临近煤矿采空区CWD高铁隧道围岩稳定性分析研究

作     者：谭路 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李宁;刘小平

授予年度：2021年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：煤矿采空区 放顶开挖 地震响应 列车荷载 采空区覆岩移动 围岩稳定性 

摘      要：本文以高速铁路隧道为工程背景,基于工程地质勘查资料,利用PFC2D颗粒流离散元数值软件模拟煤矿采空区岩体破坏过程,根据理论计算、工程地质类比、数值模拟分析及现场钻探验证的方法综合确定采空区三带发育高度。采用Flac3D有限差分软件建立了三维数值模型,着重分析了典型穿越复杂采空区深埋隧道施工过程地表沉降、围岩变形、采空区覆岩移动参数及隧洞围岩稳定性,同时利用Midas-GTS建立地震荷载及列车荷载时程曲线来分析煤矿采空区残余变形对隧道稳定性影响度。研究成果可为类似实际工程提供一定的借鉴意义和参考价值。本文研究主要取得如下成果:(1)本文首先基于理论计算得到垮落带高度和导水裂隙带高度,再通过PFC2D颗粒流离散元数值软件模拟煤矿采空区岩体破坏过程,根据工程地质类比、数值模拟分析及现场钻探验证的方法综合确定采空区三带发育高度,为本文煤层开采放顶模拟思路的验证提供了依据。(2)本文通过建立了三维数值模型对某高铁隧道穿越煤矿采空区案例进行了分析研究,得到了静载和动载作用下煤矿采空区残余变形对隧道稳定性影响和覆岩移动变化规律。计算结果表明:对选取的三个横断面的采空区残余变形进行数值计算,结果表明:①由采空区残余变形引起的横向位移增量最大值隧道拱顶17.16mm,拱底为10.14mm,左边墙为15.45mm,右边墙为11.05mm:竖向位移增量最大值隧道拱顶43.18mm,拱底为31.64mm,左边墙为29.59mm,右边墙为30.82mm。采空区残余变形对隧道稳定性的存在一定影响,不利于隧道长期稳定。②地震荷载作用下,煤矿采空区下伏隧道顶部拉应力增大,隧道底部拉应力降低,左边墙压应力增大,右边墙压应力降低,会加剧隧道的不利受力形态,但是应力增量较小,对隧道围岩稳定影响程度不大。③列车振动荷载作用下隧道顶底法向受拉应力,边墙法向受压应力,列车振动作用会加剧隧道的不利受力形态,列车自重下隧洞径向应力增量最小值为15Pa,最大值为192kPa.列车振动荷载引起的值隧道围岩变形、应力、速度和加速度影响相对较小。(3)充分考虑采动引起岩层内部变形的复杂性、地下开采及地表斜坡效应共同作用、多煤层重复采动影响、高铁工程变形敏感等不利因素,从安全角度考虑综合确定采空区走向边界角δ0取48°,长度155m。