体的应变软化效应是十分必要的。 2 借助F L A C 3 D 内置应变软化模型模拟隧道围岩，对采用管片预留可压缩层支 护施工工艺的单护盾T B M 开挖和支护隧道进行数值模拟，研究围岩位移和管片应力随 豆砾石层灌浆滞后距离的变化规律。计算结果表明，随豆砾石层灌浆滞后距离的增大， 围岩位移逐渐增大，而管片应力逐渐减小。在此基础上，以管片第一主应力最大值开 始小于管片混凝土设计强度时的滞后距离为最短滞后距离，以围岩位移增长速率明显 减小时的滞后距离作为合理滞后距离，由此确定了不同埋深情况下的豆砾石层合理灌 浆滞后距离。 3 采用F L A C 3 D 内置B u r g e r s 黏弹塑性蠕变本构模型，对大埋深软岩隧道长期 蠕变效应进行数值模拟研究。分析在不同埋深、不同侧压力系数情况下的煤矿斜井， 在建成1 0 0 年内围岩位移和管片应力随时间的变化规律，以研究隧道的长期安全性。 关键词煤矿斜井；管片衬砌；软岩；应变软化模型；蠕变 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 I 页 A b s t r a c t A l o n gw i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y ，c o a le n e r g yc o n s u m p t i o ni n c r e a s e s w i t ht h ey e a r s ，w h i c hm a k e sc o a lm i n e di nad e e p e rd e p t h ．C u r r e n t l y ，t h ef i r s ts e l e c t e d m e t h o do fd e e p b u r i e dc o a lt u n n e le x c a v a t i o ni st h em o r es a f e t ya n de f f i c i e n tT u n n e lB o r i n g M a c h i n e T B M m e t h o d ，w h i c hi sc o m b i n e dw i t hi n c l i n e ds h a f tt or a p i d l yr e a c ht h em i n i n g f a c e ．W h e nT B Mm e t h o di ss e l e c t e dt oe x c a v ei n c l i n e ds h a f ti nd e e pr o c km a s su n d e rt h e h i g hg e o s t r e s sc o n d i t i o n s ，t h e r ea r et w oi n t r a c t a b l ep r o b l o m si nt h ep r o c e s so fd e s i g na n d c o n s t r u c t i o n ．T h ef i r s tt r o u b l ei sh o wt oe f f i c i e n t l yr e d u c et h ep l a s t i cd e f o r m a t i o np r e s s u r e a p p l i e do ns e g m e n t s ，a n dt h eo t h e ri sh o wt om a k es u r et h el o n g - t e r ms a f e t yo ft u n n e l c o n s t r u c t e di ns o f tr o c km a s sw i t has i g n i f i c a n tc r e e pe f f e c t ． B a s e do nt h el o n gi n c l i n e ds h a f tb yT B Mm e t h o di nT a i g e m i a o ，X i n j i ea n dc o m b i n e d w i t ht h ep r o j e c tn a m e d ‘‘F u n d a m e n t a lr e s e a r c ho nd e s i g nt h e o r yo fc o a lm i n er o a d w a y i n c l i n e d - s h a f t l i n i n gs t r u c t u r e sc o n s t r u c t e db yT B M s h i e l dm a c h i n e i nc o m p l e xc o n d i t i o n ” f r o mC o a lU n i t e dF o u n d a t i o n ，t h i st h e s i sa n a l y s e st h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n ti ns u r r o u n d i n g r o c kc o n s i d e r i n gt h es t r a i ns o f t e n i n g ，e x p l o r et h er e a s o n a b l e l a gg r o u t i n gd i s t a n c ea n d r e s e a r c ht h ei n f l u e n c eo fc r e e pi ns u r r o u n d i n gs o f tr o c ko nd e e p - b u r i e dt u n n e l ．T h er e s u l t s f r o mt h i sr e s e a r c hc a np r o v i d er e f e r e n c ef o rs i m i l a re n g i n e e r i n g ．T h em a i nc o n t e n t sa n d c o n c l u s i o n sf r o mt h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s 1 T h es o l u t i o no fd i s p l a c e m e n t , s t r e s sa n dp l a s t i cz o n ei ns u r r o u n d i n gr o c k ，u n d e rt h e c o n d i t i o nt h a tt h ec i r c u l a rt u n n e li sl o a d e db yn o n - a x i s y m m e t r i c a li n i t i a lg e o s t r e s s ，c a nb e a n a l i t i c a l l yd e d u c t e db a s e do nt h es t r a i n s o f t e n i n gm o d e l ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h er a d i u so f p l a s t i cz o n ed e d u c t e da b o v ei sb i g g e rt h a nt h eo n eb a s e do nt h ei d e a le l a s t o p l a s t i cm o d e l ，b u t t w om o d e lh a st h es a m ed i s t r i b u t i o nr u l eo fp l a s t i cz o n e ．T h e nt h es o f t e n i n gi n f l u e n c eo f c o h e s i o n ，i n t e r n a lf r i c t i o na n g l ea n dd i l a t i o na n g l eo nr o c kd i s p l a c e m e n t ，p l a s t i cz o n er a d i u s a n d s e g m e n t s t r e s si s e x p l o r e db ys i m u l a t i n g t h e s u r r o u n d i n g r o c kw i t he m b e d d e d “s t r a i n s o f t e n i n gm o d e l ”i nF L A C 3 Ds o f t w a r e ．T h er e s u l t si n d i c a t et h a tr o c kd i s p l a c e m e n t ， p l a s t i cz o n er a d i u sa n ds e g m e n ts t r e s si n c r e a s e 砸mt h ei n c r e a s e ds o f t e n i n gd e g r e e ，w h i c h p r o v e st h a ti ti se s s e n t i a lt oc o n s i d e rt h es t r a i ns o f t e n i n ge f f e c ti nd e e p b u r i e dt u n n e lw i t l l s o f ts u r r o u n d i n gr o c k ． 2 T h ee x c a v a t i o na n ds u p p o ap r o c e d u r ei nt u n n e lc o n s t r u c t i o nb ys i n g l es h i e l dT B M ， a d o p t i n gt h ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo fc o m p r e s s i b l el a y e r ，a r es i m u l a t e db yF L A C 3 Df i n i t e d i f f e r e n c es o f t w a r e ，i nw h i c ht h e s u r r o u n d i n g r o c ki sm o d e l l e d b y e m b e d d e d 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 I I 页 “s t r a i n s o f t e n i n gm o d e l ”i nF L A C 3 Ds o f t w a r e ．T h ei n f l u e n c eo fl a gg r o u t i n gd i s t a n c eo nt h e r o c kd i s p l a c e m e n ta n ds e g m e n ts t r e s si se x p l o r e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tr o c kd i s p l a c e m e n t a n ds e g m e n ts t r e s si n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s e dl a gg r o u t i n gd i s t a n c eo fg r a v el a y e r ．T h e nt h e s h o r t e s tl a gg r o u t i n gd i s t a n c ei st h eo n ew h e nm a x i m u mo ff i r s tp r i n c i p a ls t r e s si sf i r s t l y l o w e rt h e nt h ed e s i g ns t r e n g t ho fs e g m e n tc o n c r e t e ，w h i l et h er e a s o n a b l el a gg r o u t i n g d i s t a n c ei st h eo n ew h e nt h eg r o w t hr a t eo fr o c kd i s p l a c e m e n ts i g n i f i c a n t l yd e c r e a s e s ． A f l e r w a r e s ，t h er e a s o n a b l el a gg r o u t i n gd i s t a n c eo fg r a v el a y e rf o rt u n n e lc o n s t r u c t e di n d i f f e r e n td e p t hi sr e a c h e d ． 3 T h ee f f e c to fr o c kc r e e po nd e e p - b u r i e dt u n n e ls u r r o u n d i n gb ys o f tr o c ki s n u m e r i c a l l ys t u d i e db ya d o p t i n gt h ec o n s t i t u t i v em o d e lo fv i s c o e l a s t i c p l a s t i cB u r g e r s e m b e d d e di nF L A C 3 D ．T h ec h a n g eo fd i s p l a c e m e ti ns u r r o u n d i n gr o c ka n ds e g m e n ts t r e s s w i t hc r e e pt i m ew i t h i n10 0y e a r sa f t e rt u n n e lc o n s t r u c t i o ni se x p l o r e dt oe v a l u a t et h e l o n g - t e r ms a f e t yo ft u n n e l ，a f t e rw h i c ht h et u n n e l si nd i f f e r e n td e p t h sa n dd i f f e r e n tl a t e r a l p r e s s u r ec o e m c i e n t sa r es t u d i e du s i n gs i m i l a rm e t h o d ． K e yw o r d s C o a lm i n ei n c l i n e ds h a f t ；S e g m e n tl i n i n g ；S o f tr o c k ；S t r a i ns o f t e n i n gm o d e l ； C r e e p 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 v 页 目录 摘 要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I 第1 章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 研究背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 深埋圆形巷道围岩弹塑性分析研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 软弱围岩支护理论研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．2 ．3 深埋软岩隧道合理支护时机研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．2 ．4 隧道围岩蠕变特性研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 依托工程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．3 ．1 试验斜井工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．3 ．2 斜井穿越地层概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．3 ．3 管片衬砌参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．4 研究内容与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 ．4 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 ．4 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 第2 章深埋圆形巷道围岩应变软化模型弹塑性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 ．1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11 2 ．2 软岩基本理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．2 ．1 工程软岩基本特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 ．2 软岩巷道弹塑性状态圈状模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．3 考虑围岩软化与扩容的圆形巷道弹塑性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．3 ．1 弹塑性基本理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 2 ．3 ．2 非轴对称荷载作用下圆形巷道弹塑性解析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 2 ．3 ．3 主要参数计算结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 2 ．3 ．4 塑性区半径求解工程应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 2 ．4 理想弹塑性模型和应变软化模型的对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 2 ．4 ．1 两种模型解析解对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 2 ．4 ．2F L A C 3 D 应变软化模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 2 ．4 ．3 两种模型数值模拟对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 8 2 ．5 岩体软化参数敏感性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．31 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文第V 页 2 ．5 ．1 粘聚力软化的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．31 2 ．5 ．2 内摩擦角软化的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 2 ．5 ．3 剪胀角软化的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 0 2 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 第3 章深埋软岩隧道T B M 施工合理灌浆滞后距离研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 3 ．1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 3 ．1 ．1 管片预留可压缩层支护施工工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 3 ．1 ．2 可压缩层等效弹性模量求解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 6 3 ．2 管片预留可压缩层支护的隧道施工模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 3 ．2 ．1 基本参数准备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 3 ．2 ．2 数值模型概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 0 3 ．2 ．3 盾构掘进数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 3 ．3 灌浆滞后距离对围岩位移与管片应力的影响研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 3 ．3 ．1 围岩位移变化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 3 ．3 ．2 管片应力变化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 3 ．3 ．3 豆砾石灌浆滞后距离对围岩位移的影响研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 3 ．3 ．4 豆砾石灌浆滞后距离对管片应力的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 0 3 ．3 ．5 可压缩层灌浆滞后的合理时机研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 4 3 ．4 不同埋深下可压缩层支护合理灌浆时机研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 3 ．4 ．1 计算工况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 3 ．4 ．2 各埋深下合理灌浆时机研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 3 ．4 ．3 各埋深下灌浆滞后距离的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 2 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 4 第4 章围岩蠕变对深埋隧道长期安全性的影晌研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 5 4 ．1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 5 4 ．1 ．1 岩石流变概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 5 4 ．1 ．2 岩石典型蠕变曲线与蠕变类型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 5 4 ．1 ．3 岩石典型蠕变模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 7 4 ．2 蠕变模型选择及参数辨识⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 8 4 ．2 ．1 参考蠕变试验曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 8 4 ．2 ．2C v i s c 模型本构方程及蠕变方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 9 4 ．2 ．3C v i s c 模型的参数辨识⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8l 4 ．2 ．4F L A C 3 D 蠕变分析原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 3 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文第V I 页 4 ．3 围岩长期蠕变对深埋隧道的影响研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 3 4 ．3 ．1 模型概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 3 4 ．3 ．2 隧道围岩长期蠕变效应分析计算步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 4 4 ．3 ．3 计算工况及分析思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 5 4 ．3 ．4 围岩长期蠕变对围岩位移和管片应力的影响研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 5 4 ．3 ．5 不同埋深下的围岩长期蠕变效应研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 0 4 ．3 ．6 不同侧压力系数下的围岩长期蠕变效应研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 4 4 ．3 ．7 环向刚度折减对围岩位移和管片应力的影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 8 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 0 结论与建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一10 2 至炙谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 0 5 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 9 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 1 ．1 研究背景及意义 “十三五”的煤炭工业发展规划明确指出，在我国的能源结构中，煤炭是基础能 源和重要原料，在一次能源中，煤炭将长期是主体能源【l 】。2 0 1 5 年，中国煤炭实际产 量为3 7 ．5 亿吨；计划2 0 2 0 年煤炭产量达到3 9 亿吨【l 】。但因地球浅部煤炭资源几乎已 开采殆尽，当前煤炭资源呈现出“储藏埋深大”的特点，在已探明煤炭储量中，埋藏 深度超过l k m 的占5 3 ％1 2 】。煤炭“高需求、大埋深”的特点，则对煤炭开采的效率提 出了极高的要求。当前，煤矿开采快速进入深部综采工作面的方式主要有斜井和立井， 而斜井凭借其运营成本低、产量高的优势，成为国内诸如神华神东补连塔煤矿等大型 煤矿的首选形式【3 j 。但与立井相比，斜井施工距离长，对深埋长大隧道，若采用平均月 进尺为7 0 m - 1 0 0 m 的传统钻爆法施工，工期必然相当漫长，而若采用T B M 法施工，其 平均月进尺可实现高达5 0 0 m ，将极大地缩短工期，创造非常可观的经济效益H J 。此外， 采用机械化程度高的T B M 工法对煤矿斜井进行施工，能极大地减少煤矿安全事故。可 以预见，T B M 将在我国深埋长大斜井建设中发挥至关重要的作用。 开发深部煤矿资源，必然会遇到深埋问题和软岩问题。对于深埋隧道工程，围岩 压力不再像浅埋隧道那样以松散压力为主，而是以形变压力为主；因埋深大，在隧道 开挖后应力重分布的过程中，不仅表现出弹性变形，还会产生较大或较长时间的塑性 变形，对支护结构产生较大的塑性形变压力【5 J 。而软岩存在明显的软化特性，即围岩参 数随着变形的发展而逐渐降低，这将进一步增大隧道开挖后的塑性区范围，进而引起 塑性形变压力的增大【6 】。因此，对于深埋、软岩隧道围岩应力及围岩压力的研究显得极 为重要。 据统计，每年大约有1 0 0 k m 的软岩隧道需要返修、维护1 7 J ，其原因在于对软岩隧 道的变形程度估计不足，以致支护措施不到位。软岩隧道与硬岩隧道在支护理念上存 在差异，硬岩隧道支护理念认为，硬岩在达到屈服准则后，强度软化阶段经历的塑性 应变极小，硬岩很快进入残余变形阶段，且残余强度降低明显，故在硬岩隧道中，围 岩不允许产生塑性区；而软岩隧道具有很大的塑性变形能力，其峰后强度软化阶段经 历的塑性应变较大，且残余强度一般仍然较大，故在软岩隧道中，可允许产生一定范 围的塑性区来释放软岩中存在的巨大塑性变形能【8 J 。因此，在深埋软岩隧道发生软岩大 变形时，常需要选择合适的支护时机，在保证围岩稳定的前提下允许围岩发生一定的 变形以释放变形能。单护盾T B M 施工中围岩的变形释放因受到扩挖量和盾尾间隙的限 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 制，在高地应力地段，应力释放的程度往往不够，故有必要采用能增加变形释放的措 施以减小作用在支护结构上的围岩压力，使支护结构满足强度要求【9 1 。本文在传统施工 方法的基础上，采用壁后注浆滞后豆砾石吹填的施工工艺来增加应力释放的程度，以 达到支护结构合理受力的要求。由于本文以埋深不断变化的斜井为依托工程，故有必 要对不同埋深情况下的合理灌浆滞后距离进行研究。 软岩在高地应力下，不仅会表现出围岩强度参数降低的软化特性，还会表现出变 形随时间增加而不断增大的流变特性。隧道赋存于软岩中，其受力性能势必受到软岩 流变特性的影响。工程实践和研究均表明，隧道发生的破坏往往不是在隧道开挖完成 或工程完工后立即发生的，而是在隧道运营几年甚至几十年后，由围岩流变引起的衬 砌结构破坏造成的【1 0 J 。而软岩其流变效应更加明显，甚至会影响深部隧道的施工期的 力学性态，进而对初期支护结构的效果产生影响。但对单护盾T B M 施工的隧道，由于 管片紧随盾壳施工，不存在任由围岩发生位移的初期支护，故T B M 隧道施工期的流变 效应可以忽略，仅考虑围岩长期蠕变对支护结构受力的影响。 基于以上考虑，本文以神华新街台格庙矿区T B M 工法长距离试验斜井工程为依托， 结合煤炭联合基金项目复杂条件下T B M 盾构 修建煤矿巷道 斜井 的衬砌结构 设计基础理论，针对斜井“高地应力、大埋深、软弱围岩”的特点，分别开展深埋 软岩隧道围岩塑性形变压力、管片配合可压缩层支护工艺合理灌浆滞后距离以及围岩 长期蠕变对深埋隧道的影响研究，以期为单护盾T B M 过软岩段施工难题提供参考，在 理论研究和工程实践上具有重大的意义。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 深埋圆形巷道围岩弹塑性分析研究现状 巷道支护理论的发展历史长达百余年，巷道支护理论的首要问题是如何确定作用 在支护结构上的荷载。因此，支护理论的发展与围岩压力理论的发展密不可分。一般 认为，围岩压力理论的发展包含三个阶段古典压力理论阶段、散体压力理论阶段以 及围岩与初期支护相互作用的现代支护理论阶段【1 1 】。古典压力理论认为，上方岩土体 以自重的形式作用于支护结构上的力即为围岩压力。但随隧道工程埋置深度的增大， “围岩为承载主体、支护结构仅能承担很小一部分“ 的塌落拱理论 散体理论 逐渐 为人们接受，主要包括太沙基理论和普氏拱理论。太沙基理论认为塌落拱的形状为矩 形【1 2 l ，而普式拱理论则认为塌落拱的形状呈抛物线形【1 3 】。散体理论提出的“围岩自承 能力”理念意义重大，为现代支护理论的出现奠定了基础。2 0 世纪5 0 年代后，人们逐 渐发现，深埋巷道开挖后，围岩常进入塑性状态，于是巷道围岩稳定的弹塑性分析理 论逐渐发展起来【l 引。 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 在深埋隧道围岩的应力分布及围岩压力研究方面，国内外学者采用连续介质理论， 对圆形隧道的解析解进行了研究。这些研究或通过选用不同的岩体本构模型【”】- 【1 7 】，或 通过选用不同的强度准则【1 8 1 。【2 0 1 ，来对围岩的位移和应力进行细致深入的研究。深埋隧 道围岩应力的研究与岩体力学的发展密不可分，许多岩石力学研究者以经典的弹塑性 理论为基础，对隧道开挖后围岩的应力分布及围岩压力进行过研究【2 l 】‘【2 3 1 。这些弹塑性 理论比较严密，但是由于数学运算太复杂，往往很难得到解析解。为了简化计算，一 般总是对深埋圆形隧道在侧压力系数为1 的情况下进行分析，因其应力轴对称，数学 上容易求解。在这当中比较有名的有F e n n e r 公式、K a s t n e r 公式、C a q u o t 公式。 F e n n e r 公式和K a s t n e r 公式忙4 J 均将岩体视为理想弹塑性体，并假设围岩受轴对称荷 载作用，研究隧道开挖后的围岩塑性区与岩体