Содержание к диссертации
Введение
1 Общие сведения о деформациях 14
2 Исследование деформаций
2.1 Состояние вопроса 23
2.2 Определение параметров перехода между деформациями, полученными на различных интервалах между реперами наблюдательной станции 25
2.3 Связь кривизны и горизонтальных деформаций 32
2.4 Определение оптимального интервала между реперами профильной линии наблюдательной станции 35
2.5 Выводы по главе 38
3 Прогнозирование деформаций 40
3.1 Состояние вопроса 41
3.2 Общий подход к прогнозированию деформаций 44
3.3 Прогнозирование деформаций в устойчивых грунтах 47
3.4 Прогнозирование деформаций в неустойчивых грунтах 51
3.5 Выводы по главе 57
4 Наблюдения за деформациями 59
4.1 Исследование формы мульды деформаций 60
4.2 Исследование влияния интервала между реперами на результаты определения деформаций з
4.3 Определение граничных углов и углов сдвижения 67
4.4 Пример обработки архивной информации для оценки оседаний при сооружении микротоннелей в неустойчивых грунтах 70
4.5 Выводы по главе 72
Заключение 73
Список литературы
- Определение параметров перехода между деформациями, полученными на различных интервалах между реперами наблюдательной станции
- Определение оптимального интервала между реперами профильной линии наблюдательной станции
- Прогнозирование деформаций в неустойчивых грунтах
- Пример обработки архивной информации для оценки оседаний при сооружении микротоннелей в неустойчивых грунтах
Определение параметров перехода между деформациями, полученными на различных интервалах между реперами наблюдательной станции
На сегодняшний день существующие нормы предписывают сравнивать полученные в результате натурных наблюдений значения деформаций со справочными граничными и критическими значениями [8], [23], [26], [45], [49], [50], [53], [55], [56], [57], [60]. При этом граничные и критические значения деформаций приводятся для интервалов реперов 15-20 м. Очевидно, что не всегда возможно заложить подобный интервал, если рассматривать микротоннелирование в городских условиях. Кроме того, микротоннели проходятся на сравнительно не больших глубинах, до 30 м. В этом случае при граничном угле в четвертичных отложениях 45 в требуемый интервал попадает всего 3-5 реперов, что не позволяет получить всю полноту информации о форме и размерах мульды сдвижений.
На практике для наблюдений за деформациями в городских условиях целесообразно закладывать интервалы любой длины: чем меньше интервал - тем больше информации мы получаем о форме мульды. При этом, деформации, определенные на небольших интервалах, например, 2-5 м некорректно сравнивать с нормативными значениями для интервалов 15-20 м. Подобного рода сравнения приводят к неверной оценке рисков, с которыми строительные работы воздействуют на прилегающие здания и сооружения, а потому неправильно планируются мероприятия уменьшения воздействия на существующую застройку, а также не полностью реализуется потенциал подземного пространства.
На момент написания настоящей работы автором не были найдены материалы, обобщающие правила перехода от деформаций при одном интервале к деформациям при другом интервале. Ранее появлялись отдельные статьи на эту тему, например, В. Н. Новокшенов [47], В. Н. Гусев [15], [16], [18], но они относились к исследованию деформаций при разработке месторождений полезных ископаемых. Также в рамках данного исследования были опубликованы статьи В. Н. Гусева и А. Е. Журавлева [13], [14], [18], [19], которые были посвящены частным случаям распространения отдельных видов деформаций и не освещали закономерностей перехода в полном объеме.
Кроме этого, недостаточно исследован вопрос взаимосвязи точности определения деформаций и интервала между реперами: из известных автору публикаций имеется только статья самого автора [24], изданная в рамках настоящей работы и рассматривающая вопросы точности, относящиеся лишь к деформациям кривизны. 2.2 Определение параметров перехода между деформациями, полученными на различных интервалах между реперами наблюдательной станции
В процессе наблюдений за деформациями мы имеем дело с сырыми данными в виде горизонтальных и вертикальных смещений реперов наблюдательной станции. В результате обработки этих смещений становятся известны остальные параметры деформаций, основные из которых - кривизна, наклоны и горизонтальные деформации. Впоследствии полученные значения сравниваются с допустимыми, а также с ранее исследованными под влиянием подобных условий деформациями.
В то же время необходимо принимать во внимание, что числовые значения деформаций непосредственно зависят от интервала между реперами в профильной линии (рисунок 9). Из рисунка видно, что угол АОВ, характеризующий кривизну, уменьшается с увеличением длин отрезков АО и ВО.
Поэтому очевидно, что сравнение и сопоставление деформаций следует производить только при условии равенства соответствующих интервалов реперов в профильных линиях наблюдательных станций. Для осуществления такого перехода следует использовать коэффициенты (уравнения), с помощью которых можно перейти от деформаций, полученных на одном интервале, к деформациям другого интервала. Что, в конечном счете, позволяет корректно производить сравнительный анализ уровней достигнутых деформаций на различных участках геомеханического мониторинга, решать вопросы безопасной подработки зданий и сооружений через сравнение максимальных деформаций, полученных либо из натурных наблюдений, либо прогнозным способом, с допустимыми деформациями, которые также привязаны к определённому интервалу их получения.
Ниже приводится теоретическая взаимосвязь между деформациями, полученными на различных интервалах.
Полученные формулы (14) - (16) выражают функциональную зависимость деформаций от длины интервала между реперами в профильной линии в произвольной точке поперечного сечения мульды. С их помощью рекомендуется переходить между значениями деформаций, полученными при различных интервалах между реперами, что особенно важно при камеральной обработке архивной информации - данных, накопленных за многолетние наблюдения.
На практике в городских условиях зачастую невозможно выдерживать требуемые инструкциями интервалы между реперами 15-20 м. Кроме этого, архивная информация зачастую содержит сведения о деформациях, полученные при разных интервалах. В подобных случаях для приведения деформаций в соответствие, их последующего сравнения и анализа также предлагается применять формулы (14)-(16).
Определение оптимального интервала между реперами профильной линии наблюдательной станции
В неустойчивых обводненных грунтах движение щита происходит в текучей среде, и физический зазор между обделкой и грунтом Gp отсутствует. По той же причине не подлежат учету и случайные отклонения со и поэтому способ определения деформаций отличается от способа, рассмотренного в предыдущем подразделе для устойчивых грунтов. Кроме того, прогнозирование оседаний поверхности должно проводиться с использованием статистических данных о количестве потерянного грунта при сооружении тоннелей в аналогичных условиях. Эти данные следует получать путем анализа содержимого текстовых файлов с полной информацией о работе проходческого комплекса, которые записываются на жесткий диск щитового компьютера.
В слабом грунте щит не пробуривает отверстие, куда затем проталкивается тоннель, а поступательно вдавливается в грунт, раздвигая и одновременно выбирая его. В этих условиях на размеры мульды оседаний оказывает влияние объем потерянного грунта, который можно контролировать путем учета количества поданной в забой чистой воды и выдаваемой на поверхность водогрунтовой смеси (рисунок 22).
Отводящаяся из забоя водо грунтовая смесь состоит из: «чистой» воды, подаваемой в забой проектного объема отработанного грунта, который равен объему тоннеля потерянного грунта (объем которого превышает объем тоннеля) потерянной грунтовой воды. Подача чистой воды через питающую магистраль Забор воды с грунтом через транспортную магистраль Рисунок 22 - Щит и его гидротранспортная система
Основными факторами, определяющими величину оседаний поверхности, являются потерянный грунт и потерянная грунтовая вода. В призабойной камере находится датчик давления воды, с помощью которого оператор контролирует уровень грунтовых вод и поддерживает его естественное значение путем регулировки мощности транспортных и питающих насосов. Поэтому при соблюдении технологического процесса принимаем Aw = 0 . Тогда:
Таким образом, количество потерянного грунта при проходке в слабых грунтах равно количеству выданной водогрунтовой смеси за исключением поданной в забой чистой воды и объема тоннеля, занявшего выработанное пространство за рассматриваемый промежуток времени.
Проходческий щит оснащен датчиками расхода на питающей и транспортной магистралях, поэтому значения Atr и Af известны и записываются в память компьютера через определенные промежутки времени. Объем тоннеля, продвинувшегося поступательно в единицу времени At, Ttd1 выражается через площадь поперечного сечения тоннеля , умноженную на скорость движения тоннеля v. Эта скорость также регистрируется специальным датчиком и записывается в память компьютера. Поэтому можно записать: Ai=AA-—v (66) где АА - разница между количеством воды в транспортной и питающей магистралях, AA = Atr-Af. С другой стороны, количество потерянного грунта в единицу времени из формулы (4) для единичного объема мульды деформаций имеет вид: A,=v-j2xpxT]0 (67) Из формул (66) и (67) находим величину максимальных оседаний над тоннелем: АА ли2 Отсюда понятно, что величина максимальных оседаний непосредственно зависит от технологических параметров работы комплекса, в данном случае это разница расходов воды в питающей и транспортной магистралях АА, а также скорость движения щита v.
При соблюдении данного неравенства щит будет «передавливать» грунт, и при небольших отклонениях АА избыточное давление будет распространяться в массиве, не вызывая поднятия поверхности. Оператору проходческой машины рекомендуется поддерживать значение АА в соответствии с выражением (69) для исключения оседаний поверхности на проходке. График функции (69) для различных типов щитов представлен на рисунке 23. 50 о чи о о 30
Рассмотрим более детально особенности параметра «скорость проходки», v. Тоннель приводится в движение рамой продавливания, которая развивает давление Р (рисунок 24). Рисунок 24 - Рама продавливания
Это давление уравновешивается силой трения о грунт (которая зависит от длины и глубины тоннеля и свойств грунта) и силой сопротивления забоя. В свою очередь, сила сопротивления забоя напрямую зависит от разности расходов в транспортной и питающей магистралях АА. Таблица 1 иллюстрирует эту зависимость (для наглядности количество «чистой» воды, Af, не меняется).
Расход втрансп.магистр.,К Расход в питающ. магистр.,Af Разность расходов,АА Сопротив ление забоя Скорость, V увеличивав тся const увеличивав тся уменьшает ся увеличивается до тех пор, пока сопротивление забоя не вырастетнастолько, что снова станетуравновешивать давление рамыпродавливания Р уменьшает ся const уменьшает ся увеличивав тся уменьшается о тех пор, пока сопротивление забоя неуменьшится настолько, что давление рамы продавливания Р снова станет его уравновешивать Из таблицы понятно, что разность расходов АА и скорость проходки v -взаимозависимые параметры. На характер этой зависимости влияют свойства грунтов и параметры проходческого комплекса. Поэтому можно записать:
Поэтому можно заключить, что при проходке микротоннелей в неустойчивых грунтах деформации поверхности имеют функциональную зависимость от грунтовых условий, глубины и диаметра тоннеля, а также от скорости проходки и от режима работы гидротранспортной системы комплекса. от работы оператора и также от грунтовых условий. Для выявления характера зависимости этого отношения от грунтовых условий следует провести обработку архивных файлов, где содержатся значения разности расходов и скорости проходки, сопоставив их фактическим свойствам грунтов, приведенным в отчетах о геологических изысканиях для последующего использования этого сопоставления в качестве справочной информации. И далее, уже в стадии проектирования, на основе имеющихся сведений о свойствах грунтов определять
Прогнозирование деформаций в неустойчивых грунтах
Из выражений (39) - (40) следует, что с увеличением интервала точность определения деформаций на этом интервале повышается. Однако нужно учитывать, что с уменьшением количества наблюдаемых точек уменьшается достоверность определения деформаций. Для достижения компромисса следует избегать больших значений / и выразить длину интервала через средние квадратические погрешности в виде неравенства:
Для перехода от кривизны к горизонтальным деформациям рекомендуется использовать связывающий коэффициент, вычисляемый по формуле: с = — = B2z0. Этот коэффициент зависит от грунтовых условий и глубины тоннеля. 5. В процессе проектирования наблюдательной станции для определения оптимального интервала между реперами, исходя из заданной точности измерений сг , точности определения деформаций МіКє, а также учитывая, что с увеличением длины интервала достоверность определения деформаций уменьшается, предлагается использовать формулы:
В настоящем разделе детально разбираются механизмы происхождения и распространения деформаций при сооружении микротоннелей в устойчивых и неустойчивых грунтах. Исследуется зависимость деформаций от грунтовых условий, глубины и диаметра тоннелей, геометрических параметров проходческих щитов. Даются рекомендации по повышению эффективности прогнозирования деформаций с использованием полученных уравнений. 3.1 Состояние вопроса
Технология микротоннелирования появилась в России около 15 лет назад и с тех пор является основной в строительстве тоннелей небольших диаметров различного назначения. В общепринятом понимании микротоннелирование - это метод сооружения тоннеля, основанный на технологии продавливания труб, в котором управление проходческой машиной осуществляется удаленно, с поверхности земли. Диаметр микротоннелей обычно не превышает 2,5 м, но в мире известны случаи, когда диаметр составляет 3 м и более. На рисунке 17 изображен классический пример сооружения микротоннеля из специальной камеры.
Тоннелепроходческие комплексы проектируются таким образом, чтобы диаметр выработанного пространства превышал диаметр обделки тоннеля. В технологии продавливания труб подобный подход способствует уменьшению трения между поверхностью трубы и грунтом: образующийся зазор заполняется бентонитом и в плотных грунтах позволяет свести к минимуму влияние грунтовых условий на усилие продавливания. Трубный став движется в бентоните, и усилие продавливания мало зависит от трения о грунт. Однако в нестабильных, слабых грунтах зазор между трубой и грунтом отсутствует. При поступательном движении щита грунт обволакивает режущий орган, обжимая сам щит и трубы.
За последние годы в России (в основном, в Москве и Санкт-Петербурге) накопилось немало примеров успешного и экономически оправданного применения технологии микротоннелирования, в то время как негативные примеры практически отсутствуют. Однако традиционно в нормативном обеспечении строительства сохраняется некоторое отставание, и существующие нормы и правила не полностью учитывают весь широчайший спектр возможностей современного оборудования.
Одной из проблем современного тоннелестроения является изучение методов прогнозирования деформаций, возникающих под влиянием проходки. Своевременный и точный расчет последствий строительных работ является гарантией сохранности близлежащих сооружений. В то же время, меры по предупреждению и уменьшению деформаций позволяют прокладывать тоннели максимально близко к существующим объектам, что значительно расширяет возможности освоения подземного пространства города.
Еще в 1969 году Р. Б. Пек [80] сформулировал основные причины возникновения деформаций вследствие строительства тоннелей. Проведя исследования, он сделал вывод, что, как правило, деформации зависят от следующих причин:
Для применения в микротоннелировании автору представляется наиболее подходящей методика, предложенная К. М. Ли [75]. Однако, решение вопросов учета потерь грунта вследствие его перебора в забое при гидротранспортной системе транспортировки, связанные напрямую с режимом работы комплекса, автором на сегодняшний день не обнаружено. Кроме этого, в имеющейся нормативной документации отсутствуют рекомендации, касающиеся работы операторов микротоннельных комплексов с целью уменьшения оседаний поверхности земли и обеспечения сохранности существующих сооружений. И сегодня оператор полагается лишь на собственный опыт, принимая те или иные решения об управлении проходческой машиной в целях обеспечения безосадочной проходки.
В настоящей главе автором выявляются основные факторы, влияющие на деформации. Устанавливается взаимосвязь между режимом работы гидротранспортной системы комплекса и оседаниями поверхности земли. Попутно исследуется отношение максимальных оседаний поверхности к величине вертикальных смещений над сводом тоннеля, а также выявляется зависимость оседаний поверхности от диаметров щитов. Также автор показывает, что деформации поверхности напрямую зависят от режима работы комплекса, и приводит рекомендации по повышению объективности прогнозирования деформаций с помощью полученных уравнений путем обработки накопленной архивной информации о движении щита.
Пример обработки архивной информации для оценки оседаний при сооружении микротоннелей в неустойчивых грунтах
Методологической и теоретической основой диссертационного исследования послужили труды зарубежных и отечественных ученых в области изучения проблем деформаций грунтового массива и поверхности земли при сооружении тоннелей различного назначения. В процессе исследования были использованы следующие методы: методы натурных исследований процесса сдвижения горных пород (закладка наблюдательной станции в горных выработках и на земной поверхности, производство наблюдений по реперам профильных линий), а также метод идеализации, метод формализации, метод наблюдения, метод сравнения, метод аналогии, метод абстрагирования, метод индукции, метод дедукции и метод математической статистики.
Положения, выносимые на защиту 1. Сравнение, сопоставление и переход от одного вида деформаций к другому рекомендуется проводить только с учетом длин интервалов их получения, используя для этого специальные формулы перехода. 2. Оптимальный интервал между реперами в наблюдательной станции следует определять, исходя из заданной точности определения деформаций и точности измерений смещений реперов. 3. При проходке микротоннелей в дисперсных грунтах на деформации поверхности земли оказывает влияние технологические параметры работы проходческого комплекса. Поэтому наблюдения за деформациями и их прогнозирование рекомендуется выполнять с использованием имеющихся показаний датчиков проходческого комплекса с информацией о движении и работе щита.
Степень достоверности и апробация результатов Примеры практического применения положений настоящей работы содержатся в разделе 4, где приведены результаты обработки и анализа наблюдений при сооружении компанией ООО «СТИС» микротоннелей в Санкт-Петербурге. Так, на основе фактических данных, установлено совпадение формы мульды деформаций с ее описанием, используемым в разделе 1; установлена зависимость длины интервала получения деформаций от точности их определения, подробно описанная в разделе 2; определены граничные углы и углы сдвижения с использованием положений раздела 2; приведены результаты обработки архивных данных о работе проходческого комплекса на основе методики, предложенной в разделе 3.
Основные положения и результаты исследований были опубликованы в виде статей в сборнике научных трудов «Методы прикладной математики в транспортных системах», 2002г. [18], в журналах «Маркшейдерский вестник» за 2013-2014г. [13], [14], [19], [24], изложены на XV международном маркшейдерском конгрессе в Аахене, Германия, 2013г., а также на Всероссийской маркшейдерской конференции, проводимой Союзом маркшейдеров России, 2014г.
Личный вклад автора - проведение, обработка и анализ натурных наблюдений деформаций при сооружении микротоннелей; - обоснование функциональных зависимостей значений деформаций от длины интервала между реперами в профильных линиях наблюдательных станций; - обоснование функциональных зависимостей длины интервала между реперами в профильных линиях от заданной точности определения деформаций; обоснование функциональной зависимости величин деформаций поверхности земли от технологических параметров работы комплекса; - разработка методики определения граничных углов по данным натурных наблюдений с применением формул перехода между деформациями при различных интервалах. Публикации. Основное содержание работы отражено в 5 печатных работах, из них 4 - в журналах, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных изданий, определяемый ВАК Министерства образования и науки РФ.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 92 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение, заключение, библиографический список из 86 наименований. В работе 31 рисунок и 6 таблиц. Основное содержание работы В Разделе 1 приводятся общеизвестные принципы и механизмы распространения деформаций, а также существующие подходы к исследованию деформаций, на которых построено настоящее исследование.
Показаны геометрические схемы распространения деформаций в устойчивых и неустойчивых грунтах; факторы, влияющие на форму и размеры мульды оседаний; параметры, с помощью которых принято описывать величину и характер сдвижений и деформаций. Также приводится классическая методика оценки смещений точек на поверхности земли; описывается ряд случаев, которые не рассматриваются в настоящей работе. Анализируется типовой график мульды оседаний с указанием характерных точек в поперечном сечении мульды.
В Разделе 2 на основе положений раздела 1 предлагается математическое описание закономерностей распространения деформаций, а также зависимости величин деформаций от интервалов между реперами. Кроме этого, выводятся формулы перехода между значениями деформаций, определенными на различных интервалах, выявляется зависимость горизонтальных деформаций от кривизны и рассматривается уравнение перехода между этими видами деформаций. Также устанавливается взаимосвязь точности определения деформаций и длины интервала, даются рекомендации по расчету значений интервалов при проектировании наблюдательной станции с целью достижения заданной точности определения деформаций.
В Разделе 3 разбираются механизмы происхождения и распространения деформаций при сооружении микротоннелей в устойчивых и неустойчивых грунтах. Исследуется зависимость деформаций от грунтовых условий, глубины и диаметра тоннелей, геометрических параметров проходческих щитов. Выявляются основные факторы, определяющие величину максимальных оседаний. Выводится формула для отношения максимальных оседаний поверхности при использовании щитов Herrenknecht различных диаметров.
Рассматриваются особенности проходки тоннелей в неустойчивых грунтах, анализируются причины появления деформаций, а также даются рекомендации по повышению объективности прогнозирования деформаций с помощью полученных уравнений путем обработки накопленной архивной информации о работе проходческого комплекса.
В Разделе 4 с целью сопоставления практических измерений теоретическим изысканиям приводятся результаты камеральной обработки проведенных в рамках настоящего исследования наблюдений за деформациями поверхности земли во время сооружения трех микротоннелей в составе Главной водопроводной станции Санкт-Петербурга. Анализируются результаты наблюдений за деформациями на предмет соответствия двум моделям распространения деформаций: модели Муллера и Пека на основе распределения Гаусса и модели Подакова на основе фактических данных, обработанных ВНИМИ.
С применением предложенных функций перехода между деформациями и зависимости деформаций от длин интервалов предлагается методика определения граничных углов и углов сдвижения, где учитывается необходимость перехода между значениями деформаций на различных интервалах. Также приводится пример обработки архивных данных щитового компьютера на основе предложенных формул раздела 2.