摘要
全断面硬岩掘进机(TBM)在我国地铁、水利、市政隧道等工程领域已得到广泛应用，相关技术和研究成果较为丰硕，由于煤矿地质和施工条件复杂，国内外对TBM施工深部岩巷的相关研究较少。随着TBM在煤矿深部岩巷掘进中的推广应用，不良地层已成为影响TBM掘进煤矿巷道施工安全性和效率的主要因素，为解决TBM在煤矿不良地层中巷道围岩支护困难的问题，提出了TBM掘进煤矿巷道新型装配式型钢支护结构，加工制作了装配式支护结构的足尺模型，在地下工程大型力学试验系统开展了不同侧压系数下的足尺模型试验，并对支护结构进行数值试验，主要研究内容和研究成果如下: (1)开展了侧压系数λ=1和1.5的室内型钢支护结构足尺模型试验研究。对型钢支护结构的荷载、位移、应变进行系统采集和分析，通过摄影测量获得更加详细的支护结构变形数据。分析表明，λ=1均载条件下支护结构屈服荷载为6132.4kN，极限承载力为6454.1kN，支护结构呈现非对称破坏模式。λ=1.5非均载条件下支护结构屈服荷载为2505.8kN，极限承载力为3481.2kN，支护结构呈现对称失稳破坏模式。与均载试验相比，非均载试验极限承载力降低了46％。 (2)开展了型钢支护结构数值试验研究。通过有限元软件对型钢支护结构进行数值分析，与模型试验相互验证补充，获得室内试验难以监测的结构轴力、结构弯矩、螺栓轴力等参数并进行分析。分析表明，管片中2个竖向槽钢和1个竖向矿用工字钢所受应力较小，管片中2个环向矿用工字钢所受应力较大，支护结构主要由管片环向矿用工字钢承担外部荷载。支护结构在管片拼接处轴力较大，在管片1/2截面和管片拼接处弯矩较大，支护结构局部弯矩过大，造成结构局部失稳，从而使结构整体失稳。 (3)开展了不同影响因素下型钢支护结构数值试验研究。研究不同侧压系数、钢材等级对支护结构力学性能的影响规律，拟合得到侧压系数、钢材等级因素自变量与极限承载力变量方程。结果表明，侧压系数提高1.1～1.5，支护结构极限承载力下降17.79％～55.18％。钢材等级提高，支护结构极限承载力呈线性增加。
NETL