随着深部地下空间的开发和资源的开采,竖井掘进机(Shaft Boring Machine,以下简称SBM)由于在深大竖井建设中具有效率高、安全性好及环保等优势已成为未来发展的趋势。SBM在掘进过程中,撑靴支撑在竖井侧壁以固定掘进机并为掘进机提供前进的动力。在穿过复杂的土层和岩层时,如果在撑靴作用下竖井侧壁岩土体无法提供足够的承载力,将会产生掘进机推进力不足、姿态难以控制等问题,严重时甚至导致竖井侧壁失稳。考虑到目前我国首台SBM刚完成调试还未投入应用,由于没有施工经验和缺乏相关竖井侧壁极限承载力计算理论,因此有必要开展SBM撑靴作用下土质地层和岩质地层中竖井侧壁极限承载力的研究。本论文以国内自主研制的首台SBM(MSJ5.8/1.6D型)为依托,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,对SBM掘进中竖井撑靴侧壁的稳定性和承载力进行研究,主要工作和取得的研究成果如下:1)对竖井凿井方法、SBM钻井工艺和装备及相关研究成果进行调研。分析了SBM掘进时力学传递机制和撑靴的作用下竖井侧壁岩土体的受力状况,为后续撑靴侧壁极限承载力的研究奠定基础。2)采用耦合有限元与离散元方法的GDEM数值模拟软件,考虑掘进深度、竖井直径及围岩等级三种因素的影响,对掘进过程中撑靴对竖井侧壁岩土体的作用进行了三维数值模拟,得到了撑靴作用下侧壁岩土体内部位移、应力、应变和破坏单元的分布及特征。计算结果表明:(1)竖井撑靴侧壁的主要破坏模式为剪切滑移破坏,并得到了简化破坏面;(2)随着掘进深度增大,竖井侧壁破坏单元和撑靴作用处位移减小,而极限承载力稍有提高;(3)竖井直径增大时,侧壁破坏单元稍有增加,而塑性剪应变和撑靴作用处位移明显增大,且极限承载力明显降低;(4)围岩等级越高,侧壁破坏单元明显减少,而且承载力显著提高。与其他影响因素相比,围岩等级的影响最大。3)以数值模拟得到的竖井侧壁土体破坏模式为基础,首先假定破坏面为对数螺旋线和直线旋转曲面的组合,分析了破坏面上的应力分布。然后,基于MohrCoulomb破坏准则,采用土体塑性极限平衡法,推导了撑靴作用下竖井侧壁土体的极限承载力计算公式;并对所推导理论公式中承载力系数的变化规律及基本因素的影响规律进行了分析。最后,将典型土层中理论计算值与数值模拟结果进行对比和分析,以说明该公式的合理性。4)基于Hoek-Brown准则对撑靴作用下竖井侧壁岩体的破坏开展了数值模拟分析,得到了竖井侧壁岩体内部的破坏单元、剪应变以及位移的分布规律。分析结果表明,撑靴作用下竖井围岩的破坏模式主要为剪切滑移破坏,据此确定了简化的滑移破坏面。此外,Hoek-Brown准则参数对岩体破坏有显著影响,岩体扰动、破碎度越高,对应的破坏单元越多,剪应变和位移也越大。5)根据数值模拟所得到的竖井侧壁岩体破坏模式及破坏面形状,首先假定滑移破坏面由5个平面组成,基于Hoek-Brown破坏准则,对每个破坏面进行了受力分析,采用岩体塑性极限平衡理论推导了撑靴作用下竖井侧壁岩体的极限承载力计算公式;同时对计算公式中的基本参数的影响规律进行了分析。最后,针对相同性质的岩层,将按规范所得的地基极限承载力与推导公式计算得到的竖井侧壁岩体极限承载力进行对比,在典型岩层中,将公式计算结果与数值模拟结果进行了对比,说明了本文公式的合理性。本论文的研究结果不仅为深大竖井建设中SBM撑靴侧壁岩土体极限承载力提供了一种预测和评估方法,而且对SBM的设计和施工风险控制也有指导意义。