隧道附属工程遇采空区的稳定性分析及处治研究

摘要

当竖井在施工建设中，遇到复杂的地质条件（如采空区）时，竖井的安全稳定性就成为设计和施工的首要考虑问题。而这问题由来已久，且一直是个比较棘手的问题。本课题就是据此提出，并提供了相关稳定性分析及解决办法。
　　 本文以某隧道1号竖井及通过的采空区为研究对象，采用理论分析、工程实测和数值模拟等手段进行研究。主要研究内容和成果如下：
　　 (1)通过对采空区的详实调勘，可知采空区的地下空洞体积率较大，对竖井的安全性和稳定性会产生一定程度的影响，竖井施工建设前应当采取专门的治理措施，且治理难度和工程量均较大。总体上说，采空区稳定性较差，采空区的治理等级定为第三级。经综合评定，采空区须进行注浆处治来加固和充填松散破碎岩体。
　　 (2)通过对采空区的准确探明，计算和确定了治理范围、注浆量及工艺等设计方案，同时现场做变更优化以确保注浆质量。
　　 (3)处治后，根据3个检查孔所探明的采空区冒落带和裂隙带的分布特征，结合孔内钻进情况、岩芯、耗水量、终孔水位等指标及结石体的强度和波速数值来判断，认为注浆效果较好，实体可达Ⅳ级围岩强度指标，通风竖井通过时可依此进行相应的支护设计。
　　 (4)采用有限元软件ANSYS来动态模拟竖井（包括采空区）的开挖支护等一系列过程，研究竖井支护的受力、位移等状态，并通过具体数据可知处治前采空区发生塑性变形破坏，覆岩冒落而导致围岩极不稳定，竖井穿越时会发生变形移动，衬砌结构与围岩分开脱离，衬砌失去了支撑力而破坏；或者因局部应力过大超过了承载力而被拉压或剪切破坏。相比较，治理后未发生塑性变形破坏，且采空区处围岩内部应力均匀。
　　 (5)通过对竖井施工的6种工况的数值模拟分析可知，处治后竖井通过时发生的位移及所受应力均匀稳定且数值满足工程许可要求，竖井稳定性可靠，能满足工程安全和质量需要。注浆处治对竖井施工的稳定性提高较多，注浆意义重大。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 引言

1.2 采空区国内外研究现状

1.2.1 采空区勘察技术现状

1.2.2 采空区稳定性分析评价技术现状

1.2.3 采空区处治技术现状

1.2.4 采空区质量检验技术现状

1.3 竖井国内外研究现状

1.4 本课题的提出

1.5 本课题的研究内容、方法及思路

2 采空区概况与稳定性分析评价

2.1 引言

2.2 煤矿采空区的形成发展及力学特征

2.3 煤矿采空区围岩的破坏特征和“三带”性

2.3.1 煤矿采空区围岩的破坏特征

2.3.2 覆岩破坏的“三带性”

2.4 老采空区的“活化”性

2.5 采空区的稳定性分析评价

2.5.1 开采条件判别法

2.5.2 沉降观测法

2.5.3 有限元法

2.6 本章小结

3 竖井稳定性研究

3.1 引言

3.2 松散体理论

3.3 修正的松散体理论

3.4 竖井井壁的计算理论

3.5 围岩和支护的共同作用分析与计算

3.5.1 概述

3.5.2 共同作用分析与计算

3.6 本章小结

4 采空区研究分析

4.1 引言

4.2 概况

4.3 采空区调勘

4.3.1 采空区调查

4.3.2 采空区勘探

4.4 采空区稳定性评价

4.5 采空区处治

4.5.1 剩余空洞体积计算及相关设计

4.5.2 汪浆工艺设计

4.6 汪浆变更优化与质量检测

4.6.1 汪浆变更优化

4.6.2 注浆质量检测

4.7 本章小结

5 竖井施工过程的模拟及稳定性分析

5.1 引言

5.2 有限元单元类型

5.3 材料的本构模型

5.4 非线性求解方法

5.5 施工过程模拟方法

5.6 施工过程的模拟与分析

5.6.1 计算模型与过程

5.6.2 计算结果分析

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果

致谢