Методика определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона

В настоящее время в отечественной практике строительства транспортных тоннелей наблюдается рост объемов применения набрызгбетона в качестве временной крепи и постоянной конструкции (обделки).

Так, за последние десятилетия на набрызгбетонной крепи были пройдены подходная выработка и перегонный тоннель между станциями «Киевская» — «Парк Победы» Московского метрополитена (1993г.), калоттная часть станции «Геологическая» Екатеринбургского метрополитен (1998г.), в настоящее время ведется сооружение автодорожного тоннеля в г. Уфе, калоттной части станции «Чкаловская» Екатеринбургского метрополитена и ряда автодорожных тоннелей, расположенных вблизи г. Сочи [1, 10, 20, 51, 63, 65, 77].

Современные темпы транспортного строительства, требующие высоких скоростей проходки тоннелей и оптимального расходования трудовых и финансовых средств, вызывают потребность в разработке эффективных конструкций набрызгбетонных крепей (обделок), параметры которых (толщины, армирования), обеспечивая необходимую несущую способность крепи, являлись бы оптимальными. Добиться эффективных значений конструктивных параметров крепи возможно при учете в расчетах с большей точностью и достоверностью технологических особенностей сооружения тоннелей, влияющих на распределение и значения расчетных внутренних усилий в крепи.

Так, важной особенностью ведения проходческих работ горным способом является неизбежное отставание возведения набрызгбетонной крепи от разработки грунта, приводящее на длине передовой неподкрепленной заходки к частичной разгрузке грунтового массива. Разгрузка массива заключается в изменении бытовых напряжений в грунтовом массиве, действующих до начала строительства в зоне тоннеля, и сопровождается деформациями контура тоннельной выработки. Благодаря этому крепь тоннеля, установленная с некоторым запозданием, подвергается меньшему по сравнению с бытовым горному давлению.

На современном этапе развития методов расчета учесть с достаточной степенью достоверности величину частичной разгрузки грунтового массива в призабойной зоне тоннельной выработки позволяют пространственные численные модели, в которых разгрузка массива учитывается автоматически при задании этапов расчета, включающих продвижение забоя на длину очередной строительной заходки и устройство крепи на длине предыдущей. Но, несмотря на это, в настоящее время для практических целей на стадии проектирования прибегают в основном к плоским расчетным схемам, в которых частичная разгрузка грунтового массива в призабойной зоне тоннельной выработки учитывается в исходных параметрах процесса расчета.

Обзор современного состояния вопроса показал, что назначение степени разгрузки грунтового массива при проведении расчетов плоских численных моделей системы «крепь — массив», как правило, носит эмпирический характер из-за отсутствия рекомендаций по выбору ее величины для многих частных значений технологических параметров сооружения тоннелей.

В связи с этим возникает необходимость в проведении научных исследований напряженно-деформированного состояния грунтового массива в призабойной зоне тоннельной выработки и разработке на их основе методики определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона.

Актуальность темы

.

Актуальность диссертационной работы обусловлена увеличением объемов применения в отечественной практике строительства транспортных тоннелей набрызгбетона в качестве временной крепи и постоянной конструкции (обделки).

При этом возрастающие темпы транспортного строительства, требующие высоких скоростей проходки тоннелей и оптимального расходования трудовых и финансовых средств, вызывают потребность в разработке эффективных конструкций набрызгбетонных крепей (обделок), параметры которых (толщина, армирование), обеспечивая необходимую несущую способность крепи, являлись бы оптимальными. Добиться эффективных значений конструктивных параметров крепи возможно при учете в расчетах с большей точностью и достоверностью технологических особенностей сооружения тоннелей, влияющих на распределение и значения расчетных внутренних усилий в крепи.

Для решения этой задачи и разработки на его основе методики определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона возникла необходимость проведения научных исследований.

Цель и задачи диссертации.

Цель диссертационной работы заключается в создании методики определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона.

Для достижения цели диссертации необходимо решить следующие задачи:

— выполнить анализ существующих методов расчета набрызгбетонной крепи;

— выполнить теоретические исследования напряженно-деформированного состояния грунтового массива в призабойной зоне тоннельной выработки, используя метод конечных элементов;

— провести экспериментальные исследования в натурных условиях деформированного состояния системы «крепь — массив»;

— выполнить численные расчеты напряженно-деформированного состояния системы «крепь — массив» для объекта экспериментальных исследований, используя установленные в ходе теоретических исследований закономерности в поведении грунтового массива на длине призабойной зоны;

— произвести на основании сравнительного анализа данных экспериментальных исследований и соответствующих численных расчетов оценку достоверности результатов теоретических исследований;

— разработать методику определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона*.

Методика исследований.

В основе методики заложен комплексный подход, включающий проведение теоретических и экспериментальных исследований.

Теоретические исследования выполнены с использованием пространственных и плоских численных моделей, построенных в программном геотехническом комплексе «PLAXIS 3D Tunnel», реализующем метод конечных элементов.

Экспериментальные исследования проведены в условиях строящегося станционного тоннеля односводчатой станции глубокого заложения «Чкаловская» Екатеринбургского метрополитена с привлечением специалистов филиала ОАО ЦНИИС «НИЦ «Тоннели и метрополитены» при участии автора диссертации. Маркшейдерские измерения на объекте исследований осуществлялись силами ООО «Метрострой-ПТС» (г.Екатеринбург).

При обработке результатов теоретических и натурных экспериментов использованы методы математической статистики.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— разработаны математические пространственные и плоские модели системы «крепь — массив», отражающие основные технологические этапы ведения проходческих работ применительно к транспортным тоннелям, сооружение которых осуществляется в скальных устойчивых грунтах горным способом сплошного забоя с набрызгбетонной крепью;

— проведены теоретические исследования методом математического моделирования, по результатам которых установлены степень и характер влияния основных механических характеристик грунта, размеров поперечного сечения тоннельной выработки и длины строительной заходки на напряженно-деформированное состояние грунтового массива в призабойной зоне тоннеля;

— на основании результатов теоретических исследований выявлено и подтверждено данными экспериментальных исследований, что при аналогичных параметрах сооружения тоннелей (технологии ведения проходческих работ, характеристиках набрызгбетонной крепи, величине бытовых напряжений в зоне проходки тоннельных выработок) точки на диаграмме равновесных состояний «деформации — напряжения», соответствующие моментам включения в работу набрызгбетонной крепи, лежат на одной линии, для которой автором диссертации предложено название «линия начальной разгрузки грунтового массива» («JIHPM»);

— по результатам теоретических исследований выявлена экспериментальная экспоненциальная зависимость для ориентировочного определения степени падения бытовых напряжений в грунтовом массиве на длине призабойной неподкрепленной зоны тоннельной выработки, проходка которой осуществляется способом сплошного забоя;

— разработана методика определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона.

Практическую ценность работы составляют:

— установлена функциональная зависимость имеющих место в момент включения в работу набрызгбетонной крепи деформаций неподкрепленного контура тоннельной выработки и соответствующих им напряжений в окружающем грунтовом массиве на диаграмме равновесных состояний «деформации — напряжения» (JIHPM);

— определена экспериментальная экспоненциальная зависимость для ориентировочного определения степени падения бытовых напряжений в грунтовом массиве на длине призабойной неподкрепленной зоны тоннельной выработки, проходка которой осуществляется способом сплошного забоя;

— разработана методика определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона.

Достоверность полученных результатов обусловливается:

— строгостью исходных предпосылок применяемых методов исследований;

— учетом требований действующих нормативных документов;

— сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, подтвержденной сравнительными расчетами с данными натурных наблюдений.

Реализация результатов.

Результаты работы нашли применение:

— в учебном процессе кафедры мостов и транспортных тоннелей Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ);

— в ОАО ЦНИИС «НИЦ «Тоннели и метрополитены» при проектировании конструкции и разработке проекта мониторинга первичной набрызгбетонной обделки свода станции «Чкаловская» Екатеринбургского метрополитена, а также при проведении поверочных расчетов набрызгбетонной крепи автодорожного тоннеля № 1 первой очереди строительства Дублера Курортного проспекта от р. Агура до ул. Земляничная в г. Сочи.

Апробация работы.

Результаты исследований и основные научные положения диссертационной работы доложены:

— на ежегодных научно-технических конференциях Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ) №№ 67, 68, проходивших в 2009 и 2010 г. г.;

— на заседании Секции НИЦ «Тоннели и метрополитены» Ученого совета ОАО ЦНИИС, 2010 г.

Публикации.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в шести печатных работах:

1. Меркин В. Е., Чеботаев В. В., Щекудов Е. В., Щелочкова Т. Н. Оптимизация конструкции обделки большепролетных подземных выработок, сооружаемых по технологии НАТМ. // Транспортное тон-нелестроение. Современный опыт и перспективные разработки: сб. науч. тр. ОАО ЦНИИС, вып. 248. — М., 2008. — С.7−11.

2. Чеботаев В. В., Щелочкова Т. Н. Расчетное обоснование па-раметров первичной набрызг-бетонной обделки станции метрополи-тена. // Транспортное тоннелестроение. Современный опыт и пер-спективные разработки: сб. науч. тр. ОАО ЦНИИС, вып. 248. — М., 2008. — С.12−17.

3. Меркин В. Е., Чеботаев В. В., Щекудов Е. В., Гиренко И. В., Щелочкова Т. Н., Дозорец Ю. И., Смирнов В. А., Веселовский В. Н., Ляхов С. В. Эффективная конструкция односводчатой станции Екатеринбургского метрополитена с первичной обделкой из набрызг-бетона. // Особенности освоения подземного пространства и подземной урбанизации в крупных городах мегаполисах: сб. тр. междунар. конф. — М, 2008. — С.100−101.

4. Маковский Л. В., Щекудов Е. В., Страхов. A.M., Щелочкова Т. Н. Оптимизация конструкции двухслойной обделки тоннелей. // Наука и техника в дорожной отрасли, № 1. — М., 2009. — С. 10−11.

5. V. Merkin, V. Chebotaev, Ye. Shchekudov, Т. Shchelochkova, Yu. Dozorets, V. Smirnov, V. Veselovsky, S. Liahov. The efficient construction of single-vault station with primary shotcrete lining used for the underground in Yekaterinburg. // Proceedings of ITA-AITES World tunnel congress 2009 and the 35th ITA-AITES General Assembly. — Budapest, Hungary, 2009. — C. l 12−113.

6. Щелочкова Т. Н. Исследование напряженно-деформированного состояния грунтового массива в призабойной зоне тоннеля, сооружаемого горным способом: // Транспортное строительство, № 3. — М., 2010. — С. 10−12.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Объем работы составляет 120 страниц, включая 43 иллюстрации и 8 таблиц.

Список литературы

содержит 118 наименований.

7. Результаты работы применяются в учебном процессе на кафедре мостов и транспортных тоннелей Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). Отдельные результаты работы использованы в филиале ОАО ЦНИИС «НИЦ «Тоннели и метрополитены» при проектировании конструкции и разработке проекта мониторинга первичной набрызгбетонной обделки свода станции «Чкаловская» Екатеринбургского метрополитена, а также при проведении поверочных расчетов набрызгбетонной крепи автодорожного тоннеля № 1 первой очереди строительства Дублера Курортного проспекта от p. Aiypa до ул. Земляничная в г. Сочи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей диссертационной работе представлены данные и результаты теоретических и экспериментальных исследований, позволивших разработать методику определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона на основе статических расчетов системы «крепь — массив», выполняемых численными методами.

Теоретические исследования проведены с использованием пространственной и плоской конечно-элементных моделей, построенных в программном геотехническом комплексе «PLAXIS 3D Tunnel», реализующем метод конечных элементов. В ходе исследований были установлены степень и характер влияния параметров сооружения тоннеля (основных механических характеристик грунта, размеров поперечного сечения тоннельной выработки и длины строительной заходки) на напряженно-деформированное состояние грунтового массива в призабойной зоне тоннельной выработки.

Экспериментальные исследования выполнены в натурных условиях строительства односводчатой станции глубокого заложения «Чкаловская» Екатеринбургского метрополитена путем маркшейдерских измерений вертикальных смещений контура набрызгбетонного свода станционного тоннеля в процессе проходки его калоттной части. Эксперименты в основном подтвердили достоверность результатов теоретических исследований.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Разработаны математические пространственные и плоские модели системы «крепь — массив», отражающие основные технологические этапы ведения проходческих работ применительно к транспортным тоннелям, сооружение которых осуществляется горным способом сплошного забоя с набрызгбетонной крепью в скальных устойчивых грунтах.

2. На основании результатов теоретических исследований установлено, что при аналогичных параметрах сооружения' тоннелей (технологии ведения проходческих работ, характеристиках набрызгбетонной крепи, величине бытовых напряжений в зоне проходки тоннельных выработок) точки на диаграмме равновесных состояний «деформации — напряжения», соответствующие моментам включения в работу набрызгбетонной крепи, лежат на одной линии, для которой автором диссертации предложено название «линия начальной разгрузки грунтового массива» («ЛНРМ»).

3. По результатам численных экспериментов выявлена экспоненциальная зависимость для ориентировочного определения степени падения бытовых напряжений в грунтовом массиве на длине призабойной неподкрепленной зоны тоннельной выработки, проходка которой осуществляется способом сплошного забоя.

4. Проведены натурные экспериментальные исследования деформированного состояния системы «крепь — массив», сравнительный анализ данных которых с результатами соответствующих численных расчетов, выполненных с использованием установленной в ходе теоретических исследований зависимости деформаций неподкрепленного контура тоннельной выработки и напряжений в окружающем грунтовом массиве в момент включения в работу набрызгбетонной крепи (ЛНРМ на диаграмме равновесных состояний «деформации — напряжения»), подтвердил принципиальную возможность применения данной зависимости для определения степени падения бытовых напряжений в грунтовом массиве на длине призабойной зоны тоннельной выработки в расчетах, выполняемых на плоских конечно-элементных моделях.

5. Экспериментальные исследования позволили установить, что на этапе проходки калоттной части тоннельной выработки вертикальные напряжения в грунтовом массиве в области шелыги свода тоннеля при включении в работу набрызгбетонной крепи должны составлять 60 — 80% от бытовых напряжений, действующих в грунтовом массиве до начала строительства. При этом размеры поперечного сечения, инженерно-геологические условия на участке строительства, характеристики обделки и технология сооружения тоннеля должны соответствовать параметрам станции «Чкаловская» Екатеринбургского метрополитена.

6. На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований разработана методика определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона на основе статических расчетов системы «крепь — массив», выполняемых численными методами, в которых с большей точностью и достоверностью учитывается степень разгрузки грунтового массива в призабойной зоне тоннельной выработки. Область применения методики распространяется на тоннели, сооружение которых осуществляется способом сплошного забоя в неоднородных скальных грунтах.