tbm（盾构）施工斜井管片和锚喷衬砌结构力学特性研究

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1、ChinaUniversityofMining&Technology,Beijing博士学位论文TBM（盾构）施工斜井管片和锚喷衬砌结构力学特性研究学院：力学与建筑工程学院学号：TBP120602016作者：杨悦学科专业：岩土工程导师：侯公羽2015年6月中图分类号：U455.4密级：gong单位代码：11413博士学位论文中文题目：TBM（盾构）施工斜井管片和锚喷衬砌结构力学特性研究英文题目：ResearchonMechanicalCharacteristicsofSegmentandBolt-shotcreteLiningStructurei

2、nInclined-shaftConstructedbyTBM(Shield)作者：杨悦学号：TBP120602016学科专业：岩土工程研究方向：岩土力学理论与工程导师：侯公羽职称：教授论文提交日期：2015年4月16日论文答辩日期：2015年6月10日学位授予日期：2015年6月24日中国矿业大学（北京）II独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国矿业大学（北京）或其他教学机构的学位或证书而

3、使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。作者签名：日期：关于论文使用授权的说明本人完全了解中国矿业大学（北京）有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅或借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）作者签名：导师签名：日期：.摘要我国煤炭资源作为主要能源的现状在短时间内无法改变，煤炭的开采深度逐年增大，对于深部煤矿斜井的应用会越来越多。为了提高建井施工效率，选用TBM（盾构）进行斜井的建设

4、势在必行。但关于TBM（盾构）施工斜井的衬砌结构受力性能的研究还不成熟，深部斜井的相关研究也较少。本文针对神华新街台格庙矿区TBM（盾构）施工段斜井的工程地质资料、支护结构设计和施工方法等，充分运用弹塑性力学、隧道力学、岩石力学、结构力学、煤矿地质学等理论进行了大量的理论推导，得到了围岩、管片衬砌结构和锚喷支护结构的位移、应力和应变的解析解。采用FLAC3D软件对TBM（盾构）施工过程进行了全过程数值模拟。采用ANSYS有限元软件对管片衬砌结构在非均匀荷载作用下的内力进行了数值计算。主要完成了以下工作：1、开挖面空间效应的理论分析和数值分析（1）

5、考虑到软岩变形不是瞬间完成的，需要开挖面不断地向前开挖，进而释放开挖面的约束效应才能得到充分变形这一特点，本文首先借助既有公式，计算了TBM（盾构）开挖过程中每个开挖步对应的围岩位移。总结了考虑开挖面空间效应的影响，在TBM（盾构）开挖过程中围岩位移的发展规律。（2）采用FLAC3D软件对TBM（盾构）开挖过程进行了全过程模拟，暂不考虑支护过程。选取了长59.5m的开挖范围，每个开挖步进尺为1.5m。提取了每个开挖步对应的围岩位移和围岩应力，总结了二者随开挖步的变化规律。（3）将围岩位移的解析解和数值解对比分析。结果表示，二者在随掌子面推进过程中

6、的发展规律是一致的。掌子面在观察面之前2倍洞口半径时，观察面处开始产生位移，直到经过观察面以后5倍洞口半径为止，位移达到稳定。另外，还可以看出，埋深越大时围岩位移释放的越慢，达到稳定状态需要的时间越长。（4）将围岩应力的解析解和数值解进行对比分析，应力变化的主要特征基本相同。径向应力在开挖后大幅度降低，切向应力大幅度增加。但是数值解和解析解变化过程略有不同，解析解在开挖前后没有逐渐变化的过程，只是在开挖的瞬间发生突变。而数值解在开挖前后有一个逐渐变化过程。数值解更符合实际工况，而围岩应力的既有公式没有考虑开挖面空间效应的影响。2、对锚喷支护结构的

7、力学特性进行理论研究和数值计算（1）对于锚喷支护结构，通过理论计算确定了斜井在300m、400m、500m和600m四个埋深处的最早支护时机，分别是在与掌子面距离为2.5倍、2.56倍、2.98倍和3.34倍的洞口半径处。由此得出埋深越大的断面最早支护时机越晚的结论。（2）求解了锚喷支护结构在TBM（盾构）施工过程中的应力解析解，对比分I析了几种不同支护时机下锚喷支护结构的应力发展过程。得出当埋深一定时，支护结构施设得越晚，其应力越小的结论。虽然对其本身受力是有利的，但是如果支护过晚，可能造成围岩破坏。（3）用FLAC3D软件对最早支护时机下的T

8、BM（盾构）开挖、锚喷支护过程进行仿真模拟，计算了锚喷支护结构的位移和应力的数值解，探明二者在施工过程中的变化规律。并将锚喷支护时和只开