Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ существующих работ и постановка задач диссертационных исследований 8
1.1 Анализ существующих конструкций и технологий сооружения стальных футляров 8
1.2 Анализ горно-геологических условий на объектах сооружения стальных футляров в г. Москве по технологии микротоннелирования 16
1.3 Анализ существующих методов расчета стальных футляров 25
1.4 Постановка задач диссертационных исследований 37
2 Геомеханическое обоснование расчетных схем стальных футляров 39
2.1 Расчетные схемы определения контактных напряжений на границе стальных футляров с грунтовым массивом 39
2.2 Анализ напряжений в стальных футлярах 52
2.3. Анализ вертикальных смещений в стальных футлярах 59
2.4 Оценка влияния деформируемости окружающего грунтового массива... 62
2.5 Построение расчетных выражений для численного анализа напряженно-деформированного состояния стальных футляров 65
2.6 Численный анализ напряженно-деформированного состояния стальных футляров 70
3 Анализ нагрузок и воздействий на стальные футляры 77
3.1 Классификация нагрузок и воздействий на стальные футляры 77
3.2 Нагрузка от горного давления 80
3.3 Нагрузка от транспорта на земной поверхности 91
3.4 Нагрузка от воздействия грунтовых вод 95
3.5 Нагрузка от собственного веса стального футляра и наполнителя 104
3.6 Монтажные нагрузки от воздействия домкратных установок при сооружении стальных футляров по технологии микротоннелирования 108
4 Рекомендации по расчету стальных футляров в технологии микротоннелирования 117
4.1 Рекомендации по выбору расчетных предельных состояний стальных футляров 117
4.2 Рекомендации по расчету стальных футляров из условия их прочности 119
4.3 Рекомендации по расчету стальных футляров из условия устойчивости формы поперечного сечения 132
4.4 Рекомендации по расчету стальных футляров из условия ограничения относительного укорочения вертикального диаметра поперечного сечения 140
4.5 Рекомендации по расчету стальных футляров из условия ограничения сдвижений земной поверхности 145
4.6 Пример расчета стальных футляров и внедрение в проектные решения 149 Заключение 162
Список литературы 164
- Анализ горно-геологических условий на объектах сооружения стальных футляров в г. Москве по технологии микротоннелирования
- Построение расчетных выражений для численного анализа напряженно-деформированного состояния стальных футляров
- Монтажные нагрузки от воздействия домкратных установок при сооружении стальных футляров по технологии микротоннелирования
- Рекомендации по расчету стальных футляров из условия устойчивости формы поперечного сечения
Введение к работе
Развитие современного городского хозяйства невозможно без нормального функционирования основных жизнеобеспечивающих систем - инженерных коммуникаций различного назначения. В последние годы в Москве на фоне активного гражданского и промышленного строительства значительно возросла потребность в реконструкции старых и прокладке новых подземных водонесущих коммуникаций — трубопроводов воды, канализации, сточных вод.
Общая протяженность водонесущих коммуникаций в Москве составляет около 300000 километров, из них 25% нуждаются в замене. В соответствии с Постановлением Правительства Москвы «О развитии систем водоснабжения и канализации города Москвы на период до 2020 года» необходимо перекладывать и ремонтировать ежегодно около 300 км городских водопроводных сетей.
Распространенная в Москве практика подземной прокладки водонесущих коммуникаций предполагает: проходку выработки с применением современных бестраншейных технологий (микротоннелирование, горизонтальное шнековое бурение); крепление выработки секциями продавливаемых железобетонных или стальных труб (футляров); монтаж внутри труб одного или двух водонесущих трубопроводов; заполнение остального внутритруб-ного пространства цементно-песчаным раствором.
При реализации такой технологии, наиболее высокие темпы прокладки водонесущих коммуникаций, крайне необходимые для масштабного строительства в Москве и реконструкции устаревших трубопроводов, достигаются при использовании стальных футляров.' Использование стальных труб вместо железобетонных обеспечивает более высокую степень герметизации водонесущих коммуникаций в неустойчивых и обводненных грунтах, что особенно важно в городских условиях.
Необходимо подчеркнуть, что стальные футляры выполняют конструктивные функции обоймы и при качественном заполнении внутритрубного пространства цементно-песчаным раствором гарантируют срок службы во-донесущих трубопроводов не менее 50 лет. По данным ООО «Институт «Ка-налстройпроект», одного из основных проектировщиков инженерных сетей в г. Москве, стальные футляры были использованы при проектировании строительства и реконструкции водонесущих коммуникаций общей протяженностью 4863 м - в 2006 г., 4161м - в 2007 г., 3555 м - в 2008 г.
При этом до настоящего времени отсутствует методика расчета стальных футляров для трубопроводов, сооружаемых по технологии микротонне-лирования, обеспечивающая проектирование безопасной' эксплуатации инженерных сетей в условиях плотной городской застройки, что определяет актуальность темы диссертационных исследований.
Цель диссертации - геомеханическое обоснование метода расчета стальных футляров для водонесущих трубопроводов, адекватно отражающего условия их нагружения и деформирования при использовании технологии микротоннелирования.
Основная идея — тонкостенные стальные футляры как обделка коммунальных тоннелей, сооружаемых по технологии микротоннелирования с нагнетанием глинистого раствора в строительный зазор, находятся в условиях нагружения и деформирования, принципиально отличных от условий нагружения и деформирования традиционной железобетонной обделки тоннелей, сооружаемых по технологии щитовой проходки, что определяет особые методы ее расчета.
Основные научные положения, выносимые на защиту, и их новизна:
1) Геомеханические процессы при продавливании стальных футляров развиваются без нарушения сплошности окружающего грунтового массива, в основном, по причине деформаций стальных футляров, т.е. в результате возникающих при этом смещений контура, горной выработки или в режиме взаимовлияющих деформаций, поэтому нагрузку от горного давления на конструкцию стальных футляров следует опре- делять из решения контактной задачи в смещениях по расчетной схеме «снимаемой» с контура выработки нагрузки.
2) Наличие глинистого раствора в строительном зазоре снимает трение по боковой поверхности футляров, а следовательно, касатель ную составляющую нагрузки от горного давления, и поэтому стальные футляры воспринимают только радиальную составляющую нагрузки от горного давления; в этом смысле традиционная схема нагружения об делки тоннелей в виде равномерно распределенных вертикальной и го ризонтальной нагрузок неприменима для расчета стальных футляров.
3) Стальные футляры, представляющие тонкостенную податливую конструкцию обделки тоннелей, в отличие от существующих подходов, должны рассчитываться из условия прочности и деформируемости, в том числе из условия ограничения деформаций земной поверхности. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и ре комендаций подтверждаются: корректностью использования методов математического моделирования геомеханических процессов в грунтовом массиве; представительным объемом использованных для анализа проектных решений по сооружению стальных футляров в условиях плотной городской застройки по технологии микротоннелирования; применением нормативных рекомендаций для расчета прочности и деформируемости стальных футляров; положительными результатами использования разработанных рекомендаций в проекте реконструкции канализации микрорайона Богородское г. Москвы.
Научное значение диссертации заключается: в разработке научных и методических основ количественного прогнозирования геомеханических процессов в грунтовых массивах при микротоннелировании; в научном обосновании параметров стальных футляров для сооружения водонесущих коммуникаций и разработке метода их расчета.
Практическое назначение работы состоит в разработке методики расчета стальных футляров для водонесущих коммуникаций, сооружаемых по технологии микротоннелирования в условиях плотной городской застройки, отражающей особенности их нагружения и деформирования в грунтовом массиве.
Реализация выводов и рекомендаций. Разработанная методика расчета стальных футляров реализована в проектных решениях ООО «Институт «Ка-налстройпроект» на объектах сооружения водонесущих коммуникаций в г.Москве.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2010 г.) и научных семинарах кафедры СПСиШ Московского государственного горного университета (2009 - 2010 гг.)
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в четырех научных работах.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 12 рисунков, 33 таблицы, список использованной литературы из 66 наименований.
1 Анализ существующих работ и постановка задач диссертационных исследований
Анализ горно-геологических условий на объектах сооружения стальных футляров в г. Москве по технологии микротоннелирования
Стальные футляры для прокладки инженерных коммуникаций (водопровод, канализация и т.д.) сооружаются в г. Москве в различных грунтах и на различных глубинах. Ниже в таблице 1 приведены объекты строительства с применением МТПК, запроектированные в 2006 г. в ООО «Институт Ка-налстройпроект», с указанием типа МТГЖ AVN, диаметра и толщины стенки стального футляра (мм) и общей длины проходки (м). Объекты с наиболее характерными горно-геологическими условиями представлены в таблице 2, где общая длина проходки разделена на участки с указанием длины (м), глубины заложения до верха футляра (м), типа грунтов, в которых осуществляется проходка. В результате анализа таблицы 2 и других данных по проектным решениям установлено, что глубина заложения до верха футляра обычно не превосходит 10 м, а длина участков проходка не более 120 м. Анализ и обобщение геологических данных по трассам микротоннели-рования, выполненные по рассмотренным в таблице 2 проектам, а также с привлечением альтернативных источников [22, 23, 24] и нормативных документов [25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36], позволили сформировать осредненные расчетные характеристики грунтов, которые представлены в таблице 3 и которые будут использоваться в процессе дальнейших исследований нагружения и деформирования стальных футляров.
Расчет стальных футляров включает три последовательно решаемые задачи: определение нагрузок; определение внутренних усилий; расчет принятой конструкции стального футляра из условия ее прочности, деформируемости и устойчивости. Каждая из перечисленных задач имеет свои особенности, связанные в первую очередь с технологией подземного строительства, т.е. с технологией продавливания стальных футляров. Именно эта технология, по сравнению с технологией укладки стальных трубопроводов в траншеи (открытая технология), вызывает появление особых монтажных продольных нагрузок на стальные футляры, формирует особые условия перераспределения внутренних усилий в стесненных условиях искусственно созданной горной выработки, определяет особые критерии в оценках прочности, деформируемости и устойчивости стальных футляров, сооружаемых подземным способом в условиях плотной городской застройки. В этом смысле метод расчета стальных футляров принципиально отличается от расчета стальных трубопроводов, сооружаемых открытым способом, и можно утверждать, что до настоящего времени такого метода расчета на уровне нормативного документа не существует. Методы расчета стальных трубопроводов, сооружаемых открытым способом, разработаны достаточно подробно и наиболее полно изложены в работах Г.К. Клейна [37, 38], в справочнике проектировщика [39] и нормативных документах [40, 41, 42, 43, 44]. Проанализируем эти работы, а также работы по расчету конструкций подземных сооружений [Баклашов И.В., Булычев Н.С., Волков В.П., Руппенейт К.В., Одинцев В.Н. и др.] обратив внимание на их недостатки в плане использования для расчета стальных футляров, сооружаемых по технологии.микротоннелирования. Рассмотрим существующие рекомендации по определению нагрузки на горизонтальные трубопроводы от веса грунта, т.е. от горного давления. При открытом способе сооружения трубопроводов расчетная вертикальная на грузка, очевидно, будет равна весу вышележащих грунтов до земной поверхности с коэффициентом надежности по нагрузке: где ф - расчетный угол внутреннего трения, который может быть принят по таблице 3.
При подземном способе производства горных работ вертикальная нагрузка может реализовываться от веса вышележащих грунтов в пределах «свода обрушения» или «свода давления» кН = h - высота свода обрушения (при к 1), или от веса вышележащих грунтов (при к=1), т.е. по расчетной формуле (1). Соответствующая горизонтальная составляющая определяется по формуле где X - коэффициент бокового распора. Основная расчетная проблема заключается в определении высоты «свода обрушения», т.е. величины коэффициента к. Рассмотрим различные подходы к решению этой проблемы. Впервые эта задача получила решение в работе М.М. Протодъяконова, который предложил определять высоту «свода обрушения» следующим образом (далее рассматривается горная выработка кругового поперечного сечения диаметром D с глубиной заложения Н):
Построение расчетных выражений для численного анализа напряженно-деформированного состояния стальных футляров
По своему происхождению нагрузки и воздействия на стальные футляры можно подразделить следующим образом [54]: 1) природные — от горного давления и воздействия грунтовых вод; 2) строительные — от собственного веса стальных футляров, от транспорта на земной поверхности («колесные») и от воздействия домкратных установок при продавливании стальных футляров; последние следует классифицировать, как монтажные нагрузки; 3) полезные — от воздействия технологического оборудования и трубопроводов с наполнителем внутри. Перечисленные нагрузки по направлению их действия подразделяются на продольные, к которым относятся только монтажные нагрузки, и поперечные, к которым относятся все остальные нагрузки, называемые эксплуатационными. Такое подразделение имеет принципиальное значение в технологии микротоннелирования, поскольку напряженное состояние стальных футляров, вызываемое продольными и поперечными нагрузками, сопоставимы по своему значению, а в некоторых технологических ситуациях, особенно в условиях внецентренного продольного сжатия стальных футляров, продольные нагрузки играют решающую роль в формировании напряженного состояния стальных футляров. По длительности действия нагрузки подразделяются на постоянные и временные (длительные, кратковременные, особые) следующим образом: 1) постоянные, имеющие действие в течении всего периода экс- плуатации тоннеля — от горного давления, от собственного веса стальных футляров и от постоянного технологического оборудования внутри футляров; 2) временные длительные — от воздействия грунтовых вод, «колёс- ные», от веса наполнителя трубопроводов внутри футляров; 3) временные кратковременные — монтажные от воздействия дом- кратных установок; 4) особые нагрузки - нагрузки, связанные с внештатными, аварий- ными ситуациями технологического или природного происхождения (например, оползневые процессы в грунтовом массиве).
Конструкции стальных футляров подвергаются одновременному воздействию различных постоянных и временных нагрузок. Поскольку сочетание этих нагрузок может изменяться в процессе эксплуатации тоннелей неоднократно, в расчетах рассматриваются основные и особые сочетания нагрузок. Так, при анализе эксплуатационных нагрузок применяется основное сочетание нагрузок, которое включает эксплуатационные постоянные и временные длительные. Из условий статической работы конструкций стальных футляров в грунтовом массиве все нагрузки можно подразделить на активные и реактивные. Последние возникают в условиях стесненного деформирования стальных футляров со стороны грунтового массива, как реакция массива на деформирование футляров в сторону массива. Эти нагрузки были проанализированы в рамках расчетной схемы, рассмотренной в предыдущей главе. При этом было доказано, что в технологии продавливания, когда строительный зазор между футляром и грунтовым массивом заполняется бентонитовым раствором, снимающим трение на контакте, можно учитывать только радиальную составляющую реактивных нагрузок. Классификация нагрузок на активные и реактивные тесно связана с такими понятиями, как режим нагружения и схема нагружения. Различают режимы нагружения: заданной нагрузки, заданных деформаций, взаимовлияю-щих деформаций. В технологии микротоннелирования рассматривается режим нагружения взаимовлияющих деформаций, когда величины нагрузки на стальные футляры определяются как активной, так и реактивной составляющей, и схема нагружения активными и реактивными нагрузками по всему периметру футляра, когда реактивные нагрузки могут быть определены только из условий совместного деформирования стального футляра и окружающего грунтового массива.
Именно такая схема нагружения была использована в предыдущей главе при построении расчетной схемы, что привело к решению статически неопределимой задачи. Режим заданной нагрузки и схема нагружения только активными нагрузками могут быть реализованы в исключительных случаях при расчете стальных футляров: в неустойчивых слабых грунтах, когда модуль деформации грунтов Е2«10 МПа. Комбинированная схема нагружения стальных футляров, когда верхняя часть футляра нагружается активными нагрузками и свободно деформируется, а нижняя часть футляра деформируется в стеснённых условиях, неприменима для стальных футляров, поскольку технология микротоннелирования с минимальным строительным зазором, заполняемым бентонитовым раствором, практически исключает такие условия нагружения и деформирования. Указанная схема используется при щитовой проходке с блочной обделкой и при сооружении тоннелей метрополитена и предусматривает применение методов строительной механики с введением специальных гипотез для определения упругого отпора окружающего грунтового массива. Таким образом, технология микротоннелирования совершенно однозначно определяет режим нагружения и схему нагружения, которые были использованы в предыдущей главе. В заключении этого параграфа приведем классификацию нагрузок по их значимости для эксплуатационного состояния стальных футляров: - нагрузка от горного давления и транспорта на земной поверхности; - монтажные нагрузки от домкратных установок; - от собственного веса футляров и технологического оборудования внутри; - от грунтовых вод.
Монтажные нагрузки от воздействия домкратных установок при сооружении стальных футляров по технологии микротоннелирования
Монтажные нагрузки на стальные футляры возникают при их продав-ливании в грунтовый массив под воздействием домкратных установок и складываются из двух составляющих: Р] - начальное усилие внедрения проходческого комплекса (МТПК) в грунтовый забой; Р2 - усилие сопротивления трения и сцепления по боковой поверхности футляров при воздействии продольных нагрузок продавливания. Начальное усилие внедрения Рь как следует из работы [58] и нормативных документов [59, 60], определяется выражением где Pw - давление внутри камеры проходческого комплекса, равное горному давлению со стороны грунтового забоя Р3 + 20, м Ре - усилие продавливания на площадь забоя (режущая сила), которая при- кН нимается для обычных глинисто-песчаных грунтовых массивов 150 —г-, для гравелистых массивов 300 —г; q, = (Pw + Ре) - удельное начальное усилие внедрения проходческого ком- в грунтовый забои, ——; — - площадь расчетного поперечного сечения грунтового забоя, м . V2/ Горное давление со стороны забоя Р3 представляет горизонтальную составляющую горного давления с учетом возможного образования «свода дав- ления» при коэффициенте бокового распора А. и с учетом транспортной нагрузки на земной поверхности в предложении «сухого» грунтового массива.
Принимая горное давление с учетом «колёсной нагрузки» по формуле (50) при А=0,5, получим для глинисто-песчаных грунтовых массивов удельное начальное усилие внедрения проходческого комплекса где Н0 - глубина заложения тоннеля от его продольной оси до земной поверхности, м. Ниже в таблице 22 приведены величины удельного начального усилия внедрения проходческого комплекса в грунтовый забой qt в зависимости от глубины заложения Н=Но=3, 6, 10 м и типа грунтов, для которых приняты осредненные коэффициенты образования «свода давления»; песок и гравий -1 =0,6; супесь — kj=0,75; суглинок и глина - 1 =0,85. Усилие сопротивления трения и сцепления по боковой поверхности стальных футляров Рг, как следует из работы [58] и нормативных документов [59, 60], определяется выражением: где р - понижающий коэффициент усилий продавливания, рекомендуемый для глинистых грунтов 0,35, для песчаных 0,45, для гравия 0,6; q - равномерное по боковой поверхности контактное давление со стороны ,кН. грунтового массива (—-), определяемое воздействием горного давления и «колесных» нагрузок в соответствии с выражением (24) по модулю, т.е. q=0,75p, где р принимается по формуле (50) в предложении «сухого» грунтового массива; G - собственный вес стального футляра длиной 1 м, определяемый по фор- муле (67), т.е. G=7rDdyc, где d - толщина стенки футляра, ус=78 —=— удель- ныи вес стали, —; м д - коэффициент трения на контакте «грунтовый массив - стальной футляр», который при наличии бентонитового раствора на контакте следует принимать равным 0,1; С - адгезионное сцепление на контакте «грунтовый массив - стальной футляр», которое мало влияет на величину Р2 и остается практически не исследованным, что позволяет принимать его равным нулю при условии некоторого завышения усилия сопротивления от воздействия трения; L - длина участка продавливания, м. После преобразований расчетное выражение (76) принимает вид Ниже в таблице 24 приведены вычисленные по этим формулам рекомендуемые величины q2 в зависимости от глубины заложения Н и типа грунтовых массивов. Анализ таблицы 24 показывает, что удельное сопротивление трения q2 практически линейно возрастает с глубиной заложения Н, имеет максимальное значение при продавливании в гравелистых и минимальное значение в суглинистых и глинистых грунтовых массивах. В заключении параграфа 3.6 проанализируем величину монтажных нагрузок в зависимости от диаметра стальных футляров D, глубины их заложения Н, длины участка продавливания L и типа грунтовых массивов. Монтажные нагрузки по результатам выполненных исследований определяются выражением
Рекомендации по расчету стальных футляров из условия устойчивости формы поперечного сечения
Расчет стальных футляров из условия устойчивости формы поперечного сечения выполняется для максимально возможного уровня грунтовых вод, создающих обжатие стальных футляров, как это было установлено в п.3.4. При этом должна учитываться обжимающая составляющая нагрузки от горного давления. На устойчивость формы поперечного сечения влияет эллиптичность стальных футляров —-, которая формируется в результате их деформирова г ния под воздействием неравномерной составляющей горного давления. Устойчивость формы также ограничена пластическими деформациями, наступающими в металле при достижении окружных нормальных напряжений о0 предела текучести от. В конечном итоге критическое давление ркр, при котором происходит потеря устойчивости формы, может быть определено по рекомендациям, изложенным в работе [64], как решение квадратного уравнения: где можно принимать для расчетов в запас устойчивости оу=210000 Проверка устойчивости формы поперечного сечения стальных футляров выполняется по формуле: где q - равномерная обжимающая нагрузка на стальные футляры, —т, кото м рая представляет суммарную нагрузку от горного давления q и от давления грунтовых вод q", принимаемые по абсолютной величине.
Величина обжимающей нагрузки от горного давления определяется выражением где вертикальная составляющая горного давления и «колесной» нагрузки Нв - максимально возможный уровень грунтовых вод, м. Величина обжимающей нагрузки от воздействия грунтовых вод определяется выражением Эллиптичность может быть определена из выражения (40) с добавлением составляющей от собственного веса стальных футляров (72): где вертикальная составляющая горного давления р определяется по рекомендациям формулы (102). Чтобы оценить интервал изменения эллиптичности стальных футляров, рассмотрим интервал изменения параметров, определяющих эллиптичность.
Вертикальную составляющую горного давления и «колесной» нагрузки в обводненном массиве можно оценить по формуле (58) который для большого диаметра будет равен 0,036, для малого — 0,26. Соответственно эллиптичность по формуле (103) будет равна: для большого диа эллиптичности для большого и малого диаметров стальных футляров сохраняется. В более «жестком» грунтовом массиве с Е2=35 МПа, судя по таблице 16, эллиптичность соответственно уменьшается, пропорционально уменьшению параметра —. Следовательно, максимальная эллиптичность будет на-Р блюдаться для стальных футляров большого диаметра в грунтовом массиве с кН Е2=Ю МПа при максимальной нагрузке р=140 —г- и составит 0,007 или 0,7%. Соответственно минимальная эллиптичность будет наблюдаться для стальных футляров малого диаметра в грунтовом массиве с Е2=35 МПа при на кН грузке р=40 —J" и составит 0,0004 или 0,04%. Отсюда можно определить ин
