复杂条件下TBM（盾构）修建煤矿巷道（斜井）的衬砌结构设计基础理论

Currently, the inclined-shaft hoisting technique is widely used in large-scale coal mines, and using TBM (shield machine) to build the coal-mine roadway (inclined-shaft) can significantly shorten mine construction period and reduce cost. However, The lining structure of long deep roadway (inclined-shaft) involves not only the relevant problems of shallow excavation, but also faces the challenge of high ground-pressure, high water pressure, mining disturbance and complex environment. It is imperative to establish systematic lining structures, analytical theory and design methods. In view of this, theoretical analysis, information investigation, numerical simulation, model tests, full-scale tests and field tests will be carried out in this research. The results are expected to establish a suitable lining structural system of roadway (inclined-shaft), to ascertain the load mode of deep roadway (inclined-shaft) lining structures under the coupling effect of high ground pressure, high water pressure and high geo-temperature, and the disturbance of mining activities, to reveal the mechanical behavior of lining structure for long deep roadway (inclined-shaft) under complex conditions, and to put forward analysis methods for different structure types. On the basis of the above aspects, in order to provide fundamental design theory and technical support for long deep roadway (inclined-shaft) constructed by TBM (shield machine), much were carried out to ascertain the influence of mining disturbance, mine tremor, high geo-temperature and environmental erosion on lining structural stability and long-term safety of coal mine roadway (inclined-shaft).

当前，斜井提升大量应用于大型煤矿，采用TBM（盾构）建设煤矿斜井与巷道对于缩短矿井建设周期和造价意义重大。然而，深长巷道（斜井）衬砌结构不仅涉及浅表部开挖相关问题，更面临着深部高地压、高水压、高地温以及采动等恶劣、复杂环境的挑战，亟需开发适用于TBM（盾构）的深长巷道（斜井）衬砌结构体系、分析理论与设计方法。鉴于此，本申请拟采用理论分析、资料调研、数值仿真、模型试验、足尺试验、现场试验相结合的方法，建立适宜于不同荷载条件、地层状况下TBM（盾构）施工的巷道（斜井）衬砌结构体系，探明深长巷道（斜井）在高地压、高水压、高地温耦合作用及采动影响下的荷载模式，揭示复杂条件下深长巷道（斜井）衬砌结构的受力性能，并针对不同结构型式提出相应分析方法，探明采动、矿震、高地温与环境侵蚀等对巷道（斜井）衬砌结构稳定性与长期安全性的影响，为TBM（盾构）修建深长巷道（斜井）衬砌结构提供基础分析理论与技术支撑。

当前，斜井提升大量应用于大型煤矿，采用TBM（盾构）建设煤矿斜井与巷道对于缩短矿井建设周期和造价意义重大。然而，深长巷道（斜井）衬砌结构不仅涉及浅表部开挖相关问题，更面临着深部高地压、高水压、高地温以及采动等恶劣、复杂环境的挑战，亟需开发适用于TBM（盾构）的深长巷道（斜井）衬砌结构体系、分析理论与设计方法。鉴于此，本课题采用理论分析、资料调研、数值仿真、模型试验、足尺试验、现场试验、室内加速锈蚀试验等相结合的方法，以神华新街台格庙矿区斜井工程和神东补连塔煤矿斜井工程为依托，围绕复杂条件下TBM（盾构）修建煤矿巷道（斜井）的衬砌结构体系、荷载作用规律、衬砌结构力学性能与分析方法、衬砌结构的稳定性与长期安全性等设计基础理论开展研究。结合深长巷道（斜井）穿越的地层特点及TBM（盾构）工法特点，分别提出了管片衬砌结构与锚喷（网）支护的合理化结构参数；通过分析深长巷道（斜井）在高地压、高水压耦合作用以及采动影响下深部巷道（斜井）围岩-衬砌结构的相互作用关系，提出了深长巷道（斜井）斜井洞室采用管片衬砌支护时的深浅埋的划分标准和围岩松动压力的计算公式，得到了不同支护时机初期支护的荷载变化规律、以及围岩蠕变条件下初期支护及二次衬砌的荷载作用规律。探明了巷道（斜井）衬砌管片接头的抗弯性能与受弯破坏特征，探明了管片衬砌壁后设置碎石可压缩层的联合支护体系的受力和变形性能，分析了可压缩层的支护效果。推导了巷道（斜井）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，明确了不同支护型式联合作用时的纵向结构受力特征及稳定性。探明了水土荷载环境与离子侵蚀环境联合作用下盾构管片受力性能衰退演变规律，揭示了管片衬砌侵蚀、劣化、开裂、破坏的发生发展过程；研究了高地应力高水压环境下不同泄水孔数量、不同泄水孔开孔角度、不同注浆圈渗透系数等对泄水式管片设计参数对管片孔隙水压和渗流量的影响；研究了不同埋深和侧压力系数下考虑围岩蠕变的盾构斜井建成100年内的围岩位移和管片应力随时间的变化规律；分析了矿震作用下围岩及斜井衬砌的动力响应规律，结果表明矿震波引起的质点振速小于巷道破坏临界值，对IV、V级围岩中衬砌结构的内力影响极小。分析了高地温引起温差作用下斜井管片衬砌温度、应力和位移的变化规律，明确了管片衬砌受温差影响的深度。研究结果可为TBM（盾构）修筑深长巷道（斜井）的设计提供理论支撑与技术参考。