Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние и проблемы геомеханического обеспечения щитовой проходки при освоении подземного пр остранства мегаполисов 14
1.1. Особенности освоения подземного пространства мегаполисов 14
1.2. Щитовая проходка тоннелей в изменяющихся инженерно-геологических условиях
1.2.1. Опыт применения щитовой проходки с управлением устойчивостью геосистемы 18
1.2.2. Разработка стр атегии проходки тоннеля на проектной стадии
1.3. Геофизический прогноз неоднородностей вмещающего грунта и дистанционный мониторинг процесса их резания 37
1.4. Мониторинг транспортируемых объемов грунта 41
1.5. Геодезическо-маркшейдерский мониторинг структурной устойчивости ДПТГС 42
1.6. Геомеханическое обеспечение щитовой проходки 46
1.7. Постановка задач исследования 50
2. Обоснование технических решений по поддержанию устойчивого функционирования и структуры геосистемы щитовой проходки тоннелей 51
2.1. Термины и определения 51
2.2. Необходимость учета изменений условий проходки при строительстве тоннелей
2.3. Геосистема при щитовой проходке и обоснование динамической модели управления ее устойчивостью 55
2.4. Мониторинг и прогноз устойчивости ДПТГС 58
2.5. Технические решения обеспечения устойчивости ДПТГС 68
2.6. Выводы по главе 2 76
3. Обоснование комплексного маркшейдерско геофизического метода обеспечения устойчивости дптгс щитовой проходки области твердых включений в массиве 77
3.1. Современное состояние методов геофизической разведки и обнаружения твердых включений 77
3.2. Обоснование эффективности работы системы опережающего акустического зондирования 3.2.1. Проблемы устойчивости заб оя с твердыми включениями 80
3.2.2. Конструкция системы сейсмоакустического зондирования неоднородностей 81
3.2.3 Корректировка и результаты сейсмоакустических измерений 84
3.2.4. Геометризация иск усственных включений 90
3.2.5. Геометризация природных включений высокой плотности 93
3.3. Исследование оптимальной глубины внедрения резцов 97
3.3.1. Корреляция амплитуд эха и глубины внедрения резцов 97
3.3.2. Зависимость числа замен резцов от глубины их внедрения и от сцепления грунта 98
3.3.3. Зависимости износа резцов от интервалов между их заменами 101
3.3.4. Плановое обоснование интервала между заменами резцов 102
3.4. Обоснование дистанционного контроля геометрии
породоразрушающего инструмента 104
3.4.1. Случаи нарушения геометрии резцов 104
3.4.2. Дистанционная система определения факта износа резцов 107
3.4.3. Ожидаемый эффект от функционирования системы 110
3.5. Выводы по главе 3 112
4. Обоснование технических решений по использованию результатов мониторинга расходов извлекаемой горной массы для контроля уровня грунтовых вод и для прогнозирования осадки земной поверхности 114
4.1. Работа систем контроля объема грунта, извлекаемого на ТПМК 114
4.2. Массовой контроль сепарируемого грунта 118
4.3. Контроль расхода объема грунта, транспортируемого в трубах
4.3.1. Сущность метода 122
4.3.2. Прикладное значение метода для устойчивости ДПТГС 124
4. 4. Сравнение результатов контроля массовых и объемных расходов
потоков извлекаемого грунта на ТПМК диаметром 14,2 м 125
4.5. Методика текущего мониторинга объема извлекаемого грунта 126
4.5.1. Обоснование метода текущего контроля объема грунта 126
4.5.2. Сущность метода 128
4.5.3. Контроль линейного перемещения гидроцилиндров 129
4.5.4. Сравнительный анализ результатов объемного контроля
4.6. Мониторинг гидрогеологических условий в ДПТГС при пересечении уровня грунтовых вод проходкой тоннеля 136
4.7. Массовой контроль выхода грунта на щите с грунтопригрузом 142
4.8. Сравнительный анализ контроля объемного и массового расхода потока извлекаемой горной массы 143
4.9. Прогноз перебора сечения забоя и расхода бентонита по объему выемки 147
4.10. Выводы по главе 4 151
5. Обоснование моделей взаимосвязей максимальной осадки земной поверхности и поднятия обделки с показателями режимов работы щита 153
5.1. Геодезический мониторинг осадки земной поверхности 153
5.2. Методология разработки математической модели управления деформациями 157
5.3. Методология контроля и анализа факторов, влияющих на осадку 161
5.4. Зависимости осадки земной поверхности от «параметров массива» 167
5.4.1. Инженерно-геологические и гидрогеологические условия проходки 167 5.4.2. Физико-механические «свойства грунта» для модели осадки 168
5.4.3. Зависимости осадки от физико-механических «свойств грунта» 172
5.4.4. Исследование зависимостей осадки от гидрогеологических условий массива 177
5.4.5. Главные факторы «свойств грунта» и «параметров массива» 185
5.5. Зависимости осадки от «показателей проходки» 186
5.5.1. Наклон щита относительно трассы при проходке 187
5.5.2. Скорость проходки за сутки 189
5.5.3. Сверхсрез наклоном ротора 191
5.5.4. Противодавление 192
5.5.5. Объем и давление нагнетания 193
5.5.6. «Параметры проходки» в модели осадки 194
5.5.7. Главные факторы «параметров проходки» 198
5. 6. Рекомендуемые для прогноза математические модели осадки, управляемой параметрами проходки 199
5.7. Прогноз смещений обделки 209
5.7.1. Закономерности влияния гидрогеологической обстановки и технологических воздействий на устойчивое состояние обделки 209
5.7.2. Наблюдение за деформацией обделки от нагрузок щита 211
5.7.3. Влияние инженерно-геологических условий на поднятие обделки 218
5.7.4. Влияние параметров проходки на поднятие обделки 223
5.7.5. Анализ сил, действующих на кольцо блочной обделки 227
5.8. Выводы по главе 5 230
6. Установление закономерностей изменения давления массива на ротор щита и обоснование технических решений по выбору величины противодавления 231
6.1. Основные понятия противодавления 231
6.2. Положения методики расчета противодавления 233
6.3. Способы контроля «опускающихся столбов» грунта 238
6.3.1 Предпосылки к уточнению методики расчета противодавления 238
6.3.2. Влияние щитовых нагрузок на деформации земной поверхности 239
6.3.4. Определение длины основания «опускающегося столба» грунта 248
6.4. Исследование вариации усилий прижима ротора и горизонтального давления грунтов при щитовой проходке выработок 251
6.4.1. Описание щита и измерительной системы контроля усилий 252
6.4.2. Определение параметров периодичности усилий прижима ротора 254
6.4.3. Модель для интерпретации результатов натурных наблюдений 255
6.4.4. Возможный механизм появления цикличности нагрузок на ротор 257
6.4.5. Расчет предела прочности грунта 258
6.4.6. Результаты расчетов напряжений впереди забоя по мере продвижения щита 259
6.5. Исследование составляющих прижимного давления ротора 262
6.5.1. Минимальный прижим ротора 262
6.5.2. Прижим ротора при остановке щита во время монтажа обделки 264
6.5.3. Усредненный отпор ротора при разной скорости проходки 267
6.5.4. Рекомендуемая методика отслеживания противодавления 270
6.6. Выводы по главе 6 274
Заключение 277
Список использованных источников
- Опыт применения щитовой проходки с управлением устойчивостью геосистемы
- Геосистема при щитовой проходке и обоснование динамической модели управления ее устойчивостью
- Зависимость числа замен резцов от глубины их внедрения и от сцепления грунта
- Мониторинг гидрогеологических условий в ДПТГС при пересечении уровня грунтовых вод проходкой тоннеля
Введение к работе
Актуальность работы. Опыт городского подземного строительства свидетельствует, что одним из наиболее эффективных методов освоения подземного пространства городов является применение щитовой проходки с использованием скоростных тоннелепроходческих механизированных комплексов (ТПМК) большого диаметра. Однако современные технологии щитовой проходки все же не позволяют исключить проблемы, связанные с наличием твердых включений в массиве, вывалами грунта в забое, утечками технологических растворов в окружающую среду, осадками земной поверхности и др. В связи с этим при щитовой проходке в сложных и постоянно изменяющихся инженерно- и гидрогеологических условиях должны применяться особые меры обеспечения структурной и функциональной устойчивости природно-техническои системы «грунтовый массив - проходческий щит - тоннельная обделка». Суть этих мер заключается в управляющих воздействиях на щит, конкретный характер которых определяется комплексной информацией о структуре, свойствах и состоянии подрабатываемого массива и параметрах движения щита. Для этого в настоящее время используются результаты периодических геофизических и маркшейдерских наблюдений, которые часто применяются в отрыве друг от друга и не всегда обладают оперативностью предоставления информации.
Для преодоления указанных проблем необходимо создание технических решений на основе многофункционального дискретно-непрерывного мониторинга структурных неоднородностей массива впереди забоя, объемов извлекаемой горной массы, а также пространственного положения щита. Такие решения предполагают согласованность маркшейдерских и геофизических наблюдений в единой системе и использование их информации для геомеханического обеспечения проходки и создания управляющих воздействий на щит.
В связи с вышеизложенным обоснование научно-технических решений по комплексному маркшейдерско-геофизическому мониторингу для геомеханического обеспечения щитовой проходки при освоении подземного пространства мегаполисов является актуальной научной проблемой.
Цель работы - научное обоснование технических решений комплексного маркшейдерско-геофизического мониторинга для геомеханического обеспечения щитовой проходки тоннелей большого диаметра в изменяющих-
ся инженерно- и гидрогеологических условиях освоения подземного пространства мегаполисов.
Идея работы заключается в использовании информации, получаемой на основе геофизического и маркшейдерского мониторинга функционирования природно-техническои системы «грунтовый массив - проходческий щит - тоннельная обделка» в сложных инженерно- и гидрогеологических условиях подземного пространства мегаполиса, для обеспечения функциональной и структурной устойчивости этой системы.
Методы исследований. Использовался ряд методов исследований, включающий:
анализ и обобщение результатов, полученных в данной области;
натурные экспериментальные геофизические и маркшейдерские исследования при установлении взаимосвязей структурных особенностей массива, объемного или массового расходов извлекаемой при щитовой проходке горной массы, осадки земной поверхности;
- численные методы математического моделирования изменения
нагрузок на ротор ТПМК при проходке;
проведение экспериментов в промышленных условиях с вариациями усилий и ориентации элементов щита;
компьютерную обработку, анализ и интерпретацию экспериментальных результатов с помощью программных комплексов Mathcad, Statistica, Comsol Multiphysics и др.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Поддержание устойчивого функционирования и структуры природно-техническои системы «грунтовый массив - проходческий щит - тоннельная обделка» должно обеспечиваться за счет управляющих воздействий на проходческий щит, характер и величина которых определяется информацией, получаемой на основе дискретно-непрерывного маркшейдерского и геофизического мониторинга структурных неоднородностей массива впереди забоя, объемов извлекаемой горной массы и пространственного положения щита.
-
Реализация комплексных маркшейдерско-геофизических измерений для информационного обеспечения структурной и функциональной устойчивости щитовой проходки при внедрении режущего ротора в твердые включения предполагает их раннее обнаружение, а также определение размера и координат сейсмоакустической системой щита с последующим использованием
полученных данных для управления глубиной внедрения резцов, исключающего их разрушение и обеспечивающего безаварийную эксплуатацию щита.
-
При пересечении щитом уровня грунтовых вод и изменении их гравитационного напора происходит изменение объема извлекаемой горной массы за цикл между максимальным и минимальным значениями, при этом среднее значение между ними соответствует совпадению центра ротора щита и границы между маловлажными и водонасыщенными породами, что позволяет при продвижении щита уточнять уровень грунтовых вод и соответствующим образом управлять величиной противодавления.
-
Мониторинг объемного или массового расхода извлекаемой при щитовой проходке горной массы позволяет прогнозировать осадку земной поверхности сверх допустимой величины, при этом измерение объемного расхода обеспечивает меньшую погрешность указанного прогноза по сравнению с измерением массового расхода.
-
На величины осадки земной поверхности и поднятия сборной тоннельной обделки, зависящие друг от друга и характеризующие структурную устойчивость динамической природно-техническои геосистемы, в основном влияют пары силовых воздействий («противодавление - проходческое усилие») и тангажных отклонений («сверхсрез ротором - наклон щита»), а влияние скорости проходки сказывается в меньшей степени, что позволяет выбрать управляющие воздействия, минимизирующие осадку земной поверхности и поднятие обделки.
-
Суммарное горизонтальное усилие на роторе, складывающееся во время проходки из распределенных нагрузок от давления грунта и противодавления бентонита, меняется квазипериодически, что объясняется дезинтеграцией горных пород с образованием плоскостей сдвижения перед забоем, горизонтальное расстояние между которыми L = H(ctg /?), где Н - высота грунтового перекрытия, а Р - угол падения формирующихся плоскостей, определяемый углом внутреннего трения грунта; такое изменение усилия приводит к неустойчивости массива и должно быть уравновешено соответствующей корректировкой противодавления.
-
Для уравновешивания переменного давления неустойчивого массива на ротор противодавлением бентонитовой среды используют оперативные данные прижимных усилий ротора при движении и при остановке щита, разница которых характеризует давление массива на ротор, а при следующем цикле проходки противодавление бентонитовой среды устанавливается в
1,1... 1,25 раза больше указанной разницы, что позволяет снизить потери бентонита при большом противодавлении и уменьшить осадку земной поверхности при его заниженных значениях.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов подтверждаются:
использованием проверенных математических методов статистики и стандартного базового программного обеспечения для обработки экспериментальных данных;
высокими метрологическими характеристиками измерительной техники, обслуживающей проходку современными щитами;
близостью диапазонов фактических величин деформаций массива и их прогнозируемых значений (погрешность прогноза осадки - не более 4%);
удовлетворительной сходимостью (с погрешностью не более 5%) результатов натурных наблюдений и компьютерного моделирования геомеханических нагрузок на ротор при исследовании их периодичности;
положительным опытом практического использования рекомендаций, обоснованных в рамках проведенных маркшейдерско-геофизических исследований условий щитовой проходки.
Научная новизна работы заключается в следующем:
обоснованы технические решения по применению маркшейдерских и геофизических методов мониторинга структурных неоднородностей массива и объемов извлекаемой горной массы при дискретно-непрерывном слежении за пространственным положением и значениями рабочих давлений щита для поддержания устойчивости геосистемы в условиях изменения геомеханического состояния породного массива во времени и при продвижении щита, предполагающие использование результатов данного мониторинга в динамическом управлении;
показаны возможности геофизического метода разведки и геометризации опасных твердых включений в массиве перед забоем по максимуму и минимуму амплитуд зондирующих сейсмосигналов, отраженных от неоднородностей, при этом установлено, что максимум этой амплитуды соответствует участку перед ними, а минимум - самому включению, что дает возможность при разработке включения ротором заранее устанавливать малую глубину внедрения резцов;
впервые обоснована возможность уточнения уровня грунтовых вод в массиве вдоль трассы проходки по установленной закономерности измене-
ния величины объема извлекаемой горной массы за цикл от положения ротора по отношению к границе между маловлажными и водонасыщенными грунтами;
обоснован и подтвержден на практике новый метод прогноза величины осадки земной поверхности по значениям объемного или массового расхода извлекаемой горной массы, что дает ряд преимуществ по сравнению с существующими методами прогноза осадки;
впервые установлены закономерности влияния усилий, тангажа, скорости продвижения щита большого диаметра на величины осадки земной поверхности и поднятия обделки; на этой основе разработаны математические модели, которые используются для минимизации этих величин;
на основе натурных наблюдений установлен циклический характер нагрузок на ось ротора со стороны грунта и теоретически обоснован механизм такого явления, связанный с образованием наклонных плоскостей сдвижения перед забоем из-за дезинтеграции массива.
Научное значение работы состоит:
в установлении взаимосвязей продольных размеров твердых включений с величиной удаления экстремальных значений амплитуд отраженного сигнала от точки сейсмоакустического зондирования и в обосновании использования этих взаимосвязей для управления величиной внедрения резцов при проходке;
в обосновании закономерностей изменения величин расходов извлекаемой горной массы во время продвижения щита большого диаметра при смене гидрогеологических условий и при проявлении осадки земной поверхности;
в установлении закономерностей влияния управляющих воздействий щита на осадку земной поверхности и поднятие обделки;
- в установлении механизма цикличности горизонтального горного
давления на плоскость забоя, что позволяет производить расчет величины
противодавления при изменении условий проходки.
Практическая ценность. Предлагаемые технические решения сводят до минимума аварийность проходки, повышают ее производительность, снижают производственные затраты, а также вредное воздействие на окружающую среду. Результаты работы нашли свое отражение в нормативно-методической документации Минрегиона России, Некоммерческого Партнерства «Национальное объединение строителей» (НОСТРОИ) и организа-
ций, осуществляющих подземное строительство в г. Москве. Разработанные технические решения и другие результаты работы можно применить для мониторинга щитовой проходки при подземном строительстве мегаполисов.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований использованы при разработке следующей нормативной и методической документации: Свод Правил СП 122.13330.2012 «Тоннели железнодорожные и автодорожные. Актуализированная редакция СНиП 32-04-97»; Стандарт СТО НОСТРОЙ 2.27.19-2011 «Освоение подземного пространства. Сооружение тоннелей тоннелепроходческими механизированными комплексами с использованием высокоточной обделки»; «Методика расчета параметров приг-руза при строительстве тоннелей метрополитена» (утверждена ОАО «Транс-инжстрой» в 2011 г.).
Экономический эффект от внедрения маркшейдерско-геофизического мониторинга складывается из экономии материалов, минимизации энергии и трудозатрат. Реализация контроля объемного потока выемки приводит к уменьшению ущерба от осадки грунтового массива. Расчетный годовой экономический эффект для одной щитовой проходки тоннеля диаметром 14,2 м составляет около 10 млн. рублей в год.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались: на международных научно-технических конференциях, организованных Тоннельной ассоциацией России (ТАР), Москва, «Особенности освоения подземного пространства и подземной урбанизации в крупных городах-мегаполисах» (2008), «Современная механизация работ при строительстве тоннелей и освоении подземного пространства крупных городов» (2009), «Основные направления развития инновационных технологий при строительстве тоннелей и освоении подземного пространства крупных мегаполисов» (2010-2011); на 8-й международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики в ТулГУ (Тула, ТулГУ, 2012); на XVIII сессии Российского акустического общества (Таганрог, 2006); на Круглом столе «Передовые технологии, оборудование и методы инженерно-геологических и геофизических изысканий и исследований при строительстве подземных сооружений» (Москва, ТАР, 2007); на научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 2005-2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 39 работ, в том числе 26 работ - в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 233 наименований, содержит 89 рисунков, 22 таблицы.
Опыт применения щитовой проходки с управлением устойчивостью геосистемы
В последние годы наблюдается рост численности населения крупных городов мира, одним из которых является Москва. Растет плотность населения. В подобных условиях резко обострились проблемы развития мегаполисов: строительство жилья, создание транспортных сетей и инфраструктуры жизнеобеспечения. Эффективным путем решения этих проблем является «освоение подземного пространства как область науки и производства, связанная с использованием природных и созданием техногенных полостей для размещения в них различных объектов жизнеобеспечения объектов экономики» [1].
Опыт освоения подземного пространства освещается в работах ведущих ученых и специалистов в области горных наук, подземного строительства и геомеханики: Е.И.Шемякина [2], Н.Н.Мельникова [3], Д.Р.Каплунова [4], Н.С.Булычева [5], Г.Е.Голубева [6], А.Ф.Зильберборда и М.М.Папернова [7], Б.А.Картозия [8], А.В.Корчака [9], А.Н.Левченко [10], В.Г.Лернера [11], Л.В.Маковского [12], В.М.Мосткова [13], Е.М.Пашкина [14], Е.В.Петренко [15], Н.М.Покровского [16], И.П.Спектора [17], Ю.С.Фролова [18] и других, за рубежом – Дж.Кармоди и Р.Стерлинга [19], Я.Келемена и З.Вайды [20], Д.Пелицца [21], К.Саари [22] и других. Анализ работ позволяет в целом представить картину освоения подземного пространства и достижения в подземном строительстве.
Организация освоения подземного пространства, как отрасль горной науки, изучает объективные законы природы применительно к подготовке и организации строительства подземных сооружений. Целью данной науки является изучение объективных закономерностей и взаимосвязей между методологией проектирования освоения недр, процессом освоения подземного пространства, стратегией и организационно-технологическими схемами освоения подземного пространства мегаполисов, менеджментом в подземном строительстве, а также взаимосвязей между элементами этих процессов. Главной задачей организации освоения подземного пространства следует считать разработку научных рекомендаций, обеспечивающих промышленную и экологическую безопасность при комплексном освоении недр, научно-обоснованных стратегий и организационно-технологических тактических схем освоения подземного пространства мегаполисов. Комплексными объектами изучения здесь являются городские подземные сооружения, вмещающий их массив и техника их строительства.
Подземные сооружения размещаются в массиве горных пород, в котором проявляется действие гравитационных, магнитных, температурных и тектонических полей. В верхней части земной коры, где в основном и осуществляется освоение недр, наиболее сильно проявляются гравитационные и тектонические поля. Данные поля приводят к обрушению горных пород и недостаточной устойчивости обнажений горных выработок. Это осложняет ведение подземных строительных работ из-за опасности провалов на земной поверхности, а также прорывов грунтовых вод и плывунов. Прочность горных пород способствует устойчивости подземных выработок и, как следствие, возможности освоения недр для различных целей. Свойства пород внезапно терять устойчивость и разрушаться после достижения определенных концентраций напряжений или осуществления сложных фазовых переходов в массиве горных пород приводят к дестабилизации обнажения забоя, которая способствует отделению частей массива при его разработке, но иногда приводит к неконтролируемому обрушению забоя. Показатели твердости горных пород, истираемости и сопротивления раздавливанию влияют на расход породоразрушающего инструмента. Такие свойства горных пород, как анизотропия, слоистость, трещиноватость, пористость, водонасыщение, наличие неоднородностей обусловливают выбор участка недр для размещения подземных объектов и технологий освоения подземного пространства. На выбор осваиваемого участка недр и технологии строительства в мегаполисе оказывает влияние соседство уже построенных наземных и подземных объектов, а также процессы эксплуатации этих объектов и строительной техники. Технологии проведения вы-15 работок должны быть основаны на использовании закономерностей влияния горно-строительных процессов на напряженно-деформированное состояние (НДС) породного массива. Такой метод подземного строительства позволяет динамично реагировать на поведение окружающей среды. Для этого необходимо поддерживать оптимальное состояние устойчивости динамичной природно-технической геосистемы (ДПТГС) «породный массив - подземное сооружение - технология» [23, 24]. Это достигается оперативным регулированием технологических параметров по данным непрерывного контроля (мониторинга) ДПТГС. При этом ДПТГС рассматривается как целостная, упорядоченная в пространственно-временном отношении ассоциация природных (геологических) и технологических элементов, функционирующих как единая система. Следовательно, строительство подземных сооружений необходимо осуществлять с учетом инженерно-геологических и гидрогеологических условий, а также при обоснованном учете их изменений, который обеспечивается различными видами геотехнического мониторинга геофизическими и маркшейдерско-геодезическими средствами контроля.
Актуальность обеспечения эффективности и безопасности подземного строительства, а также возможность проведения геотехнического мониторинга для изучения деформационных процессов, происходящих в толще пород и на земной поверхности, при освоении недр и строительстве подземных сооружений подтверждена работами акад. К.Н.Трубецкого, который ввел понятие «геосистема» [25], И.В. Баклашова [26], К.П.Безродного [27], В.А.Гарбера [28], В.Н.Гусева [29], И.Я.Дормана [30], М.А.Иофиса [31], В.Е.Меркина [32], А.Г.Протосени [33], Ю.И.Ярового [34] и других ученых. Весомый вклад в развитие геофизических методов сейсмоакустического прогнозирования свойств и состояния горных массивов внесли такие известные исследователи, как Л.М.Бреховских [35],Л.С.Загорский [36], В.Н.Захаров [37], Ю.С.Исаев [38], Е.Н. Курбацкий [39], М.Д.Молев [40], А.М.Мухаметшин [41], В.Б.Писецкий [42], В.Л.Шкуратник [43], Д.В.Яковлев [44], В.С.Ямщиков [45] и др. Работы в области прогнозирования горного давления, устойчивости и осад-киземной поверхности над выработками велись С.Г.Авершиным [46], Г.А.Гениевым [47], Ж.С.Ержановым [48], Ю.К.Зарецким [49], М.Г.Зерцаловым [50], В.А.Ильичевым [51], Д.А.Казаковским [52], И.А.Кузьменко [53], Ю.А.Лимановым [54], А.Б.Макаровым [55], В.Н.Одинцевым [56], В.В.Речицким [57], В.И.Сарычевым [58], Н.Н.Фотиевой [59], В.П.Хуцким [60], В.В.Чеботаевым и Е.В.Щекудовым [61], В.И.Шейниным [62], С.А.Юфиным [63] и другими учеными.
В настоящее время существуют два основных направления теоретических исследований прогнозирования сдвижений и деформаций породного массива с образованием мульды на земной поверхности – схематизация этих процессов с применением точных и приближенных методов [64]. Точные методы предусматривают решение задачи о перераспределении напряжений и деформаций в массиве с использованием аппарата механики сплошной или дискретной среды. Такое решение использует теории упругости, пластичности, предельного равновесия и так далее. В большинстве случаев теоретические методы прогнозирования сводятся к решению плоской или объемной задачи механики сплошной и дискретной среды, в результате чего находится распределение напряжений и деформаций в главных сечениях мульды сдвижения.
Геосистема при щитовой проходке и обоснование динамической модели управления ее устойчивостью
Главными отличиями данной схемы от ранее предлагаемых структур с первичным статическим контуром и вторичным динамическим контуром управления [23], являются: - непрерывное отслеживание и заблаговременное определение свойств и координат крепких включений в грунте, осуществляемое геофизическими методами; - оперативный контроль пространственных и силовых показателей откликов щита на природные воздействия со стороны грунта; - постоянно получаемая геофизическая информация о целостности конструкций режущего ротора на контакте с грунтом; - текущий геофизический мониторинг объемных потоков и физических показателей вмещающего грунта, выдаваемого щитом; - выбор корректирующих управляющих воздействий после оценки прогнозируемой устойчивости по многофакторным моделям.
Преимуществами динамического управления устойчивостью ДПТГС, предлагаемого во вторичном контуре, с комплексным мониторингом щитовой проходки являются: - использование взаимозависимости воздействующих технологических факторов и реальных инженерно-геологических условий, регистрируемых разными методами мониторинга; - возможность выбора методов наблюдений по их оперативности при динамично меняющихся инженерно-геологических условиях и технологических воздействиях; - повышение достоверности за счет увеличения количества используемых методов наблюдений; - учет тенденций в экспресс-прогнозных моделях осадки земной поверхности и поднятия обделки. Динамическое управление устойчивостью ДПТГС реализуется за счет следующих факторов. Во-первых, это наблюдения за фактическим состоянием геосистемы, обеспечиваемые датчиками: - геофизической разведки грунта перед ротором; - контроля геометрии резцов и тела ротора; - тангажа (кренов) ротора, щита и блоков обделки (инклинометрами); - давлений грунта, сред и гидравлики щита; - объемных или весовых потоков грунта; - хода проходческих домкратов.
При этом регистрируются природные дестабилизирующие воздействия на элементы геосистемы щитовой проходки. Форму, размеры и расположение крепких включений заранее определяет опережающая геофизическая разведка грунта перед ротором, и на них реагируют датчики кренов ротора и щита. Датчики геометрии резцов непрерывно отслеживают истирание ротора грунтом и включениями, на которое откликаются показания датчиков давления гидравлики ротора и щита. Полости и зоны массива с разными физическими свойствами определяются геофизическим прогнозом, проходка таких зон сопровождается регистрируемыми кренами ротора, щита и блоков обделки, изменениями давлений грунта, пригрузной среды и гидравлики щита, а также колебаниями потоков грунта по мере продвижения щита. При колебаниях давления грунтовой воды, свойств и состояния грунта меняются крены ротора, щита и блоков обделки, показатели давлений грунта, пригрузной среды и щитовой гидравлики.
Во-вторых, динамичное управление также включает в себя экспресс-прогноз геотехнических дестабилизирующих воздействий, а именно: - расчет осадки земной поверхности и поднятия обделки на основе установленных математических моделей в виде регрессионных зависимостей; - корректирующий расчет противодавления в забое.
В данных моделях для экспресс-оценки прогнозируемого состояния геосистемы при перемещении щита пользуются взаимосвязью таких результатов деста билизирующих воздействий, как осадка земной поверхности, поднятие обделки, скорость проходки, неустойчивость забоя и техногенная динамика свойств и состояния массива, и их связью с исходной инженерно-геологической информацией. Техногенная динамика свойств и состояния массива, определяемая датчиками давлений и потоков грунта, учитывается в корректирующем расчете давления пригруза, устанавливающем в сочетании с результатами фактических наблюдений тенденцию состояния устойчивости геосистемы. Тенденция изменения состояния получает прогнозную оценку, определяющую корректирующее управляющее воздействие.
Если во время перемещения щита результаты наблюдения за фактическим состоянием получают положительную оценку, то управляющее воздействие остается без коррекции. Если оценку фактического состояния получают неудовлетворительной, то оперативно учитываются результаты геомониторинга природных дестабилизирующих воздействий и исходная инженерно-геологическая информация.
С помощью моделей осадки земной поверхности и поднятия обделки, входящими параметрами которых являются факторы природно-техногенной дестабилизации, производится оценка прогнозируемого состояния по параметрам устойчивости системы.
В соответствии с размерами отклонений параметров устойчивости от нормы и с тенденциями в моделях осадки и поднятия выбирается корректирующее управляющее воздействие на динамическую природно-техническую геосистему, то есть задаются показатели технологических режимов щитовой проходки.
Этим воздействием устраняется негативное влияние геотехнических дестабилизирующих факторов и гидрогеологических условий [161], выявляемых маркшейдерско-геофизическим мониторингом.
Таким образом, предложены технические решения по оперативному поддержанию устойчивости природно-технических геосистем щитовой проходки в динамично меняющихся инженерно-геологических и гидрогеологических условиях и технологических воздействиях, заключающиеся в придании таким геосис-72 темам устойчивого характера за счет корректирующих управляющих воздействий. При этом решение о типе и значении управляющей коррекции определяется результатами комплексного геофизического и маркшейдерского мониторинга по тенденциям зависимостей в предложенных моделях осадки над тоннелем и поднятия обделки от технологических воздействий, вызываемых режимами работы щита.
Подтверждается первое научное положение касательно комплексности технических решений по маркшейдерско-геофизическому мониторингу, которое обобщает последующие три научные положения – по обоснованию применения маркшейдерско-геофизического мониторинга для обеспечения геомеханической устойчивости массива и для частичного обеспечения функциональной и структурной устойчивости ДПТГС.
Три заключительных научных положения касаются собственно геомеханического обеспечения структурной, функциональной и геомеханической устойчивости ДПТГС щитовой проходки. Такое обеспечение включает в себя численные и статистические модели, методики расчета нагрузок и контроля противодавления (рис. 2.4 и рис. 2.5).
Зависимость числа замен резцов от глубины их внедрения и от сцепления грунта
На сепарационной установке происходит отделение грунта от транспортной среды - бентонитового раствора. Вначале на барабанных ситах отделяется крупная фракция (щебень) и направляется по ленточному транспортеру, снабженному конвейерными весами (Мщ - текущий весовой показатель щебня), на временный склад для последующей вывозки самосвалами. Мелкая фракция (песок) отделяется от раствора, проходя через барабанное сито с мелкими ячейками и двойную циклонную очистку, затем направляется по ленточному транспортеру, также оборудованному конвейерными весами (Мп - текущий весовой показатель песка), на склад. Оставшийся раствор, загрязненный тонкими глинистыми частицами, после смешивания с добавкой негашеной извести утилизируется на станции фильтропрессов, где путем отжима фильтруемой воды глина спекается в брикеты-пластины, которые получаются на каждом фильтропрессе в количестве п, по опыту приблизительно одного веса Мк. Поэтому, зная по счетчику количество циклов за интересующее время N (за цикл проходки кольца, за смену, за сутки и т. д.), можно определить показатель массы извлеченной глины Мг = пхМк Ш Частичные потери бентонита и воды при фильтрации возмещаются добавкой свежих порций бентонита и воды на сепарационной установке (рис. 4.2).
По показаниям весов разных фракций грунта на сепарации можно достаточно надежно судить о гранулометрическом составе породы и его соответствии геологическому и геофизическому прогнозу, но проблематично - о извлеченных объемах. Сравнительный анализ возможностей массового и объемного контроля будет дан ниже.
Резюмируя вышеизложенное, можно утверждать, что массовый и объемный контроль выемки грунта дополняют друг друга, вопрос лишь о надежности получаемых во время контроля результатов, складывающейся из характеристик аппаратуры, и об оперативности отслеживания грунтовой выемки.
Конвейерные весы обеспечивают непрерывное взвешивание свободного потока различных сыпучих материалов. Конвейерные весы MUS (Milltronics Universal Belt Scale) подходят для непрерывного взвешивания таких продуктов, как песок, гравий или щебень при небольших затратах. Так как MUS не имеет поперечной связи, то он универсально подходит к конвейерам с любой шириной ленты. Также предотвращается налипание материала. Модульная концепция и простая сборка гарантирует высокий коэффициент готовности. При необходимости преобразовать конвейерные весы для других транспортеров MUS предлагает высокую гибкость. Конвейерные весы MUS работают с управляемым микропроцессорным преобразователем сигнала Milltronics. Они дают показания интенсивности подачи, общего количества (тоннаж), нагрузки ленты и скорости подаваемого материала. Датчик скорости движения ленты Milltronics измеряет скорость движения ленты для передачи на преобразователь сигнала. Преимущества весов: уникальная модульная конструкция, простая установка, малые затраты, простое оснащение дополнительными устройствами.
МD-36 – это датчик скорости для весового ленточного дозатора. Его сигналы передаются на прибор для расчета количества транспортируемого материала. МD-36 присоединяется прямо на вал привода или на концевой (направляющий) ролик. Он дает точный результат без влияния проскальзывания или образования наслоений материала. Применяя оптическую связь с большим разрешением, он преобразует вращение вала привода в 36 импульсов на оборот. Цифровой сигнал передается на вход скорости преобразователя Milltronics (любой модели) для расчета скорости, количества транспортируемого материала и итогового количества. Частотный сигнал пропорционален частоте вращения вала привода. Низкая или переменная частота вращения может быть также надежно измерена. Оптическая связь, которая производит прямоугольные импульсы, применена во избежание негативных влияний на сигнал, обусловленных, например, вибрациями или колебаниями вала.
Измерительные преобразователи Milltronics Accumass BW100 используются с конвейерными весами, расходомерами и весовыми дозаторами для точного вычисления расхода и суммарного веса сыпучих материалов. Устройства поддерживают цифровую связь со стандартными полевыми шинами. BW100 – это преобразователь сигнала для конвейерных весов или двух ячеек взвешивания. Совместно с датчиком скорости полосы он измеряет интенсивность подачи и общее количество сыпучих материалов. Электронное сравне-120 ние данных весовых ячеек гарантирует исключительную точность. Неравномерная нагрузка не влияет на систему - механическое сравнение данных весовых ячеек излишне.
Большой дисплей высвечивает гистограмму веса транспортируемого материала, что позволяет сравнивать требуемое и реальное состояние процесса и уменьшает при этом возможность ошибок. Установка параметров производится посредством 4-х кнопок устройства. Для программирования и загрузки посредством ПК используется программное обеспечение Dolphin Plus для Milltronics. Характеристики преобразователя: жидкокристаллический монитор с подсветкой, 2 контакта для внешнего суммирования, автоматическая установка нуля, функция линеаризации, изолированный токовый выход, программируемые реле.
Система массового контроля извлеченного грунта на сепарации, благодаря конвейерным весам, довольно точна и оперативна для фракций щебня и песка. Однако для глинистой фракции весовые показатели можно получить лишь приблизительно, опытным путем, проводя точечно-контрольные взвешивания спрессованных глиняных брикетов. К тому же сам процесс отделения глины фильтропрессованием инерционен из-за прохождения и отстаивания раствора по нескольким промежуточным емкостям, а также из-за работы фильтропрессов даже в моменты остановки ТПМК. Поэтому довольно проблематично определить, на каком цикле проходки была подана глина на сепарацию, тем более, что часть загрязненного глиной раствора в момент пиковых нагрузок на сепарацию вывозится шламовозами без переработки на месте. Однако массовой контроль, благодаря его применению на трех различных фракциях грунта, дает оценку гранулометрического состава и степени связности грунта, что важно в постоянно изменяющейся геологической обстановке при выемке грунта на большом сечении тоннеля, куда попадают несколько пластов породы с разными характеристиками для сепарации и проходки.
Мониторинг гидрогеологических условий в ДПТГС при пересечении уровня грунтовых вод проходкой тоннеля
Главные факторы определяются после нахождения значащих зависимостей максимальной осадки от всех вышеперечисленных факторов.
По мнению автора, важными «параметрами массива» будут показатели, связанные с гидрогеологическими условиями (напор грунтовой воды, давление набухания пород почвы на контакте с водным раствором бентонита), а также геометрический фактор уклона тоннеля по направлению проходки. Вместе с тем, важными «показателями проходки» определены режимы проходки - крен щита относительно оси тоннеля и сверхсрез наклоном ротора. Эти факторы предопределяют геометрию строительного зазора, заполнение которого грунтом вызывает осадку поверхности, Расширение списка рассматриваемых факторов, предпринятое автором, продиктовано необходимостью более полного анализа взаимодействия элементов геосистемы. Информация о факторах III, II и I групп в основном дублируется из результатов двух независимых методов мониторинга, что придает достоверность факторным данным. Большинство факторных показателей можно отследить в режиме реального времени по показаниям приборов, которые регистрируются программным логическим контроллером (PLC) системы сбора данных на ТПМК. Это дает возможность текущего прогноза осадки по управляемым параметрам ТПМК (по техногенным факторам режимов щита).
В зависимости от степени точности и обработки проектных геологических и геометрических данных о массиве вокруг тоннелей [189] можно с разной степенью достоверности проектировать и планировать прогноз осадки земной поверхности, как по теоретическим, так и практически полученным зависимостям.
Для описания и расчета сечения мульды осадки поперек трассы тоннеля (рис. 5.4) по координате х общепринята кривая нормального распределения Гаусса [143, 190]: цщпах exp(-x2/2z2), (5.1) где /гаш;-значение осадки в центре мульды, х- текущая координата, /- координата перегиба кривой.
Известный в настоящее время отечественный теоретический прогноз осадки осуществляется по формулам (1.1) и (5.1), при этом вычисляется верхний и нижний уровень осадки (оптимистический и пессимистический прогноз), то есть определяется довольно широкий диапазон, куда по прогнозу должны попасть фактические значения осадки [60, 191, 192, 193]. Аналогичным образом теоретический прогноз осадки ц выглядит у зарубежных исследователей [65, 194], формула (4.10). В (4.10) vL относительный объем перебора породы, на практике принимаемый за рубежом для D = 6... 12 м в диапазоне 0,2... 0,4 %, в Москве для D = 14,2 м 0,28... 0,49 %. Значения данного показателя зависят от параметров щитовой проходки и свойств грунта.
Угол сдвижения осаживаемого грунта fi зависит от угла внутреннего трения грунта (р, значение которого определяется по результатам полевых испытаний, и принимается по выбранной модели деформирования массива как:
Таким образом, единственным из «свойств грунта», прямо участвующим в предварительных расчетах прогнозной осадки земной поверхности, является угол внутреннего трения ср, определяющий значение угла сдвижения грунта ft и через него абсциссу точки перегиба кривой мульды осадки. Для других моделей деформирования угол сдвижения зависит и от удельного внутреннего сцепления С грунта.
Автором предпринята попытка расширить список показателей из группы «свойства грунта», участвующих в прогнозном расчете осадки, и отсеять незначимые для осадки показатели для более широких групп, последовательно добавляя в создаваемые модели все более значимые факторы грунтового массива и технологии. Исследование данных, полученных при проходке 2 Серебряноборского тоннеля, состоит в нахождении взаимосвязей и построении возможных моделей осадки земной поверхности в зависимости от следующих факторов: 1) воздушная пористость, удельное сцепление, угол внутреннего трения, давление набухания («свойства грунта», обусловливающие инженерно-геологические условия); 2) глубина заложения свода тоннеля, уклон тоннеля по направлению проходки и уровень грунтовой воды («параметры массива»), а также самое информативное «свойство грунта», используемые для проектного и технологического прогноза по данным геологии и трассирования тоннеля; 3) противодавление, наклон щита относительно оси тоннеля, скорость проходки, сверхсрез наклона ротора (техногенные факторы «параметры проходки» для прогноза ее последствий);
По трассе группы тоннелей [181, 195], в которую входит исследуемый второй Серебряноборский тоннель длиной 1,5 км и диаметром разработки 14,2 м, наибольшая мощность налегания несвязного грунта составляет 22 м. В отдельных частях встречаются техногенные грунты мощностью 4,0 м. На поверхности этих пород и наблюдаются их осадка над тоннелями. Щитовая проходка от ПК 26 до ПК 12 осуществляется на глубинах от 21 до 40 м (по лотку) в песках и глинах с нарастанием гидростатического давления на обделку тоннеля до 2,5 бар (0,25 МПа), до ПК 17 – в четвертичных аллювиальных и водноледниковых песках различной крупности, средней плотности, от маловлажных до водонасыщенных консистенций. Пески (несвязные грунты) содержат линзы супесей, суглинков и галечника, иногда – отдельные валуны диаметром до 0.3 – 0.5 м.
В кровле тоннеля с ПК 21 до ПК 16 залегают влажные и водонасыщен-ные пески суммарной мощностью от 17 до 27 м. Щитовая проходка от ПК 17 до ПК 12 осуществляется на глубинах 40…45 м в юрских отложениях. Тоннели здесь проходят в титонских текучих супесях и тугопластичных суглинках, в полутвердых оксфордских и келловейских глинах (связных грунтах). Подземные воды встречаются в верхней части забоя, их уровень превышает отметки лотка тоннелей на 25 м [181].
Выбранный для исследования условий проходки тоннель проходит в грунтах с широким диапазоном вариации их свойств, поэтому создаются благоприятные предпосылки для анализа зависимостей осадки над тоннелем от «свойств грунта».
Влияние неблагоприятных инженерно- и гидрогеологических условий подземной геологической среды можно разделить на две группы: вызываемые действием горного давления (инженерно-геологические) и возникающие под влиянием подземных вод (гидрогеологические).
Влияние инженерно-геологических условий проявляется в виде нарушений устойчивости грунтового массива и деформаций крепи. Такие явления определяются физико-механическими свойствами грунтов, характером напластований, степенью неоднородности, анизотропии, естественной и искусственной трещиноватости или пористости, слоистости, сланцеватости грунтов и прочими показателями.
Из множества физико-механических свойств грунтов для оценки инженерно-геологических условий проходки подземных выработок важны те, которые связаны с механическими процессами при нарушении природного равновесия. При этом механические свойства грунтов разделяют на три группы: прочностные (сопротивление различного рода нагрузкам), деформационные (упругая, а также пластическая деформируемость под воздействием нагрузок) и реологические (деформируемость во времени).
