Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние вопроса и задачи исследования ... 9
1.1 Инженерно - геологические и гидрогеологические особенности Санкт-Петербурга 9
1.2 Анализ методов определения напряженно-деформированного состояния массива вокруг тоннелей и их обделок 15
1.3 Применение тоннелепроходческих механизированных комп
лексов с пригрузом забоя при строительстве перегонных тоннелей 25
1.4 Инженерная методика расчета пригруза забоя 32
1.5 Определение оседания земной поверхности 36
1.6 Задачи и методика исследования напряженно-деформированного состояния обделки и грунтового массива при строительстве
перегонных тоннелей с пригрузом забоя 41
ГЛАВА 2 Разработка методов прогноза смещений грунтового массива и напряженно-деформированного состояния обделки перегонных тоннелей при строительстве тоннелепроходческими комплексами с пригрузом забоя 42
2.1 Общие положения 42
2.2 Постановка задачи моделирования 44
2.3 Методика расчета необходимой величины пригруза забоя при строительстве перегонных тоннелей тоннелепроходческими механизированными комплексами с пригрузом забоя 48
2.4 Определение оседания земной поверхности и смещений в обделке 53
2.5 Сопоставление расчетов оседания земной поверхности с результатами натурных наблюдений 55
2.6 Метод прогноза напряжений в обделках тоннелей, сооружаемых в грунтах плывунного типа 59
Выводы по главе 2 65
ГЛАВА 3 Численное моделирование геомеханических процессов при строительстве двух путного перегонного тоннеля метрополитена 67
3.1 Обоснование постановки задачи 67
3.2 Геологические особенности трассы Фрунзенского радиуса Санкт-Петербургского метрополитена 74
3.3 Постановка задачи моделирования з
3.4 Анализ результатов расчета оседания земной поверхности в зависимости от прочностных характеристик массива 82
3.5 Анализ результатов расчета оседания земной поверхности в зависимости от величины давления пригруза забоя 91
3.6 Методика расчета напряженно - деформированного состояния обделки двухпутного перегонного тоннеля мелкого заложения 94
3.7 Оценка напряженного состояния обделки двухпутного перегонного тоннеля на период его эксплуатации 102
Выводы по главе 3
ГЛАВА 4 Сопоставление результатов теорети ческих исследований с результатами натурных наблюдений и разработка рекомендаций по их использованию 113
4.1 Разработка экспериментально-аналитического метода прогноза оседания земной поверхности при строительстве перегонных тоннелей ТПМК с пригрузом забоя 113
4.2 Метод прогноза величины пригруза забоя при строительстве тоннелей с использованием ТПМК 118
4.3 Сопоставление результатов расчетных значений оседания земной поверхности с данными натурных наблюдений 122
4.4 Рекомендации по изменению толщины обделки двухпутного перегонного тоннеля Фрунзенского радиуса Санкт-Петербургского метрополитена 126
Выводы по главе 4 129
Заключение 131
Список литературы
- Анализ методов определения напряженно-деформированного состояния массива вокруг тоннелей и их обделок
- Постановка задачи моделирования
- Геологические особенности трассы Фрунзенского радиуса Санкт-Петербургского метрополитена
- Сопоставление результатов расчетных значений оседания земной поверхности с данными натурных наблюдений
Введение к работе
Актуальность работы. Строительство метрополитенов является одним из основных способов решения транспортных проблем в мегаполисах. Использование метрополитенов позволяет разгрузить наземные транспортные потоки и часто является единственным способом повышения пропускной способности районов, где строительство дополнительных поверхностных и приповерхностных транспортных коммуникаций невозможно или нецелесообразно.
Строительство перегонных тоннелей в условиях плотной городской застройки может приводить к недопустимым оседаниям земной поверхности и даже к разрушению зданий над подземными объектами. В современных рыночных условиях восстановление поврежденных зданий требует значительных финансовых затрат. Проблема обостряется, когда в зону влияния строительства тоннелей, особенно в центральных районах городов, попадают здания, являющиеся памятниками архитектуры.
Разработке методик расчета параметров конструкций подземных сооружений посвящены научные работы И.В. Бакла- шова, Н.С. Булычёва, И.С. Бубмана, Б.А. Картозии, Е.И. Кашина, Е.Г. Козина, А.А. Козырева, М.В. Корнилова, В.Е. Меркина,
-
Г. Протосени, Н.Н. Фотиевой, Ю.С. Фролова и других исследователей.
Исследованием геомеханических процессов при строительстве тоннелей с пригрузом забоя занимались отечественные ученые К.П. Безродный, Н.А. Беляков, С.Н. Власов, В.А. Гарбер, Е.А. Де- мешко, М.А. Карасёв, А.А. Кашко, М.О. Лебедев, Д.В. Панфилов,
-
П. Самойлов, В.В. Чеботаев и зарубежные ученые, такие как P. Attewell, W. Broere, L. Langmaak и др.
Перспективным направлением освоения подземного пространства мегаполисов является создание и использование малоосадочных технологий строительства подземных сооружений, базирующихся на комплексном учете геомеханических процессов, которые протекают в системе «обделка - проходческий комплекс - грунтовый массив».
При строительстве тоннелей в сложных инженерно- геологических условиях с помощью специализированных тоннеле-
проходческих механизированных комплексов (ТІ ІМК) с пригрузом забоя наблюдается значительное снижение оседания земной поверхности.
На сегодняшний день методы прогноза оседания земной поверхности, величины пригруза и геомеханических процессов в обделке тоннелей и грунтовом массиве при использовании ТПМК разработаны не в полном объеме.
Современным способом определения напряженно-деформированного состояния обделок и вмещающего их грунтового массива, а также оседания земной поверхности является численное моделирование. Оно выполняется на основе разрабатываемых плоских и пространственных геомеханических моделей с учетом особенностей инженерно-геологических условий, плотности застройки и порядка ведения горно-проходческих работ.
На основе вышеизложенного, прогноз напряженно- деформированного состояния обделки и грунтового массива при строительстве перегонных тоннелей с пригрузом забоя, проводимых в сложных инженерно-геологических и градостроительных условиях, является актуальной научной задачей.
Цель работы. Повышение безопасности горнопроходческих работ и обеспечение минимального оседания земной поверхности при строительстве подземных сооружений в сложных инженерно-геологических и градостроительных условиях с использованием специализированных ТПМК.
Идея работы. Уменьшение оседания земной поверхности достигается за счет подбора величины пригруза забоя ТПМК в зависимости от инженерно-геологических и градостроительных условий по трассе строительства тоннеля.
Основные задачи исследований:
-
анализ теоретических и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния при строительстве перегонных тоннелей ТПМК с пригрузом забоя;
-
создание плоских и пространственных геомеханических моделей напряженно-деформированного состояния обделок тоннелей и грунтового массива при строительстве ТПМК с пригрузом забоя;
-
численное моделирование напряженно-деформированного состояния обделки и грунтового массива в сложных инженерно-
геологических и градостроительных условиях для перегонных тоннелей глубокого и мелкого заложения;
-
сопоставление результатов численных экспериментов с результатами натурных наблюдений за оседаниями грунтового массива, земной поверхности и напряжениями в обделке тоннелей.
Методы исследований. Численное моделирование напряженно-деформированного состояния обделки и грунтового массива методом конечных элементов; натурные наблюдения за состоянием конструкций перегонных тоннелей и характером формирования нагрузки на обделку, оседанием земной поверхности, смещением грунтового массива и напряжениями в обделке; сравнение результатов численного моделирования с натурными наблюдениями.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:
-
установлены закономерности изменения оседания земной поверхности в зависимости от величины пригруза забоя, прочностных и деформационных характеристик грунтового массива при строительстве перегонных тоннелей с использованием ТПМК;
-
выявлены закономерности напряженно-деформированного состояния обделки при строительстве перегонных тоннелей по технологии с пригрузом забоя.
Основные защищаемые положения:
-
-
Необходимая величина пригруза забоя при строительстве тоннелей специализированными тоннелепроходческими механизированными комплексами определяется решением пространственной упруго - пластической задачи взаимодействия системы «обделка - проходческий комплекс - грунтовый массив».
-
Оседания земной поверхности по трассе строительства тоннелей определяются взаимодействием системы «обделка - проходческий комплекс - грунтовый массив», прочностными и деформационными характеристиками грунтового массива, глубиной заложения тоннелей и их геометрическими размерами.
-
Прогноз напряженно-деформированного состояния грунтового массива и обделки двухпутного перегонного тоннеля мелкого заложения должен учитывать его взаимодействие с земной поверхностью, а на стадии эксплуатации - влияние бетонного основания в нижней части тоннеля.
Практическая значимость работы:
-
разработан метод расчета величины пригруза забоя при строительстве перегонных тоннелей ТПМК в сложных инженерно- геологических и градостроительных условиях;
-
разработан метод расчета напряженного состояния обделки перегонных тоннелей с учетом их контактного взаимодействия с грунтовым массивом;
-
разработан экспериментально-аналитический метод прогноза оседания земной поверхности при строительстве перегонных тоннелей ТПМК с пригрузом забоя.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением современного численного метода решения геомеханических задач - метода конечных элементов, реализованного в программном комплексе Simulia Abaqus; согласованностью результатов численных экспериментов с данными натурных исследований и с результатами, полученными с применением аналитических методик.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований освещались на научно-практических конференциях: Международном форуме-конкурсе «Проблемы недропользования» в Горном университете (г. Санкт-Петербург, 2010 г.); Международной конференции молодых ученых в Краковской горно-металлургической академии (Польша, г. Краков, 2010 г.); Международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» в Воркутинском горном институте (г. Воркута, 2010 и 2013 гг.); 62-ой Международной научной конференции в Фрайбергской горной академии (Германия, г. Фрайберг, 2011 г.); на XVI Всероссийской научно-технической конференции «Новые информационные технологии в научных исследованиях «НИТ-2011» в Рязанском государственном радиотехническом университете (г. Рязань, 2011 г.); на XIII Международной молодежной научной конференции «СЕВЕРГЕОЭКОТЕХ -2012» в Ухтинском государственном техническом университете (г. Ухта, 2012 г.).
Личный вклад автора заключается: в постановке задач численного моделирования; в разработке геомеханических моделей, выполнении численных экспериментов и анализе полученных результатов; в разработке методики прогноза оседания земной поверхности при строительстве перегонных тоннелей ТПМК с пригрузом забоя; в сопоставлении результатов численных экспериментов с данными натурных наблюдений.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России - 2 статьи.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 141 странице машинописного текста. Состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 93 наименования, включает 66 рисунков и 7 таблиц.
Анализ методов определения напряженно-деформированного состояния массива вокруг тоннелей и их обделок
Коренные породы венда на севере и кембрия на юге перекрываются четвертичными отложениями различного возраста от среднечетвертичного до современного. Полный комплекс межледниковых и ледниковых отложений трех стадий оледенения прослеживается в пределах глубоких палеоврезов, например, в долине Пра-Невы. Ледниковые отложения представлены преимущественно суглинками и супесями с включениями гравия, гальки, валунов с прослоями и линзами песка [4].
Мощность водоносного горизонта изменяется в широких пределах от 0,3 до 33 м. На большей части площади распространения воды напорные, величина напора изменяется в зависимости от глубины залегания и составляет от 2 до 38 м, чаще не превышает 20 м. Пьезометрическая поверхность подчинена современному рельефу. Естественные уровни горизонта подвержены сезонным колебаниям, амплитуда которых не превышает 1,5 м.
Нижний межморенный водоносный горизонт приурочен к пескам и супесям, залегающий между московской и днепровской моренами. Горизонт имеет меньшее распространение, чем верхний межморенный горизонт и залегает в зонах глубоких долин на территории города. Водовмещающими породами являются мелко- и тонкозернистые пески, мощность не более 2 - 5 м, залегающие под московской мореной. В древних погребенных долинах мощность отложений возрастает до 80 - 87 м, и в их составе появляются крупнозернистые и гравелистые пески. Горизонт напорный: пьезометрические уровни устанавливаются на абсолютных отметках 0,5 - 4,6 м, понижаясь по направлению к Неве и Финскому заливу.
В настоящее время наблюдается постоянное восстановление пьезометрической поверхности горизонта со скоростью около 1,5 м в год, по данным ФГУП Севзапгеология в пределах Санкт-Петербурга пьезометрические уровни на 2005 год устанавливаются на глубине до 15,0 м.
Как показали проведенные исследования по трассам перегонных тоннелей, пройденных под погребенными долинами (Горьковская - Невский проспект, Елизаровская - Ломоносовская, Василеостровская - Гостиный Двор, Черная речка - Пионерская) в результате восходящего перетекания минерализованных хлоридно-натриевых вод нижнекотлинского водоносного горизонта через трещиноватую толщу водоупора наблюдаются активное протекание химической коррозии и биоразрушение материалов гидроизоляционного слоя, а также железобетонной и чугунной обделки тоннелей.
Одним из наиболее эффективных методов изучения механических процессов в грунтовых массивах, а также их взаимодействия с подземными сооружениями является метод моделирования, основанный на замене реального массива некоторым его идеализированным представлением. Сами модели могут быть физическими, математическими, аналоговыми. Математические модели широко используются в геомеханике по тем причинам, что они обладают наибольшей общностью, свободны от влияния частных факторов, характеризующих горнотехническую ситуацию, позволяют не только качественно, но и количественно прогнозировать развитие механических процессов.
Существенная особенность напряженно-деформированного состояния массива пород, в котором проходят горную выработку, заключается в том, что выработка образуется в заранее напряженном массиве с установившимся полем начальных напряжений. По этой причине нельзя моделировать массив с выработкой, попросту перенеся начальные напряжения на бесконечность, так как тогда оказалось бы, что напряжения приложены к массиву после проведения выработки.
Применение упругой модели массива позволяет в соответствии с принципом независимости действия сил учесть это важное обстоятельство, рассматривая напряжения в массиве, ослабленном выработкой, как сумму начальных и дополнительных (снимаемых) напряжений. Для исследования напряженно-деформированного состояния массива вокруг горных выработок за пределом упругости наибольшее распространение получила в настоящее время деформационная теория пластичности.
Анализ экспериментальных данных о деформировании пород в условиях объемного напряженного состояния показывает, что зависимость между наибольшим сдвигом у и максимальным касательным напряжением т для деформационной теории пластичности может быть описана выражением [5]: где В и т - постоянные. Показатель т характеризует нелинейность среды. Для упругой среды т=0,В - аналог модуля сдвига.
Задача исследования напряженно-деформированного состояния вокруг выработки круглого поперечного сечения, заложенной в нелинейном изотропном массиве с начальным гидростатическим напряженным состоянием сводится к исследованию напряженного состояния в бесконечной плоскости с отверстием, сжимаемой усилиями yti на бесконечности, где у - средний удельный вес толщи пород; Я- глубина заложения выработки.
Компоненты напряжений вокруг незакрепленной выработки имеют вид: где г б— безразмерная радиальная координата, га - показатель нелинейности. При описании напряженно-деформированного состояния в водонасыщенных горных породах используют понятия полного, нейтрального (порового) и эффективного напряжений [6, 7]. Эффективным напряжением называется напряжение в скелете породы, вызывающее его сжатие (уплотнение). Нейтральным или поровым называется напряжение, обусловленное весом воды, заключенной в поровом пространстве породы. Оно не уплотняет породу, а лишь создает напор в воде, вызывающий ее фильтрацию. В общем случае, полное напряжение а в грунтовых водонасыщенных массивах определяется как сумма нейтрального и и эффективного о- напряжений:
Постановка задачи моделирования
Следует отметить, что на графике представлены только случаи, при которых на призабойном участке уже действует пригруз забоя с определенным давлением в зависимости от варианта моделирования. Вариант, при котором проходка тоннеля осуществляется без пригруза, на графике не представлен, так как в этом случае плоскость забоя неустойчива. Это приводит к значительному образованию вывалов.
Согласно графическим зависимостям, представленным на рисунке 2.4, применение даже незначительного пригруза (0,1 вуН) позволяет сохранить плоскость забоя в устойчивом состоянии. Однако, в этом случае продольные смещения этой плоскости будут весьма значительными - более 700 мм. Наибольший эффект от увеличения пригруза достигается при давлении до 0,31уН. Дальнейшее увеличение давления пригруза не дает значительного уменьшения продольных смещений.
На рисунке 2.5 представлены кривые, выражающие зависимость вертикальных смещений грунтового массива (расстояние в 1,5 м от плоскости забоя) от расстояния до шелыги свода перегонного тоннеля. Расстояние в 1,5 м от плоскости забоя до рассматриваемого направления выбрано опытным путем с тем расчетом, что на этом направлении вертикальные смещения пород имеют максимальные значения на поверхности модели. На рисунке не представлен случай проходки без использования пригруза, при котором плоскость забоя неустойчива (при этом в результате возникновения вывала оседание поверхности составляет порядка 1500 мм).
Из графической зависимости, приведенной на рисунке 2.5, следует, что значения давления пригруза забоя менее 0,41 уН хоть и позволяют достичь устойчивого состояния забоя, но не предотвращают развитие значительных вертикальных смещений массива, которые в дальнейшем реализуются в виде значительного оседания земной поверхности. Это недопустимо при строительстве в условиях плотной городской застройки. 600
Зависимость вертикальных смещений массива (расстояние 1,5 м от плоскости забоя) от расстояния до шелыги свода тоннеля
Вид полученных кривых (рисунок 2.5) позволяет судить, что вертикальное смещение грунта на расстоянии более 35-40 м от шелыги свода тоннеля изменяется незначительно. Следовательно, оседание поверхности будет незначительно отличаться от вертикальных смещений на расстоянии 40 м от шелыги свода тоннеля. Таким образом, в рассмотренных при моделировании условиях наиболее целесообразно использовать давление пригруза более 0,4\уНс целью минимизации оседания земной поверхности.
По результатам анализа полученных в ходе моделирования данных была составлена графические зависимости (рисунок 2.6). Для грунта принимались следующие прочностные характеристики: (р=7 и С=50 кПа. По этой зависимости, в рамках рассмотренного в работе случая, можно по заданному допустимому вертикальному смещению земной поверхности определить продольное смещение плоскости забоя внутрь тоннеля и необходимую величину пригруза забоя.
Из зависимости, представленной на рисунке 2.6, видно, что оседание земной поверхности меньше предельно допустимого значения достигается только при величине пригруза 0,3 6уН. При этом продольные смещения плоскости забоя внутрь тоннеля составляют 280 мм.
Достижение малоосадочной технологии возможно при величине пригруза 0,38 + 0,4уН. При величине пригруза более 0,4\уН на поверхности будет наблюдаться выпирание грунта, что является крайне нежелательным явлением. При выполнении математического моделирования были получены графические зависимости оседания земной поверхности и смещения в обделке перегонного тоннеля. На рисунке 2.7 приведено оседание земной поверхности грунтового массива при проходке перегонного тоннеля с величиной пригруза q=0,5 МПа в направлении перпендикулярном трассе тоннеля.
На рисунке 2.9 приведены вертикальные смещения на внешнем контуре обделки тоннеля в своде и в боку. Максимальные смещения составляют 12-13 мм. Оседание впереди лба забоя реализуется приблизительно на 25-30 % от его максимальной величины. Проходка тоннеля оказывает влияние на смещения: - в своде обделки на расстоянии 25 м, равном трем диаметрам тоннеля впереди забоя и на расстоянии 40 м, равном пяти диаметрам тоннеля - позади забоя; - в боку обделки на расстоянии 40 м, равном пяти диаметрам тоннеля впереди забоя и столько же - позади забоя.
Наблюдается резкое изменение характера зависимости вертикальных смещений обделки впереди забоя, она приобретает линейный характер, в то время как позади забоя наблюдается резкий скачок смещений на расстоянии 10 колец от забоя, далее зависимость носит так же линейный характер.
Перегонные тоннели на участке «Размыв» между станциями «Лесная» и «Площадь Мужества» Санкт-Петербургского метрополитена общей протяженностью 1,6 км пройдены механизированным комплексом ALPINE POLYSHIELD PDS 740-08Л1М с внешним диаметром фронтальной части 7385 мм и наружным диаметром тоннельной обделки 7100 мм. Комплекс представлял собой проходческий щит с механическим приводом и бентонитовым пригрузом забоя. Максимальная величина пригруза, которую устанавливали на «Размыве», составила 0,56 МПа. Пространство между оболочкой щита и обделкой сразу после монтажа очередного кольца обделки заполнялось под давлением специальным уплотнительным раствором с целью более плотного контакта крепи с грунтовым массивом, что обеспечивает уменьшение оседания земной поверхности.
Геологические особенности трассы Фрунзенского радиуса Санкт-Петербургского метрополитена
Конечно-элементная сетка сгущается от границ модели к обделке двухпутного перегонного тоннеля. Минимальный шаг разбивки модели на элементы равен ОД м. Минимальный размер элементов располагается в обделке перегонного тоннеля. Фрагмент конечно-элементной сетки разработанной модели для определения напряженно-деформированного состояния обделки двухпутного перегонного тоннеля представлен на рисунке 3.20.
На рисунке 3.21 представлены радиальные напряжения на внешнем контуре обделки на глубине заложения (от шелыги свода) 10 м, на рисунке 3.22 на глубине 15 м, а на рисунке 3.23 на глубине 20 м.
По абсолютной величине максимум радиальных напряжений наблюдается в боках выработки, а минимум в своде, что согласуется с классическим представлением о распределении радиальных напряжений. Изменения модуля деформации массива сказывается на величине радиальных напряжений в обделке перегонного тоннеля. Чем меньше модуль общей деформации вмещающего массива, тем выше радиальные напряжения на внешнем контуре обделки. Радиальные напряжения на внешнем контуре не меняют знака и являются сжимающими. Также справедливо то, что значения радиальных напряжений на внешнем контуре обделки в нижней части тоннеля больше, чем в шелыге свода.
На рисунке 3.24 представлены тангенциальные напряжения на внешнем контуре обделки на глубине заложения (от шелыги свода) 10 м, на рисунке 3.25 на глубине 15 м, а на рисунке 3.26 на глубине 20 м.
Эпюры тангенциальных напряжений представляют собой эллипс, который в заданном диапазоне свойств массива не меняет своего положения с вертикального на горизонтальное. Так, при значении модуля общей деформации Е=7 МПа, в обратном своде обделки формируются максимальные сжимающие напряжения. В боках напряжения меняют знак и становятся растягивающими. Возможно трещинообразование в боках обделки тоннеля на больших глубинах.
Качественно эпюра тангенциальных напряжений на внутреннем контуре обделки представляет собой горизонтально-ориентированный эллипс, который в заданном диапазоне свойств массива не меняет своего положения с горизонтального на вертикальное. При модуле общей деформации массива Е=7 МПа, в обратном своде обделки тоннеля формируются наибольшие растягивающие напряжения, а наибольшие сжимающие напряжения формируются в боках обделки. Возможно трещинообразование на больших глубинах в шелыге свода и в обратном своде обделки двухпутного перегонного тоннеля.
Согласно конструкции обделки двухпутного перегонного тоннеля после завершения его строительства в нижней части тоннеля сооружается мощное бетонное основание. Наибольшая толщина составляет 2,3 м.
Представляет интерес оценка влияния бетонного основания на закономерности распределения напряжений в обделке большого поперечного сечения тоннеля.
Для оценки напряженного состояния обделки двухпутного перегонного тоннеля на период его эксплуатации было выполнено математическое моделирование в плоской постановке на основе моделей, описанных в предыдущем разделе.
Расчетная схема, заложенная в разработанную двумерную конечно-элементную модель, приведена на рисунке 3.19. Отличие данной расчетной схемы от представленной в предыдущем разделе заключается в наличии мощного бетонного основанияв нижней части тоннеля.
Граничные условия заданы аналогично ранее рассмотренной модели: запрещались смещения по нижней грани - в направлении оси У, по боковым граням - в направлении оси X, верхняя грань модели оставлялась свободно деформируемой. Начальное поле распределения напряжений задавалось с учетом геостатического закона согласно гипотезе Динника с коэффициентом бокового давления, равным 0,4 (определяется исходя из коэффициента Пуассона пород грунтового массива).
Глубина заложения тоннеля для изучаемого участка также как и в предыдущем разделе изменялась и составляет 10, 15 и 20 м. Основные линейные размеры модели: ширина модели (размер в направлении оси X) -200 м; высота модели (размер в направлении оси Y) - 100 м.
Помимо глубины заложения тонеля также изменялся модуль деформации грунтового массива: Е=7, 10, 15 и 20 МПа.
Таким образом было выполнено 3 модели с различной глубиной заложения двухпутного перегонного тоннеля и осуществлено 12 расчетов в зависимости от различных физико-механических свойств грунтового массива.
При расчетах были получены величины радиальных напряжений на внешнем контуре обделки по ее периметру и тангенциальных напряжений на внутреннем и внешнем контуре обделки двухпутного тоннеля на период его эксплуатации.
Конечно-элементная сетка сгущается от границ модели к обделке двухпутного перегонного тоннеля. Минимальный шаг разбивки модели на элементы равен 0,1 м. Минимальный размер элементов располагается в обделке перегонного тоннеля. Фрагмент конечно-элементной сетки разработанной модели для определения напряженно-деформированного
По результатам расчета радиальных напряжений на внешнем контуре обделки двухпутного перегонного тоннеля с дополнительным бетонным основанием по сравнению со значениями радиальных напряжений на внешнем контуре обделки двухпутного перегонного тоннеля без дополнительного бетонного основания видно, что влияние бетонного основания в обратном своде обделки двухпутного тоннеля приводит к уменьшению радиальных напряжений в боках обделки за счет появления растягивающих напряжений на участке «контакта» дополнительного бетонного основания с блочной бетонной обделкой тоннеля.
Сопоставление результатов расчетных значений оседания земной поверхности с данными натурных наблюдений
Для тоннелей из приведенной выше таблицы 4.3 рассчитаем значения оседания земной поверхности по методике Аттевелла, приведенной в разделе 1.5 и методике, приведенной в разделе 4.1.
Расчет оседания земной поверхности осуществлялся не по всем объектам, приведенным в таблице Было выбрано несколько объектов, с наиболее похожими условиями строительства. К их числу нами были отнесены следующие: - Barcelona railroad tunnel. Диаметр тоннеля - 11,2 м; расстояние от поверхности земли до оси тоннеля - 30 м; максимальная величина оседания земной поверхности Smax = 5 мм. у = 18 кН/м - удельный вес грунта; (р=29 - угол внутреннего трения; с-Ъ кН/м2 - сцепление грунтового массива; Е= 4,5 МН/ м2 - модуль Юнга; v=0,30 - коэффициент Пуассона [91].
Расчет по методике Аттевела показывает, что значение Smaxl = 10 мм, а по экспериментально-аналитическому методу — Smax2 - 8 мм. - Shanghai (Tunnel II). Диаметр тоннеля - 11,2 м; расстояние от поверхности земли до оси тоннеля - 24,5 м; максимальная величина оседания земной поверхности Smax - 17,9 мм. у= 18,5 кН/м - удельный вес грунта; jo=3Cf - угол внутреннего трения; с = 1 МПа - сцепление грунтового массива; Е = 8,19 МПа - модуль деформации грунтового массива; v = 0,25 - коэффициент Пуассона [90].
Расчет по методике Аттевела показывает, что значение Smax-± — 30 мм, а по экспериментально-аналитическому методу — Smax2 — 26 мм.
Сопоставление результатов расчетов показывает, что они имеют удовлетворительную сходимость.
В таблице 4.4 [25] приведено фактическое оседание земной поверхности при строительстве тоннелей ТПМК, с использованием различных типов пригруза. Представлены инженерно-геологические условия строительства, тип пригруза, диаметр тоннеля, а также максимальное и минимальное оседание земной поверхности. Таблица 4.4 - Фактическое оседание земной поверхности при строительстве тоннелей с использованием различных типов ТПМК (зарубежные объекты)
В предыдущей главе был выполнен расчет напряженно-деформированного состояния обделки двухпутного перегонного тоннеля Фрунзенского радиуса Санкт-Петербургского метрополитена. Были получены графические зависимости изменения тангенциальных и радиальных напряжений на контуре обделки. По проекту принята толщина обделки - 0,5 м.
В диссертационном исследовании выполнен расчет НДС двухпутного перегонного тоннеля с меньшей толщиной обделки. Осуществлены расчеты тангенциальных и радиальных напряжений на контуре обделки на различной глубине -10, 15 и 20 м и при различных значениях модуля деформации грунтового массива - Е = 7, 10, 15 и 20 МПа.
Для расчета НДС обделки перегонного тоннеля, была принята толщина обделки, равная 0,3 и 0,4 м. По полученным результатам построены графические зависимости тангенциальных и радиальных напряжений на контуре выработки.
Для определения несущей способности обделки перегонного тоннеля наиболее показательным являются тангенциальные напряжения на внутреннем контуре.
На рисунках 4.4 и 4.5 приведены эпюры распределения тангенциальных напряжений на внутреннем контуре обделки на глубине 10 м с её толщиной 0,4 и 0,3 м, соответственно.
Распределение тангенциальных напряжений на внутреннем контуре обделки тоннеля на период его эксплуатации (в МПа) на глубине 10 м при модуле деформации вмещающего массива 7, 10, 15, 20 МПа; предлагаемая толщина обделки 0,4 м.
Распределение тангенциальных напряжений на внутреннем контуре обделки тоннеля на период его эксплуатации (в МПа) на глубине 10 м при модуле деформации вмещающего массива 7, 10, 15, 20 МПа; предлагаемая толщина обделки 0,3 м. Из приведенных выше выводов следует, что на глубине заложения двухпутного перегонного тоннеля, равной 10-15 м, целесообразно применять обделку с толщиной 0,3 м, коэффициент запаса прочности при этом составляет 1,85 (максимальное значение тангенциальных напряжений на внутреннем контуре обделки при глубине заложения 15 м составляет 15 МПа, а предел прочности при одноосном сжатии для принятого в расчетах бетона класса В 50, составляет 27,5 МПа). На глубине заложения 20 м также можно использовать толщину обделки равную 0,3 м, но при этом коэффициент запаса прочности составляет 1,4. На данной глубине надежнее будет принять обделку с толщиной 0,4 м. Данная толщина обделки так же пригодна для заложения тоннеля на глубине до 40 м, т.е. на всей дальнейшей протяженности двухпутного перегонного тоннеля вплодь до его разведения на два однопутных перегонных тоннеля между станциями «Дунайский проспект» и «Проспект Славы».
Похожие диссертации на Прогноз напряженно-деформированного состояния обделки и грунтового массива при строительстве перегонных тоннелей проходческими комплексами с пригрузом забоя
-
