岩土力学 ›› 2020, Vol. 41 ›› Issue (S1): 227-236.doi: 10.16285/j.rsm.2019.0879

• 岩土工程研究 • 上一篇    下一篇

竖井掘进机撑靴井壁土体极限承载力研究

李超1，李涛1，荆国业2，肖玉华1   

  1. 1. 北京交通大学 城市地下工程教育部重点实验室，北京 100044；2. 煤炭科学研究总院 建井研究分院，北京 100013
  • 收稿日期:2019-05-15 修回日期:2019-10-16 出版日期:2020-06-19 发布日期:2020-06-09
  • 通讯作者: 李涛，男，1960年生，博士，教授，博士生导师，主要从事地下工程、环境岩土工程方面的教学与研究。E-mail：taoli@bjtu.edu.cn E-mail:16115307@bjtu.edu.cn
  • 作者简介:李超，男，1990年生，博士研究生，主要从事隧道与地下工程围岩稳定方面的研究工作
  • 基金资助:
    中央高校基本科研业务费专项资金（No.2017YJS157）；国家重点基础研究发展计划项目（973计划）（No.2014CB046906）；天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项（No.2018-TD-ZD003）。

Study on the ultimate bearing capacity of surrounding soil underlying gripper of shaft boring machine

LI Chao1, LI Tao1, JING Guo-ye2, XIAO Yu-hua1   

  1. 1. Key Laboratory of Urban Underground Engineering of Ministry of Education, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2. China Coal Research Institute, Mine Construction Branch, Beijing 100013, China
  • Received:2019-05-15 Revised:2019-10-16 Online:2020-06-19 Published:2020-06-09
  • Supported by:
    This work was supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities(2017YJS157), the National Program on Key Basic Research of China (973 program)(2014CB046906), and Science and Technology Innovation Funds of Tiandi Science & Technology Co., Ltd. (2018-TD-ZD003).

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摘要： 竖井掘进机在土层中掘进时，如果撑靴井壁土体无法提供足够的承载力，会产生撑靴推进反力不足、掘进机姿态难以控制等问题，严重时甚至导致井壁失稳，因此需要研究撑靴作用下井壁土体的极限承载力。以国内研制的首台矿山型竖井掘进机为依托，采用数值模拟方法对掘进过程中撑靴侧壁土体的受力和变形进行分析，确定撑靴作用下井壁土体的破坏模式为剪切滑移破坏。基于井壁土体破坏模式，假定破坏面为对数螺旋线和直线旋转曲面的组合，分析破坏面上的应力分布。采用土体塑性极限平衡法，推导竖井掘进机撑靴作用下井壁土体的极限承载力公式。将理论分析结果与数值模拟结果进行对比和分析，表明该公式的合理性。研究结果对于土层中竖井掘进机撑靴的设计及井壁稳定性的评估有重要的指导意义。

关键词: 竖井掘进机, 撑靴, 土体, 破坏模式, 极限承载力

Abstract: When shaft boring machine is tunnelling in strata, the inadequate bearing capacity of the surrounding soil underlying gripper can lead to insufficient propulsion, inability of excavation direction control and even shaft instability, therefore, it is necessary to study the ultimate bearing capacity of the surrounding soil underlying gripper. Based on the first mine-type shaft boring machine developed in China, the interaction between the gripper and soil is herein investigated by numerical simulation and the failure mode of the soil underlying gripper is determined to be shear-slip failure. Based on the failure mode simulated and the assumption made to treat the fracture face of surrounding soil under gripper as a combination of logarithmic helix and linear rotating surface, the stress distribution on the fracture face is analysed. Then, the formula of ultimate bearing capacity of surrounding soil underlying gripper is derived using the plastic limit equilibrium theory. Finally, the formula of ultimate bearing capacity is compared and analysed with the numerical simulation results to show its rationality. The results of this investigation can provide important guidance to the gripper design of shaft boring machines and stability evaluation of surrounding soil underlying shaft boring machine’s gripper in different conditions.

Key words: shaft boring machine, gripper, soil, failure mode, ultimate bearing capacity

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