某过断层深埋高水头TBM输水隧洞围岩-支护结构响应规律

为了研究过断层深埋高水头敞开式TBM输水隧洞支护结构的响应规律,对不同支护方案下某过断层深埋高水头敞开式TBM隧洞围岩与支护结构的响应规律进行对比分析,选出最合适的支护设计方案。建立TBM隧洞动态开挖-支护精细仿真模型,逐个研究动态开挖-支护中围岩、锚杆、钢拱架、初喷混凝土、二衬的响应规律。结果表明:依次支护管棚、锚杆、钢拱架、固结灌浆、衬砌后,围岩拱顶变形分别降为不支护时的59.4%、32.9%、32.9%、4.1%、3.2%。盾尾离开后各响应突增,增幅逐步减缓且最终趋于稳定,衬砌支护后突降并稳定。锚杆应力分布不均,支护后拱腰处锚杆应力比拱顶增加快,各锚杆应力越靠近洞壁处越大。管棚+锚杆+钢拱架+固结灌浆+初喷+二衬可保证安全,但需固结围岩弹性模量、黏聚力及内摩擦角分别提高1.0、1.0、0.21倍。

考虑空间和锚固效应的硐室围岩弹塑性分析

为研究圆形硐室围岩在开挖-支护过程中的力学机制,根据围岩力学特征将围岩划分为弹性区、软化区及残余区,考虑围岩软化、扩容和空间、锚固效应,引入软化模量、扩容系数和剪胀角,推出了围岩弹塑性区应力、位移和范围的解析表达式。通过算例分析了不同因素对塑性区范围、应力和硐室周边位移的影响。结果表明:对于软化模量较大的围岩,锚固效应可有效地减小塑性区半径和位移;而考虑空间效应时,当开挖面到计算面的距离x值越小,围岩应力、位移越大,当x值大于10 m时,空间效应基本失效;锚固残余区扩容系数h3对硐室周边位移的影响大于锚固软化区扩容系数h2;根据不同长度锚杆支护下的硐室周边位移为支护结构围岩预留变形量设计提供了参考。

深井圆巷次生承载结构“时-空”一体化演化规律研究

研究圆巷"开挖-支护"过程中掘进头附近承载结构形成机理和发展规律。基于Drucker-Prager屈服准则和Levy-Mises本构关系,考虑开挖损伤因素,获得围岩次生应力场、位移场的解析式,由蠕变效应推导承载结构演化方程组。依据切向应力"增-减-集中-趋稳"划分次生承载结构为"主动-被动-关键-自稳"承载圈,由算例可知,随着岩性增强和支护力增大以及掘巷速度、损伤程度、锚杆间排距和地压的减小,"主动-关键"圈更靠近巷壁,其中"关键"圈厚度和应力集中系数增大,使得围岩初始支护难度减小、承载能力增强。各承载圈厚度及与巷壁间距离随着蠕变效应发生变化,当地压在20 MPa时,采用锚杆支护力为0.4 MPa、间排距600 mm×600 mm,及时地封孔注浆减小软化系数,有助于提高围岩承载能力,加快进入蠕变稳定期,并有效地控制住"关键"圈转移,抑制其厚度增大,降低巷道后期维护难度。