Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 9
2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НЕКРУГОВОЙ ОБДЕЛКИ ТОННЕЛЯ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ С УКРЕПЛЕННЫМ МАССИВОМ ПОРОД 22
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ НЕКРУГОВЫХ ОБДЕЛОК ТОННЕЛЕЙ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ, О СООРУЖАЕМЫХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ИНЪЕКЦИОННОГО УКРЕПЛЕНИЯ ПОРОД (ГРУНТА) 34
3.1. Решение задачи о напряженном состоянии двухслойного кольца, подкрепляющего отверстие произвольной формы в полуплоскости, имеющей начальное поле напряжений, моделирующее действие собственного веса пород
3.2. Решение задачи о напряженном состоянии двухслойного кольца, подкрепляющего отверстие произвольной формы в полуплоскости, имеющей начальное поле напряжений, моделирующее действие давления грунтовых вод 80
3.3. Решение задачи о напряженном состоянии двухслойного кольца, подкрепляющего отверстие произвольной формы в полуплоскости, участок границы которой нагружен равномерно распределенной нагрузкой 84
3.4. Алгоритм расчета 101
3.5. Проверка точности удовлетворения граничных условий 122
3.6. Примеры расчета 128
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТЕЙ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ НЕКРУГОВОЙ ОБДЕЛКИ ТОННЕЛЯ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ ОТ ОСНОВНЫХ ВЛИЯЮЩИХ ФАКТОРОВ 145
4.1. Зависимости экстремальных напряжений, возникающих на внутреннем контуре поперечного сечения обделки при действии собственного веса пород, от основных влияющих факторов 146
4.2. Зависимости экстремальных напряжений, возникающих на внутреннем контуре поперечного сечения обделки при действии давления грунтовых вод, от основных влияющих факторов 150
4.3. Зависимости экстремальных напряжений, возникающих на внутреннем контуре поперечного сечения обделки тоннеля при действии веса здания, от основных влияющих факторов 155
4.4. Зависимости экстремальных напряжений, возникающих на внутреннем контуре поперечного сечения обделки при движении по поверхности железнодорожного транспорта,
от основных влияющих факторов 163
5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИНЪЕКЦИОННОГО УКРЕПЛЕНИЯ ПОРОД (ГРУНТА) НА НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ОБДЕЛКИ ТОННЕЛЯ 166
6. СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТОВ С ДАННЫМИ, ПОЛУЧЕННЫМИ ДРУГИМИ АВТОРАМИ. ВНЕДРЕНИЕ РАЗРАБОТАННОГО МЕТОДА РАСЧЕТА 177
6.1. Сравнение результатов расчета с данными, полученными другими авторами при решении частных задач и численном моделировании 177
6.2. Расчет обделки тоннеля тепло магистрали котельной Волгоградского завода буровой техники 180
6.3. Расчет обделок при портальных участков коммуникационного тоннеля от нефтебазы «Грушовая» до нефтебазы «Шесхарис» (г. Новороссийск) 182
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 189
ЛИТЕРАТУРА 192
ПРИЛОЖЕНИЕ I 217
ПРИЛОЖЕНИЕ II
Введение к работе
Рост крупных городов, сопровождаемый увеличением плотности застройки и дефицитом свободных площадей на поверхности, привел к необходимости комплексного освоения подземного пространства, включающего строительство тоннелей различного назначения. В настоящее время на территории Российской Федерации увеличилось количество строящихся тоннелей, что обусловлено возведением новых объектов, требующих подведения коммуникаций, реконструкцией дорожных сетей и развитием подземного транспорта. Так, в Москве недавно завершено строительство автодорожного тоннеля длиной 2,2 км и наружным диаметром 14,3 м (Лефортово), ведется строительство комплекса тоннелей длиной 3 км (Серебряный Бор), в Уфе строится автодорожный тоннель длиной 1,25 км, работы по строительству станций и перегонных тоннелей метрополитенов ведутся в Москве, Санкт-Петербурге, Екатеринбурге, Самаре, Казани, Нижнем Новгороде, Новосибирске, Красноярске.
В условиях плотной городской застройки широкое распространение получило строительство тоннелей закрытым способом, позволяющим сооружать тоннели под зданиями без риска повреждения существующих конструкций, под железнодорожными путями и автомобильными дорогами без прекращения движения транспорта.
При проектировании тоннелей большое внимание уделяется расчету обделок на нагрузки и воздействия, которым они подвергаются как в процессе эксплуатации, так и во время строительства тоннеля, поскольку разрушение обделки даже на одном участке может повлечь за собой весьма тяжелые последствия.
В Тульском государственном университете в течение ряда лет ведутся исследования в области разработки теории и новых аналитических методов расчета обделок тоннелей, сооружаемых закрытым способом, в том числе - тоннелей мелкого заложения. Разрабатываемые методы основаны на современных представлениях механики подземных сооружений о взаимодействии подземных конструкций и массива пород (грунта) как элементов единой деформируемой системы. На основе этого подхода разработаны методы расчета обделок тоннелей произвольной формы поперечного сечения, расположенных на значительной глубине (при расчете не учитывается влияние поверхности), а также круговых обделок тоннелей мелкого заложения на основные виды нагрузок и воздействий. Аналогичных методов расчета, позволяющих определять напряженное состояние обделок некруговых тоннелей, расположенных на небольшой глубине, до настоящего времени не имелось.
При сооружении тоннелей в сложных горно-геологических условиях часто применяется предварительное инъекционное укрепление пород путем нагнетания в массив скрепляющих растворов с поверхности или из забоя тоннеля с целью повышения устойчивости массива пород, окружающих выработку, и уменьшения водопритока. Инъекционное укрепление приводит к образованию вокруг выработки зоны пород (грунта) с отличными от остального массива деформационными характеристиками, что оказывает влияние на напряженное состояние обделки тоннеля и должно учитываться при ее расчете.
В связи вышесказанным, целью диссертации является разработка аналитического метода расчета некруговых обделок тоннелей мелкого заложения, в том числе - сооружаемых с применением инъекционного укрепления, на действие собственного веса пород (грунта), давления грунтовых вод, веса зданий и сооружений, как существовавших до проведения тоннеля, так и возводящихся вблизи уже построенного тоннеля, а также нагрузок от движущихся по поверхности транспортных средств.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи: разработана математическая модель взаимодействия обделки тоннеля произвольного поперечного сечения, расположенного на небольшой глубине, с окружающим массивом при действии собственного веса пород, давления грунтовых вод, веса зданий и сооружений, как существовавших до проведения тоннеля, так и возводящихся вблизи уже построенного тоннеля, нагрузок от движущихся по поверхности транспортных средств, позволяющая учитывать влияние инъекционного укрепления пород на напряженное состояние обделки; получены новые аналитические решения соответствующих плоских задач теории упругости для двухслойного кольца произвольной формы, внутренний слой которого моделирует обделку тоннеля, а наружный - зону укрепленных пород, подкрепляющего отверстие в линейно-деформируемой полубесконечной среде, моделирующей массив пород (грунта); на основе полученных решений разработан аналитический метод расчета обделок некруговых тоннелей мелкого заложения, в том числе -сооружаемых с применением инъекционного укрепления, на указанные нагрузки и воздействия; разработаны соответствующие алгоритмы и комплекс компьютерных программ, позволяющий производить расчет обделок произвольного поперечного сечения тоннелей мелкого заложения, в том числе - сооружаемых с применением инъекционного укрепления пород; произведена проверка точности удовлетворения граничных условий, определено минимальное число удерживаемых членов в рядах разложения комплексных потенциалов Колосова-Мусхелишвили, обеспечивающее удовлетворение граничных условий с погрешностью, не превышающей 5 %; выполнено сравнение результатов, полученных с помощью разработанного метода, с имеющимися решениями частных задач и данными, полученными с использованием численного моделирования методом конечных элементов; установлены зависимости максимальных растягивающих и сжимающих нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре поперечного сечения обделки тоннеля, сооружаемого без применения инъекционного укрепления окружающего массива, при действии собственного веса пород, давления грунтовых вод, действия веса зданий и сооружений на поверхности, нагрузок, вызываемых движением транспортных средств на поверхности, от основных влияющих факторов - глубины заложения тоннеля, коэффициента бокового давления пород в ненарушенном массиве, уровня грунтовых вод, отношения модулей деформации пород и материала обделки, толщины обделки, положения здания относительно тоннеля; установлены.зависимости максимальных сжимающих и растягивающих нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре поперечного сечения обделки тоннеля от толщины зоны укрепленных пород и степени укрепления при рассматриваемых воздействиях. Диссертационная работа поддержана грантами Министерства образования РФ АОЗ-2.13-23 и Совета Программы государственной поддержки ведущих научных школ НШ-1013.2003.5.
Разработанный в диссертационной работе метод расчета использовался ОАО «Гидроспецпроект» (г. Москва) при проектировании обделок припортальных участков технологического тоннеля между нефтебазами «Шесхарис» и «Грушевая» в г. Новороссийск. Результаты диссертационной работы использованы также ЗАО «Бестраншейные технологии» (г. Волгоград) при расчете обделки тоннеля тепломагистрали котельной Волгоградского завода буровой техники. Метод расчета принят ОАО «Гидроспецпроект» и ЗАО «Бестраншейные технологии» к дальнейшему внедрению при практическом проектировании.
