Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современные данные по состоянию вопроса, цель и задачи исследования 11
1.1. Особенности технологии щитовой проходки тоннелей для подземных коммуникаций 11
1.2. Методы прогноза деформаций земной поверхности при щитовой проходке 15
1.3. Перебор грунта при строительстве тоннелей щитовым способом 26
1.4. Ширина зоны влияния при строительстве подземных коммуникаций закрытым способом 31
1.5. Общая продолжительность деформаций земной поверхности при проходке закрытых выработок 36
1.6. Выводы по главе. Постановка цели и задач исследования 39
ГЛАВА 2. Исследование, разработка и верификация методики выбора параметров численного моделирования деформаций земной поверхности при щитовой проходке тоннелей на основе использованияметода конечных элементов 42
2.1. Методика исследования параметров численного моделирования деформаций земной поверхности 43
2.2. Результаты исследования влияния параметров численного моделирования на деформации земной поверхности 45
2.3. Методика выбора параметров численного моделирования деформаций земной поверхности 64
2.4. Верификация методики выбора параметров численного моделирования деформаций земной поверхности 64
2.5. Выводы по главе з
ГЛАВА 3. Исследование перебора грунта при щитовой проходке тоннелей для подземных коммуникаций 77
3.1. Методика исследований перебора грунта 77
3.2. Результаты исследований влияния различных факторов на перебор грунта 79
3.3. Рекомендации по выбору перебора грунта 92
3.4. Выводы по главе 93
ГЛАВА 4. Натурньш исследования деформаций земной поверхности во времени при щитовой проходке тоннелей для подземных коммуникаций 95
4.1. Методика исследований деформаций земной поверхности во времени 95
4.2. Результаты исследований влияния различных факторов на общую продолжительность и среднюю скорость деформаций земной поверхности 98
4.3. Разработка методики прогноза общей продолжительности деформаций земной поверхности 106
4.4. Разработка методики прогноза средней скорости деформаций земной поверхности 4.5. Выводы по главе 114
ГЛАВА 5. Исследование ширины зоны влияния строительства при щитовой проходке тоннелей для по дземных коммуникаций 116
5.1.Сравнительный анализ достоверности методов определения ширины зоны влияния при строительстве подземных коммуникаций закрытым способом 116
5.2. Методика исследования ширины зоны влияния строительства 120
5.3. Результаты исследования влияния различных факторов на ширину зоны влияния строительства 122
5.4. Методика оценки ширины зоны влияния строительства 1 ,
5.5. Выводы по главе 1 q
Основные выводы 131
Литература
- Перебор грунта при строительстве тоннелей щитовым способом
- Результаты исследования влияния параметров численного моделирования на деформации земной поверхности
- Результаты исследований влияния различных факторов на перебор грунта
- Результаты исследований влияния различных факторов на общую продолжительность и среднюю скорость деформаций земной поверхности
Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы в Москве и крупных городах России существенно возросли объемы строительства тоннелей для подземных коммуникаций (далее коммуникационных тоннелей), прокладка которых выполняется закрытым способом с применением современных щитовых тон-нелепроходческих механизированных комплексов (далее ТПМК).
Существующая в России нормативно-рекомендательная база по применению современных ТПМК в значительной степени отстает от темпов строительства коммуникационных тоннелей - многие важные для проектировщиков и строителей вопросы, в том числе прогноза влияния на окружающую застройку, не нашли в ней четкого отражения. В результате принимаемые проектные решения нередко в одних случаях недостаточно надежны, в других характеризуются необоснованным назначением защитных мероприятий и, как следствие, удорожанием строительства. Несовершенство нормативно-рекомендательных документов не позволяет так же эффективно выполнять экспертизу проектных решений и контроль процесса строительства.
Основным фактором, сдерживающим развитие норм по данному вопросу является его недостаточная изученность, отсутствие надежных методик прогноза деформаций грунтовых массивов, существующих зданий и сооружений, расположенных в зоне влияния проходки ТПМК.
Для выполнения указанного прогноза могут использоваться аналитические, эмпирические и численные методы. Аналитические и эмпирические методы применяются достаточно редко, так как не позволяют в полной мере учесть реальный спектр инженерно-геологических условий строительства и особенности тоннелепроходческого оборудования. Поэтому в практике проектирования прогноз в основном выполняется с использованием геотехнических программных комплексов, реализующих численные методы, в первую очередь метод конечных элементов (далее МКЭ). Однако расчеты по ним требуют назначения целого ряда параметров, выбор которых не нормирован, многовариантен и неоднозначен, а степень влияния и пути выбора мало изучены.
Недостаточно исследованы также методы прогноза границ зон влияния, длительности и интенсивности перемещений грунтовых массивов при проходке тоннелей для подземных коммуникаций. Приведенные в действующих нормах методы по указанным вопросам не достаточно точны и надежны, что в значительной степени связано с тем, что они фактически «скопированы» из норм охраны сооружений, расположенных в зоне влияния подземных горных работ на угольных месторождениях, и не учитывают особенности подземного строительства в условиях городской застройки.
Целью диссертационной работы является повышение надежности и достоверности прогноза деформаций земной поверхности и объектов окружающей застройки при щитовой проходке тоннелей для подземных коммуникаций. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
исследование влияния параметров численного моделирования на результаты расчетов МКЭ деформаций дневной поверхности при щитовой проходке коммуникационных тоннелей;
разработка методики выбора параметров численного моделирования МКЭ изменения напряженно-деформированного состояния (далее НДС) грунтового массива в результате щитовой проходки коммуникационных тоннелей;
исследование влияния проектно-технологических и инженерно-геологических факторов на перебор грунта при щитовой проходке коммуникационных тоннелей;
исследование влияния проектно-технологических и инженерно-геологических факторов на размер зоны влияния при щитовой проходке коммуникационных тоннелей;
исследование влияния проектно-технологических и инженерно-геологических факторов на общую продолжительность и скорость деформаций земной поверхности при щитовой проходке коммуникационных тоннелей.
Общая методика исследований. Выполнен комплекс научно-исследовательских работ, включающий: анализ и обобщение научно-технической информации в области прогноза влияния проходки тоннелей на деформации вмещающих грунтовых массивов; численные и натурные исследования влияния различных факторов на деформации земной поверхности в результате щитовой проходки коммуникационных тоннелей; статистический регрессионно-корреляционный анализ полученных результатов; разработку методов прогноза деформаций земной поверхности.
Научная новизна. Работа содержит ряд новых научных результатов. Наиболее значительные из них заключаются в том, что:
установлены характер и степень влияния расчетных факторов на результаты численного моделирования МКЭ деформаций земной поверхности при щитовой проходке коммуникационных тоннелей;
выявлены закономерности и количественные зависимости влияния проектно-технологических и инженерно-геологических факторов на перебор грунта при щитовой проходке коммуникационных тоннелей;
- установлены значимость, степень и характер влияния проектно-
технологических и инженерно-геологических факторов на общую продолжи
тельность и среднюю скорость деформаций земной поверхности при строи
тельстве коммуникационных тоннелей щитовым методом;
- получены зависимости изменения ширины зоны влияния строительства
коммуникационных тоннелей щитовым методом от глубины заложения тон
неля и величины граничной осадки.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
- разработана и верифицирована методика выбора параметров численно
го моделирования МКЭ изменения НДС грунтового массива в зоне проходки
коммуникационного тоннеля закрытым способом;
составлены рекомендации по выбору величины перебора грунта при моделировании изменения НДС грунтового массива и объектов окружающей застройки в результате проходки коммуникационных тоннелей щитовым методом;
разработана методика оценки общей продолжительности и скорости деформаций земной поверхности применительно к щитовой проходке коммуникационных тоннелей в дисперсных грунтах на основе использования предложенного критерия - коэффициента связности инженерно-геологического разреза;
предложен универсальный метод оценки ширины зоны влияния проходки коммуникационных тоннелей с использованием ТПМК, учитывающий величину граничной осадки.
На защиту выносятся:
методика выбора параметров численного моделирования с использованием МКЭ изменения НДС грунтового массива в зоне проходки коммуникационного тоннеля щитовым способом;
рекомендации по выбору величины перебора грунта при моделировании изменения НДС массива грунта и объектов окружающей застройки в результате проходки коммуникационных тоннелей щитовым методом;
методика оценки общей продолжительности и скорости деформаций земной поверхности применительно к щитовой проходке коммуникационных тоннелей в дисперсных грунтах на основе использования коэффициента связности инженерно-геологического разреза;
- метод оценки ширины зоны влияния проходки коммуникационных
тоннелей с использованием ТПМК, учитывающая величину граничной осад
ки.
Достоверность полученных результатов обоснована строгостью исходных предпосылок применяемых методов исследований; учетом мирового опыта в области исследований деформаций земной поверхности при щитовой проходке, а также положений отечественных и зарубежных нормативных документов; применением сертифицированного геотехнического программного комплекса; большой верификационной базой данных измерений перемещений земной поверхности (свыше 170 грунтовых реперов) при проходке современных ТПМК в характерных для Московского региона инженерно-геологических условиях; использованием методов математической статистики (корреляционно-регрессионного анализа) при обработке результатов исследований; хорошим совпадением результатов прогноза по предложенным методикам с данными натурных наблюдений.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы использованы при разработке следующих нормативно-рекомендательных документов, подготовленных в ОАО «НИЦ «Строительство» - НИИОСП им. Н.М. Герсе-ванова:
- Рекомендации по определению допустимости дополнительных дефор
маций городских подземных инженерных коммуникаций, находящихся в
зоне влияния строительства (реконструкции) подземных и заглубленных объектов;
СТО 36554501-028-2012 «Оценка влияния строительства коммуникационных тоннелей щитовым методом на окружающую застройку»;
Проект Национального стандарта «Проектирование и строительство подземных коммуникаций закрытым способом» по заказу Департамента градостроительной политики города Москвы (№ госрегистрации 0173200024012000050).
Разработанные методики применены при подготовке научно-технических отчетов и заключений ОАО «НИЦ «Строительство» - НИИОСП им. Н.М. Герсеванова по оценке влияния щитовой проходки коммуникационных тоннелей и микротоннелирования на близрасположенные здания, сооружения и подземные коммуникации в Московском регионе, составленных в 2011...2013 гг.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на конференциях пользователей PLAXIS (2010 и 2012 гг.), заседаниях научно-технического совета ОАО «НИЦ «Строительство» - НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, заседаниях экспертной комиссии по инновационным технологиям и техническим решениям Департамента градостроительной политики г. Москвы (2013 г.).
Личный вклад автора состоит:
в выборе расчетных ситуаций и проведении серии численных экспериментов (расчетов в программном комплексе PLAXIS в плоской постановке) с целью исследования влияния параметров моделирования МКЭ на результаты расчетов деформаций грунтового массива при проходке коммуникационных тоннелей;
в обобщении и систематизации результатов инженерно-геодезических измерений перемещений земной поверхности при щитовой проходке коммуникационных тоннелей, выполняемых с использованием ТПМК;
в выполнении статистического корреляционно-регрессионного анализа результатов численных экспериментов и натурных исследований с целью установления количественных зависимостей и степени влияния различных факторов на перебор грунта, ширину зоны влияния строительства, общую продолжительность и среднюю скорость деформаций земной поверхности.
Публикации. По теме диссертации опубликованы четыре печатные работы, в том числе три статьи в периодических изданиях, рекомендуемых ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и трех приложений, изложенных на 165 страницах машинописного текста, содержит 57 рисунков, 26 таблиц и список литературы из 112 наименований.
Автор выражает благодарность своему научному руководителю к.т.н. О.Н. Исаеву за направление исследований, поддержку и всестороннюю помощь при работе над диссертацией, а также искреннюю признательность
д.т.н., проф. В.П. Петрухину и коллективу ОАО «НИЦ «Строительство» -НИИОСП им. Н.М. Герсеванова за замечания и рекомендации при подготовке диссертации.
Перебор грунта при строительстве тоннелей щитовым способом
Указанные методики разработаны для прогноза деформаций земной поверхности при строительстве преимущественно транспортных тоннелей, которые в отличие от коммуникационных тоннелей имеют большие диаметры и глубины.
В 2011 г. М.М. Тупиковым [62] было выполнено сравнение существующих методик прогноза деформаций земной поверхности с данными натурных наблюдений при проходке коллекторных тоннелей в Москве. Выполненное сравнение показало существенное отличие расчетных и прогнозных максимальных осадок на 20...80 % и отличие в ширине зоны влияния на 10...60 %. Аппроксимируя имеющиеся кривые мульды оседания, им были получены поправочные коэффициенты к формуле (1.2.1). В результате формула осадки поверхности земли получила следующий вид:
Расстояние до точки перегиба / в (1.2.5) определяется по зависимости (1.2.2). Данная методика имеет ограниченное применение, т. к. разработана для относительной глубины HID= 1...2,5. Опыт строительства показывает, что относительная глубина заложения подземных коммуникаций, устраиваемых закрытым способом, лежит в более широких пределах. Таким образом, в рамках настоящей работы необходимо оценить точность существующих эмпирических методик для всего диапазона строительства коммуникационных тоннелей. В целом, недостаток всех эмпирических подходов состоит в малой эффективности их применения в новых районах освоения подземного пространства (где отсутствует опыт проходки и данные по геотехническому мониторингу). Эмпирические методы не являются универсальными, т. к. пригодны только для частных инженерно-геологических, геометрических и технологических условий. Их преимущества - простота использования и хорошая сходимость расчетных и фактических деформаций на участках, для которых методика разрабатывалась. Эмпирические методы могут быть полезны для понимания особенностей поведения разных типов грунтов в процессе закрытой проходки и могут использоваться для качественной оценки вызванных этой проходкой величин деформаций массива грунта.
Аналитические методы разработаны с использованием аппарата механики сплошной или дискретной среды (теории упругости, пластичности, предельного равновесия и т. п.).
Особо стоит отметить метод проф. Лиманова Ю.А. [25], который разработан для условий возведения Ленинградского метрополитена и получил большое распространение. На его основе было разработано Пособие [35].
Используя математический аппарат теории упругости, а также данные натурных наблюдений, автором [25] был разработан метод, позволяющий определять осадку земной поверхности при сооружении тоннелей в кембрийских глинах, распространенных в условиях Санкт-Петербурга.
Вся толща грунтового массива над тоннелем автором метода [25] разделена на два слоя: верхний слой - слабые обводненные четвертичные породы, нижний слой - кембрийская коренная толща глин. Решалась задача об изменении НДС массива кембрийских глин при образовании в нем круглого отверстия, в рамках которой рассматриваемый массив представлялся линейно-деформируемой изотропной полуплоскостью, нагруженной на верхней границе (распределенная нагрузка от веса обводненных четвертичных отложений). С целью упрощения задачи, тяжелый массив кембрийских глин заменялся невесомой полуплоскостью с круговым отверстием, по контуру которого с обратным знаком прикладывались снимаемые напряжения. На рис. 1.2.3 представлена общая схема снимаемых напряжений. Величина снимаемого давления определяется по формуле: Р = — -(гА + ГА) (1.2.6) где К - - коэффициент бокового давления грунта; v0 - коэффициент Пуассона; А„ и А, - глубина заложения оси тоннеля в кембрийских глинах и мощность четвертичных отложений соответственно; Го и У\ удельный вес кембрийских и четвертичных отложений соответственно.
Лиманова Ю.А. Далее решалась задача в перемещениях с использованием биполярных координат и преобразований G.B.Jeffery [67] для эксцентричного цилиндра с кривизной наружного круга, равной нулю. В результате была получена следующая зависимость для максимального смещения наружного контура линейно-деформируемой полуплоскости: P 4rlK max \А I т? і 1 . ЕК- (1.2.7) Суммарная площадь деформирования верхней границы линейной полуплоскости (кембрийских глин) равна: F U W1 (1-2-8) я = Л2- о2 (1.2.9) Ширина деформируемого участка границы линейной полуплоскости равна 4а. Схема к расчету деформаций контура тоннельной выработки четвертичной толщи представлена на рис. 1.2.4. Площадь мульды сдвижения на поверхности земли принимается равной площади мульды на поверхности кембрийских глин. Таким образом, получено выражение для максимальных прогнозируемых осадок поверхности земли TJ0 в центре мульды сдвижения:
Результаты исследования влияния параметров численного моделирования на деформации земной поверхности
Геомеханическая модель грунта. Выбор модели грунта и ее параметров является сегодня, пожалуй, одним из самым неоднозначных и дискутируемых вопросов. В численных исследованиях рассматривались три вида модели грунта.
Упругая модель грунта (LE) является весьма приближенной и в численных расчетах применяется сравнительно редко. Ее применение часто связано с отсутствием специализированных геотехнических программ. Грунт моделируется двумя входными параметрами - модулем Юнга Е и коэффициентом Пуассона v.
Упругопластическая модель, подчиняющаяся закону Кулона-Мора (МС), наиболее часто используется в отечественной геотехнической практике. Она содержит пять входных параметров: Е и v - параметры упругости грунта, рис-параметры пластичности грунта и у/ - угол дилатансии. Все необходимые входные параметры легко определяются из результатов стандартных инженерно-геологических изысканий и при необходимости из справочной литературы. Недостаток модели - модуль деформации не зависит от НДС грунта (при нагруже-нии и разгрузке грунта он не меняется). Согласно отечественным нормам, модуль деформации грунта при нагру-жении Е связан с модулем деформации грунта при разгрузке Еи зависимостью Еи = к-Е, (2.2.1) где к &5 - переходной коэффициент, определяемый по СП 22.13330.2011 [54]. Величина модуля деформации разгрузки Еи близка к величине модуля деформации повторного нагружения Ег, поэтому для них часто используется один общий параметр Eur Eu Ег.
Отмеченный выше недостаток модели (МС) в наибольшей степени проявляется, когда на определенных этапах моделирования в части грунтового массива происходит его разгрузка и напряжения уменьшаются [21а, 26]. Для закрытых выработок нередко считается, что данный вопрос не столь актуален как для открытых выработок. Однако, как показали наши исследования, это не совсем так. В связи с этим при выполнении исследований для модели (МС) было рассмотрено два подхода по выбору её параметров. При первом подходе (МС-А) использовался модуль деформации грунта Е (см. таблицу 2.1.1), соответствующий первичному нагружению. При втором подходе (МС-В) вместо модуля Е использовался увеличенный модуль Еиг=5Е, соответствующий ветви вторичного нагружения и определяемый согласно СП 22.13330.2011 [54].
Модель упрочняющегося грунта (HS) дает возможность учесть зависимость жесткости грунта от НДС, а также историю его создания путем введения коэффициента переуплотнения грунта OCR или давления грунта ранее существовавшей пригрузки ор (используется реже). В модели (HS) предельное состояние описывается, как и в модели (МС), с помощью характеристик (р, с и у/. При этом принято, что жесткость грунта зависит от напряжений согласно степенному закону с показателем степени т и описывается с помощью трех входных параметров: Е50, Eur Eoed. Указанные параметры грунтов можно получить на основе стабилометри-ческих и компрессионных испытаний грунтов. В стандартных отчетах об инже 47 нерно-геологических изысканиях результаты стабилометрических испытаний часто не содержатся.
Особенностью модели (HS) является то, что она, в отличие от (МС), использует три дополнительных параметра, каждый из которых имеет свою погрешность. Для стабилометрических испытаний, которые проводятся довольно редко и где иногда сложно получить ненарушенный образец, это особенно актуально.
В рамках настоящих исследований для модели (HS) использовались параметры грунтов, полученные на основе трехосных и компрессионных испытаний, доступные в открытых источниках (таблица 2.2.1).
На рис. 2.2.1 представлены графики вертикальных и горизонтальных перемещений земной поверхности для моделей (LE), (МС-А) и (МС-В). В таблице 2.2.2 представлены значения п для различных моделей и подходов. Сравнительный анализ графиков перемещений грунта позволяет отметить следующее.
Характер эпюр осадок для разных моделей грунта схож. Максимальные осадки Smax существенно зависят от модели грунта и лежат в широком диапазоне как для песчаных, так и для глинистых грунтов. В целом Smax для песка в 2,5...3,9 раза больше чем для суглинка (для аналогичных моделей). Максимальные значения горизонтальных перемещений, также как и при вертикальных перемещениях, существенно зависят от модели грунта. Для песка величины максимальных горизонтальных перемещений лежат в интервале 3...6 мм для песка и 2...3 мм для суглинка.
Модель (LE), по сравнению с (МС-А), дает более низкие значения Smax . для песка - на 50 %, для суглинка - на 20%. Подход (МС-В) в сравнении с (МС-А) увеличивает Smax для песка на 25 %, для суглинка - на 120 %.
Величина отношения п при использовании моделей (LE), (МС-А) и (МС-В) изменяется в пределах 0,56... 1,08, при этом для песка оно больше, чем для суглинка. Наиболее близкие к единице значения 1,00... 1,08 дают обычная (МС-А) и усовершенствованная (МС-В) модели Кулона-Мора для песка. Для тех же моделей при суглинке, а также для упругой модели это отношение значительно Таблица 2.2.1
Примечание: в расчетах принимался коэффициент переуплотнения грунта OCR=l (данные по OCR в публикациях отсутствовали). меньше - 0,56...0,88. Это связано с тем, что параметры жестокости указанных моделей не учитывают напряженное состояние грунта - в результате наблюдается эффект «всплытия» тоннеля, что не соответствует практике маркшейдерских наблюдений за строящимися тоннелями. Этого недостатка лишена модель упрочняющегося грунта (HS).
На рис. 2.2.2 представлены графики вертикальных перемещений земной поверхности для модели (HS), в таблице 2.2.3 - значения п для различных моделей и подходов.
Как видно из рисунка 2.2.2, характер эпюр осадок для разных видов грунтов схож. Максимальная осадка колеблется в интервале 14,5...22,8 мм. Данные, приведенные на рис. 2.2.3 показывают, что величина параметра п для модели (HS) для различных видов грунтов существенно выше 1 и лежит в интервале 1,26...2,32, что указывает на неадекватность полученных результатов.
Выполненные исследования позволяют сделать вывод о том, что при OCR=\ модель HS дает завышенные значения осадок. При её применении необходимо учитывать фактические значения OCR грунтов, полученные на основе их испытаний.
На основании изложенного выше можно сделать вывод, что модель грунта существенно влияет на прогнозные значения деформаций грунтового массива. В результате анализа результатов расчетов в качестве основной принята модель (МС-А). При этом было отмечено, что для модели (МС-А) необходимо использовать подход по ограничению зоны разгрузки грунта (см. ниже). Данная модель использовалась при дальнейших исследованиях других факторов.
Результаты исследований влияния различных факторов на перебор грунта
Согласно результатам статистических расчетов, все выборки значений перебора грунта Vi подчиняются закону нормального распределения, хотя, как видно из гистограмм, в разной степени.
Использование ТПМК I типа по сравнению с ТПМК II типа приводит к существенному уменьшению перебора грунта. Например, при проходке в песках мелких, водонасыщенных среднее значение перебора Ц уменьшается с 5,6 % до 3,7 %, то есть в 1,5 раза. Причина такого расхождения заключается в том, что обеспечить качественное заполнение зазора при ручном нагнетании раствора через обделку сложнее, чем при его автоматическом нагнетании через отверстия в хвостовой части щита. Эта особенность является причиной того, что в большинстве моделей современных тоннелепроходческих комплексов нагнетание тампонажного раствора выполняется автоматически через хвостовую часть щита.
Из всех исследованных факторов наибольшее влияние на перебор оказывает вид разрабатываемого в забое щита грунта. Это хорошо видно, если проанализировать статистические параметры гистограмм Vi, построенных для разных видов грунтов, но для одного типа ТПМК. Например, для ТПМК I типа можно отметить следующее.
При проходке в водонасыщенных песках средней крупности выборочное среднее значение перебора грунта VL =5,7 %, в водонасыщенных мелких песках -V, =Ъ,1 %, в суглинках тугопластичных - VL =1,1 %, в глинах полутвердых -V, =1,6 %. С увеличением дисперсности и уменьшением влажности разрабатываемого в процессе проходки грунта его перебор уменьшается в 5 и более раз.
При проходке в водонасыщенных песках средней крупности коэффициент вариации перебора грунта v =0,46, в водонасыщенных мелких песках - уа=0,38, в суглинках тугопластичных - Vo=0,45, в глинах полутвердых - v =0,31. Из этих данных видно, что величина перебора грунта лежит в широком диапазоне и отличается большой изменчивостью.
Гистограммы распределения перебора грунта VL для ТПМКII типа при проходке в водонасыщенных песках мелких (а) и пылеватых (б) При проходке ТПМК II типа в песках мелких, средней плотности, водонасыщенных VL=5,6 %. Такое значение перебора грунта в 1,5 раза выше, чем при проходке в аналогичных грунтовых условиях ТПМК I типа. Значение VL при проходке в песках пылеватых, средней плотности, водонасыщенных составляет, как и для случая проходки в песках мелких, - 5,6 %. Также можно отметить высокую изменчивость перебора грунта при проходке ТПМК II типа в мелких и пылеватых водонасыщенных песках - v j=0,34.. .0,39.
В целом, полученные величины перебора грунта хорошо согласуются с данными, приведенными в работе Attewell [71] (см. рис. 1.3.2): для глинистых грунтов VL = 1,5 %; для песчаных -VL=4%.
Влияние глубины заложения тоннеля и скорости проходки. Исследования тесноты статистических связей перебора грунта с абсолютными Н и относительными H/D глубинами заложения тоннеля и скоростью проходки щита Vt были проведены с помощью корреляционного анализа.
В процессе статистических расчетов оценивался выборочный коэффициент корреляции/? и его значимость по критерию Гнабл [11].
Если выполнялось условие (3.2.1), то линейная зависимость между двумя параметрами считалась значимой. 9 где ta - квантиль Стьюдента, определяемая в зависимости от доверительной вероятности а (в настоящих исследованиях а=0,85 при двусторонней доверительной вероятности) и числа степеней свободы к=п-2, где п - число точек выборки.
В табл. 3.2.2 представлены результаты вычислений выборочных коэффициентов корреляции для всей выборки между перебором грунта и Н, H/D, Vt для различных типов ТПМК и видов разрабатываемого грунта.
На рис. 3.2.4...3.2.12 представлены диаграммы зависимости перебора грунта от Н, H/D и Vt для различных типов ТПМК и видов разрабатываемого грунта.
Расчеты по общей выборке показали, что перебор грунта VL не зависит от абсолютной Н и относительной H/D глубин заложения тоннеля - коэффициенты корреляции статистически не значимы.
Расчеты по групповой выборке показали наличие слабой тенденции к увеличению FL С увеличением Н и H/D в тугопластичном суглинке, полутвердой глине и водонасыщенном пылеватом песке (р=0,Ъ5...0,52). Это может быть связано с тем, что с увеличением глубины заложения тоннеля увеличивается бытовое давление по контуру выработки и соответственно скорость заполнения строительного зазора окружающим грунтом, что оказывает влияние на величину перебора грунта Vi. Тот факт, что этот эффект отмечается в большей степени в глинистых грунтах и в меньшей степени в пылеватых песках, говорит о том, что здесь оказывают влияние сцепление и реологические свойства грунтов, характерные в большей степени для глинистых грунтов и в некоторой степени для пылеватых песков. В песках мелких и средней крупности существует тенденция к увеличению FL с увеличением Н и H/D в связи с тем, что они практически не имеют сцепления и скорость заполнения зазора в них почти одинакова.
В результате статистических расчетов по общей и групповой выборке можно отметить, что влияние скорости проходки Vt на перебор грунта FL слабое и в основном статистически не значимо.
При проходке ТПМК I типа в суглинках тугопластичных отмечается слабая тенденция к уменьшению FL С увеличением Vt (/?=-0,48). Это связано с особенностями реологических свойств тугопластичных суглинков (медленно заполняется зазор между обделкой и грунтом) и со своевременным нагнетанием тампонажного раствора в заобделочное пространство. В подтверждение этого можно отметить тенденцию к увеличению FL С увеличением скорости проходки Vx (р=0,62) при проходке ТПМК II типа в мелких водонасыщенных песках. При высокой скорости проходки не обеспечивается своевременное и качественное нагнетание тампонажного раствора в заобделочное пространство и ввиду того, что проходка ведется в водонасыщенных песках (обладающих низкими реологическими свойствами), зазор между обделкой и грунтом заполняется быстро. В подтверждение этого может служить тот факт, что у пылеватых песков связь Vt с Гь статистически не значима. В пылеватых песках имеется небольшое сцепление, которого достаточно для своевременного нагнетания цементно-песчанного раствора в заобделочное пространство в ТПМК II типа.
Результаты исследований влияния различных факторов на общую продолжительность и среднюю скорость деформаций земной поверхности
Сравнительный анализ точности методик определения ширины зоны влияния строительства выполнялся путем сопоставления расчетных ар и фактических 2ф значений указанного параметра на основе данных измерения осадок земной поверхности, которые фиксировались с помощью грунтовых марок, установленных поперек трассы проходки ТПМК.
При рассмотрении вопроса определения ширины зоны влияния важно понимать и учитывать, что величина ширины зоны влияния в значительной степени зависит от величины граничного перемещения или деформации грунта или сооружения - критерия, на основе которого должна выбираться граница этой зоны.
Часто этому обстоятельству в существующих публикациях и действующих нормах уделяется недостаточное внимание.
В рассматриваемых ниже методиках [15, 20, 45, 62, 57] информация о критериях границы зоны влияния также не приведена, за исключением методики ЦНИИС [45]. В действующих нормативных документах по закрытой проходке выработок (в том числе для прокладки коммуникаций) такой критерий фактически отсутствует.
В связи с этим, для возможности выполнения сравнительного анализа различных методик применительно к проходке ТПМК, был введен критерий, используемый в СП 22.13330.2011 на проектирование оснований вновь строящихся и реконструируемых зданий и сооружений в котлованах. За ширину зоны влияния строительства коммуникационного тоннеля принималось расстояние от границы проектируемой выработки (тоннеля) до границы, где значение дополнительной осадки земной поверхности равно 1 мм.
Для приведения в соответствие с введенным критерием часть формул в приведенных выше методиках была откорректирована. Так как в формулах (1.4.1) и (1.4.2) ширина зоны влияния включала и тоннель (что не соответствует введённому выше критерию), указанные формулы были преобразованы к следующим видам:
Достоверность методики, заложенной в Инструкцию [20] и ГОСТ Р [15], которая разрабатывалась для решения вопросов охраны сооружений от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях, в рамках данной работы не проверялась. Это объясняется тем, что она не может быть применена для определения ширины зоны влияния строительства тоннелей для подземных коммуникаций щитовым методом по следующим причинам: - глубина прокладки подземных коммуникаций несопоставимо (в 10...50 раз) меньше, чем при разработках угля и других полезных ископаемых. В этих условиях существенно возрастает роль масштабного фактора, что не может не отразиться на методике прогноза зоны влияния; - состав и свойства грунтовых массивов над закрытой выработкой при прокладке подземных коммуникаций и разработке угольных месторождений принципиально отличаются. При прокладке подземных коммуникаций, как правило, имеют дело с дисперсными глинистыми или песчаными грунтами, поведение которых описывается положениями механики грунтов. При разработке же угольных и других месторождений толща горных пород в значительной степени представлена скальными и полускальными грунтами, поведение которых описывается положениями механики горных пород; - примененные в Инструкции [20] подходы и методики фактически не учитывают влияния технологии проходки и типа проходческого оборудования на деформации грунтовых массивов и оснований объектов окружающей застройки. Это противоречит отечественному и зарубежному опыту геотехнического мониторинга на реальных объектах строительства.
Наименование и краткая характеристика объектов геотехнического мониторинга, где выполнялись инженерно-геодезические наблюдения за осадками земной поверхности, представлены в табл. 5.1.1 и приложении 3. Результаты сопоставления расчетных яр и фактических а значений ширины зоны влияния, а также соответствующие статистические показатели приведены на рис. 5.1.1 и в табл. 5.1.2.
Анализ полученных данных позволяет отметить следующее. Хотя для рассматриваемых методик расчетные и фактические значения ширины зоны влияния имеют между собой тесную корреляционную связь (/7=0,89...0,92), расчет по ним дает существенные погрешности - среднее значение отношения Дф/яр=0,41...1,53, а его стандартное отклонение айф/ар=0,16...0,67.
При этом средняя ошибка &=\a$-ap\ при оценке зоны влияния по методикам ЦНИИС [45] и СТО НОСТРОЙ 2.27.17-2011 [57] значительно меньше, чем по методике автора [62]. Для первых двух она составляет соответственно 6,2 и 4,9 м, для последней - 14,7 м. Необходимо отметить, что если методики ЦНИИС [44] и СТО НОСТРОЙ 2.27.17-2011 [70] дают заниженные (для аф 10 м на 20...50 %) значения ширины зоны влияния, то методика Тупикова М.М. [62] наоборот дает завышенные в 1,5.. .4 раза значения ширины зоны влияния. Не исключено, что это в значительной степени связано с различием принятых граничных критериев зон влияния.
Похожие диссертации на Совершенствование методов прогноза деформаций земной поверхности при щитовой проходке тоннелей для подземных коммуникаций
