Геомеханическое обоснование конструктивно-технологических параметров временной крепи при проходке транспортных тоннелей в трещиноватых породах

Актуальность работы. В северных районах Ирана осуществляется освоение богатейших природных ресурсов. В этих районах получат дальнейшее развитие предприятия металлургической и угольной промышленности, машиностроения и сельского хозяйство.

Решение этой проблемы немыслимо без' развития межрегиональных и международных транспортных связей. Развитие скоростных транспортных магистралей северного Ирана в условиях горного рельефа обусловливает необходимость устройства тоннельных пересечений высотных препятствий, в том числе, автодорожных тоннелей.

В связи с этим главным вопросом в процессе проектирования и строительства тоннелей является выбор технологии их сооружения — традиционным горным способом или с использованиемтоннелепроходческих механизированных комплексов ТПМК.

В специфических геологических и строительных условиях Ирана при выборе способа сооружений тоннелей, ориентируясь на мировой опыт, следует отдать предпочтение горному способу по новоавстрийской технологии (НАТМ).

При сооружении тоннелей горным способом в трещиноватых скальных породах важными вопросами являются выбор типа временной крепи и рациональной формы поперечного сечения выработки, обеспечивающих ее устойчивость до возведенияпостоянной крепи или обделки тоннелей.

Проблема определения нагрузок на временную крепь тоннелей большого сечения решалась К. П. Безродным, Б. А. Картозия, Н. С. Булычевым, A.A. Козыревым, В. Е. Меркиным, Н. И. Кулагиным, И. В. Баклашовым, А. Г. Протосеней, H.H. Фотиевой, Д. М. Голицынским, Н. С. Власовым, Ю.Н. Ого-родниковым, О. В. Тимофеевым, М. О. Лебедевым, С. Е. Чирковым и многими другими.

При сооружении транспортных тоннелей в трещиноватых скальных породах под воздействием тектонических напряжений отсутствует метод выбора параметров временной крепи, поэтому тему диссертационной работы, направленную на разработку таких методическихрекомендаций, следует признать актуальной.

Целью диссертационной работыявляется геомеханическое обоснование конструктивно-технологических параметров временной крепи (формы поперечного сечения выработки, толщинынабрызгбетонной крепи, длины и шага анкеров, отставания временной крепи от забоя выработки) при соору-жениитранспортных тоннелей в трещиноватых породах под воздействием тектонических напряжений, что позволит обеспечить устойчивость выработки до возведения обделки, безопасностьгорно-проходческих работи уменьшение стоимости работ.

Идея диссертационных исследований. Основным грузонесущим элементом временной комбиниированной крепи является набрызгбетон, толщина которого не должна быть более 0,3 м, так как дальнейшее увеличение толщины может привести к увеличению напряжений в крепи, поэтому гру-зонесущая способность обеспечивается анкерной крепью, что установлено в результате компьютерного моделирования.

Основные задачи исследования.

Оценка влияния формы сечения на устойчивость выработки в слабых скальных породах и оценка влияния начального поля тектонических напряжений в породном массиве;

Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния системы «временная крепь-породный массив» ;

Разработка метода определения нагрузок на временную крепь тоннелей;

Разработка рекомендаций по выбору конструкции временной крепи из набрызгбетона и комбинированной конструкции изнабрызгбетона и анкеровв автодорожных тоннелях Ирана;

Методы исследований. Исследования выполнены посредством математического моделирования системы «временная крепь-породный массив» с использованием метода конечных элементов (МКЭ), реализованного с помощью программного комплекса" COSMOS/M".

Основные научные положения, выносимые на защиту, и их новизна:

•При сооружении тоннелей горным способом в трещиноватых скальных породах в условиях действия тектонических напряжений предпочтение следует отдавать выработкам с криволинейными стенами и основаниемповышенная устойчивость таких выработок обеспечивает безопасность горных работ и снижает материалоемкостьконструкции временной крепи.

• В результате компьютерного моделирования установлена закономерность формирования устойчивого напряжённодеформированного состояния временной крепив процессе взаимодействия с окружающим породным массивом в зависимости от коэффициента бокового давления в тектоническом поле начальных напряжений, сущность которой состоит в том, что величина смещений временной крепи из набрызгбетона и анкеров в породах с f=4 и А,=0,25, f=4 и А,=1,5 не должна быть более21 мм, в породах cf=:2 и А,=0,53, ?=1,5 и Х=1 -не более 32 мм.

• В трещиноватых скальных породах с коэффициентом крепости по шкале М. М. Протодьконова?=2 тектонические напряжения негативно влияют на условия работы временной крепи из набрызгбетона и анкеров и требуют ее усиления арматурным каркасом, что следует из разработанного в диссертации метода выбора временной крепи автодорожных тоннелей большого поперечного сечения, учитывающего отставание временной крепи от забоя выработки, категорию устойчивости пород и взаимодействие временной крепи с породным массивом.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

— использованием апробированныхметодов численного моделирования;

— удовлетворительной сходимостью величин расчетных нагрузок с ре-зультатамианалитических исследований других авторов;

— учетом и выполнением требований действующих нормативных документов;

— использованием опыта и разработок ведущих зарубежных фирм в исследуемой области.

Научное значение работы состоит в дальнейшем развитии существующих представлений о геомеханических процессах в породных массивах, закрепленных временной крепью при сооружении транспортных тоннелей.

Практическая ценность. Разработанная математическая модель позволяет определять деформированное и напряженное состояние системы «временная крепьпородный массив» при строительстве автодорожных тоннелей горным способом в трещиноватых скальных породах.

Полученные результатыи разработанный метод выбора временной крепи дают основания считать, чтов трещиноватых скальных породах при проходке тоннелей способом НАТМ временная крепь может быть выполнена из набрызгбетона класса ВЗО и комбинированной крепи с гарантированной прочностью до возведения постоянной обделки.

Реализация выводов и рекомендаций. Разработанная методика выбора временной набрызг-бетонной и комбинированной крепирекомендо-вана для проектирования автодорожных тоннелей, в частности в северном Иране.

Апробация диссертации. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на семинарах в учебно-исследовательском центре «Геомеханика» МГГУ (2011 г) и на Международной конференции в Екатеринбурге (2010 г).

Публикаций. По теме диссертации опубликованы 4 печатные работы в вузовских и межвузовских сборниках научных трудов, из них 3 работы в изданиях, входящих в Перечень ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из 4-х глав, заключения, 38 рисунков, 25 таблиц и 62 источников литературы.

Основные результаты выполненных исследований сводятся к следующему:

1. Установлено, что большинство планируемых к строительству транспортных тоннелей в Иране имеют протяженность от 300 до 1200 м, среднюю глубину заложения 200 м, и пересекают породные массивы, сложенные слабыми скальными породами крепостью по шкале проф. М.М. Протодьяконова2 </<4.

2. Тектонические воздействия пространственно перераспределяют начальные напряжения в массиве при глубине от 200 м до 350 м. Поэтому оценивать устойчивость выработок при проходке тоннелей следует с учетом того, что горизонтальные начальные напряжения в породном массиве могут превосходить вертикальные в 1,5 раза.

3. В геологических условиях Северного Иранапри выборе способа сооружения тоннелей, ориентируясь на мировой опыт, следует отдать предпочтение горному способу. Анализ мирового опыта строительства транспортных тоннелей горным способом вусловиях, аналогичных описанным выше, позволяетрекомендовать новоавстрийский спо-соб (НАТМ), как отвечающий требованиям высоких технологий использования набрызгбетона и комбинированной крепи с применением.

129 комбайновой проходки тоннелей со стреловым исполнительным органом.

4. Установлено, чтопри сооружении тоннелейгорнымспособом в трещи-новатыхскальных породах с учетом тектонических напряжений, несмотря на увеличение площади поперечного сечения выработки и определенные ограничения в разработке технологических схем проходки, повышенная устойчивость выработки с криволинейным очертанием стен и лотковой части позволит полностью избежать разрушения окружающего породного массива в стенах выработки и снизить мате-риалоемкостьконструкциивременной крепи.

5. Разработан метод выборавременной крепи из набрызгбетона и комбинированной крепи («Методика Т») автодорожныхтоннелей большого поперечного сечения в Иране, сооружаемых горным способом (НАТМ), учитывающий отставание временной крепи от забоя выработки, категорию устойчивости пород и взаимодействие временной крепи с породным массивом.

6. Выявленные в результате проведенных исследований качественные и количественные показатели напряженно-деформированного состояния временной крепи выработок при строительстве автодорожных тоннелей в инженерно-геологических условиях, характерных для Северного Ирана, позволилиразработать практические рекомендации для принятия конструктивнотехнологических проектных решений временной крепи, обеспечивающие безопасность и снижение стоимости горно-проходческихработ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой изложено новое решение научной задачи по геомеханическому обоснованиюконструктивно-технологических параметров временной крепи из набрызгбетона и комбинированной временной крепи при сооружении транспортных тоннелей в трещиноватых породах под воздействием тектонических напряжений, что обеспечивает уменьшение стоимости и увеличение безопасности горно-проходческихработ в горно-геологических условиях Северного Ирана.