Введение к работе
Актуальность темы. Строительство подземных сооружений в скальных грунтах имеет большое значение для экономического развития в целом и играет решающую роль в решении стоящих перед человечеством экологических проблем. Туннели в скальных грунтах предназначены для транспорта, энергетики (подземные и надземные гидроэлектростанции, гидроаккумулирующие и атомные электростанции, хранилища для радиоактивных отходов), водного хозяйства и мелиорации, а также для промышленности, научно-исследовательских комплексов и сооружения объектов оборонного назначения.
Проектирование туннелей и других видов протяженных подземных сооружений в скальных массивах является особенно трудоемким и дорогостоящим видом строительного проектирования, что вызвано сложностью строения скальных массивов и изменчивостью их механических свойств. Одновременное влияние множества факторов на взаимодействие подземных сооружений и скальных массивов не позволяет объективно сравнивать инженерно-геологические условия по их благоприятности для строительства и предварительно оценивать требуемое конструктивное решение обделки без расчета взаимодействующей системы «подземное сооружение - скальный массив».
Значительное снижение объемов расчетных работ при поиске оптимальных решений, особенно при сравнении вариантов трассировки туннелей, может быть достигнуто благодаря использованию метода инженерной классификации скальных массивов, то есть методики принятия рациональных инженерных решений при проектировании подземных сооружений на основе максимально общей (качественной, нечеткой) информации о скальном массиве.
Инженерные классификации, основанные на обобщении опыта строительства подземных сооружений в скальных массивах, использовались преимущественно в зарубежной пракгике проектирования с начала 1970-х гг., в основном для туннелей, возводимых новоавстрийским способом. Однако широкое признание метода инженерной классификации скальных массивов как способа повышения эффективности проектирования оставалось невозможным благодаря общим значимым недостаткам существующих классификаций. Прежде всего, имеющиеся классификационные показатели и способы их определения являются сугубо эмпирическими и основаны, во многом, на инженерной интуиции, что не позволяет прогнозировать степень достоверности получаемых результатов. Не решена также проблема корректности обобщения опыта строительства подземных сооружении, учитывая его принципиальную ограниченность по сравнению с многообразием инженерно-геологических условий и проектов туннелей.
В работе предложен альтернативный подход к разработке инженерной классификации скальных массивов, основанный на численном моделировании взаимодействия системы «подземное сооружение - скальный массив» при специально выбранных сочетаниях свойств скальных массивов и параметров туннелей, что дает возможность получить оптимальные для дальнейшего обобщающего анализа результаты расчетов и позволяет пойти наилучшее (с математической и инженерной точек зреш яГота&|Щ!!М|і4н^Ая напряженно-
4 деформированного состояния системы «подземное сооружение - скальный массив» при вероятных изменениях свойств скальных массивов и параметров туннелей. Выбор комбинаций оптимальных условий осуществлен на основе теории планирования эксперимента.
Принимая во внимание тенденцию к расширению использования при строительстве туннелей в скальных массивах механизированных туннелепро-ходческих комплексов (комбайнов), предлагаемый метод инженерной классификации разработан применительно к современной технологии строительства.
Цель работы - разработка метода инженерной классификации скальных массивов с использованием теории планирования эксперимента и метода математического моделирования, предназначенного для выбора рациональных конструктивных решений обделок туннелей, возводимых туннелепроходческими комплексами в скальных массивах в широком диапазоне инженерно-геологических условий, на основе анализа их несущих способностей.
Концепция метода - получение выбранных критериев статического взаимодействия подземных сооружений и скальных массивов как функции отклика от параметров скального массива и подземных сооружений, позволяющей в дальнейшем определить критерии при любой комбинации исходных параметров.
Форма практического использования метода - на основе аналитических и графических представлений функций отклика.
Научную новизну составляют:
метод инженерной классификации скальных массивов, основанный на численном анализе статического взаимодействия подземных сооружений и скальных массивов с использованием теории планирования эксперимента;
составные нелинейные функциональные зависимости для нахождения используемых критериев статического взаимодействия подземных сооружений и скальных массивов при любых сочетаниях параметров скальных массивов и подземных сооружений;
методика выбора рациональных конструктивных решений обделок туннелей на основе анализа их несущей способности с учетом оценки целесообразности применения обделки, основанная на выбранных критериях статического взаимодействия, включающая методику экстраполяции полученных критериев на бетонные и железобетонные обделки (из бетонов любых классов с различными процентами армирования);
способ формализации количественных механических характеристик скальных массивов на основе используемых качественных параметров, а также способ идентификации типов скальных грунтов по полученным механическим характеристикам, основанный на теории нечетких множеств;
установление зависимости между обобщенными коэффициентами запаса прочности незакрепленного скального массива и бетонной обделки, дающей возможность разработки нового способа анализа статического взаимодействия системы «подземное сооружение - скальный массив» с помощью расчетов пониженной детальности, особенно в рамках экспертных систем автоматизированного рабочего проектирования.
Практическая значимость работы заключается в разработке методики выбора рациональных конструктивных решений обделок туннелей, заменяю-
5 щей непосредственные статические расчеты системы «подземное сооружение -скальный массив» на начальных стадиях проектирования, особенно при сравнении вариантов трассировки туннеля. Методика ориентирована на перспективный способ возведения туннелей механизированными туннелепроходчески-ми комплексами и реализована в форме номограмм.
Достоверность полученных результатов обеспечивается комплексным характером работы, использованием научно обоснованной методологии (теории планирования эксперимента, теории нечетких множеств, математического моделирования - метода конечных элементов) и признанных в инженерном мире достижений в области механики скальных грунтов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 10-ой Международной конференции Ассоциации центров городского подземного пространства (ACUUS) и региональном симпозиуме Международного общества по механике скальных пород (ISRM); на Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2004; на Юбилейной научно-технической конференции аспирантов и студентов в Московском институте коммунального хозяйства и строительства; на 40-ом Симпозиуме США по механике скальных грунтов Американской ассоциации по механике скальных грунтов (ARMA) (доклад принят к публикации).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы.
На защиту выносятся:
составные нелинейные функциональные зависимости для определения предложенных критериев статического взаимодействия туннелей и скальных массивов (обобщенные коэффициенты запаса прочности бетонных обделок туннелей и незакрепленного скального массива, а также обобщенный коэффициент перехода);
циркульные номограммы для определения используемых критериев статического взаимодействия;
методика экстраполяции обобщенных коэффициентов запаса бетонных обделок на бетонные и железобетонные обделки из бетонов разной прочности с различными процентами армирования;
номограммы для определения обобщенных коэффициентов запаса бетонных и железобетонных обделок из бетонов разной прочности с различными процентами армирования;
методика преобразования качественных параметров скальных массивов в количественные механические характеристики, и способ идентификации типов скальных грунтов по полученным характеристикам, основанный на теории нечетких множеств.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографического списка и пяти приложений. Общий объем основных частей диссертации - 198 с, объем приложений - 13 с, работа содержит 57 таблиц и 31 рисунок, 125 библиографических ссылок.
