Выбор рациональной формы поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей в слабых скальных породах

В настоящее время во всём мире наблюдается рост масштабов строительства подземных сооружений. В условиях нарастающего энергетического кризиса растёт интерес к строительству гидроэлектростанций, как к наиболее экологически чистым источникам энергии, к строительству гидротехнических туннелей, включающих подводящие и отводящие туннели ГЭС и ГАЭС, а также туннели для подвода воды к населённым пунктам, ирригационные и мелиоративные туннели [2], [5], [8], [11], [12], [13], [16].

По условиям гидравлической работы гидротехнические туннели разделяются на напорные и безнапорные, которые применяются в тех случаях, когда в головном сооружений туннеля или на выходном портале колебания уровня воды незначительны. Назначение на предварительных стадиях проектирования формы поперечного сечения и размеров безнапорных туннелей зависит, прежде всего: от инженерно-геологических условий на трассе туннеля, от условий гидравлической работы туннеля и от способа ведения строительных работ по его проходке.

В отечественной инженерной практике для предварительного назначения формы сечения безнапорных туннелей применяют рекомендации СНиП 2.06.09.84 «Туннели гидротехнические». Выбор формы сечения безнапорных туннелей по СНиП производится в зависимости от коэффициента крепости пород, а также условий и степени проявления вертикальных и горизонтальных нагрузок [22]. Однако разработанные проекты подземных сооружений при формальном соблюдении требований СНиП не всегда являются рациональными с точки зрения конструктивно-компоновочных и технологических решений из-за неучёта особенностей всего комплекса проблем проектирования и строительства подземных сооружений [3]. Вместе с этим, рекомендации СНиП можно отнести к широко используемым в мировой практике туннелестроения системам классификаций скальных массивов, которые базируются на накопленном опыте строительства десятков и сотен уже существующих подземных объектов. Они дают рекомендации по состоянию устойчивости массива горных пород, допустимому пролёту выработки, ее креплению и выбору конструкции обделки. Эти классификации предназначены для проектирования на предварительных этапах подземных выработок различного назначения: железно и автодорожных, горных, гидротехнических и т. д. Рассматривая широкий класс горных пород, они основываются на большом количестве физико-механических и геометрических параметров. Некоторые из них такие, как классификации Бартона и Бенявского, получили всемирное признание и применяются при проектировании объектов не только на предварительных, но иногда и на заключительных этапах.

В то же время эти классификации имеют ряд общих недостатков. Характерной их чертой является то, что каждая из предложенных классификаций ориентирована на определенный тип сооружений и конкретные породы. Хотя сами авторы не ограничивают область применения своих классификаций, однако, на практике, они используются лишь для конкретных конструкций и типов крепления. Эти классификации, следует с осторожностью использовать в исследовательской и проектной деятельности, поскольку они не имеют строгой научной основы. Все классификации скальных массивов носят эмпирический характер, а назначение параметров целиком зависит от интуиции и опыта исследователя, и требуют постоянной проверки в процессе строительства с помощью соответствующих натурных исследований. Очевидно, что это требует дальнейшего их совершенствования и разработки более объективных и научно-обоснованных классификаций.

Целью диссертационной работы является исследование характера работы обделок безнапорных гидротехнических туннелей в слабых скальных породах и получение факторных зависимостей, позволяющих на основе используемых факторов рекомендовать формы поперечного сечения и класс применяемого в обделке бетона. Результаты представлены в виде номограмм.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

— анализ существующих классификаций массивов и результатов исследовательских работ;

— выбор форм поперечного сечения туннелей из применяемых в настоящее время и рекомендуемых строительными нормами;

— выбор факторов, оказывающих влияние на работу обделки, и диапазона их значений;

— проведение численных экспериментов;

— определение критерия для сравнения исследуемых форм поперечного сечения;

— получение параметрических уравнений на основе метода факторного анализа;

— составление номограмм и выполнение на их основе анализа проведённых численных экспериментов.

Все исследования, представленные в работе, выполнены на кафедре «Производства и организации гидротехнических работ» Московского государственного строительного университета под научным руководством профессора, доктора технических наук М. Г. Зерцалова, которому автор выражает глубокую благодарность за помощь и постоянное внимание, которые оказывались при работе над диссертацией.

Общие выводы.

1. Применение метода конечных элементов в сочетании с использованием факторного анализа для обработки полученных результатов, является эффективным инструментом при выборе рациональной формы поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей.

2. На основе полученных для каждой формы поперечного сечения туннелей параметрических уравнений можно в пределах варьирования принятых факторов достаточно подробно проанализировать работу безнапорных гидротехнических туннелей в слабых породах.

3. Обобщённый показатель прочности обделки ш, выбранный в качестве I функции отклика параметрических уравнений, является критерием, которой достаточно полно и объективно характеризует безопасность статической работы туннеля слабых породах.

4. В расчётах безнапорных гидротехнических туннелей исследуемых форм необходимо учитывать все рассмотренные факторы, несмотря на то, что они оказывают неодинаковое влияние на величину обобщённого показателя прочности т. Однако, при этом следует учитывать, что глубина заложения является основным фактором, влияющим на значения обобщенного показателя.

5. Применение корытообразной (с полуциркульным сводом) и коробовой форм поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей целесообразно при глубине заложения, не превышающей 100 м.

6. Анализ результатов, полученных с помощью номограмм позволяет сделать вывод о незначительном преимуществе круговой формы поперечного сечения на небольшой глубине заложения (до 30 м). Однако при возрастании глубины заложения преимущество круговой формы возрастает и для глубины заложения свыше 100 метров круговая форма поперечного сечения является наиболее предпочтительной.

7. При выборе рациональной формы поперечного сечения безнапорного гидротехнического туннеля помимо анализа его статической работы необходимо учитывать используемый метод проходки и стоимостные показатели.

8. Построенные номограммы могут рассматриваться как специальные классификации скальных массивов, предназначенные для исследования статической работы безнапорных гидротехнических туннелей. С их помощью можно быстро и с достаточной степенью точности в пределах варьируемых факторов получить рекомендации по выбору формы поперечного сечения туннеля и подбору класса бетона на предварительных стадиях проектирования.

9. Так как воздействие воды в безнапорных гидротехнических туннелях оказывает незначительное влияние на статическую работу сооружения, то полученные результаты и методику расчёта можно применять и на предварительных стадиях проектирования транспортных тоннелей в слабых породах.