应变软化挤压岩体巷道扩挖力学响应研究

针对深部高应力软弱破碎岩体巷道变形侵限及重复返修维护的问题,基于有限变形理论和Lagrange物质观点,建立了考虑岩体峰后行为的大变形巷道重塑扩挖力学模型,实现了重复开挖扰动引起围岩累积劣化的定量表征,依次分析了不同岩体条件下维持巷道净断面所需的最小刚性支护载荷和返修效率,同时对实际工程中超前导洞施工法用于释放主洞围岩压力和挤压势的有效性进行了探讨。研究结果表明:①巷道的重塑扩挖是控制挤压变形的有利方式,能显著降低岩石压力和作用在支护结构上的载荷,并得到了基于洞壁收敛位移的巷道稳定性图表;②重塑扩挖施工需事先尽量释放初次开挖产生的应力和变形能,以提高巷道的返修效率;③超前导洞施工法对于降低主洞洞壁变形以及释放围岩压力的有效性与其开挖尺寸和岩体峰后本构关系密切相关,当导洞半径较大(至少超过0.3~0.5倍主洞设计尺寸)及岩体呈现出应变软化或理想塑性特征时,超前导洞施工法能有效改善主洞附近的围岩应力条件,降低挤压势和洞壁收敛变形。     

基于TBM巷道开挖卡机风险分析的围岩分类

 本文试图将TBM引入深部巷道建设。由于深部巷道围岩高应力与低强度的矛盾突出，开挖后围岩易产生挤压大变形，TBM极易发生卡机事故。围岩分类是一种快速、便捷的卡机风险分析途径，可方便工程师们快速预测、判断卡机状态，减少损失。在煤矿深部巷道围岩分类的基础上，借鉴QTBM模型的经验，考虑影响卡机的挤压变形的相关参数，选取岩石的单轴抗压强度Rc、强度应力比、岩体完整性、岩石硬度四个指标，将TBM掘进条件下的深部巷道围岩划分为Ⅰ（好）、Ⅱ（较好）、Ⅲ（差）、Ⅳ（极差）四个类别，对每个类别均进行了岩体质量描述和岩种举例。最后建立围岩类别、挤压变形级别和卡机风险对照关系表，据此可定性预测TBM卡机风险。     

挤压地层双护盾TBM与围岩相互作用影响因素分析

为了研究LDP位移释放率、扩挖量、护盾锥度、护盾长度和侧压力系数等因素对双护盾TBM与围岩相互作用的影响,采用FLAC3D建立了三维TBM模型,在考虑护盾与围岩不均匀间隙的条件下研究了TBM作用下上述因素对围岩变形、接触挤压力大小及分布和护盾所受摩阻力的影响。同时定义了LDP曲线的位移释放率,得出应力释放率超过特定值时对LDP曲线释放率和TBM护盾阻力的影响显著,而且针对特定工程地质条件应做其敏感度的预分析;不均匀间隙自下而上逐渐闭合导致围岩与护盾逐渐发生接触,前后盾尾受力最为显著;前后护盾摩阻力及总摩阻力均与扩挖量呈线性递增关系,适当增加扩挖量可以有效减小护盾阻力;护盾摩擦力与护盾长度呈线性递增关系;当增加护盾锥度时,刀盘及前盾摩阻力缓慢增加,后盾摩擦力减小较为明显,护盾总摩擦力也减小;侧压力系数超过1.2时对刀盘、前盾及后盾上的摩擦阻力影响显著。以上研究成果对于进一步认识和研究TBM与围岩相互作用及后续预测卡机有着重要参考意义。     

深部挤压性地层TBM掘进卡机孕育致灾机理

为揭示TBM通过深部高地应力挤压性地层发生卡机的孕育致灾机理,基于TBM卡机孕育致灾机理的理论分析,通过FLAC3D计算护盾区域围岩的三维应力场、位移场,从而计算出护盾前移所受的摩擦阻力,并根据卡机状态判据判断护盾是否被卡。同时分析了TBM护盾长度L、超挖量ΔR对卡机的影响,结果表明:①护盾前移所受摩擦阻力Rf随护盾长度L增加而非线性增大;②护盾长度一定时,超挖量ΔR越大,护盾前移所受的摩擦阻力越小,但超挖量ΔR的增大将受到超挖技术水平和机械制造水平的限制;此外,考虑掘进工作面空间效应,将护盾分节阶梯式设计,加大尾护盾与围岩间的间隙ΔR,可以很大程度上减少围岩对护盾的挤压力,减少护盾被卡的风险;③可从护盾长度和超挖量及两者的合理组合角度提出TBM卡机的预防措施。     

TBM掘进围岩挤压大变形机理与本构模型

通过对反映了TBM卸荷特征的砂质泥岩三轴卸围压试验结果分析,揭示了深部软弱地层TBM掘进围岩挤压大变形机理：挤压大变形主要由TBM开挖卸荷瞬时产生的峰前卸荷损伤扩容和峰后破裂碎胀造成的体积扩容组成,峰前岩石内部原生裂隙扩展和新裂隙萌生、扩展导致扩容变形,以及峰后裂隙汇聚贯通成宏观破裂面和多级次生破裂形成,破裂后块体间发生错动或翻转等相对运动引起峰后碎胀大变形,其中峰后的碎胀变形是构成大变形最主要的部分。获取了各特征应力（损伤扩容应力σ1cd、极限承载强度σ1m和线性应变软化应力σ1l）与围压σ3的相关关系,建立了各变形破坏阶段的临界准则;建立了卸荷损伤扩容阶段的损伤演化方程;基于三轴卸围压试验成果建立了弹性-卸荷屈服损伤扩容-峰后脆性跌落-线性应变软化-残余理想塑性5阶段挤压大变形本构关系。对挤压大变形本构模型在FLAC3D进行了数值实现,并验证了模型的合理性和数值实现程序的正确性。     

“引大济湟”×××隧洞围岩变形探讨

青海省引大济湟调水总干渠工程×××隧洞主要采用双护盾式TBM施工.在穿越高埋深的区域性断裂带时,采用绕行导坑人工钻爆法施工.对采用绕行导坑的围岩变形情况进行分析,指出在隧洞开挖过程中围岩变形的时间效应,为修改设计与指导施工提供理论依据.     

千米深井软岩巷道挤压变形力学特性及控制研究

 为了研究千米深井软岩巷道挤压变形力学特性及控制对策,以淮南朱集煤矿-906m东翼轨道大巷为依托工程开展研究,该巷道为典型的千米深部高地应力软岩巷道,开挖后围岩产生强烈的挤压变形。通过现场地应力测试获取地应力值和室内岩石力学试验获取围岩力学参数,根据Hoek挤压变形等级曲线判断出该巷道变形为非常严重的挤压变形;通过Phase2有限元数值仿真软件分析了该巷道的围岩稳定性,计算结果表明巷道开挖后围岩变形破坏严重,拱顶位移和底臌量大,与现场情况吻合。基于深部岩石巷道围岩稳定性控制理论和“分步联合支护”理念,针对该巷道的挤压变形特点制定了相应的支护方案,其主导思想是增强围岩自身强度和支护结构的抗变形能力,尤其重视底板支护。通过有限元数值软件计算分析和现场监测验证、评价了该支护体系的强度,结果表明所提出的支护方案取得了良好的效果,能够有效的控制围岩挤压变形。     

花岗岩地层双护盾TBM卡机原因分析及处理措施

兰州市水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM在花岗岩地层中掘进时,由于软弱破碎围岩的挤压变形作用,造成了TBM前盾被卡的卡机事件。在工程地质条件分析的基础上,结合开挖洞径、管片衬砌、围岩变形及TBM设备特征,采用了在前盾上方开挖导洞,解除围岩对护盾上的压力,使TBM脱困的处理方法,该方法可为类似工程的卡机脱困提供参考。     

超千米深部全断面岩石掘进机卡机机理

为了解决超千米深井巷道建设面临的严峻挑战,拟将全断面岩石隧道掘进机（TBM）在解决关键岩石力学问题和机械制造问题的基础上加以改进引入到超千米深井巷道建设。然而深部高应力挤压变形将导致TBM的护盾极易被卡塞。揭示了TBM的卡机机理：当护盾周围围岩变形量超过开挖预留的变形量,围岩开始与护盾接触并挤压护盾,进而在TBM推进时围岩对护盾产生摩擦阻力,当TBM推力无法克服围岩对护盾产生的摩擦阻力时,便导致TBM护盾被卡。提出了相应的卡机状态判据。提出了判断护盾被卡状态的理论计算方法及过程：考虑工作面空间效应,基于Hoek-Brown准则研究了护盾周围围岩收敛变形沿巷道轴向的变化规律,计算出作用在护盾上的围岩压力,进而计算围岩对护盾的摩擦阻力,最后根据卡机状态判据判断护盾是否被卡。     

深部挤压性软岩巷道围岩稳定性控制对策

淮南潘一东煤矿-848 m主胶带机大巷为典型的深部高地应力挤压性软岩巷道,现场调研、FLAC3D数值仿真计算、挤压变形等级评定均表明该巷道开挖后围岩产生了非常严重的挤压大变形,主要表现为变形量大、变形速率高、收敛速率小、变形时效特性显著,巷道稳定性控制非常困难。并分析了挤压变形的主要影响因素包括地应力、岩性、巷道群扰动、底板失稳等。针对主胶带机巷挤压大变形特征,基于深部岩巷围岩稳定性控制理论及"分步联合支护"理论制定了控制围岩挤压变形的支护方案,通过数值模拟和现场监测验证了该支护方案的效果,结果均表明采取该支护方案后围岩变形速率显著降低,并在较短时间内变形趋于收敛稳定,支护方案支护效果良好,能够有效的控制围岩挤压大变形。     

大型卷板机的力学模型

基于材料弹性和塑性变形规律及材料力学的理论,通过对板材卷制过程中的受力状况的分析与研究,提出了板材在成型过程中的变力状况:挠曲变形力、弹性变形抗力、塑性变形抗力;给出了影响卷制力的主要因素是挠曲变形力;建立了板材变形率与卷制力之间关系的数学模型。     

反变形工艺技术应用实例

介绍了反变形焊接工艺在反轨式板结构龙门吊主梁和工字钢构件焊接中的应用     

煤层吸附He,CH_4和CO_2过程中的变形特性

为深入研究煤层吸附气体过程中的变形特性,开展了He,CH_4,CO_2三种气体作用下的煤层吸附变形实验,同步测试煤样在CH_4,CO_2气氛下的气体吸附量,探讨了煤样等温吸附变形机理,建立了综合考虑吸附态气体和游离态气体作用的煤等温吸附变形模型。结果表明,He作用下煤样产生压缩变形,应变曲线可分为孔隙压密和线弹性变形两个阶段; CH_4和CO_2气氛下煤样吸附变形与吸附量均呈非线性关系,相同吸附量条件下煤样吸附CH_4产生的膨胀变形量大于吸附CO_2产生的膨胀变形量;煤基质在CO_2气氛下比在CH_4气氛下更容易产生压缩变形;游离态气体不仅通过孔隙压力对煤基质有压缩作用,还能通过改变煤结构促进煤的膨胀变形。可用二次函数表达游离态气体作用下的煤样变形量与孔隙压力关系。与相关模型的对比分析表明,建立的等温吸附变形模型能够对试验数据进行精确拟合,并能够很好地描述煤样在不同吸附性气体作用下的吸附变形特征。     

高层建筑物抗地表倾斜变形影响能力的初步分析

初步对采煤沉陷区的高层建筑物抗倾斜影响能力进行了分析,得出了采煤沉陷区高层建筑物允许的地表倾斜变形参考值,对采煤沉陷区治理和地基稳定性评价有一定的借鉴意义。     

采场巷道围岩变形宏观规律的监测和分析

通过对小官庄铁矿破裂岩巷道表面的深部位移十多年的现场实测，总结了破碎岩锚杆支护巷道围岩的宏观变形特征，为进一步研究其围岩的变形机理和指导支护具有重要意义。     

软岩巷道弹性恢复变形计算研究

分析了弹性恢复变形机理,采取弹性力学中均匀压力作用下厚壁圆筒的位移计算方法得出弹性恢复变形量计算方程,结合典型软岩工程——龙口海域巷道实际地质资料,计算了首采面运输巷开挖后,无支护条件下因围岩应力峰值点转移引起的弹性恢复变形量。     

东滩煤矿副井三维变形监测

本文详述了东滩煤矿副井三维变形监测的方案设计及实施方法，列出了监测及分析结果，并对方法的可靠性及效应进行检验。     

高强度护帮板焊接变形的控制

分析了高强护帮板焊接变形产生的原因及传统控制焊接变形方法的不可行性,阐述了利用焊接顺序使工件自由变形预制反变形的原理,采用此原理有效地控制焊接变形,也满足了生产需要。     

中部槽焊接过程中的热变形机理分析

通过运用热变形机理,即温度梯度机理、屈服机理和增厚机理,对中部槽焊接过程中的热变形进行了分析,指出中板双面开坡口多次堆焊的焊接工艺可有效控制焊后中板的变形量;底板的单面平焊工艺,焊后产生面向焊缝的弯曲变形;同时对焊接变形量超出要求的中部槽提出了2种根据热变形机理的火焰加热修形方法。