Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние изученности вопросов оценки сдвижений и деформаций горных пород при строительстве перегонных тоннелей большого диаметра подземным способом 11
1.1 Проблема оценки сдвижений горных пород при строительстве подземных сооружений с помощью тоннелепроходческих механизированных комплексов 1.2 Проблемы оценки инженерно-геологических условий строительства тоннелепроходческими механизированными комплексами 14
1.3 Технология проходки горизонтальных тоннелей с помощью тоннелепроходческих механизированных комплексов 17
1.4 Методы прогноза сдвижений и деформаций при строительстве тоннелей 29
1.5 Влияние деформаций земной поверхности на здания и сооружения при строительстве тоннелей. Критерии подработки 39
Выводы по первой главе 43
ГЛАВА 2 Натурные исследования процессов сдвижений и деформаций горных пород при строительстве тоннелей ТПМК
2.1 Основные объекты натурных исследований 46
2.2 Методы натурных исследований
2.2.1 Мониторинг конструктивных элементов тоннеля 50
2.2.2 Мониторинг вмещающего массива 52
2.2.3 Мониторинг поверхности земли 54
2.2.4 Мониторинг подрабатываемых зданий и сооружений
2.3 Методы контроля технологических параметров ТПМК 60
2.4 Анализ данных мониторинга деформаций 65
2.5 Организация мониторинга деформаций здания 75
2.6 Анализ недостатков и обоснование рекомендаций по усовершенствованию методов наблюдений 83
Выводы по второй главе 87
ГЛАВА 3 Математическое моделирование процессов сдвижения и деформаций горных пород. анализ полученных результатов 90
3.1 Методы математического моделирования. Обоснование применения метода конечных элементов 91
3.2 Основные принципы расчетов МКЭ при решении геомеханических задач. Особенности моделирования проходки тоннелей ТПМК с пригрузом забоя
3.3 Исходное напряженное состояние массива 103
3.4 Сравнение плоских и пространственных постановок расчета 105
3.5 Анализ влияния граничных условий 112
3.6 Выбор и обоснование моделей грунтов 115
3.7 Изучение влияния физико-механических свойств массива 119
3.8 Оценка влияния гидрогеологических факторов 126
Выводы по третьей главе 131
ГЛАВА 4 Обоснование методов оценки сдвижений и деформаций применительно к горно-геологическим условиям Санкт-Петербурга 135
4.1 Особенности геологический условий 135
4.2 Выделение основных факторов, определяющих развитие геомеханических процессов 139
4.3 Анализ влияния основных факторов с использованием районирования 146
4.4 Обоснование расчетной схемы для горно-геологических условий строительства перегонных тоннелей в Санкт-Петербурге 151
4.5 Апробация расчетной схемы на выделенных участках 158
4.5.1 Моделирование участка ПК244 – ПК248 160
4.5.2 Моделирование участка ПК253–ПК257 164
Выводы по четвертой главе 168
Заключение 172
Список литературы 177
- Технология проходки горизонтальных тоннелей с помощью тоннелепроходческих механизированных комплексов
- Мониторинг конструктивных элементов тоннеля
- Основные принципы расчетов МКЭ при решении геомеханических задач. Особенности моделирования проходки тоннелей ТПМК с пригрузом забоя
- Анализ влияния основных факторов с использованием районирования
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Развитие крупных городов невозможно без расширения и усовершенствования их транспортной инфраструктуры. Важнейшим элементом такого развития является строительство новых станций и линий метрополитена.
При мелком заложении, в сложных горно-геологических условиях, сооружение подземных выработок невозможно без применения специальных технологий проходки. Для этих случаев все чаще применяются тоннелепроходческие механизированные комплексы (ТПМК) с активным пригрузом забоя. Данная технология позволяет обеспечить минимизацию влияния горных работ на породный массив и даже создать условия для обеспечения управления геомеханическими процессами в реальном времени.
В то же время высокая чувствительность толщи к малейшим
изменениям режимов проходки, в особенности при мелком
заложении тоннелей большого диаметра, становится причиной
развития существенно неравномерных сдвижений массива и
больших деформаций, которые характеризуются высокими
скоростями развития. В таких условиях для охраны существующей наземной инфраструктуры и изучения процессов деформирования поверхности и массива при применении новых технологий, характеризующихся активным воздействием на массив, требуется разработка достоверных методов прогноза сдвижений, а также обоснование специальных методов мониторинга деформаций.
Большой вклад в изучение вопросов оценки сдвижений и деформаций при ведении горных работ внесли С.Г. Авершин, Д.А. Казаковский, Р.А. Муллер, М.А. Иофис, В.Н. Гусев и др. Среди работ, посвященных исследованиям сдвижений в тоннелестроении, необходимо отметить труды В.Ф. Подакова, Ю.А. Лиманова, С.Н. Сильвестрова, М.В. Долгих, В.П. Хуцкого, Е.М. Волохова, С.В. Мазеина, М.А. Карасева, В.В. Речицкого, Д.В. Панфилова и др.
Существующие методы оценки сдвижений и деформаций
применительно к технологии строительства с помощью
тоннелепроходческих механизированных комплексов с
грунтопригрузом не могут обеспечить достоверный прогноз влияния проходки в связи с тем, что большинство расчетных схем оперируют лишь усредненными данными о технологических параметрах ведения щита и конечными значениями сдвижений.
В связи с вышеотмеченным, несмотря на большое количество работ, посвященных изучению геомеханических процессов в массиве при строительстве тоннелей, проблема оценки сдвижений и деформаций при проходке ТПМК с пригрузом забоя все еще остается актуальной.
Цель работы. Обосновать методы прогнозной оценки сдвижений горных пород и мониторинга деформаций породного массива, поверхности земли и сооружений для условий строительства тоннелей большого диаметра на малых глубинах при применении тоннелепроходческих механизированных комплексов с пригрузом забоя.
Идея работы состоит в комплексном использовании взаимоувязанных натурных данных, технологических параметров проходки и результатов математического моделирования для оценки сдвижений и деформаций горных пород.
Задачи исследований:
анализ изученности проблем оценки вредного влияния горных работ при строительстве тоннелей тоннелепроходческими комплексами;
сбор и обработка имеющихся данных натурных исследований и организация специальных мониторинговых наблюдений;
изучение закономерностей развития деформационных процессов в массиве при ведении горных работ с использованием данных о режимах работы подсистем тоннелепроходческих комплексов;
математическое моделирование геомеханических процессов на основе численных методов;
разработка расчетной схемы для прогнозной оценки сдвижений и деформаций;
обоснование методов мониторинговых наблюдений за деформациями.
Методы исследований:
- методы математической статистики и теории погрешностей для обработки и анализа данных натурных наблюдений сдвижений и деформаций;
- методы механики сплошных сред и математического
моделирования на основе численных методов для обоснования
выявленных закономерностей геомеханических процессов.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Оперативная и достоверная оценка фактических параметров
деформационного состояния подрабатываемых объектов при
ведении горных работ с использованием современных
тоннелепроходческих механизированных комплексов большого
диаметра возможна только на основе применения
автоматизированных систем, обеспечивающих реализацию режимов
наблюдений в реальном времени.
2. При строительстве тоннелей большого диаметра с
применением современных тоннелепроходческих
механизированных комплексов на малых глубинах в неустойчивых
породах характер и параметры геомеханических процессов в
массиве определяются преимущественно технологическими
факторами. Основным фактором, определяющим проявление
долговременных неравномерных пучений поверхности над
тоннелем, является перенагнетание в заобделочное пространство.
3. Ключевыми особенностями расчетной схемы для оценки
сдвижений поверхности в процессе сооружении тоннелей большого
диаметра тоннелепроходческими механизированными комплексами
в неустойчивых породах, обеспечивающими ее достоверность,
являются трехмерная постановка задачи, использование
гидростатического поля исходных напряжений и учет активного
воздействия на массив.
Научная новизна работы:
-
Предложена классификация и выявлены основные факторы, определяющие развитие геомеханических процессов в массиве при проходке тоннелей тоннелепроходческими механизированными комплексами в неустойчивых породах на малых глубинах.
-
На основе комплексного анализа возникновения и развития деформаций массива при проходке тоннелей мелкого заложения тоннелепроходческими механизированными комплексами и сопоставления результатов расчетов в плоских и пространственных расчетных схемах обоснована необходимость применения трехмерной постановки задачи прогнозного расчета сдвижений.
-
Выявлены закономерности возникновения и развития сдвижений и деформаций в массиве горных пород при сооружении перегонных тоннелей большого диаметра тоннелепроходческими
механизированными комплексами с пригрузом забоя в условиях применения режима перенагнетания в заобделочное пространство. Показано, что развитие сдвижений характеризуется высокими скоростями и дискретным характером.
4. Предложена и обоснована расчетная схема для оценки
сдвижений поверхности в процессе сооружения тоннелей в
рассматриваемых условиях, учитывающая особенности исходного
поля напряжений, пространственного характера развития
деформаций, физико-механические свойства массива и параметры активного воздействия на массив.
Практическое значение работы:
-
Обоснованная методика оценки сдвижений поверхности для условий строительства тоннелей большого диаметра мелкого заложения позволяет обеспечить достоверный прогноз вредного влияния на здания и сооружения, выбор мер охраны этих объектов на стадии проектирования подземных сооружений.
-
Предлагаемая расчетная схема, учитывающая особенности активного воздействия различных систем тоннелепроходческого механизированного комплекса на массив, позволит разработать инженерные методы для текущего прогноза сдвижений и деформаций в процессе строительства подземных сооружений, обосновать варианты выбора технологических режимов ТПМК, снижающих уровень оседаний.
-
Разработанные рекомендации по организации мониторинга деформаций породного массива и земной поверхности позволят обеспечить достоверную и своевременную оценку деформационного состояния подрабатываемых зданий и сооружений в условиях проходки выработок мелкого заложения.
Достоверность и обоснованность подтверждается большим
объемом выполненных теоретических (построено и обработано
более 150 моделей с широкой вариацией исходных параметров), а
также экспериментальных исследований по выявлению
закономерностей изменения состояния массива и поверхности земли при различных режимах строительства тоннелей большого диаметра мелкого заложения. Сопоставление результатов моделирования по предложенной расчетной схеме и данных натурных наблюдений показало удовлетворительную сходимость для горно-геологических условий Санкт-Петербурга.
Апробация работы.
Результаты исследований докладывались на 54-й
международной научной конференции (г. Краков, Польша, декабрь
2013), на Всероссийской научно-практической конференции «Новые
технологии при недропользовании» (г. Санкт-Петербург, Горный
университет, октябрь 2014 г.), XXIII Международном научном
симпозиуме «Неделя горняка-2015» (г. Москва, (МГИ) НИТУ
МИСиС, январь 2015 г.), на международном форуме-конкурсе
молодых ученых «Проблемы недропользования» (г. Санкт-
Петербург, Горный университет, апрель 2015 г.), на Международной
научно-практической конференции «Горное дело в XXI веке:
технологии, наука, образование» (г. Санкт-Петербург, Горный
университет, октябрь 2015 г.), ХI научно-практической конференции
«Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве
в РФ» (г. Санкт-Петербург, Горный университет, декабрь 2015 г.) и
на заседаниях кафедры маркшейдерского дела Горного
университета.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 5 публикациях, из них 3 в журналах, включнных в перечень ведущих научных изданий ВАК Минобрнауки России.
Личный вклад автора.
Диссертация является продолжением исследований в области
оценки сдвижений, проводимых на кафедре маркшейдерского дела.
Автором выполнен анализ большого объема данных натурных
наблюдений за процессом сдвижения массива и поверхности, а
также данных технологических параметров проходки при
строительстве ТПМК с пригрузом забоя. Кроме того, автором
выполнены работы по проведению автоматизированного
мониторинга деформаций жилого здания по ул. Бухарестской 156 к.1 и поверхности земли при строительстве двупутного перегонного тоннеля Фрунзенского радиуса. Были созданы численные модели и обработаны данные для исследования процессов деформирования массива в процессе проходки тоннелей комплексами большого диаметра с возможностью активного воздействия на вмещающие породы, разработана расчетная схема для оценки сдвижений.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 198 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение,
заключение, библиографический список из 104 наименований. В работе 94 рисунка, 9 таблиц и 1 приложение.
Автор выражает глубокую признательность за постоянную помощь и поддержку на всех этапах подготовки диссертационной работы научному руководителю к.т.н., доц. Волохову Е.М., а также д.г. - м.н., проф. Р.Э. Дашко, за ценные советы и внимание к работе.
Технология проходки горизонтальных тоннелей с помощью тоннелепроходческих механизированных комплексов
В Москве в плане строительства на период с 2011 по 2020 год запроектировано более 160 км линий метро и 78 новых станций, 15 из которых открыты уже к 2015 году. В Санкт-Петербурге, в соответствии с отраслевой схемой развития до 2025 года, запланировано строительство для четырех линий метрополитена.
В связи с необходимостью сокращения затрат на подземное строительство, в последние годы все чётче проявляется тенденция к уменьшению глубины заложения проектируемых выработок. При этом строительство подземных сооружений происходит в сложных горно-геологических условиях под плотно застроенными территориями, что исключает возможность применения наиболее распространенного метода возведения выработок мелкого заложения – открытого способа работ. В таких случаях все чаще применяются тоннелепроходческие механизированные комплексы (ТПМК) с активным пригрузом забоя. Так в Москве с применением данной технологии в период с 2003 по 2007г. были построены Лефортовский и Серебряноборские транспортные тоннели большого диаметра и протяженности. В Санкт-Петербурге щитом диаметром 10,6 м фирмы Herrenknecht с грунтопригрузом был проеден участок перегонного тоннеля Фрунзенского радиуса. На данный момент ведется строительство тоннеля между станциями "Беговая" и "Приморская" Невско-Василеостровской линии с применением данного комплекса.
Такая технология позволяет удерживать забой и контур породных обнажений в стабильном состоянии во время проходки, а также сооружать мощную водонепроницаемую обделку тоннеля и заполнять практически все пустоты в заобделочном пространстве. Характеризуя технологию сооружения тоннелей ТПМК с пригрузом забоя с точки зрения воздействия на массив, следует отметить использование целого комплекса новых (в сравнении с традиционными способами проходки) сложных и связанных между собой подсистем, основными из которых являются: - подсистема пригруза забоя, обеспечивающая создание избыточного давления на породы в герметично отделенной от тоннеля призабойной зоне, за счет присутствия в ней жидкой (при гидропригрузе) или густой (при породопригрузе) смеси измельченной породы, воды и различных специальных добавок, находящейся под давлением; - подсистема разработки и выдачи породы с использованием режущего органа роторного типа с комплексом, обеспечивающим смещение плоскости ротора т.н. домкратами артикуляции; - подсистема передвижки ТПМК с комплексом ходовых домкратов расположенных по окружности в пределах хвостовой оболочки, обеспечивающая управление траекторией движения и ориентацией щита ТПМК в пространстве; - подсистема непрерывного нагнетания раствора в пространство между породой и обделкой тоннеля, позволяющая подавать сложный многокомпонентный раствор через систему сопел, расположенных на хвостовой оболочке, прямо в процессе плавного движения ТМПК. Применение такой технологии проходки позволяет не только организовать строительство тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях, но и обеспечить минимизацию влияния горных работ на породный массив и даже создать условия для управления геомеханическими процессами в режиме реального времени. В то же время, сооружение тоннеля даже с применением "малоосадочных" технологий нарушает природное равновесие в породном массиве, сдвижения возникающие у тоннеля развиваются вплоть до поверхности на которой образуется и развивается мульда сдвижений. Если говорить о проходке с использованием ТПМК большого диаметра на малых глубинах, то именно здесь воздействие на породный массив может практически сразу проявляться на земной поверхности и в приповерхностной зоне, где в основном и локализуются объекты городской инфраструктуры. Даже сама передвижка ТПМК с использованием ходовых домкратов может оказывать здесь влияние на поверхность. Практика применения таких технологий проходки тоннелей в Москве и Санкт-Петербурге показала, что, несмотря на внушительный арсенал описанных выше технологических средств, полностью исключить проявление сдвижений на земной поверхности не удается [17-19]. Так, при строительстве перегонного двупутного тоннеля Фрунзенского радиуса Санкт-Петербургского метрополитена наряду с оседаниями фиксировалось поднятие массива, которое достигало 50 мм на отдельных участках.
Подработка в таких режимах проходки подземных коммуникаций водоканала (на перегоне «Южная» – «Дунайский проспект») стала причиной нарушения целостности магистрального трубопровода. При строительстве Лефортовского и Серебряноборских транспортных тоннелей в Москве с применением ТПМК аналогичного класса диаметром 14,6 м, также не удалось полностью исключить проявления деформаций на поверхности [58]. Оседания над осью тоннеля здесь достигали величин 20–25 мм.
Анализируя развитие геомеханических процессов в окружающем тоннель массиве, можно отметить весьма сложный характер деформаций пород, сильно зависящий не только от геологических и гидрогеологических условий проходки, но и от выбранных технологических параметров указанных выше подсистем ТПМК. Так, неправильный выбор оператором («пилотом» ТПМК) значений давлений в системе активного пригруза забоя или неадекватного режима нагнетания в заобделочное пространство может привести как к оседаниям, так и к пучениям на земной поверхности.
Мониторинг конструктивных элементов тоннеля
На данный момент наиболее распространенным методом наблюдения за массивом при проведении подземного строительства является скважинный мониторинг [6,20,59]. Основными видами датчиков, применяемых при данном виде мониторинга для определения сдвижений и деформаций пород, являются экстензометры и инклинометры [7].
Экстензометры представляют собой измерительные приборы, предназначенные для определения параметров механической деформации твёрдых тел. Для производства скважинного мониторинга производителями предлагаются следующие виды экстензометров: стержневой, стационарный, съемный, магнитный и фиксированный. Наиболее распространенный вид –– скважинные стержневые экстензометры. Именно они применялись при мониторинге массива в процессе проходки двух эскалаторных тоннелей (тоннели станций метро «Адмиралтейская» и «Спасская») и перегонного двупутного тоннеля Фрунзенского радиуса Санкт-Петербургского метрополитена. Принцип работы скважинных стержневых экстензометров заключается в измерении с помощью струнного датчика или цифрового микрометра относительного сдвижения между якорями, устанавливаемыми в скважине, и базовой точкой на поверхности. Деформации от якоря к датчику передается через цельный стеклопластиковый стержень в защитной муфте. Вид используемого датчика зависит от типа грунта. В скальных породах используются цементируемые, в слабых грунтах –– якоря гидравлического типа. Система из нескольких экстензометров различной длины, установленных в одной скважине, позволяет следить за послойными смещениями грунтового массива (рисунок 2.5).Диапазон измерений до 150 мм, точность –– 0,2 0,5 % FS (доли от полной шкалы) в зависимости от типа считывающего устройства.
Скважина с экстензометрами Для фиксирования якоря в скважине используется специальный цементно-бентонито-зольный состав с регулируемой прочностью. Его физико-механические свойства подбираются таким образом, чтобы после затвердения они соответствовали аналогичным характеристикам массива. В этом случае обеспечивается свобода передачи деформаций от массива к якорю.
Для определения наклонов при скважинном мониторинге массива используют различные виды инклинометров. Существуют как съемные зонды, так и стационарные датчики. В зависимости от модификации они позволяют получать данные о наклоне в одной или двух плоскостях с точностью до 0,07% FS в диапазоне до 90. Использование двухосевых датчиков наклона в сочетании с экстензометрами позволяет производить 3-D мониторинг подрабатываемого массива.
Наблюдения за деформациями и сдвижениями земной поверхности являются обязательными при производстве подземных строительных работ. Маркшейдерско-геодезические методы мониторинга регламентированы следующими нормативными документами: Инструкцией по геодезическим и маркшейдерским работам при строительстве транспортных тоннелей ВСН –160– 69[37], Инструкцией по РД 07–166–97 [38], которая была разработана для условий строительства подземных сооружений на территории Москвы, Методическим руководством по горно-экологическому мониторингу при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей [59]. При наблюдениях за деформациями часто используются ГОСТ 24846-81 «Грунты» [95] и «Инструкция по нивелированию I, II, III и IV классов» [39], не имеющие прямого отношения к мониторингу в процессе ведения подземного строительства.
Согласно действующим нормативным документам [38,59] деформационные реперы должны закладываться по профильным линиям, перпендикулярным оси тоннеля и вдоль нее в переделах зоны влияния. Реперы должны представлять собой грунтовые марки, изготовленные из металлических стержней, глубиной заложения не менее 0,5 м от границы промерзания грунта или стальные трубчатые марки. Расстояние между реперами должно составлять 5-10 м. Опорные реперы располагают вне зоны влияния в количестве двух-трех штук по краям профильной линии.
Наблюдения за деформационными реперами заключается в определении их сдвижений в плане и по высоте. Из-за отсутствия прямых указаний метод измерения и точность определяться в соответствии с ГОСТ 24846-81 [95]. Согласно этому документу, точность измерений зависит от величины предполагаемых сдвижений (чем больше ожидаемая величина деформаций, тем ниже точность). В таком случае рассматривается задача однозначного выявления деформаций на уровне ожидаемых.
До начала строительства дважды производится первичное нивелирование. Периодичность повторных измерений определяется интенсивностью сдвижений, но не реже одного раза в месяц. Чаще всего нивелирование производится раз в две недели. Такая частота получения данных о сдвижении поверхности не дает возможности описать характер деформирования и обеспечить контроль подработки. В данном случае можно говорить лишь о выявлении конечных значений деформаций.
Наблюдения за плановыми перемещениями должно производиться отдельно. Его целью является определение горизонтальных сдвижений и деформаций поверхности. Фактически производится измерение длин интервалов между реперами, начиная и заканчивая базисной линией, с точностью, регламентированной ГОСТ 24846-81 [95]. Для определения характера деформаций поверхности и степени опасности подработки для наземных зданий и сооружений, производится дальнейшая обработка полученных данных измерений. Вычисляются значения оседаний и горизонтальных сдвижений, а за тем их производных –– наклонов im, кривизн Кт и горизонтальных деформации Єп : где г\т - оседание т-го репера; rw–i - оседание (т–\)-го репера; hm, m-\ -горизонтальное расстояние между реперами m и m–\\ гт - наклон т-го интервала; im–\ - наклон (яз–1)-го интервала; /ср - средняя длина интервалов; \ щп расстояние между реперами пит в данной серии наблюдений; l m - то же в начальной серии наблюдений.
Наряду с традиционными методами маркшейдерско-геодезического мониторинга на данный момент находят применение и современные, такие как системы на базе роботизированных тахеометров. Применение таких приборов позволяет получать данные о сдвижениях поверхности в автоматическом режиме с высокой точностью и необходимой частотой по трем направлениям. Наличие блока обработки информации позволяет получить такие параметры как скорость деформаций и производные по смещениям (таких как наклон и кривизна). В качестве деформационных марок здесь используются минипризмы (рисунок 2.6).
Основные принципы расчетов МКЭ при решении геомеханических задач. Особенности моделирования проходки тоннелей ТПМК с пригрузом забоя
Процессы изменения напряженно-деформированного состояния пород при подаче сбалансированного пригруза начинают проявляться по прохождении щита ТПМК под рассматриваемой точкой поверхности (рисунок 3.8). Подвижки, возникающие в районе контура выработки, развиваются с затуханием во все стороны от него и могут достигать земной поверхности, образуя зону сдвижений. В связи с тем, что в данном случае рассматривается технология строительства с перенагнетанием в заобделочное пространство, на поверхности образуется так называемая "антимульда", которая развивается вслед за движением забоя.
После прохождения щита стабилизация сдвижений на поверхности над осью тоннеля происходит на расстоянии еще 2-3 диаметров (рисунок 3.9).
Угол полных сдвижений (вертикальный угол линии соединяющей зону ТПМК и границу плоского дна) значительно зависит от степени заполнения заобделочного пространства, поэтому плохо поддается однозначной оценке.
Моделирование строительства в двухмерной постановке в данном случае было выполнено в два этапа. В первой фазе была произведена выемка породы и подача давления, имитирующего заполнение заобделочного пространства. Во второй происходила установка обделки тоннеля.
Распределение вертикальных сдвижений в массиве и на поверхности земли при трехмерной постановке расчета Не смотря на невозможность учета в данной постановке сдвижений, происходящих вдоль оси тоннеля, общая картина распределения деформаций в массиве и на поверхности оказалась схожей с трехмерной (рисунок 3.10, 3.11). При одинаковой степени выдавливания сечения на стадии имитирования заполнения заобделочного пространства распределение вертикальных сдвижений и горизонтальных деформаций в двумерной и трехмерной постановке различаются незначительно (рисунок 3.12, 3.13).
В качестве вывода необходимо отметить, что для учета влияния трехмерных эффектов, возникающих в результате имитации работы систем пригруза забоя и нагнетания в различных режимах, необходимо производить расчет на объемных моделях. В то же время удовлетворительная сопоставимость результатов моделирования в разных постановках позволяет использовать плоские модели для отработки ряда эффектов и выявления основных закономерностей.
Предварительное моделирование показало существенное влияние на результаты оценки сдвижений граничных условий, особенно при размерах расчетной области соизмеримых с глубиной тоннеля. Характеризуя проявления такого влияния на распределения сдвижений в мульде на поверхности, можно отметить, что искажения проявляются не только в краевых частях мульды, где влияние границы модели практически очевидно, но в зоне над тоннелем, где влияние границы в некоторых случаях трудно зафиксировать и учесть в расчетах.
В качестве граничных условий в МКЭ обычно используется запрет горизонтальных перемещений по вертикальным границам модели и вертикальных перемещений по нижней границе, что, разумеется, не соответствует реальным условиям механической работы пород в породных массивах и их влияния на развитие деформаций. Поэтому проблема выбора оптимальных размеров конечно-элементных моделей, которые позволили ли бы обеспечить достоверную оценку сдвижений при минимуме искажений, потребовала проведения дополнительных модельных расчетов.
При выборе размеров области моделирования следует исходить из принципа минимизации объемов расчетов. В то же время здесь необходимо учитывать влияние граничных эффектов, которые в моделях малого размера могут существенно повлиять на результаты расчетов даже в зоне максимальных сдвижений (в центре модели).
При моделировании строительства тоннелей ТПМК с пригрузом забоя граничные эффекты могут проявляться как в направлении вдоль оси тоннеля (при трехмерной постановке расчетов), так и в поперечном сечении.
Наиболее простым методом оценки влияния граничных условий является сопоставление результатов последовательных расчетов однотипных моделей с вариацией размера расчетной области. Для анализа влияния типовых граничных условий на результаты расчета НДС массива с тоннелем неглубокого заложения были построены трехмерные модели. Размер расчетной области в продольном оси тоннеля направлении был принят равным 10 диаметрам для определения зон стабилизации сдвижений на поверхности. В поперечном оси направлении размер модели изменялся от 4 до 20 диаметров. По результатам оценки для тоннелей, пройденных в режимах с перенагнетанием, можно сделать вывод о том, что по сечению вдоль оси тоннеля в непосредственной близости от границ модели наблюдается проявление завышенных значений поднятий (рисунок 3.14). Максимальные значение пучений поверхности над осью тоннеля в этой области на 35% превышают значения, зафиксированные на удалении от границы. Зона влияния граничных эффектов здесь распространяется на расстояние до двух диаметров. Стабилизация деформаций, по результатам моделирования, происходит на расстоянии 2-3 диаметров за щитом.
Анализ влияния основных факторов с использованием районирования
Поведение массива при проходке тоннеля во многом определяется физико механическими свойствами грунтов. При использовании данных полевых и лабораторных испытаний в процессе моделирования стоит помнить о возможности варьирования свойств массива в достаточно широких пределах (см. п. 1.2). В первую очередь это относится к модулю деформаций, который по результатам исследований оказывает наибольшее влияние на развитие сдвижений и деформаций в массиве (см. п. 3.7). В то же время в условиях активного и постоянно корректирующегося воздействия на массив (когда практически реализуется режим заданных перемещений) физико-механические свойства играют второстепенную роль при формировании мульды сдвижения на поверхности земли. В связи с этим в расчетной схеме в условиях применения технологии перенагнетания рекомендуется прямое использование результатов лабораторных исследований.
Важным при моделировании сдвижений и деформаций является учет геологических процессов, связанных с тектоническими процессами и загрязнением природными и техногенными источниками органической компоненты. Наличие таких геологических процессов может значительно повлиять на физико-механические свойства вмещающего массива, что также следует учитывать при моделировании.
При оценке влияния гидрогеологических факторов было показано, что учет обводненности массива приводил к снижению значений сдвижений на поверхности при прочих равных условиях. Результаты расчетов без учета обводненности показали большую сходимость с натурными данными в условиях строительства в Санкт-Петербурге и поэтому были в дальнейшем взяты за основу (см. п. 3.8). В то же время при наличии пород с высокими коэффициентами фильтрации в моделях необходимо учитывать влияние грунтовых вод в соответствии с данными об уровне пьезометрической поверхности.
В процессе создания моделей, как отмечалось ранее, важным является выбор наиболее оптимальных размеров расчетной области. По результатам проведенных исследований (см. п. 3.5), для условий строительства тоннелей мелкого заложения в неустойчивых породах четвертичных отложений минимальный размер модели, при котором возможно получение корректных данных исключающих влияние граничных эффектов, должен составлять 8–10 диаметров в направлении вдоль и поперек оси тоннеля. При задании граничных условий следует запретить горизонтальные смещения на вертикальных границах модели, запретить горизонтальные и вертикальные смещений на нижней границе. При построении сети элементов, в зоне контура тоннеля и в непосредственной близости от нее необходимо организовывать сгущение сетки конечных элементов, так как именно здесь следует ожидать получение больших градиентов по сдвижениям, деформациям и напряжениям.
По результатам сопоставления натурных данных и данных моделирования, в качестве наиболее корректно описывающей характер деформирования в данных условиях была принята упрощенная упругопластическая модель с упрочнением грунта (HS) (см. п. 3.6).
Важнейшим моментом при расчете сдвижений и деформаций массива в процессе строительства с использованием ТПМК является учет влияния технологических факторов. В процессе моделирования работы комплекса важно корректно имитировать работу основных влияющих на НДС массива подсистем, что возможно сделать лишь с опорой на натурные данные.
В качестве основных технологических показателей были выделены параметры работы системы пригруза забоя, системы нагнетания в заобделочное пространство.
Работу системы пригруза забоя следует моделировать с помощью распределенной нагрузки направленной по нормали к плоскости забоя. Ее значение должно увеличиваться от свода к лотку из расчета компенсации горизонтальной составляющей природных напряжений ЛуН в данных конкретных условиях. Давление подаваемого раствора в процессе нагнетания варьируется в достаточно широких пределах от кольца к кольцу и фиксируется датчиками в каналах системы нагнетания, что не позволяет охарактеризовать состояние, в котором находится раствор в заобделочном пространстве (см.п. 2.3). В связи с этим предлагается при имитации работы системы нагнетания оперировать в первую очередь средним значением смщения пород по контуру выработки, которое определяется дополнительным объемом раствора сверх теоретического (см. п. 3.2). Имитация такой работы системы нагнетания на моделях должна осуществляться с использованием неравномерной распределенной нагрузки, нарастающей к лотку пропорционально удельному весу нагнетаемого тампонажного раствора. Значение подаваемого давления не должно превышать величин, зафиксированных в системе подачи раствора в схожих горно-геологических условиях. Для условий строительства тоннелей большого диаметра мелкого заложения в Санкт-Петербурге данный показатель составляет 9 Бар (см. п. 3.2).
Зона действия нагрузки должна определяться исходя из технологических особенностей: времени схватывания и скорости проходки. Для условий использования однокомпонентного бентонитового раствора с учетом того, что нагнетания в заобделочное пространство происходит в течение двух передвижек щита, подачу нагрузки следует производить на каждой стадии проходки на 2-3 кольца, расположенных после конструкций щита.
Графическое представление описанной расчетной схемы отображено на рисунке 4.10. Конструкции щита следует имитировать в виде оболочки, которая представляет собой плоские элементы с эквивалентной жесткостью и толщиной. Значение удельного веса элементов назначается исходя из веса комплекса и обделки в данном конкретном случае. Цикл проходки и процесс продвижения щита в массиве необходимо моделировать с помощью по фазной выемки.