Рациональные параметры опережающей забойной крепи из фибергласовых элементов применительно к строительству горных автодорожных тоннелей в Иране

В настоящее время на территории Ирана проживает около 69 миллионов человек. Учитывая рост населения (1.08% в 2003 г.), наряду с другими проблемами возникает необходимость развития дорожно-транспортной сети, что связано со строительством новых и повышением качества существующих автомобильных и железных дорог.

По трассе дорог ведется строительство различных искусственных сооружений, среди которых важное место занимают транспортные тоннели (табл. 1). Проект автомобильной дороги Тегеран-Шомал длиной 121 км является одним из крупнейших в Иране. Она соединит города Тегеран и Чалус на севере (южное побережье Каспийского моря). Вдоль трассы будет построено 60 км тоннелей. Протяженность двух — Алборз и Талун — будет около 6,5 и 5 км соответственно. Тоннели Талун с отметки над уровнем моря от 2285 м у северного портала до 2315 м у южного портала располагаются к северу от Тегерана в направлении Чалус на расстоянии, примерно 21 км, с максимальным продольными уклоном 1,63% и состоят из двух основных, двухполосных параллельных тоннелей (поперечное сечение 75 м2) с проезжей частью 10,30 м. Между тоннелями предусмотрена проходка штольни (поперечное сечение 32 м2). В четвертой пятилетней программе развития экономики Ирана планируется в течение шести лет построить около 200 км городских тоннелей в городах Тегеран, Исфаган и Мэшхед.

Дальнейшее развитие тоннелестроения требует более глубокого изучения и научного обобщения накопленного теоретического и практического опыта для создания эффективных конструкций и технологии строительства. При строительстве тоннелей в Иране возникают многочисленные проблемы, связанные со сложными горногеологическими условиями.

Таблица 1. Перечень построенных и строящихся тоннелей в Иране.

Название проекта Город Протяженность (м) Диаметр (м) Назначение тоннеля Годы строительства.

Трития тоннель Кохранг Чахармохапе Бахтиари 34 000 8 гидротехнический 1999 — 2007.

Сиванд Шираз 354 5 гидротехнический 1997 — 1999.

Салмане фарси Шираз 360 13 гидротехнический 1998 — 2000.

Баба мейдан Баба мейдан 8000 9 автодорожный 2002 — 2006.

Альборз ТегеранСевер 6500 13 автодорожный 2003 — 2007.

Талун Тегеран — Север 5000 13 автодорожный 2003 — 2007.

Кандован Чалус 2000 6,5 автодорожный 1999 — 2002.

Биджар Рашгь 2000 5 гидротехнический 2001 — 2006.

Талеган Талеган 900 б гидротехнический 2003 — 2003.

Талвар Талвар 1900 13 гидротехнический 2000 — 2003.

Тахам Тахам 900 б гидротехнический 1999 — 2000.

Чаяус Тегеран — чалус 6000 11 автодорожный 1999;2002.

В числе этих проблем обеспечение устойчивости подземных выработок, подверженных воздействиям горного давления, повышенных температур, сейсмики и тектонических разломов, сыпучих и водонасыщенных грунтов. Это требует разработки и реализации новых технологий и конструкций, повышающих производительность труда, скорость сооружения, безопасность проходческих работ, сокращающих трудозатраты, стоимость строительства и повышающих эксплуатационную надежность тоннелей.

Цель диссертационных исследований — определение рациональных параметров опережающей забойной крепи при строительстве транспортных тоннелей. До настоящего времени для обеспечения устойчивости выработок и безопасности проходки в Иране используются традиционные методы. В настоящее время для условий Ирана более целесообразно применение современных методов крепления:

• своды из бетона (ОБК — опережающая бетонная крепь);

• стабилизированный грунт, полученный путем замораживания, химического закрепления или струйной цементации;

• защитные экраны из труб;

• армирование грунта в забое фибергласовыми элементами и т. п. Применение фибергласовых элементов — одна из новых технологий, получившая распространения в последнее годы. Поскольку опережающие крепи не применялись в условиях Ирана, необходимо проанализировать мировой опыт проектирования и строительства, а также провести научные исследования по взаимодействию этих крепей с грунтом на различных этапах строительства и эксплуатации тоннеля. Задачи исследований:

• изучение геотехнических условий по трассе эксплуатируемых и строящихся в Иране тоннелей;

• анализ современного опыта проходки тоннелей в нарушенных полускальных и скальных породах;

• теоретические исследования методом математического моделирования напряженно-деформированного состояния опережающей крепи из фибергласовых элементов во взаимодействии с грунтовым массивом;

• разработка рекомендаций по выбору оптимальных параметров опережающей крепи из фибергласовых элементов при сооружении тоннелей в полускальных и скальных породах.

Научная новизна: Впервые выполнены теоретические исследования пространственной работы забойной крепи из фибергласовых элементов во взаимодействии с грунтовым массивом.

Разработана конечно-элементная пространственная модель расчета системы «крепь из фибергласовых элементов — грунтовый массив».

Разработаны рекомендации по выбору рациональных параметров опережающих крепей из фибергласовых элементов.

Достоверность результатов обеспечивается:

• использованием методов механики сплошной среды и сертифицированного программного комплекса «COSMOS/M»;

• строгостью исходных предпосылок применяемых методов теоретических исследований;

• учетом требований действующих нормативных документов;

• использованием разработок передовых ведущих фирм и организаций в рассматриваемой области;

• теоретическим исследованием напряженно-деформированного состояния системы «крепь — массив» на математический модели. Практическая ценность:

• разработан алгоритм решения задачи взаимодействия горных пород и опережающей крепи, позволяющий, осуществлять моделирование широкого круга проблем проходки горным способом в скальных породах;

• получены объективные количественные характеристики параметров опережающих крепей из фибергласовых элементов для различных горно-геологических условий;

• найдены оптимальные технические параметры крепи из фибергласовых элементов.

Апробация работы и публикации: Результаты исследований и основные научные положения диссертационной работы доложены на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Московского автомобильно-дорожного института (государственного технического университета) в 2002;2004 гг. Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Опережающая крепь в тоннелестроении. Сборник научных трудов, «Актуальные проблемы мостостроения и тоннелестроения».- М.: МАДИ, 2001.-С.109−115.

2. Применение фибергласовых элементов для стабилизации тоннельного забоя в слабоустойчивых грунтах. Транспорт/Наука, техника, управление. — М.: ВИНИТИ, 2004, № 4- С.37−39.

Структура и объем работы. Диссертация содержит 194 стр., включает введение, 5 глав, общие выводы, список использованной литературы из 101 наименования и 3 приложения.

Общие выводы.

1. Выполнен анализ современного опыта проектирования и строительства транспортных тоннелей в Иране, выявлены наиболее характерные особенности инженерно-геологических условий по трассе строящихся и проектируемых тоннелей и предложены эффективные технологии их проходки с минимальными нарушениями окружающей среды.

2. Установлено, что в условиях непрерывного роста объемов тоннельного строительства в Иране возникает необходимость преодоления зон тектонических сбросов и разломов, нарушенных и слабоустойчивых грунтов. В связи с этим представляется целесообразным применение нетрадиционных технологий с использованием опережающих контурных крепей (экраны из труб, струйная цементация и др.) и забойной крепи из фибергласовых армирующих элементов.

3. С целью внедрения опережающих крепей в практику тоннелестроения Ирана впервые выполнены комплексные исследования напряженно-деформированного состояния фибергласовых армирующих элементов во взаимодействии с грунтовым массивом на всех этапах проходки тоннеля, что позволило установить оптимальные параметры крепи и разработать рекомендации по их применению.

4. Учитывая, что работа опережающей временной крепи из фибергласовых элементов носит явно выраженный пространственный характер, была разработана объемная компьютерная конечно-элементная модель системы «крепь — грунтовый массив» с использованием программного комплекса «COSMOS-M». Крепь имитировалось стержневыми трубчатыми элементами, а грунтовый массив — объемными 6-узловыми конечными элементами.

5. Исследования на объемной упругой модели напряженно-деформированного состояния системы «крепь — грунтовый массив» позволили оценить устойчивость забоя тоннельной выработки.

Показано, что армирование зоны забоя фибергласовыми элементами с последующими инъектированием в грунт цементного раствора снижает нормальные напряжения перед забоем в грунте в ~2 раза, уменьшает горизонтальное перемещение (вдоль оси тоннеля) лба забоя по сравнению с исходным состоянием на 87−95%. Это позволяет избежать вывалов грунта во время проходки, стабилизирует забой и дает возможность вести проходку тоннеля в слабоустойчивых грунтах методом сплошного забоя.

6. Исследование влияния длины фибергласовых стержней на эффективность применения крепи показало, что максимальное (в ~2 раза) снижение горизонтальных перемещений грунта в зоне забоя достигается при длине стержней (1,5−2) D, где D — диаметр тоннеля. При длине стержней менее 0,5 D эффект крепления становится незначительным. Оптимальный эффект при армировании забоя достигается при плотности распределения стержней 0,4 — 0,7 ед./м .

7. Установлено, что с увеличением глубины заложения тоннеля с 2 D до 3D горизонтальные перемещения в призабойной зоне возрастает на 2022%, а с 3D до 4D — еще на 17%. Таким образом горизонтальные перемещения в зависимости от глубины заложения (увеличения вертикальной нагрузки) растут линейно, что в значительной степени объясняется решением задачи в упругой постановке.

8. Исследования на пространственной модели показали, что степень эффективности опережающей крепи из армирующих фибергласовых элементов повышается с уменьшением крепости грунта, причем максимальный эффект достигается в некрепких грунтах типа с л трещиноватых известняков или доломитов с Е = 1,5.10 т/м при плотности распределения фибергласовых стержней ар= 0,7 ед./м .

9. Исследование совместной работы фибергласовых армирующих элементов с опережающей бетонной крепью (ОБК) по контуру тоннеля показало, что при наличии ОБК, горизонтальные смещения (вдоль оси тоннеля) вблизи лба забоя тоннеля уменьшаются на 35−40% по сравнению креплением призабойной зоны только фибергласовыми элементами, а боковые и вертикальные перемещения не изменяются.

Ю.Математическая обработка результатов численных экспериментов с использованием тренд-анализа позволила получить обобщенные зависимости изменения деформаций грунтового массива от варьируемых геометрических и конструктивно-технологических параметров. Построены серии номограмм, по которым при заданных значениях горизонтальных смещений грунта вдоль оси тоннеля для разных прочностно-деформативных характеристик грунта можно выбрать оптимальный вариант сочетания длины фибергласовых элементов и плотности их распределения.

11. Дальнейшие исследования взаимодействия опережающей крепи из армирующих фибергласовых элементов с грунтовым массивом должны быть направлены на решение упруго-пластической задачи, учитывающей возникновении в слабых грунтах значительных напряжений, вызывающих пластические деформации грунта и фибергласовых элементов. Это позволит назначать более технологичные и экономичные варианты проходки и крепления выработки.