• ISSN 0258-2724
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煤矿斜井管片衬砌与可压缩层联合支护的效果

齐春 何川 封坤 肖明清

齐春, 何川, 封坤, 肖明清. 煤矿斜井管片衬砌与可压缩层联合支护的效果[J]. 西南交通大学学报, 2018, 53(4): 772-781. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.04.015
引用本文: 齐春, 何川, 封坤, 肖明清. 煤矿斜井管片衬砌与可压缩层联合支护的效果[J]. 西南交通大学学报, 2018, 53(4): 772-781. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.04.015
QI Chun, HE Chuan, FENG Kun, XIAO Mingqing. Combined Support of Segmental Lining and Compressible Layer of Coal Mine Shafts[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2018, 53(4): 772-781. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.04.015
Citation: QI Chun, HE Chuan, FENG Kun, XIAO Mingqing. Combined Support of Segmental Lining and Compressible Layer of Coal Mine Shafts[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2018, 53(4): 772-781. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.04.015

煤矿斜井管片衬砌与可压缩层联合支护的效果

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.04.015
基金项目: 

国家重点研发计划资助项目 2016YFC0802205

国家自然科学基金资助项目 51578462

国家自然科学基金资助项目 U1361210

国家重点研发计划资助项目 2016YFC0802202

国家重点研发计划资助项目 2016YFC0802201

详细信息
    作者简介:

    齐春(1988-), 男, 博士研究生, 研究方向为现代盾构隧道技术与设计理, E-mail:qichun0304@126.com

    通讯作者:

    何川(1964-), 男, 教授, 博士生导师, 研究方向为地铁及水下盾构隧道结构理论、大型及复杂交通隧道结构安全及长大交通隧道运营控制等, E-mail:chuanhe21@163.com

  • 中图分类号: TD262

Combined Support of Segmental Lining and Compressible Layer of Coal Mine Shafts

  • 摘要: 为研究盾构斜井管片衬砌与可压缩层联合支护体系中可压缩层参数对管片衬砌力学性能的影响,以神华新街台格庙矿区主斜井工程为依托,建立考虑管片衬砌与可压缩层之间接触效应和管片整环刚度折减效应的数值计算模型,分析有无可压缩层、不同可压缩层刚度及厚度等因素下管片衬砌内力和变形的分布规律和变化情况;采用相似模型试验对上述问题进行了进一步研究,并对有无可压缩层时管片的极限承载力和破坏形式进行了探讨.研究结果表明:可压缩层刚度越大,管片所受围岩压力越大且分布越不均匀,同时使得管片弯矩减小,轴力增大,当可压缩层模量与围岩模量之比在0.1~0.5之间变化时更为明显;随着可压缩层厚度的增大,管片所受围岩压力依次按不均匀、均匀、不均匀的趋势变化,当可压缩层厚度与管片厚度之比为1.7时围岩压力最小,管片轴力则随可压缩层厚度的增大而减小;可压缩层存在与否对管片变形影响甚微,通过自身的挤密吸收围岩压力且促使应力重分布,从而减小并均匀化传递至管片上的荷载,使得管片内力随外荷载的增长更平缓,量值更小且分布更均匀,并使管片的极限承载力提高了40%;有无可压缩层时管片破坏均经历椭变、椭变加剧、裂缝出现和扩展、失稳破坏的过程,且有可压缩层时管片的破坏更严重.

     

  • 图 1  管片分块示意

    Figure 1.  Schematic of segment division

    图 2  有限元分析模型示意

    Figure 2.  Analysis model of FEM

    图 3  有无可压缩层时管片衬砌荷载与内力、变形分布

    Figure 3.  Distribution of load, inner forces, distortion of segmental lining in the presence or absence of compressible layer

    图 4  不同可压缩层刚度时管片衬砌荷载与内力、变形环向分布

    Figure 4.  Distribution of load, inner forces, distortion of segmental lining with different compressible layer stiffness

    图 5  不同可压缩层厚度时管片衬砌荷载与内力、变形分布

    Figure 5.  Distribution of load, inner forces, distortion of segmental lining with different compressible layer thickness

    图 6  可压缩层设置

    Figure 6.  Installation of compressible layer

    图 7  盾构隧道-地层复合体模型试验系统

    Figure 7.  Equipment of model tests

    图 8  有无可压缩层时管片结构试验结果

    Figure 8.  Model test results in the presence or absence of compressible layer

    图 9  管片内力沿环向的分布

    Figure 9.  Circumstantial distribution of segment lining inner forces in the presence or absence of compressible layer

    图 10  无可压缩层时管片裂缝情况

    Figure 10.  Crack distribution in the absence of compressible layer

    图 11  有可压缩层时管片环破坏形态

    Figure 11.  Failure mode in the presence of compressible layer

    表  1  地层及结构物理力学参数

    Table  1.   Parameters of seepage property for sandstone

    名称 变形模量/GPa 天然重度/(kN·m-3) 粘聚力c/MPa 内摩擦角φ/(°) 泊松比
    围岩 1.50 1.85 0.125 23.5 0.40
    管片衬砌 34.50 0.20
    碎石可压缩层 0.15~15.00 0.40
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    表  2  有无可压缩层时管片衬砌内力和变形对比

    Table  2.   Comparison of internal force and deformation of segment lining in the presence or absence of compressible layer

    工况 围岩压力/kPa 弯矩/(kN·m) 轴力/kN 变形/mm
    最大 最小 最大 最小 最大 最小 最大 最小
    无可压缩层 1 912 1 216 624 -654 7 423 4 098 32.1 25.2
    有可压缩层 1 278 1 227 564 -566 5 268 3 877 32.6 25.3
    变化率/% -33.2 0.9 -9.6 -13.4 -28.8 -5.4 1.6 0.4
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    表  3  不同可压缩层刚度时管片衬砌内力和变形对比

    Table  3.   Comparison of internal force and deformation of segment lining with different compressible layer stiffness

    Ec/ Eg 围岩压力/kPa Rp/% 弯矩/(kN·m) 轴力/kN 变形/mm
    最大 最小 最大 最小 最大 最小 最大 最小
    0.1 1 278 1 227 4.2 564 -566 5 268 3 877 32.6 25.3
    0.5 1 803 1 267 35.0 522 -523 7 123 4 087 32.2 25.2
    1.0 1 936 1 194 47.4 487 -504 7 492 3 986 32.1 25.2
    5.0 2 106 996 71.5 445 -476 7 813 3 514 32.0 25.2
    10.0 2 134 856 85.4 438 -466 7 887 3 002 31.9 25.3
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    表  4  不同可压缩层厚度时管片衬砌内力和变形对比

    Table  4.   Comparison of internal force and deformation of segment lining with different compressible layer thickness

    Ec/ Eg 围岩压力/kPa Rp/% 弯矩/(kN·m) 轴力/kN 变形/mm
    最大 最小 最大 最小 最大 最小 最大 最小
    0.2 1 466 1 298 12.2 550 -548 5 929 4 162 32.4 25.2
    0.4 1 278 1 227 4.2 564 -566 5 268 3 877 32.6 25.3
    0.6 1 164 1 158 0.5 577 -576 4 855 3 610 32.7 25.3
    0.8 1 105 1 080 2.2 581 -585 4 575 3 397 32.8 25.4
    1.0 1 063 1 024 3.8 581 -592 4 374 3 232 32.9 25.4
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    表  5  材料物理力学参数

    Table  5.   Mechanical parameters of materials

    项目 容重/(kg·m-3) 弹性模量/GPa 粘聚力/MPa 内摩擦角/(°)
    原型 17.0~20.0 1.0~2.0 0.05~0.20 20~27
    模型 19.0 0.7 0.01 22
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    表  6  环向接头对应槽缝深度

    Table  6.   Cutting depth of groove for circumferential joints

    参数 原型弯曲刚度/(N·m·rad-1) 原型槽缝深度/m 模型槽缝深度/mm
    正弯曲 3.0×107 0.155 8
    负弯曲 2.0×107 0.180 9
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-09-10
  • 刊出日期:  2018-08-01

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