研究支持保护隧道孔附近岩层下围岩的弹性变形

文摘

由于地质条件的限制和路线对齐,隧道工程将不可避免地通过特殊的部分如浅埋段、破碎岩层,损失和软弱岩层。隧道施工在这些特殊的部分很容易崩溃,导致隧道滑坡的门户,过度的支护结构的变形,甚至变形和破坏事故,工程安全事故的高发地区。本文建立三维数值模型基于实际工程分析隧道围岩的变形和应力变化与提前支持技术。根据实际工程的监测结果,软岩的变形法在隧道入口是掌握了。隧道的围岩变形的支持条件下变化的三个主要参数,如环间距、管径、和管道长度的影响进行了分析,并与不同的参数控制围岩的变形进行了研究。变形、应力特征和围岩塑性区分布由一个侧壁导法和环形开挖土壤和留住核心法提前支持流场进行数值模拟和研究。

1。介绍

隧道穿过这座山时,就会倾向于十字架山与一个不对称的地形和倾斜角度,导致不对称负载的岩体隧道。在这种情况下,它是一个带有偏见的隧道。隧道很容易崩溃,由于围岩的应力不均匀1- - - - - -3]。因此,在这些部分的隧道施工地质条件较差,为了确保项目的顺利完成,提前等支持技术流管、小管、水平旋转喷射灌浆桩应采用控制围岩的变形(4]。为了提高支持效应,不同的先进的支持技术通常一起使用。(1)隧道的建设开放部分是隧道工程的开始和连接隧道体的关键部分。隧道项目的成功完成有很大影响后期项目的进度和成本密切相关,整个隧道的安全。是非常必要的对于每一个山隧道确保围岩的变形控制在允许范围内施工。因此,它是很有价值的研究围岩的变形控制在入口处(5- - - - - -7](2)目前,隧道洞口段的配套措施已经非常全面,其中先进的支持是必要的对于每个隧道地质条件较差。然而,地形、地质条件、围岩特征,和每个隧道洞口段的设计参数是不同的。先进的支持下的围岩变形是不一样的,支持的效果也不同。因此,先进的设计方案为每个隧道不是普遍的支持。选择最合适的高级支持计划和开挖方法可以提高隧道工程的施工质量和生产效率,确保施工安全,节约工期,降低成本,提高生产能力。因此,巨大的建设推广价值比较并选择计划(8]。

本文根据煤矿在建隧道为背景,隧道出口门户部分浅埋深,地质条件不理想,现场施工过程发现,隧道洞口段的多个围岩沉降过大,和变形大,容易崩溃和塌顶事故(9- - - - - -12]。本节的埋深3.5米到16米,斜率是31.3%。退出测量间距是16.1米,洞的身体和一般间距是25 - 35米。相对于其他位置的隧道,隧道的浅孔部分更容易受到风化,这将降低围岩的力学参数,使浅孔很难形成拱效应,进一步影响稳定的浅孔。采用新奥法隧道时,浅埋隧道的洞的区域能有效缓解复杂的地质条件,岩石破碎,风化严重的隧道采用开放的推进方式的支持。因此,推进支持对浅埋隧道的加固具有重要意义空缺。

2。理论分析和支持短程煤层巷道的原则

2.1。短程煤层巷道的支持理论

(1)悬架理论的核心内容如下:如果有一个软弱岩层巷道的屋顶上,软岩层需要与稳定的岩层底部,和锚作为悬架12]。当巷道的屋顶是一个硬石层和一层软破岩,分别悬挂行动的影响图如图1分别(2)复合梁理论

理论分析了巷道顶板的多个层。此时,螺栓的应用支持,一方面,增加层之间的摩擦,有效防止发生滑动,在每一层分离。另一方面,增加,岩石的抗剪强度层和薄层是固定的,相当于一个厚煤层。理论效应图如图2。(3)组合拱理论

在这个理论中,为了防止破碎围岩区域的不断扩大,预应力安装螺栓来实现支持的效果。与锥形压应力区分布将由两端的支撑螺栓螺栓的中心。此外,当螺栓间距很小,将形成一个统一的复合压缩拱提高围岩的强度,这是常用的圆形或拱隧道。

2.2。支持优化附近煤层开采巷道的围岩

以煤矿为例,主要煤层都没有。4,没有。5煤。其中,平均厚度。4煤层是4.2,其中大部分可以开采;的平均厚度。5煤层是4.5米,所有这些可以开采。两个煤层之间的平均间隔6.0米,属于典型的近距离煤层。采用下行开采法;也就是说,没有。 4 coal seam is first mined, the roadway section is ,和20 m保护煤柱是保留,然后,没有。5煤层开采。后没有。4煤层开采,没有。5煤工作面运输网关没有安排。4煤采空区和8.3米的距离保护煤柱的没有。4节煤。巷道部分 ,和合并后的对称支持计划“螺栓(电缆)+金属网”。由于忽视不对称的巷道的应力和变形方面,尽管没有。5煤层传输网关是安排在减压区,仍有严重的升沉和顶板沉降变形,双方的收敛速度高达40 ~ 45毫米/ d,巷道一侧仍有严重的非对称变形,和侧面螺栓(电缆)在不同程度,严重影响的正常开采。5煤层。在本节中,极限平衡区宽度,破裂带宽度,和安全的交错上下煤层距离将根据上述理论方程,以及锚杆支护设计方案优化。最初支持计划的上部和下部煤层巷道图所示3。

2.2.1。最初支持计划的道路上煤层

(1)巷道顶板支护。屋顶采用螺栓 左螺旋刚性树脂螺栓,在每一行4螺栓,行之间的间距 。螺栓采用两z2360介质树脂锚固剂,采用高强度拱托盘的规格 ,并配有高强度球面垫圈。螺栓的安装角两端附近的屋顶是抵消20°内一侧的道路;屋顶锚索采用 高强度预应力。总共有3个锚,沿着道路的中心线对称安排,1400×2100毫米的间距,和三个Z2360介质树脂锚固剂使用;金属网是一个正方形金属网编织10 #铁丝,网格的大小 ,应当将合理根据巷道顶板的大小,和金属网铺设期间应当被夷为平地,收紧。

(2)侧壁螺栓的参数。一个侧壁螺栓采用 左螺旋刚性树脂锚杆、5螺栓在每一行、行间距 。Z2360的螺栓采用两个分支中树脂锚固剂,采用高强度拱托盘的规格 ,并配有高强度球面垫圈。锚杆的安装角附近的顶板和底板,分别20°顶板和底板;金属网编织与10 #铁丝正方形网格大小的金属网 应当将合理根据巷道一侧的大小,和金属网铺设期间应当被夷为平地,收紧(12]。

2.2.2。最初的支持下煤层巷道的计划

(1)巷道顶板支护。屋顶采用螺栓 左螺旋刚性树脂螺栓,在每一行4螺栓,行之间的间距 。螺栓采用两Z2360介质树脂锚固剂,采用高强度拱托盘的规格 ,并配有高强度球面垫圈。螺栓的安装角两端附近的屋顶是抵消23°内一侧的道路;屋顶锚索采用 高强度预应力。总共有3个锚,沿着道路的中心线对称安排,间距 ,和三个Z2360介质树脂锚固剂使用;金属网是一个正方形金属网编织10 #铁丝,网格的大小 ,应当将合理根据巷道顶板的大小,和金属网铺设期间应当被夷为平地,收紧(13]。

(2)侧壁螺栓的参数。侧壁螺栓采用 左螺旋刚性树脂螺栓,在每一行和5个螺钉 行间距。螺栓采用两Z2360介质树脂锚固剂,采用高强度拱托盘的规格 ,并配有高强度球面垫圈。螺栓的安装角附近的顶板和底板,分别为23°屋顶的方向和底板;10 #的金属网是由铁丝的网格大小正方形金属网 ,这是削减合理根据巷道一侧的大小,和金属网铺设期间应当被夷为平地,收紧(14]。

2.3。锚杆支护参数的优化计算

(1)当螺栓长度支持巷道的围岩,长度的锚巷道的支护结构和不低于相同(15]。结合实际工程情况,发现的支持效果实现采矿巷道的屋顶通过“锚定层组合拱”的形成通过锚棒,所以采用“组合拱理论”进行分析和计算16]。因此,屋顶的长度可以由以下公式计算:

在方程(1),螺栓的接触长度, ,和 ; 螺栓的有效长度;和螺栓的锚固长度和吗 。

有效长度的计算屋顶上的螺栓(我)屋顶上缝的螺栓

结合巷道的地质资料,确定相关参数的值如下: 和宽度 的断裂带,普拉特系数的值是2.5,所以 (2)低煤层顶板锚杆

结合巷道的地质资料,确定了相关参数如下: 和宽度 破裂带的一边,普拉特系数的值是2.7,所以

屋顶上煤层长度计算如下: 。结合实际情况和工程类比,锚杆的长度是2.4米。屋顶下煤层长度得到如下: 。通过结合实际情况和工程类比,螺栓长度是2.4米(17]。(2)有效长度的计算锚杆的地板上

根据采矿巷道层分析的结果和考虑根据最不利组合,巷道顶板岩石的有效长度当它到达失败深度是巷道顶板锚杆的有效长度,也就是说,屋顶的有效长度的螺栓上部煤层地板上 和屋顶的有效长度的螺栓低煤层地板上 (18]。

上部煤层地板的长度计算如下: 。结合现场实际情况和工程类比,锚杆的长度是3.4米。屋顶下煤层长度得到如下: 。结合实际情况和工程类比,锚杆的长度是3.8米(19]。(3)有效长度的计算侧壁的螺栓(我)上部煤层井壁螺栓

煤炭边墙挤压带的宽度的煤层 ;然后,螺栓的有效长度是 (2)降低焊缝侧壁螺栓

煤炭边墙挤压带的宽度的煤层 ;然后,螺栓的有效长度是

屋顶上煤层长度计算如下: 。结合实际情况和工程类比,锚杆的长度是2.9米。屋顶下煤层长度得到如下: 。结合实际情况和工程类比,螺栓长度是3.4米。(4)使用锚杆支护回采巷道,它通常被认为是平等的在施工技术处理螺栓间距;然后,螺栓间距可以按照下列公式计算: (我)上部煤层间距锚杆间距从方程(8):

结合工程实践和建设经验,考虑到巷道截面大小、行间距屋顶和锚 。(2)行间距楼螺栓方程所示(8)如下:

结合工程实践和建设经验,考虑到巷道断面尺寸,行间距下锚 。(3)的行间距侧壁螺栓方程所示(8)如下:

结合工程实践和建设经验,考虑到巷道截面尺寸、胎侧之间的行距 。(5)螺栓下煤层的行间距(我)屋顶的行间距螺栓方程所示(8)如下:

结合工程实践和建设经验,考虑到巷道截面大小、行间距屋顶和锚 。(2)行间距螺栓底部所示方程(8)如下:

结合工程实践和建设经验,考虑到巷道断面尺寸,行间距下锚 。(3)行间距所示的螺栓是方程(9)如下:

结合工程实践和建设经验,考虑到巷道截面大小、行间距双方 。(iv)地脚螺栓的直径之间的关系是由螺栓的锚固力和抗拉强度体材料:

然后,螺栓直径的计算公式应满足以下方程:

在哪里地脚螺栓的直径;螺栓杆材料的抗拉强度,也就是360 MPa根据实际的测量;和锚杆的锚固力(不少于70 kN), 90 kN。

用相关数据到方程(16)表明,

为了满足需求的支持力量,螺栓直径20毫米。

3所示。锚杆支护优化设计方案

3.1。支持计划后上部煤层巷道的优化

3.1.1。巷道顶板支护

屋顶螺栓采用左螺杆刚性树脂螺栓,在每一行,4 行间距。屋顶螺栓采用2 Z2360-type树脂锚固剂,采用高强度拱托盘,与规范的 ,并与高强度球面垫圈。螺栓的安装角的两端附近的屋顶是抵消20°巷道里。屋顶锚索是由高强度预应力钢绞线,共有三个锚电缆沿着道路的中心线对称排列。电缆之间的间距 。三个Z2360-type树脂采用锚代理。金属网是一个正方形金属网与10 #铁丝编织,和网格大小 。网格应该削减合理根据巷道顶板的大小,和金属网应该铺和张拉20.]。

3.1.2。巷道底板螺栓的支持

螺栓采用的地板上 左螺旋刚性树脂螺栓,在每一行5块,行之间的间距 。螺栓采用两个Z2360中树脂锚固剂,采用高强度拱托盘的规格 ,配有高强度球面垫圈;金属网采用正方形金属网编织10 #铁丝,网格的大小 ,这是减少巷道的合理根据的大小,和金属网应光滑和紧21]。

3.1.3。锚杆支护巷道的侧壁

侧壁螺栓是一个 左螺旋刚性树脂螺栓,在每一行5块,行之间的间距 。螺栓采用两Z2360介质树脂锚固剂,采用高强度拱形托盘的规格 ,并配有高强度球面垫圈。螺栓的安装角附近的屋顶和底板,分别20°屋顶的方向和底板;金属网是一个正方形金属网编织与10 #铁丝。网格大小 ,应该削减合理根据巷道一侧的大小,和金属网应该被夷为平地,收紧在铺设(22]。

上部煤层巷道的优化支持计划图所示4。

3.2。支持计划降低煤层巷道的优化

3.2.1之上。巷道顶板支护

屋顶采用螺栓 左螺旋树脂与4螺栓在每一行和螺栓 行间距。螺栓采用两个Z2360-type树脂锚固剂,采用高强度拱托盘 规范,并与高强度球面垫圈。螺栓的安装角的两端附近的屋顶是抵消20°的隧道。屋顶锚索是由高强度预应力钢绞线,共有三个锚电缆沿着道路的中心线对称排列。电缆之间的间距 。三个Z2360-type树脂采用锚代理。金属网是一个正方形金属网编织一个铁丝10 #,和网格大小 。网是削减合理根据巷道顶板的大小,和金属网应该铺和张拉23]。

3.2.2。巷道底板螺栓的支持

螺栓采用底部 左螺旋树脂与5螺栓在每一行和螺栓 行间距。螺栓采用2 Z2360中树脂锚固剂,采用高强度拱托盘 规范,并与高强度球面垫圈。金属网是一个正方形金属网编织铁丝 ,和网格大小 。网格应该削减合理根据巷道一侧的大小,和金属网应该铺和张拉24]。

3.2.3。巷道侧壁螺栓的支持

左螺旋刚性树脂的螺栓 用于侧壁螺栓,在每一行5个螺钉间距 行之间。螺栓采用两Z2360介质树脂锚固剂,采用高强度的托盘,配有高强度球面垫圈。螺栓的安装角附近的顶板和底板,分别20°顶板和底板;金属网采用正方形金属网与10 #铁丝编织,和网格 大小。它应该削减合理根据的大小道路。铺设时,金属网应该被夷为平地,收紧(25]。

下煤层巷道的优化支持计划图所示5。

3.3。现场监测

3.3.1。监控的目的

由于复杂和不同地质条件的煤矿项目,很难准确掌握围岩变形及支撑结构变形引起的开挖施工过程,使煤矿建设的巨大安全风险(26]。因此,煤矿监测是一个重要的工作在煤矿建设和重要措施,确保施工安全。在煤矿建设的过程中,有必要加强对围岩变形的监测和测量,实时监测信息的反馈,及时的处理和监测结果的分析,以确保煤矿工作的顺利进行,确保施工和现场人员的安全(27]。

本工程监测的目的是显示如下:(1)及时掌握围岩的变形规律和支撑结构在煤矿开挖,并提供数据支持现场操作,可以迅速和有效地处理异常的发生在隧道围岩开挖,确保施工的安全(28,29日](2)支撑结构的监测可以使施工人员深入理解支撑结构的作用和效果,以确定更合理和有效的支持计划(3)通过分析日常监控数据,现场人员尽快能找到问题,与设计师沟通,并及时进行设计更改,所以设计方案更加符合网站的实际情况

3.3.2。监测内容和计划

(1)所需物品的监控测量如表所示1。

(2)布局的监视点。围岩的变形和应力变化可以及时抓住煤矿拱沉降监测、煤矿的稳定性可以有效地确定。测点布局:锚桩设置的测点矿业羊毛洞。测点的深度是30毫米,和钻孔的直径22毫米。它是固定的快凝水泥或完成增粘剂,和一个测量桩头角钢是固定的。

解决库的远程测量和周围的测量和监控部分如表所示2。

此外,阅读的初始变形值应该是之前完成下一个周期的挖掘。

(3)测量频率。根据拱沉降的观测频率和周边收敛,它决定根据应变率和挖掘表面的距离,如表所示3和表4,分别。

测量频率由收敛速度和距离开挖面原则上高频。

(4)测量方法。拱拱顶沉降测量方法使用全站仪+反射测量测量的坐标点,和测量高差值是和解的金额(30.- - - - - -38]。

在周边收敛测量方法中,全站仪和反射器是用于测量。测量的坐标点是衡量后方的横断面测量全站仪,计算和测量之间的距离根据坐标。区别这两个的距离测量是收敛的。

3.3.3。监测结果分析

选择三个部分的权利行开放部分进行监控测量和数据分析的解决拱屋顶和侧墙的水平趋同。三个部分的数据曲线如图观察70天内6。

如数据所示6煤矿开挖前10天,拱形屋顶部分的沉降和水平收敛迅速增加。开挖时间的增加,沉降和水平收敛的截面拱屋顶继续增加,但增长率逐渐下降。大约60天后,拱顶的解决往往是稳定的;大约60天后,N1和N2的水平收敛趋于稳定;50天左右后,水平收敛N3往往是稳定的。与开挖深度和部分埋藏深度的增加,累积沉降值和水平收敛值的拱形屋顶逐渐减少,围岩稳定性高,支撑结构起着很大的作用。可以看出,煤矿围岩变形总体上可分为三个阶段:(1)最初的围岩变形是快速,应变率非常高。在短短10天,N1部分的最大沉降速率达到4.7毫米/ d,拱顶的沉降达到24.9毫米,占总数的65.4%结算,水平收敛达到10.92毫米,收敛占总数的71.4%。N2部分的最大沉降速率达到5.6毫米/ d,拱顶的结算金额达到26.43毫米,占总沉降量的74.1%,和水平收敛量达到10.03毫米,占总沉降量的67.3%。15天内开挖,部分的最大沉降速率N3达到2.7毫米/ d,拱顶的结算金额达到15.79毫米,占总沉降量的64.2%,水平收敛量达到6.53毫米,占收敛总额的62.0%。这是由于围岩的入口煤矿不够稳定,建设有很大干扰,和支撑结构并没有一种有效的辅助作用(2)10到15天的开挖后,围岩的变形速率降低,变形量的增加缓慢。大约45天内,部分的最大沉降速率N1为0.41毫米/ d,增加结算为13.2毫米,占总数的35.0%结算,水平收敛的增加5.03毫米,约占32.9%。部分的最大沉降速率N2为0.55毫米/ d,增加结算为9.27毫米,约占26.0%,水平收敛的增加4.87毫米,约占32.7%。部分的最大沉降速率N3为0.52毫米/ d,增加结算为8.81毫米,约占35.8%,水平收敛的增加4.01毫米,约占38.1%。可以看出,这个阶段的围岩变形仍在,但速度缓慢和增量很小。这是因为支承结构在山洞里扮演着自己的角色,和围岩压力是重新分配(3)变形后放松期间,变形速率趋向于零,N1的解决拱冠达38.1毫米,和水平收敛量达到15.3毫米;解决部分N2库达到35.7毫米,和水平收敛量达到14.9毫米;解决部分N3库达到24.6毫米,和水平收敛量达到10.54毫米。在这个阶段,三个部分的变形基本上是不变的,和围岩处于稳定状态

根据上述分析,煤矿围岩的变形与开挖时动态变化,变形可以分为三个阶段:早期(1)快速变形阶段,(2)中间缓慢变形阶段,(3)末基本稳定阶段。

3.4。数值模拟结果与监测结果之间的比较

为了验证数值模拟的合理性,本文比较了拱顶沉降和水平收敛的有限元模拟结果与现场测量值。比较结果如表所示5。

从表可以看出5拱顶沉降的数值模拟结果和水平收敛的三个监控部分接近现场监测值,误差小于15%,表明数值模拟结果是合理的。由于现场施工和测量方法,模拟计算值比测量值大,围岩的变形主要是挖掘后生成,所以在初始开挖阶段的一部分变形无法衡量。

4所示。结论

为了解决工程问题的变形造成的上下附近的道路在采矿和驾驶的过程中我的嘴,基于弹性理论,本文建立了力学分析模型上部煤层巷道支承压力的作用下。通过计算任何单位岩体中巷道的压力,基于土力学的应力扩散原理理论,巷道的围岩变形在低煤层。通过建立压力扩散模型下的煤柱支承压力内交错在近距离煤层上煤层巷道,下煤层应力影响范围外的决心是上部煤层煤柱离开地板,和计算方程的上部和下部巷道安全抵消,这大大减少了后期的巷道维护困难。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这部分工作是由河南大学重点科研项目(21 a440015)。

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