小规模薄煤层采空区地层公路隧道荷载及二衬砌内力特征研究

摘要

煤层采空区地层是指含煤地层煤矿被开采后遗留下的空间区域，具有孔隙率大、离散性大、颗粒稳定性差等特性，是典型的力学不稳定地层。以往交通隧道选线大多以绕避措施通过煤层采空区地层，但随着交通路网规划越来越密集，绕避代价将越来越高，煤层采空区地层修建交通隧道的实例越来越多。穿越煤层采空区地层隧道施工扰动将改变地层原有平衡状态，出现应力重新分布现象，增大隧道开挖施工风险，改变隧道衬砌结构力学特征。本文依托于达州—万州高速公路天坪寨隧道，采用离散元颗粒流数值分析软件和室内相似模型试验完成了薄煤层采空区地层承载能力和构造形态模拟，主要研究成果如下:
　　1、基于煤层采空区地层的形成机理和离散元颗粒流数值计算软件的特性，对煤层采空区地层离散元颗粒流数值计算软件的适用性做了相应分析。
　　2、将公路隧道与煤层采空区三维空间关系等效为二维空间关系来研究，并采用离散元颗粒流方法得到了煤层采空区地层隧道初期支护刚度对隧道衬砌结构受荷特性的影响规律;得到了上覆煤层采空区、下伏煤层采空区和穿越等工况下隧道洞周围岩颗粒细观破坏特性、公路隧道衬砌承受荷载分布规律;并基于计算结果，对传统荷载—结构设计模式在煤层采空区地层的适用性做了定性分析。
　　3、基于二维平面应变原理和室内相似模型试验理论，选取几何相似比CL=20和容重相似比C(r)=1为基础相似比，选取相似材料并完成了薄煤层采空区地层和公路隧道衬砌结构的相似模拟，获得了薄煤层采空区地层隧道二次衬砌结构变形特性、内力特征和后期变形破坏特性，为煤层采空区地层公路隧道在后期营运期间衬砌结构健康安全性提供参考性依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 煤层采空区地层公路隧道建设关键技术研究现状

1．2．2 公路隧道承受荷载及围岩压力计算方法研究现状

1．3 研究内容和方法

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究方法

1．3．3 技术路线

第2章 煤层采空区地层离散元颗粒流方法的适用性分析

2．1 煤层采空区地层形成机理

2．1．1 煤层采空区定义

2．1．2 煤层采空区分类

2．1．3 煤层采空区“三带”计算方法

2．1．4 煤层采空区地层形成机理及隧道开挖引起地层应力场改变情况

2．2 煤层采空区地层公路隧道修建模拟方法

2．3 离散元颗粒流计算软件的基本原理

2．3．1 基本理论

2．3．2 边界条件与初始条件

2．3．3 本构模型

2．3．4 参数标定

2．3．5 圆形颗粒介质的平均应力及平均应变

2．4 本章小结

第3章 薄煤层采空区地层公路隧道受荷特征离散元颗粒流数值分析

3．1 煤层采空区地层模拟计算说明

3．1．1 依托工程概况

3．1．2 数值计算模型

3．1．3 计算参数选取

3．2 煤层采空区地层公路隧道荷载特征离散元颗粒流数值分析

3．2．1 初期支护刚度对公路隧道荷载的影响研究

3．2．2 煤层采空区与隧道间距对公路隧道荷载的影响研究

3．2．3 煤层厚度对公路隧道荷载的影响研究

3．2．4 煤层采空区倾角对公路隧道荷载的影响研究

3．2．5 隧道穿越煤层采空区时公路隧道荷载特征

3．3 本章小结

第4章 薄煤层采空区地层公路隧道衬砌受力特性相似模型试验研究

4．1 模型试验装置

4．2 模型试验相似关系确定

4．2．1 相似定理

4．2．2 确定试验相似关系

4．2．3 配制试验相似材料

4．3 模型试验量测系统

4．3．1 模型试验量测项目

4．3．2 模型试验测点布置

4．4 模型试验加载方案

4．5 煤层采空区地层公路隧道室内加载模型试验结果分析

4．5．1 近水平煤层采空区地层隧道室内模型试验结果分析

4．5．2 倾斜煤层采空区地层隧道室内模型试验结果分析

4．6 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文及参与科研项目