盾构法施工煤矿斜井围岩变形规律及管片安全性评价

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煤炭是我国的主要能源,是当今世界五大能源之一,在我国能源结构和经济结构中,都占据着非常重要的地位。煤矿开采有立井、斜井、平硐和综合开拓等方式,采用盾构法施工煤矿斜井对于我国煤矿建井技术是一场革命,对于煤矿安全、高效生产具有重要的社会、经济、现实意义。盾构法是一种采用全断面掘进机施工隧道的先进技术,在长隧道施工中已得到普遍应用,它能创造安全的施工环境,加快隧洞掘进速度。本文以神华集团新街能源有限责任公司台格庙矿区矿井建设为依托,对盾构法施工煤矿斜井围岩变形规律及管片安全性评价开展研究。根据地层的不同,将斜井沿走向分为四段,利用MIDAS/GTS有限元软件分别建立三维模型,模拟盾构掘进以及管片支护过程,然后分析盾构掘进过程中隧道围岩变形及应力分布规律。在此基础上,结合荷载结构法,利用MIDAS/Civil软件建立管片模型,对管片内力进行数值模拟计算,然后利用安全系数法和极限状态设计对管片的承载力进行验算。最后通过对管片安全性的分析,反推得到各段斜井底层管片所能承受的最大水压力。论文研究成果为管片设计及盾构施工奠定基础,本文得到的主要结论如下所示:(1)盾构管片支护后,开挖面后方的围岩在隧道拱顶出现一个沉降区域,最大沉降位置位于围岩的拱顶处,远离拱顶的距离越大,其相应围岩发生的沉降量越小;在隧道底部出现一个卸载隆起区域,最大隆起位置位于围岩的拱底处,远离拱底距离越大,其相应的围岩隆起量也越小。沉降区域和隆起区域随着盾构的推进而不断扩大,最大值也随着开挖面的前进而不断增加。(2)随着盾构的掘进,模型横断面处地层的横向沉降值也在不断增大,沉降变化最大的地方位于隧道中心线的围岩处;离隧道中心线的距离越大,其沉降值也在逐渐减少。(3)斜井隧道开挖之前,地层应力分布图基本上成阶梯增加,在最底层达到最大,且上面地层较下面地层变形大。隧道开挖过程中,岩体应力较开挖前变化比较大,并且在隧道中心轴附近出现局部的应力集中现象。(4)随着盾构的不断推进,衬砌管片的内力不断变化。管片最大弯矩值出现在拱底处,最大轴力值出现在左右拱腰处,并且内力值随着地下水水头高度的增加不断变大,但是最大值出现的位置不会改变。随着水压力的增大,同一地层管片的安全系数在不断减小。
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