Введение к работе
Актуальность темы исследования. Активное освоение подземного пространства больших городов со строительством крупных транспортных сооружений неизменно связано с проблемами оценки вредного влияния такого строительства на геологическую среду, здания и сооружения расположенные на поверхности. В настоящее время проектируются и начинают строиться объекты метрополитена в крупнейших городах республики Вьетнам Хошимине и Ханое. Новые линии метрополитена пройдут через исторические центры городов с высокой плотностью городской застройки и разветвлённой сетью инженерных коммуникаций. В зону влияния строительства тоннелей и подземных станций метро попадают целые жилые кварталы, представленные зданиями, имеющие историческую ценность, зданиями, построенными как в прошлом, так и в нынешнем веке. Всё это требует определённых мер защиты зданий и сооружений, которые определяются на основе сравнения прогнозных сдвижений и деформаций земной поверхности с интегральным допустимым показателем деформаций для конкретных подрабатываемых зданий и сооружений, учитывающим их конструктивные особенности и свойства грунтов в основании. Поэтому разработка методов расчета сдвижений и деформаций для горно-геологических условий строительства метро г. Хошимин является актуальной задачей.
В области применения теоретических методов к расчётам сдвижений горных пород большой вклад внесли такие учёные как С.Г. Авершин, А.Г. Акимов, Ж.С. Ержанов, В.Н. Земисев, А.А. Ильюшин, Д.А. Казаковский, С.П. Колбенков, А.С. Космодамианский, С.Г. Лехницкий, Ю.А. Лиманов, Р.А. Муллер, Н.И. Мусхелишвили, Г.Н. Савин и др. Большой вклад в разработку геомеханических методов расчёта массивов внесли С.А. Батугин, Н.С. Булычёв, А.Г. Протосеня, К.В. Руппенейт, А.К. Черников, Г.А. Крупенников, А.Б. Макаров, Г.Л. Фисенко и др. Весомый вклад в разработку современных методов расчёта сдвижений при сооружении тоннелей внесли Е.М. Волохов, Е.А. Демешко, М.В. Долгих, С.Г. Мандриков, В.Ф. Подаков, В.П. Самарин, В.А. Ходош, В.П. Хуцкий и др.
Цель работы. Разработка методики прогнозных расчётов сдвижений и деформаций, возникающих при строительстве тоннелей горным способом в условиях г. Хошимин, для оценки последствий подработки и выбора мер защиты подрабатываемых объектов.
Идея работы заключается в разработке инженерного метода прогноза сдвижений и деформаций в зоне влияния строительства транспортных тоннелей метро на основе теоретических методов механики сплошной среды и численного моделирования геомеханических процессов.
Задачи исследований:
-обобщение данных опробования физико-механических свойств четвертичных отложений по геологоразведочным скважинам, пробуренным на территории г. Хошимин;
- обоснование применимости методов механики сплошной среды к расчетам сдвижений и деформаций в горно-геологических условиях строительства тоннелей горным способом;
- разработка геомеханической модели системы «тоннель - грунтовый массив», свойства слоёв которой соответствуют физико-механическим свойствам четвертичных отложений территории строительства метро;
- определение зоны влияния строительства тоннеля по граничным углам, получаемым из геомеханического анализа результатов конечноэлементного моделирования;
- адаптация теоретических методов прогнозных расчётов сдвижений и деформаций для рассматриваемых горно-геологических условий;
- разработка инженерного метода расчёта ожидаемых сдвижений и деформаций от строительства тоннелей в четвертичных отложениях г. Хошимина;
- разработка способа определения провиса проводов между опорами высоковольтных линий электрических передач (ЛЭП), попавших в зону сдвижений и деформаций строительства тоннелей горным способом.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Границы зоны влияния строительства тоннелей должны устанавливаться по граничным углам, определяемым для слоёв четвертичных отложений над тоннелем как функция физико-механических свойств этих слоёв.
2. Конкретные функции вертикальных сдвижений, получаемые из классических решений механики сплошной среды, не содержат составляющих, зависящих только от горизонтальной координаты, что позволяет переходить от вертикальных деформаций к сдвижениям через прямое интегрирование с фиксацией нижнего предела интегрирования в области массива под тоннелем с минимальными вертикальными смещениями.
3. Для типовых кривых, заданных аналитически, рекомендуется использовать показательно-степенную функцию вида: где , - длина полумульды, х – абсцисса рассматриваемой точки (начало координат в точке максимального оседания), е – основание натуральных логарифмов, a и b – коэффициенты, определяемые по результатам численного моделирования.
Научная новизна работы:
1. Установлена функциональная зависимость граничных углов от средневзвешенного угла внутреннего трения, глубины заложения тоннеля, его радиуса и поправки к граничному углу, величина которой зависит от радиуса тоннеля и глубины его заложения.
2. В принятой типовой кривой, заданной аналитически в виде показательно-степенной функции, вместо трёх постоянных коэффициентов в структуре уравнения, предложенного С.П. Колбенковым, используется всего два коэффициента, а первая и вторая производные от этой функции, определяющие наклоны и кривизну, имеют более компактные выражения.
3. Определены переходные функции для получения горизонтальных сдвижений и деформаций соответственно через наклоны и кривизну, определяемые по типовой кривой оседаний, заданной в аналитическом виде.
Методы исследований:
- аналитические методы теоретических решений механики сплошной среды;
- математическое моделирование геомеханических процессов от проходки тоннелей горным способом на основе метода конечных элементов (МКЭ);
- методы математической статистики тренд-анализа, нелинейного отклика и наименьших квадратов для обработки и обобщения результатов численного моделирования.
Достоверность и обоснованность научных положений и результатов работы подтверждается большим числом экспериментальных данных по моделированию геомеханических процессов численными методами на основе материалов геологического опробования физико-механических свойств четвертичных отложений г. Хошимин и достаточной сходимостью с данными натурных наблюдений при строительстве метро в сходных условиях.
Практическое значение работы
1. Полученные угловые параметры процесса сдвижения четвертичных отложений в виде граничных углов позволяют однозначно определять на поверхности, занятой городскими зданиями и сооружениями, границы зоны влияния строительства тоннеля.
2. В силу равенства нулю составляющих, зависящих от горизонтальной и вертикальной координат соответственно в функциях вертикальных и горизонтальных сдвижений, последние однозначно определяются через прямое интегрирование соответствующих функций деформаций, полученных из решений механики сплошной среды. Учёт несимметричного характера распределения вертикальных сдвижений рекомендуется осуществлять через фиксацию нижнего предела интегрирования в области массива под тоннелем с минимальными вертикальными смещениями.
3.Предлагаемая методика прогноза, основанная на типовых кривых, заданных аналитически, позволяет обоснованно и достоверно определять величины сдвижений и деформаций при оценке последствий строительства тоннелей на земную поверхность и выборе мер защиты подрабатываемых зданий и сооружений.
4. Предложен новый подход в оценке технического состояния ЛЭП в зоне влияния строительства подземных сооружений метро.
5. Разработаны рекомендации по определению условий безопасного строительства подземных сооружений метро в зонах влияния на наземные объекты и выбору мер их защиты.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на 61-й научно-практической конференции преподавателей, аспирантов и студентов «Маркшейдерско-геодезическое обеспечение рационального использования и охраны недр» (г. Новочеркасск, ЮРГТУ, май, 2012 г.), на конференции «Маркшейдерское обеспечения геотехнологий» (Днепропетровский Национальный Горный университет, март, 2012 г.) и на заседаниях кафедры маркшейдерского дела Горного университета.
Личный вклад автора:
- разработка компьютерных моделей для исследования геомеханических процессов вследствие проходки тоннельных выработок;
- установление функциональной зависимости граничных углов от физико-механических характеристик подработанных слоёв четвертичных отложений;
- адаптация классических решений механики сплошной среды для прогнозирования сдвижений и деформаций в горногеологических условиях г. Хошимин;
- разработка прогнозного метода расчёта сдвижений и деформаций на базе типовых кривых, заданных аналитически;
- методика прогноза горизонтальных сдвижений и наклонов площадок установки опор ЛЭП для оценки смещения подработанных опор и провиса проводов.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 4 публикациях, из них 3 в журналах, включённых в перечень ведущих рецензируемых научных изданий ВАК Минобрнауки России.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение, заключение, библиографический список из 85 наименований. В работе 39 рисунков и 5 таблиц.
