Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния вопроса
1.1 Состояние и перспективы развития бестраншейных способов строительства подземных коллекторных тоннелей в условиях плотной городской застройки .
1.2 Обзор основных способов строительства подземных выработок в сложных горно-гидрогеологических условиях .
1.3 Обзор существующих научных исследований напряженно-деформированного состояния вокруг выработок сооружаемых в слабых неустойчивых породах .
Глава 2. Обоснование математической модели оценки напряженного состояния конструкции крепи существующего тоннеля круглой формы поперечного сечения и разработка аналитического метода определения этих напряжений при проходке вблизи него новой выработки способами микротоннелирования .
2.1 Постановка задачи .
2.2 Переход к краевой задаче теории функции комплексного переменного
2.3 Решение краевой задачи теории аналитических функций комплексного переменного .
2.3.1 Представление искомых комплексных потенциалов в виде степенных рядов .
2.3.2 Преобразование граничных условий с учетом введенных представлений комплексных потенциалов
2.3.3 Определение искомых коэффициентов разложений комплексных потенциалов в ряды .
2.3.4 Организация итерационного вычислительного процесса определения искомых коэффициентов разложений комплексных потенциалов в ряды
2.3.5 Определение напряжений
Глава 3. Разработка алгоритма определения напряжений в геомеханической системе «крепь – массив» с учетом проводимой вблизи существующего тоннеля выработки способами микротоннелирования. Оценка достоверности полученных результатов .
3.1 Разработка алгоритма расчета .
3.2 Формирование итерационного процесса
3.3 Определение напряжений в кольце (конструкции крепи) .
3.4 Определение напряжений в среде (массиве пород) на контакте с кольцом (конструкцией крепи) и на контуре новой выработки
3.5 Определение напряжений в массиве и оценка прочности пород .
3.6 Оценка достоверности полученных результатов
Глава 4. Исследование зависимостей экстремальных (максимальных сжимающих и растягивающих) нормальных тангенциальных напряжений в конструкции крепи существующего тоннеля с учетом проходки новой выработки способами микротоннелирования от основных влияющих факторов
4.1 Исследование зависимостей экстремальных нормальных тангенциальных напряжений в конструкции крепи существующего тоннеля от отношения давления, создаваемого рабочим органом микротоннельного проходческого оборудования, к основной компоненте поля начальных напряжений в массиве ( )
4.2 Исследование зависимостей экстремальных нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре конструкции крепи существующего тоннеля от отношения модулей деформации массива и материала крепи с учетом технологии проходки новой выработки
4.3 Исследование зависимостей экстремальных нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре конструкции крепи существующего тоннеля от отношения радиусов выработок с учетом технологии проходки новой выработки .
4.4 Исследование зависимостей экстремальных нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре конструкции крепи существующего тоннеля от относительного расстояния между центрами новой выработки и существующего тоннеля с учетом технологии проходки новой выработки .
4.5 Исследование зависимостей экстремальных нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре конструкции крепи существующего тоннеля от относительной толщины обделки существующего тоннеля с учетом технологии проходки новой выработки
4.6 Исследование зависимостей экстремальных нормальных тангенциальных напряжений в конструкции крепи существующего тоннеля от коэффициента бокового давления пород в ненарушенном массиве с учетом технологии проходки новой выработки .
Заключение .
Список использованной литературы
- Обзор основных способов строительства подземных выработок в сложных горно-гидрогеологических условиях
- Представление искомых комплексных потенциалов в виде степенных рядов
- Определение напряжений в кольце (конструкции крепи)
- Исследование зависимостей экстремальных нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре конструкции крепи существующего тоннеля от отношения модулей деформации массива и материала крепи с учетом технологии проходки новой выработки
Обзор основных способов строительства подземных выработок в сложных горно-гидрогеологических условиях
В настоящее время во всем мире, в том числе и в России, прослеживается динамика интенсивного развития городов – мегаполисов, для которых первоочередной задачей является создание транспортных, коммуникационных сетей и инфраструктуры жизнеобеспечения. В связи с этим возникает необходимость более масштабного использования городского подземного пространства, в первую очередь, при сооружении коммуникационных тоннелей, которые обеспечивают подводку необходимых ресурсов к объектами мегаполиса.
Для крупных городов, в том числе и для Москвы, коммуникационные тоннели являются объектами стратегического назначения, обеспечивающими жизнедеятельность населения города и непрерывность функционирования городской инфраструктуры. По мнению специалистов, 20 век можно считать веком развития и роста инфраструктур городов России. В начале 21 века одной из задач всех приятий водоснабжения, после более чем 100 летнего развития современного «типового водоснабжения и водоотведения», является восстановление и обновление водопроводных и водоотводящих сетей, учет фактора надежности, долговечности и экологической безопасности трубопроводов и оборудования.
По данным ГУП «Москоллектор», в настоящее время в Москве функционирует более 600 км коммуникационных тоннелей, в которых проложено более 600 км трубопроводов теплосети, отопления, горячего водоснабжения, вентиляция, паропроводом, около 480 км трубопроводов холодного водоснабжения, более 5 300 км высоковольтных кабелей, свыше 17 500 км кабелей связи и сигнальных кабелей. Для устойчивого развития столицы необходимо ежегодно строить около 20 км подземных коллекторов, в которых размешаются различные коммуникации. [72]
В середине этого столетия население Земли должно составить девять миллиардов человек. Две трети из них будут жить в крупных городов по всему миру. В настоящее время крупнейшими городами мира считают Токио, Мехико, Мумбаи, Москва, Нью-Йорк, на юге и востоке появляются новые перспективные экономические центры как: Шанхай, Джакарта, Дели, Каир, Хошимин – это лишь некоторые из них. Перед всеми этими городами уже сейчас стоит серьезная задача – снабжение население. Подземные коммуникации незаменимы для снабжения водой, нефтью, газом и электричеством, для вывода сточных вод, для осуществления телефонной связи и работы интернета. В условиях ограниченного пространства на поверхности новые инфраструктуры можно расположить только под землей. В условиях ограниченного пространства на поверхности новые инфраструктуры можно расположить только под землей, поэтому все больше тоннелей возникает в городах и регионах по всему миру. При этом не стоит забывать, что уже существующие системы также могут внести свой вклад в общее дело. На сегодняшний день сотни тысяч километров подземных трубопроводов по всему миру нуждаются в модернизации – по возможности экономической, надежной и не создающей помех. В то время как под землей прокладываются трубопроводы, жизнь на поверхности должна продолжаться без помех. Это может быть достигнуто методами бестраншейной прокладки подземных инженерных коммуникаций, нарушения привычного ритма может повлечь за собой экономические потери. Поэтому бестраншейная технология является идеальным способом строительства инженерных коммуникаций. Дополнительных затруднений движения не возникает, город продолжает жить своей жизнью, при этом большие стройки как при открытой прокладке подземных инженерных коммуникаций остаются в прошлом. Шум и грязь перестают быть неотъемлемой частью строительства, выбросы окиси углерода сокращаются благодаря использованию меньшего количества строительной техники и транспорта.
Большинство городов мира выглядят примерно так (рисунок 1.1), на протяжении многих лет здесь создавалась плотная сеть инженерных коммуникаций, соответственно с каждым годом становится все сложнее прокладывать новые коммуникации и реконструировать существующие.
Любое промышленно-гражданское строительство неразрывно связано с прокладкой инженерных коммуникаций, которая часто осуществляется в условиях плотной городской застройки и при пересечении зон, чувствительных к воздействию на окружающую среду, таких как магистральные автомобильные и железные дороги или места исторического значения. Как известно, за последние 10-15 лет в Москве было построено несколько сложных и масштабных с инженерной точки зрения подземных объектов. Как известно что, такие сооружения находятся на небольшой глубине и в слабых неустойчивых грунтах, и значительно насыщены водой. Кроме того, их приходится строить в условиях плотной городской застройки и естественно, в режиме интенсивного движения городского транспорта. Но, пожалуй, самой большой неприятностью, с которой приходится сталкиваться строителям является то, что эти выработки необходимо размешать в пространстве с большим количеством уже действующих транспортных сооружений подземных коммуникации и других горных выработок.
Ярким примером насыщенности подземного пространства инженерными коммуникациями города является, например схема расположения коммуникационных и транспортных выработок под Пушкинской площадью, Сретенским бульваром, и таких примеров в крупных городах-мегаполисах как Москва и Санкт-Петербург много (рисунок 1.2). Особенно обращает на себя внимание тот факт, что чем ближе к поверхности проектируются подземные выработки, тем труднее найти свободное пространство, т.к. выше плотность насыщения массива же действующими коммуникациями. Рисунок 1.2 - Пересадочный узел под Пушкинской площадью, Сретенским бульваром
Поэтому уже сегодня ученые и проектировщики начинают задумываться о более бережном освоении свободного подземного пространства, поскольку с каждым годом его становится все меньше и меньше.
Анализ наиболее распространенных в России технологий строительства микротоннелей показывает, что за последние 20-25 лет они практически не изменились, н по-прежнему самыми экономичными считаются классические способы: прокладка подземных коммуникаций открытым способом в траншеях и закрытым с использованием прокола, продавливания и щитов диаметром 2 м и 2,56 м. Затратные показатели по этим способам с учетом требований сегодняшнего времени (таблица 1) убедительно показывают, почему в последнее время проектировщики и строители в условиях плотной городской застройки и насыщенности подземного пространства отдают предпочтение все же подземным способам. [15]
Представление искомых комплексных потенциалов в виде степенных рядов
В работе [30] Земскова В.М. «Определение рациональных параметров виб-робурильной установки для бестраншейной прокладки трубопроводов», целью работы являлось - Повышение эффективности работы бестраншейных машин для прокола грунта, имеющих в своём составе вибрационные рабочие наконечники, путём обоснования их рациональных конструктивных и режимных параметров, на основе разработанной теории процесса взаимодействия вибрационных наконеч-ников сa грунтом, учитывающей изменение напряженно-деформированного со-стояния грунтов под энергетическим воздействием вибрационных наконечников. В работе была разработана теория процесса взаимодействия вибрационного рабо-чего наконечника с грунтом, учитывающая изменение напряженно-деформированного состояния грунта под энергетическим воздействием вибраци-онного наконечника и установить влияние на это изменение физико-механических свойств грунта и режимных параметров вибрационного наконечни-ка.
В работе [35] Ковнат-Лернера В.В. «Геомеханическое обоснование метода расчета стальных футляров для трубопроводов при технологии микротоннелиро-вания», целью работы являлось-геомеханическое обоснование метода расчета стальных футляров для водонесущих трубопроводов, адекватно отражающего ус-ловия их напряженно – деформированное состояние при использовании техноло-гии микротоннелирования. Основная идея работы — тонкостенные стальные фут-ляры как обделка коммунальных тоннелей, сооружаемых по технологии мнкро-тоннелирования с нагнетанием глинистого растворе в строительный зазор, нахо-дятся в условиях нагружения и деформирования, принципиально отличных от ус-ловий нагужения и деформирования традиционной железобетонной обделки тон-нелей, сооружаемых по технологии щитовой проходки.
В работе [22] Григорьева А.С «Обоснование и выбор параметров продав-ливающих установок для бестраншейной технологии строительства подземных инженерных коммуникаций», целью работы являлось установление закономерно-стей формирования сил сопротивления при продавливании стальной цилиндриче-ской оболочки в грунте для обоснования и выбора рациональных параметров про-давливающих установок, обеспечивающих интенсификацию строительства со-временных подземных инженерных коммуникаций бестраншейным способом. Идея работы заключалась, в целенаправленном снижении сил сопротивления тре-нию стальной цилиндрической оболочки в зоне фрикционного контакта с фунтом за счет внедрения ее в грунт под действием импульсной силы.
В работе [79] Шульженко С.Н. «Совершенствование организационно-технологических решений прокладки инженерных коммуникаций методом гори-зонтального направленного бурении» - цель работы состоит в разработке ком-плекса, организационно-технических и технологических мер, направленных на повышение эффективности применения метода горизонтального направленного бурения при прокладке инженерных коммуникаций в сложных городских услови-ях. Идея работы заключается в совокупном учете влияния геологических, техни-ко-технологических, организационно-экономических и экологических факторов при установлении показателей и внедрении прогрессивных организационно-технических параметров прокладки инженерных коммуникаций в производство, что позволит сократить сроки и стоимость строительной продукции, повысить конкурентоспособность специализированных строительных организаций
С.В. Анциферовым был предложен аналитический метод [4] расчета мно-гослойных обделок взаимовлияющих параллельных круговых тоннелей мелкого заложения с учетом влияния земной поверхности, взаимного положения близко расположенных тоннелей, конструкций применяемых обделок, наличия зон грун-та вокруг выработок, подверженного инъекционному укреплению. Предложенное решение, основанное на строгих решениях плоских задач теории упругости, по-лученное с использованием теории аналитических функций комплексного пере-менного, аппарата аналитического продолжения комплексных потенциалов через границу полуплоскости, свойств интегралов типа Коши, рядов Лорана, показало, что на формирование напряженного состояния обделок взаимовлияющих тонне-лей мелкого заложения на стадиях их сооружения оказывают влияние очеред-ность проходки тоннелей, отставание возведения обделок от забоя выработок, по-следовательность сооружения слоев обделок, изменение реологических свойств грунта (в рамках теории линейной наследственной ползучести).
В работах [23 – 26] Деевым П.В. были получены аналитические решения ряда плоских задач теории упругости о напряженном состоянии конечного числа однослойных и двухслойных колец, подкрепляющих отверстия произвольной формы в линейно-деформируемой полубесконечной весомой среде, при действии на участке границы полуплоскости равномерной вертикальной нагрузки и нали-чии на внутренних контурах некоторых колец равномерного давления. На основе полученных решений Деевым П.В. был разработан новый аналитический метод расчета обделок параллельных тоннелей, позволяющий учитывать взаимное влияние тоннелей некругового поперечного сечения, расположенных на неболь-шой глубине.
Ряд аналитических методов расчета обделок тоннелей мелкого заложения были предложены А.М. Гольдбергом [20]. В их основу были положены решения соответствующих задач о напряженном состоянии невесомой и весомой полу-плоскости с круговым отверстием, в том числе - подкрепленным кольцом, при действии нагрузки, равномерно распределенной на участке прямолинейной гра-ницы полуплоскости, и при действии равномерного давления на внутреннем кон-туре кольца.
В работе [59] А.С. Саммалем был рассмотрен случай многослойной под-земной конструкции и окружающего технологически неоднородного массива по-род как единой деформируемой системы на основе аналитических решений пло-ских контактных задач о равновесии многослойной системы общего вида, под-крепляющей отверстие в линейно-деформируемой или вязкоупругой (в рамках теории линейной наследственной ползучести) среде при граничных условиях, от-ражающих совместное деформирование среды и слоев системы, моделирующей конструкцию и технологически неоднородную часть массива при статических, тектонических и сейсмических воздействиях. Указанный метод, в целом, позволя-ет производить расчет многослойных обделок коллекторных тоннелей глубокого заложения, в том числе сооружаемых в ходе ремонта бестраншейным способом, однако рассматривать коллекторных тоннели мелкого заложения в условия плот-ной городской застройки этот метод не позволяет.
Наибольший вклад в изучение процессов, проходящих в породном массиве и взаимодействия крепи выработки с массивом внесли А.Н. Динник, Н.И. Мусхе-швили, Л.Д. Шевков, И.В Баклашов, Б.А. Картозия, Ж.С. Ержаков, Ю.А. Лиманрв, И.Д. Насонов, Л.Н. Насонов, М.М. Протодъяконов, В.Л. Попов, Н.М. Покровский, К.В. Руппенейт и многие другие. Использование результатов предшествующих исследований представляет значительной интерес для изучения происходящих явлений в грунтовом массиве, ослабленном выработкой неглубокого заложения. Поэтому многие исследователи, в том числе Д.И. Александров, Н.В. Васильев, В.Д. Денисов, Е.С. Пригожин, и польские ученые М. Худек и Э. Свист построили свои исследования давления на крепь исходя из тех же гипотез, что и при расчете давления на крепь выработки глубокого заложения. Другие исследователи: А.С. Вазетдинов, Д.И. Шор - процесс проходки выработки способом уплотнения мас-сива уподобили процессу погружения свай.
Проанализировав научные труды ученых, можно сделать вывод, что каж-дый по отдельности способ прокладки подземных инженерных коммуникаций изучен довольно глубоко. Проведенные ими исследования не выявили общих за-кономерностей, присущих всем бестраншейным способам проходки выработок неглубокого заложения. Результаты их исследований ограничены только отдель-ным способом, не учитывают влияния на процесс проходки многих факторов, и поэтому не представляют большой научной и практической ценности. Поэтому необходимо разработать аналитический аппарат решения инженерно-технических задач, основанный на зависимости процессов в грунтовом массиве от технологи-ческого воздействия на него в процессе проходки выработки и физико-механических свойствах грунта.
Определение напряжений в кольце (конструкции крепи)
Ниже приводится полный алгоритм определения напряженного состояния круговой тоннельной обделки вблизи которой проводится выработка методом микротоннелирования при действии собственного веса пород.
Вычисления, начиная с п.2.4.2. повторяются до тех пор, пока абсо-лютные значения разностей соответствующих коэффициентов , полученных в двух последовательных приближе-ниях, не станет меньше по абсолютной величине заданной малой величины, на-пример, =10-7.
Определяются дополнительные радиальные, нормальные тангенциальные и касательные напряжения соответственно на внешнем и внутреннем кон-турах поперечного сечения обделки, при значениях угла , изменяющих-ся с заданным шагом ( например, ). Для этого при каждом значении угла последовательно находятся следующие комплексные величины:
Определяются дополнительные радиальные, нормальные тангенци-альные и касательные напряжения в массиве соответственно на контакте мас-сива с обделкой и на контуре новой выработки, при значениях угла , изменяющихся с заданным шагом ( например, ). Для этого при каждом значении угла последовательно находятся следующие комплексные величины:
Принимается, что точки, в которых выполняется условие V 0, относятся к неразрушенному массиву. При этом точки, в которых величина V меняет знак с «+» на «-» , принадлежат границам условных зон разрушения пород.
Приведенный алгоритм запрограммирован на алгоритмическом языке FORTRAN PWS, имеющем развитый аппарат, для операций с комплексными чис-лами.
Точность полученного решения зависит от числа N удерживаемых членов разложений в ряды комплексных потенциалов , , , , харак-теризующих напряженное состояние соответственно кольца S0,1, моделирующего обделку туннеля, и изотропной среды S00, моделирующей массив пород. В связи с этим, с целью оценки погрешности решения и установления необходимого числа N удерживаемых членов в рядах для достижения достаточной точности расчета, выполнены соответствующие исследования, связанные с проверкой точности удовлетворения граничных условий в зависимости от числа членов ря-дов. При проверке граничных условий на контуре L0,0 в качестве критерия принималась величина максимальной погрешности , которая определялась по формуле: , где символами (j=0,1) обозначены полные радиальные и касательные на-пряжения контактирующих точек среды S0,0 и кольца S0,1. Аналогичным образом оценивалась точность удовлетворения граничных условий на контуре L1,1. При этом оценка выполнялась с помощью величины 1 определяемой по формуле где символами обозначены полные радиальные и касательные напряже-ния в точках среды S0,0 на контуре L1,1.
Точность удовлетворения граничных условий на внутреннем контуре кольца L1,0 оценивалась с помощью величины 2 - максимальной погрешности, определяемой как максимальное абсолютное отличие полных радиальных и касательных напряжений от нуля, условно умноженное на 100% .
Ниже приводятся зависимости погрешностей j, % (j= 0,1,2) удовлетворе-ния граничных условий соответственно на контурах L0,0 , L1,1 и L1,0 от количества удерживаемых членов N в рядах. Рассмотрен конкретный пример размещения вновь проводимого микротоннеля относительно оси существующего тоннеля, приведенный на рис. 3.6.1.
При расчете принимались следующие исходные данные: обделка тоннеля изготовлена из бетона, деформационные характеристиками которого характери-зуются значениями модуля деформации E1 = 20000 МПа и коэффициента Пуас-сона n1 = 0,2; массив грунта представлен суглинками с соответствующими усред-ненными значениями деформационных характеристик E0 = 20 МПа, n0 = 0,35 и коэффициентом бокового давления =0.8 .
Зависимости погрешностей j, % (j= 0,1,2) от количества N удерживаемых в рядах показаны на соответствующих рис. 5.2 – 5.3. Анализ представленных за-висимостей показывает, что в рассмотренном примере погрешности удовлетво-рения граничных условий на всех контурах быстро уменьшается с увеличением числа удерживаемых членов N и уже при N = 40 не превышает 0,01%. То есть граничные условия удовлетворяются практически тождественно.
В целом, проведенная оценка точности удовлетворения граничных усло-вий показала, что требуемое для обеспечения высокой точности расчета число N удерживаемых членов существенным образом зависит от расстояния между ося-ми выработок и отношения модулей деформации массива (среды) и обделки (кольца). При этом удержание в расчетах N= 45 членов практически во всех слу-чаях позволяет достигать высокую точность (обеспечивая максимальную погреш-ность, не превышающую 0,01%) удовлетворения граничных условий на всех кон-турах. 3.6.2 Пример расчета. Сравнение с данными, полученными другими авторами при решении частных задач аналитическими методами
Ниже приводятся результаты расчета примера, описанного выше в разделе 4.6.1. На рисунке 3.6.4 даны эпюры безразмерных (в долях величины H ) на-пряжения, действующие в обделке тоннеля до сооружения новой выработки. От-метим, что представленные результаты, полученные с применением предлагаемо-го метода (в нулевой итерации), полностью совпадают с получаемыми при ис-пользовании других аналитических методов, например, описанных в работе [70]. В силу симметрии распределение напряжений показано на соответствующих по-ловинах контуров. Рисунок 3.6.4 - Расчетные эпюры безразмерных нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем ( ) и наружном ( ) контурах поперечного сечения обделки тоннеля
На рис. 3.6.5 приведены аналогичные результаты расчета рассмотренной выше подземной конструкции, но с учетом влияния новой выработки. При этом принималось, что нормальное давление, обусловленное внедрением рабочего ин-струмента при проколе, составляет p = 2,2H . отношение глубин заложений вы-работок .
Как следует из рисунка. 3.6.5 выработка, проводимая методом прокола в непосредственной близости от существующего тоннеля, может оказывать суще-ственное влияние на напряженное состояние его крепи, которое невозможно оце-нить однозначно. Так, в рассмотренном случае на части внутреннего контура под-земной конструкции, обращенной к вновь проводимой выработке, и на противо-положной ее стороне напряжения несколько снижаются. В то же время, в других частях внутреннего контура тоннеля наблюдается некоторый рост напряжений в крепи. На внешнем же контуре напряжения, наоборот, в части, обращенной к но-вой выработке, и на противоположной стороне увеличиваются, а в других частях - уменьшаются.
Исследование зависимостей экстремальных нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре конструкции крепи существующего тоннеля от отношения модулей деформации массива и материала крепи с учетом технологии проходки новой выработки
С целью иллюстрации влияния расстояния между осями новой выработки и существующего тоннеля рассматривается случай, когда обе выработки распола-гаются на одной глубине (x=0). Результаты многовариантных расчетов, выпол-ненных с использованием общих исходных данных, приведенных в табл. 4.1, при изменении параметра у приведены в таблице 4.9.
Результаты многовариантных расчетов, выполненных с целью исследования влияния параметра на экстремальные нормальные тангенциальные напряжения в конструкции крепи м Безразмерные экстремальные нормальные тангенциальные напряжения сжимающие растягивающие
Зависимости экстремальных нормальных тангенциальных напряжений в обделке существующего тоннеля с учетом новой выработки от расстояния между центрами выработок Как видно из рисунка 4.7, при увеличении относительного расстояния между осями новой выработки и существующего тоннеля максимальные сжи-мающие и растягивающие нормальные тангенциальные напряжения уменьшаются. При этом в рассмотренном диапазоне изменения снижение сжимающих напряжений не превышает 16% , а растягивающих - более 40%. При этом характер зависимостей как сжимающих, так и растягивающих на-пряжений в рассмотренном случае может быть аппроксимирован с высокой точ-ностью (коэффициент корреляции 0,99) функциями - для максимальных растягивающих напряжений - для максимальных сжимающих напряжений
Зависимости экстремальных нормальных тангенциальных напряжений в конструкции крепи существующего тоннеля с учетом новой выработки от расстояния между центрами выработок Построенные зависимости представляют практическую ценность. Так, если конструкция крепи существующего тоннеля выполнена из бетона В15 ( МПа, =8,5 МПа и =0,75 МПа) в породах, деформационные свойства которых характеризуются модулем деформации МПа при , для обеспечения условия (4.1) должно выполняться 1,5. В рассмотренном примере, когда радиус существующего тоннеля = 1,25м, рас-стояние между осями новой выработкой и существующего тоннеля должно удов-летворять условию 1,9 м.
Исследование зависимостей экстремальных нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре конструкции крепи существующего тоннеля от относительной толщины обделки существующего тоннеля с учетом технологии проходки новой выработки
С целью иллюстрации влияния толщины обделки существующего тоннеля выполнены многовариантные расчеты с применением общих данных, приведен-ных в табл. 4.1, и изменении радиуса таким образом, чтобы толщина крепи существующего тоннеля принимала значения в соответствии с таб-лицей 4.11.
Результаты многовариантных расчетов, выполненных с целью исследования влияния параметра на экстремальные нормальные тангенциальные напряжения в конструкции крепи
Зависимости экстремальных нормальных тангенциальных напряжений в конструкции крепи существующего тоннеля с учетом новой выработки от отношения толщины крепи и радиуса существующего тоннеля Как видно из рисунка 4.9, при увеличении отношения максимальные сжимающие нормальные тангенциальные напряжения уменьшаются. При этом зависимость растягивающих напряжений от относительной толщины обделки в рассмотренном диапазоне ее изменения имеет экстремальный характер. Таким образом, исходя из приведенных зависимостей, вывод о том, что увеличение от-носительно толщины обделки до =0,15 приводит к росту в ней максимальных растягивающих напряжений до 20 %. Это обстоятельство необходимо учитывать в практическом проектировании. Умножив напряжений в таблице 4.11 на величи-ну , получим данные, приведенные в таблице 4.12.
Зависимости экстремальных нормальных тангенциальных напряжений в обделке существующего тоннеля с учетом новой выработки от отношения толщины обделки и радиуса существующего тоннеля
Из представленных на рис. 4.10. зависимостей можно сделать практические выводы. Так, если существующий тоннель находится в условиях, при которых, как и раньше, , крепь выполнена из бетона В25, а массив грунта характеризуется модулем деформации МПа, и с расчетными сопротив-лениями сжатию и растяжению соответственно 14,5 МПа и 1,05 МПа для обеспече-ния условия (4.1) должно выполняться соотношение 0,18. В рассмотренном примере, когда радиус существующего тоннеля =1,25 м, толщина его крепь должна удовлетворять условию 0,22 м.
Исследование зависимостей экстремальных нормальных тангенциальных напряжений в конструкции крепи существующего тоннеля от коэффициента бокового давления пород в ненарушенном массиве с учетом технологии проходки новой выработки.
С целью исследования влияния величины коэффициента бокового давления пород в ненарушенном массиве на напряженное состояние существующей кре-пи тоннеля при сооружении вблизи него новой выработки выполнены многовари-антные расчеты с использованием общих исходных данных, приведенных в табл. 4.1. При этом параметр изменялся, как показано в таблице 4.13, в диапазоне от 0 до 1. Результаты расчетов приведены в той же таблице 4.13.
Построенные с использованием приведенных результатов зависимости без-размерных (отнесенных к величине Н ) экстремальных нормальных тангенци-альных напряжений показаны на рисунке 4.11.
Зависимости экстремальных нормальных тангенциальных напряжений в конструкции крепи существующего тоннеля с учетом новой выработки от коэффициента бокового давления Умножив напряжений в табл. 4.13 на величину , получим данные, приведенные в табл. 4.14. Таблица 4.14 Результаты многовариантных расчетов, выполненных с целью исследования влияния коэффициента бокового давления на экстремальные нормальные тан-генциальные напряжения в конструкции крепи
Зависимости экстремальных нормальных тангенциальных на-пряжений в конструкции крепи существующего тоннеля с учетом новой выработ-ки от коэффициента бокового давления Как следует из представленных на рисунке 4.12 зависимостей, можно сделать практический вывод, что, напряжения с ростом уменьшаются по линейному за-кону и при =1 достигают минимальных значений. Это обстоятельство следует учитывать при проектировании проходки новых выработок в слабых породах.
В диссертации на основе выполненных теоретических исследований пред-ложен метод оценки влияния технологий строительства микротоннелей на несу-щую способность крепи близко расположенного тоннеля, установлены основные закономерности формирования напряженного состояния крепи существующих тоннелей с учетом технологии проходки новой выработки в условиях плотной го-родской застройки, что имеет существенное значение при обосновании проектных и инженерных решений, связанных с повышением устойчивости существующих выработок и безопасности ведения строительных работ.
Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:
1. Разработан метод геомеханической оценки влияния технологий строи-тельства микротоннелей на несущую способность конструкции крепи близко рас-положенного тоннеля, позволяющий учитывать основные факторы, существенно влияющие на напряженное состояние подземной конструкции – взаимное распо-ложение и размеры выработок, толщину крепи, деформационные характеристики вмещающих пород и материалов конструкции крепи существующего тоннеля, а также внешние воздействия. 2. Получено новое решение соответствующей плоской задачи теории упру-гости о напряженном состоянии трехсвязной области, составленной бесконечной весомой средой, моделирующей массив пород, ослабленной двумя близко распо-ложенными отверстиями, одно из которых подкреплено кольцом из другого мате-риала, моделирующим обделку тоннеля, а второе - нагружено внутренним давле-нием, моделирующим воздействие рабочего органа проходческого оборудования на массив вмещающих пород.
3. Разработан алгоритм расчета и реализующее его программное обеспече-ние, полностью автоматизирующее процесс определения напряжений и усилий в крепи.
4. С целью оценки достоверности получаемых результатов произведена проверка точности удовлетворения граничных условий, определено минимальное число удерживаемых членов в рядах разложения комплексных потенциалов Ко-лосова-Мусхелишвили, обеспечивающее достаточно высокую точность удовле-творения граничных условий (с погрешностью, не превышающей 3 %), и выпол-нено сравнение результатов, полученных с помощью разработанного метода, с имеющимися в научной литературе решениями частных задач.
5. Установлены зависимости максимальных сжимающих и растягивающих нормальных тангенциальных напряжений, возникающих в конструкции крепи тоннеля, от основных влияющих факторов: размеров и взаимного расположения центров поперечных сечений выработок, отношения модулей деформации пород и материала крепи, относительной толщины крепи, коэффициента бокового дав-ления в ненарушенном массиве, отношения давления, создаваемого рабочим ор-ганом микротоннельного проходческого оборудования, к основной компоненте поля начальных напряжений в массиве.
6. Результаты диссертационной работы были апробированы и приняты к использованию для проектирования и строительства во Вьетнаме выработок спо-собами микротоннелирования в Институте прикладной механики и информации (г. ХоШиМинь, СРВ).
