Разработка метода расчета обделок тоннелей, сооружаемых с применением укрепительной цементации в трансверсально — изотропном массиве пород

Для обеспечения прочности, надежности и долговечности обделок транспортных, коммунальных и гидротехнических тоннелей, сооружаемых в сложных горно-геологических условиях, особую актуальность имеют вопросы расчета обделок с учетом реальных особенностей окружающего массива горных пород, в частности — его анизотропии и трещиноватости.

В настоящее время при строительстве тоннелей в сложных горногеологических условиях, характеризующихся наличием обводненных трещиноватых пород, наряду с сооружением обделки применяют специальные мероприятия по водоподавлению путем нагнетания скрепляющих растворов с поверхности или из забоя выработки, либо через скважины, пробуренные в обделке. Инъекционное укрепление, проводимое в основном растворами на основе цемента (цементация), позволяет значительно уменьшить анизотропию свойств пород вокруг тоннеля и повысить их модуль деформации, обеспечить снижение остаточных напоров подземных вод, действующих на обделку. При этом вокруг выработки создается слой пород с отличными от остального массива деформационными и фильтрационными характеристиками, наличие которого целесообразно учитывать при расчете и проектировании тоннелей, т. к. этот слой оказывает существенное влияние на напряженное состояние обделки и позволяет в ряде случаев облегчить конструкцию, снизив ее толщину или процент армирования.

Существующие методы расчета обделок, основанные на современных представлениях механики подземных сооружений о взаимодействии подземной конструкции и окружающего массива пород как элементов единой деформируемой системы, позволяют определить напряженное состояние обделки, испытывающей действие собственного веса пород, тектонических сил в массиве, давления подземных вод, внутреннего напора и сейсмические воздействия землетрясений. Эти методы, базирующиеся на аналитических решениях соответствующих плоских контактных задач теории упругости, реализованные в виде программ для ЭВМ, позволяют производить многовариантные расчеты обделок тоннелей произвольного поперечного сечения, в том числе — с учетом влияния укрепительной цементации пород, обделок параллельных взаимовлияющих тоннелей круглого поперечного сечения, в том числе — многослойных, наружный слой которых может рассматриваться как слой укрепленных пород, а также обделок тоннелей мелкого заложения, сооружаемых с применением укрепительной цементации, на статические нагрузки, тектонические и сейсмические воздействия.

Однако в большинстве указанных методов расчета массив пород, как правило, моделируется однородной изотропной средой, что. ограничивает применение этих методов в случаях, когда окружающий тоннель массив обладает существенной анизотропией или трещиноватостью, что может оказывать значительное влияние на напряженное состояние обделки. Существующие методы расчета, в которых массив пород моделируется трансверсально-изотропной средой, в свою очередь, не позволяют рассчитывать обделки тоннелей, сооружаемых с применением укрепительной цементации.

В связи с этим, целью диссертации является разработка метода расчета обделок круговых тоннелей, сооружаемых с применением укрепительной цементации (производимой как из забоя или с поверхности земли, так и через скважины, пробуренные в обделке) окружающего выработку трансверсально-изотропного массива пород с наклонной в общем случае плоскостью изотропии, на действие собственного веса пород, тектонических сил в массиве и внешнего давления подземных вод, в том числе — с учетом возможной фильтрации воды через зацементированный слой и обделку.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие % задачи:

— разработана математическая модель взаимодействия обделки, зацементированной зоны и трансверсально-изотропного массива пород с наклонной плоскостью изотропии, в которой двуслойное кольцо из изотропных материалов, моделирующее обделку и зацементированную зону, подкрепляет отверстие в трансверсально-изотропной среде с наклонной плоскостью изотропии, моделирующей массив пород. Модель позволяет учесть основные факторы, влияющие на напряженное состояние конструкции — геометрические характеристики обделки и укрепленной зоныдеформационные и фильтрационные характеристики трансверсально-изотропного массива пород, зацементированного слоя и материала обделкиугол наклона плоскости изотропиихарактеристики начального поля напряжений в массиве пород и в зацементированной зонеособенности технологии сооружения обделки и укрепления пород;

— получены новые аналитические решения плоских контактных задач теории упругости для линейно-деформируемой трансверсально-изотропной среды с наклонной в общем случае плоскостью изотропии, ослабленной круговым отверстием, подкрепленным двуслойным кольцом из изотропных материалов, при граничных условиях, отражающих непрерывность векторов смещений и полных напряжений на линиях контакта, наличие поля начальных напряжений в трансверсально-изотропной среде и наружном слое изотропного кольца и отсутствие внешних сил на внутреннем контуре;

— на основе полученных решений разработан метод расчета обделок круговых тоннелей, сооружаемых в трансверсально-изотропном массиве пород с применением укрепительной цементации, производимой как из забоя или с поверхности земли, так и через скважины, пробуренные в обделке, на действие собственного веса пород, тектонических сил в массиве и внешнего давления подземных вод, в том числе — с учетом возможной фильтрации воды через зацементированную зону пород и обделку;

— разработаны алгоритмы и составлен комплекс программ для ПЭВМ, позволяющий производить многовариантные расчеты обделок круговых тоннелей, сооружаемых с применением укрепительной цементации в анизотропном массиве пород;

— выполнена проверка точности удовлетворения граничных условий рассмотренных контактных задач и произведено сравнение результатов расчета с данными, полученными К. Е. Залесским в некоторых частных случаях;

— исследованы зависимости нормальных тангенциальных напряжений, возникающих на внутреннем контуре поперечного сечения бетонной обделки тоннеля, сооружаемого в анизотропных породах. четырех типов, от основных влияющих факторов — модуля деформации материала обделки, относительной толщины обделки и укрепленной зоны, угла наклона плоскости изотропии массива, отношения главных начальных напряжений в массиве и угла между главной осью начальных напряжений и плоскостью изотропии (в случае действия тектонических сил), отно.