新建地铁隧道穿越煤矿塌陷区地基稳定性分析及处治对策研究
发布时间：2021-05-10 01:43
如何确保地铁隧道的地基稳定是地铁建设必须首先解决的重大技术问题,多数情况下,在地铁建设的勘察设计阶段,通过合理选址和采取适当的常规技术措施,问题即可得以解决。然而也有例外,新建乌鲁木齐市轨道交通1号线由于各种条件限制,必须穿越六道湾煤矿的两大塌陷区（俗称南大槽和北大槽）,在煤矿塌陷区上新建地铁隧道,国内外尚无先例,没有成功的经验可供借鉴。因此,如何安全穿越塌陷区以确保建成后的地铁隧道长期运营安全,从工程规划伊始就作为一项重大难题摆在了建设者面前。本文即以地铁穿越塌陷区为研究对象,采用综合研究手段,对塌陷区的形成过程、残余变形趋向以及塌陷区侧壁围岩稳定性展开了深入研究,在此基础上,首次提出并设计了“桩基+地下梁+锚杆桩+斜拉锚索”综合穿越方案,并取得了良好的工程效果,实现了新建地铁隧道对煤矿塌陷区的顺利穿越。本文获得如下主要研究结论:（1）基于突变理论和广义H-B强度准则,建立了塌陷区残留空区顶煤冒落失稳非线性研究模型,利用该模型对探测出的塌陷区残留空区进行预测,得到的塌陷区残留空区的顶煤稳定性预测结果均为稳定状态,说明后期塌陷区内残留小型空区顶煤不会发生突变失稳破坏和顶煤筒状塌落破坏现...
【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：180 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 问题的提出
1.2 研究目的和意义
1.3 采空区顶板稳定性分析研究现状
1.4 采空区残余变形研究现状
1.5 采空区围岩稳定性研究现状
1.6 穿越采空区施工技术研究现状
1.6.1 公路穿越采空区施工技术研究现状
1.6.2 铁路穿越采空区施工技术研究现状
1.6.3 隧道穿越采空区施工技术研究现状
1.7 主要研究内容及技术路线
1.7.1 研究内容
1.7.2 技术路线
2 工程概况
2.1 工程简介
2.2 工程地质条件
2.2.1 地理位置
2.2.2 气象情况
2.2.3 地形地貌
2.2.4 地质构造
2.2.5 地层岩性
2.3 水文地质特性
2.4 采空区形成过程
2.5 残留采空区分布范围探测研究
2.5.1 瞬变电磁法成果
2.5.2 跨孔波速法成果
2.5.3 残留采空区分布位置统计
2.6 本章小结
3 塌陷区岩土体特性试验研究
3.1 岩石物理力学性质试验研究
3.1.1 岩石物理性质试验
3.1.2 岩石形变参数试验
3.1.3 岩石单轴压缩试验
3.1.4 岩石三轴压缩试验
3.1.5 岩石软弱结构面饱和直剪试验
3.2 塌陷区回填物物理力学性质研究
3.2.1 塌陷区回填物的成分组成
3.2.2 塌陷区回填物的物理力学性质
3.3 塌陷区侧壁围岩特性试验结果
3.3.1 侧壁围岩的成分组成
3.3.2 侧壁围岩的物理力学性质
3.3.3 侧壁围岩岩体物理力学参数选取
3.4 本章小结
4 塌陷区残留空区顶煤冒落失稳研究
4.1 概述
4.2 突变理论
4.2.1 突变理论基本思想
4.2.2 突变模型构建
4.3 采空区顶煤突变失稳模型
4.3.1 采空区顶煤结构力学模型
4.3.2 采空区顶煤结构失稳的尖点突变模型
4.4 采空区顶煤筒状塌落极限平衡分析
4.4.1 采空区顶煤筒状塌落机理分析
4.4.2 采空区顶煤筒状塌落模型
4.5 基于广义H-B强度准则的采空区顶煤筒状塌落极限平衡分析
4.5.1 H-B强度准则研究进展
4.5.2 采空区顶煤筒状塌落的稳定性分析
4.6 模型验证及预测
4.6.1 采空区顶煤的突变失稳计算
4.6.2 基于广义H-B强度准则的矩形采场顶煤稳定性分析
4.6.3 塌陷区残留空区顶煤稳定性预测
4.7 本章小结
5 塌陷区残余变形研究
5.1 急倾斜特厚煤层塌陷区残余变形机理分析
5.2 基于开采影响传播角的残余变形预计模型研究
5.2.1 概率积分法计算模型
5.2.2 开采影响传播规律
5.2.3 开采沉陷预计模型
5.2.4 基于开采影响传播角的残余移动变形预计模型
5.3 残余沉降动态预测模型
5.4 理论模型验证及动态预测
5.4.1 静态残余移动变形验证
5.4.2 动态残余沉降预测
5.5 数值模拟验证分析
5.5.1 有限差分计算原理
5.5.2 地质模型
5.5.3 数值模型构建及参数选取
5.5.4 计算结果分析
5.6 塌陷区稳定性描述
5.7 本章小结
6 塌陷区侧壁围岩稳定性研究
6.1 采空区侧壁围岩变形分析
6.2 塌陷区侧壁围岩稳定性力学研究
6.2.1 塌陷区侧壁围岩概述
6.2.2 塌陷区侧壁围岩失稳形式描述
6.2.3 塌陷区侧壁围岩力学模型分析
6.2.4 计算结果分析
6.3 基于离散元模拟的塌陷区侧壁围岩稳定性研究
6.3.1 离散元法与UDEC程序简介
6.3.2 地质模型
6.3.3 数值模型构建及参数选取
6.3.4 数值模拟结果分析
6.4 塌陷区侧壁围岩破坏相似模拟试验研究
6.4.1 相似模拟试验原理
6.4.2 试验方案设计
6.4.3 试验过程
6.4.4 试验结果及分析
6.5 本章小结
7 新建地铁隧道穿越塌陷区综合处治方案研究
7.1 新建地铁隧道穿越塌陷区整体方案提出
7.2 地铁隧道穿越南、北大槽地段处治方案
7.2.1 塌陷区内塌落体处治方案设计
7.2.2 塌陷区侧壁围岩处治方案设计
7.2.3 南、北大槽地段地基方案设计
7.3 地铁隧道穿越槽台地段地基方案
7.4 综合处治方案的效果评价
7.4.1 综合处治方案的实施
7.4.2 综合处治方案的验证
7.5 本章小结
8 结论
8.1 主要结论
8.2 创新点
8.3 研究展望
参考文献
作者简历及在学研究成果
学位论文数据集
【参考文献】：
期刊论文
[1]特厚急倾斜煤层水平分段开采顶板冒落研究[J]. 黄昌富,田书广. 煤炭技术. 2017(07)
[2]煤层开采过程中覆岩移动规律的UDEC数值模拟[J]. 朱训国,夏洪春,王忠昶. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版). 2016(12)
[3]基于突变理论和广义H-B强度准则的采空区顶板稳定性分析[J]. 黄昌富,田书广,吴顺川,高永涛. 煤炭学报. 2016(S2)
[4]Structure20instability20forecasting20and20analysis20of20giant20rock20pillars20in20steeply20dipping20thick20coal20seams[J]. Xing-ping Lai,Huan Sun,Peng-fei Shan,Ming Cai,Jian-tao Cao,Feng Cui. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2015(12)
[5]上覆薄煤层采空区公路隧道开挖稳定性试验研究[J]. 方勇,周超月,刘书斌,徐晨. 湖南大学学报(自然科学版). 2015(07)
[6]崩落法转充填法采矿地表移动二维离散元程序数值模拟及其规律验证[J]. 曹帅,杜翠凤,母昌平,雷远坤. 岩土力学. 2015(06)
[7]老采空区地表残余移动变形影响函数研究[J]. 朱广轶,徐征慧,解陈,郭影. 岩石力学与工程学报. 2014(10)
[8]建筑荷载作用下采空区顶板岩梁稳定性分析[J]. 邹友峰,柴华彬. 煤炭学报. 2014(08)
[9]缓倾煤层采空区滑坡形成机制数值模拟研究[J]. 赵建军,肖建国,向喜琼,黄润秋,王玉川,史文兵. 煤炭学报. 2014(03)
[10]D-InSAR监测老采空区残余变形的试验[J]. 刘晓菲,邓喀中,范洪冬,王江涛. 煤炭学报. 2014(03)
博士论文
[1]基于经验方法和数值模拟的采场围岩稳定性研究[D]. 张敏思.东北大学 2015
[2]采动场地残余变形特征及预测模型研究[D]. 丁陈建.中国矿业大学 2009
[3]急倾斜煤层开采岩层破坏机理及地表移动理论研究[D]. 王明立.煤炭科学研究总院 2008
硕士论文
[1]采空条件下岩质边坡变形破坏机理研究[D]. 黄刚.成都理工大学 2013
[2]采动覆岩裂隙场演化及瓦斯运移规律研究[D]. 李生舟.重庆大学 2012
[3]丰山铜矿南部矿床1号矿体采场结构参数及开采顺序优化研究[D]. 岳滨.昆明理工大学 2009
[4]浅埋煤层长壁开采顶板结构稳定性分析[D]. 谢大平.西安科技大学 2008
[5]常家山隧道穿越煤系地层及采空区段的施工过程数值模拟研究[D]. 覃羡安.西安科技大学 2005
本文编号：3178430
【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：180 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 问题的提出
1.2 研究目的和意义
1.3 采空区顶板稳定性分析研究现状
1.4 采空区残余变形研究现状
1.5 采空区围岩稳定性研究现状
1.6 穿越采空区施工技术研究现状
1.6.1 公路穿越采空区施工技术研究现状
1.6.2 铁路穿越采空区施工技术研究现状
1.6.3 隧道穿越采空区施工技术研究现状
1.7 主要研究内容及技术路线
1.7.1 研究内容
1.7.2 技术路线
2 工程概况
2.1 工程简介
2.2 工程地质条件
2.2.1 地理位置
2.2.2 气象情况
2.2.3 地形地貌
2.2.4 地质构造
2.2.5 地层岩性
2.3 水文地质特性
2.4 采空区形成过程
2.5 残留采空区分布范围探测研究
2.5.1 瞬变电磁法成果
2.5.2 跨孔波速法成果
2.5.3 残留采空区分布位置统计
2.6 本章小结
3 塌陷区岩土体特性试验研究
3.1 岩石物理力学性质试验研究
3.1.1 岩石物理性质试验
3.1.2 岩石形变参数试验
3.1.3 岩石单轴压缩试验
3.1.4 岩石三轴压缩试验
3.1.5 岩石软弱结构面饱和直剪试验
3.2 塌陷区回填物物理力学性质研究
3.2.1 塌陷区回填物的成分组成
3.2.2 塌陷区回填物的物理力学性质
3.3 塌陷区侧壁围岩特性试验结果
3.3.1 侧壁围岩的成分组成
3.3.2 侧壁围岩的物理力学性质
3.3.3 侧壁围岩岩体物理力学参数选取
3.4 本章小结
4 塌陷区残留空区顶煤冒落失稳研究
4.1 概述
4.2 突变理论
4.2.1 突变理论基本思想
4.2.2 突变模型构建
4.3 采空区顶煤突变失稳模型
4.3.1 采空区顶煤结构力学模型
4.3.2 采空区顶煤结构失稳的尖点突变模型
4.4 采空区顶煤筒状塌落极限平衡分析
4.4.1 采空区顶煤筒状塌落机理分析
4.4.2 采空区顶煤筒状塌落模型
4.5 基于广义H-B强度准则的采空区顶煤筒状塌落极限平衡分析
4.5.1 H-B强度准则研究进展
4.5.2 采空区顶煤筒状塌落的稳定性分析
4.6 模型验证及预测
4.6.1 采空区顶煤的突变失稳计算
4.6.2 基于广义H-B强度准则的矩形采场顶煤稳定性分析
4.6.3 塌陷区残留空区顶煤稳定性预测
4.7 本章小结
5 塌陷区残余变形研究
5.1 急倾斜特厚煤层塌陷区残余变形机理分析
5.2 基于开采影响传播角的残余变形预计模型研究
5.2.1 概率积分法计算模型
5.2.2 开采影响传播规律
5.2.3 开采沉陷预计模型
5.2.4 基于开采影响传播角的残余移动变形预计模型
5.3 残余沉降动态预测模型
5.4 理论模型验证及动态预测
5.4.1 静态残余移动变形验证
5.4.2 动态残余沉降预测
5.5 数值模拟验证分析
5.5.1 有限差分计算原理
5.5.2 地质模型
5.5.3 数值模型构建及参数选取
5.5.4 计算结果分析
5.6 塌陷区稳定性描述
5.7 本章小结
6 塌陷区侧壁围岩稳定性研究
6.1 采空区侧壁围岩变形分析
6.2 塌陷区侧壁围岩稳定性力学研究
6.2.1 塌陷区侧壁围岩概述
6.2.2 塌陷区侧壁围岩失稳形式描述
6.2.3 塌陷区侧壁围岩力学模型分析
6.2.4 计算结果分析
6.3 基于离散元模拟的塌陷区侧壁围岩稳定性研究
6.3.1 离散元法与UDEC程序简介
6.3.2 地质模型
6.3.3 数值模型构建及参数选取
6.3.4 数值模拟结果分析
6.4 塌陷区侧壁围岩破坏相似模拟试验研究
6.4.1 相似模拟试验原理
6.4.2 试验方案设计
6.4.3 试验过程
6.4.4 试验结果及分析
6.5 本章小结
7 新建地铁隧道穿越塌陷区综合处治方案研究
7.1 新建地铁隧道穿越塌陷区整体方案提出
7.2 地铁隧道穿越南、北大槽地段处治方案
7.2.1 塌陷区内塌落体处治方案设计
7.2.2 塌陷区侧壁围岩处治方案设计
7.2.3 南、北大槽地段地基方案设计
7.3 地铁隧道穿越槽台地段地基方案
7.4 综合处治方案的效果评价
7.4.1 综合处治方案的实施
7.4.2 综合处治方案的验证
7.5 本章小结
8 结论
8.1 主要结论
8.2 创新点
8.3 研究展望
参考文献
作者简历及在学研究成果
学位论文数据集
【参考文献】：
期刊论文
[1]特厚急倾斜煤层水平分段开采顶板冒落研究[J]. 黄昌富,田书广. 煤炭技术. 2017(07)
[2]煤层开采过程中覆岩移动规律的UDEC数值模拟[J]. 朱训国,夏洪春,王忠昶. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版). 2016(12)
[3]基于突变理论和广义H-B强度准则的采空区顶板稳定性分析[J]. 黄昌富,田书广,吴顺川,高永涛. 煤炭学报. 2016(S2)
[4]Structure20instability20forecasting20and20analysis20of20giant20rock20pillars20in20steeply20dipping20thick20coal20seams[J]. Xing-ping Lai,Huan Sun,Peng-fei Shan,Ming Cai,Jian-tao Cao,Feng Cui. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2015(12)
[5]上覆薄煤层采空区公路隧道开挖稳定性试验研究[J]. 方勇,周超月,刘书斌,徐晨. 湖南大学学报(自然科学版). 2015(07)
[6]崩落法转充填法采矿地表移动二维离散元程序数值模拟及其规律验证[J]. 曹帅,杜翠凤,母昌平,雷远坤. 岩土力学. 2015(06)
[7]老采空区地表残余移动变形影响函数研究[J]. 朱广轶,徐征慧,解陈,郭影. 岩石力学与工程学报. 2014(10)
[8]建筑荷载作用下采空区顶板岩梁稳定性分析[J]. 邹友峰,柴华彬. 煤炭学报. 2014(08)
[9]缓倾煤层采空区滑坡形成机制数值模拟研究[J]. 赵建军,肖建国,向喜琼,黄润秋,王玉川,史文兵. 煤炭学报. 2014(03)
[10]D-InSAR监测老采空区残余变形的试验[J]. 刘晓菲,邓喀中,范洪冬,王江涛. 煤炭学报. 2014(03)
博士论文
[1]基于经验方法和数值模拟的采场围岩稳定性研究[D]. 张敏思.东北大学 2015
[2]采动场地残余变形特征及预测模型研究[D]. 丁陈建.中国矿业大学 2009
[3]急倾斜煤层开采岩层破坏机理及地表移动理论研究[D]. 王明立.煤炭科学研究总院 2008
硕士论文
[1]采空条件下岩质边坡变形破坏机理研究[D]. 黄刚.成都理工大学 2013
[2]采动覆岩裂隙场演化及瓦斯运移规律研究[D]. 李生舟.重庆大学 2012
[3]丰山铜矿南部矿床1号矿体采场结构参数及开采顺序优化研究[D]. 岳滨.昆明理工大学 2009
[4]浅埋煤层长壁开采顶板结构稳定性分析[D]. 谢大平.西安科技大学 2008
[5]常家山隧道穿越煤系地层及采空区段的施工过程数值模拟研究[D]. 覃羡安.西安科技大学 2005
本文编号：3178430
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