Введение к работе
Актуальность темы. Нормативы и правила инженерных изысканий, стандартные методы испытаний и статистического оценивания грунтов, описанные в специальной, научной и учебной литературе, отражают высокую степень изученности проблемы получения исходной инженерно-геологической информации. Между тем выполнение требований действующих нормативных документов в части установления категории инженерно-геологических условий и объема изысканий, методов определения свойств грунтов и статистического оценивания результатов выборочных испытаний не исключает возникновение аварийности и осложнений горно-строительных работ. Об этом убедительно свидетельствует накопленный опыт строительства перегонных тоннелей Екатеринбургского и Челябинского метрополитенов.
Несовершенство действующих нормативных документов объясняется тем, что теоретическую базу статистического оценивания грунтовых массивов и свойств грунтов составляют нормальный и логнормальный законы распределения, реализующие выборочные испытания. Такой подход не гарантирует истинность получаемых результатов и не отвечает современной прикладной статистике, основной составляющей которой являются непараметрические методы оценивания. Последние обладают несомненными достоинствами: высокой эффективностью, независимостью от вида распределений, надежностью для малых (объемами от 5 до 30 вариант) выборок. В целях инженерно-геологической схематизации грунтовых массивов эффективная непараметрическая проверка гипотез может быть выполнена в полностью автоматизированном режиме. Таким образом, тема диссертации, направленная на коррекцию и совершенствование инженерно-геологического анализа вмещающих массивов перегонных тоннелей метрополитенов на основе методов непараметрической статистики с выходом на количественные оценки инженерно-геологических рисков, является весьма актуальной.
Объект исследований - перегонные тоннели метрополитенов гг. Екатеринбурга и Челябинска.
Предмет исследования - методы статистического оценивания вмещающих массивов перегонных тоннелей метрополитенов.
Цель диссертации - коррекция и совершенствование инженерно-геологического анализа перегонных тоннелей метрополитенов в условиях нестабильности вмещающих массивов на основе методов непараметрической статистики.
Основная идея диссертации - повышение надежности инженерно-геологического анализа перегонных тоннелей на основе методов непараметрической статистики с последующим имитационным моделированием инженерно-геологических рисков и обоснование решений по строительству перегонных тоннелей с учетом инженерно-геологических рисков.
Основные задачи диссертации:
1) разработка методов повышения надежности информации по малым
объемам выборок;
2) исследование эффективности методов непараметрической статистики
для оценки вмещающих массивов перегонных тоннелей метрополитенов и
свойств грунтов, формирование комплекса из эффективных непараметрических методов, повышающих надежность инженерно-геологического анализа;
-
совершенствование методов оценки инженерно-геологической рисков, сопровождающих проектирование и строительство перегонных тоннелей;
-
обоснование стратегических, тактических и локальных схем строительства перегонных тоннелей (на примерах Екатеринбургского и Челябинского метрополитенов) в условиях высокой нестабильности вмещающих массивов.
Методы исследований. При выполнении работы использовались: обобщение результатов ранее выполненных работ; экспериментальные исследования свойств грунтов; вероятностно-статистическое оценивание вмещающих массивов; имитационное и численное моделирование; технико-экономическое обоснование технических решений с учетом инженерно-геологических рисков.
Защищаемые научные положения:
-
Повышение надежности инженерно-геологического оценивания вмещающих массивов перегонных тоннелей и инженерно-геологических рисков обеспечивает реализация вычислительного комплекса, формируемого из известных и разработанных непараметрических методов, предусматривающего их сопоставление с методами, основанными на постулате нормальности распределений выборок.
-
Определение механических характеристик грунтовых массивов по данным скважинной прессиометрии следует выполнять дифференциальным методом по схеме, позволяющей повысить точность и оперативность получаемой информации: сглаживание экспериментальных точек прессиометрической кривой «смещения -давления» кубичным полиномом - вычисление производных смещений по давлению в сглаженных точках - вычисление и линеаризация отношения сглаженных смещений и производной смещений - нахождение механических характеристик методом наименьших квадратов - тиражирование парной выборки - ранговая корреляция - определение статистик по протиражированной информации.
Достоверность защищаемых научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: экспериментальными исследованиями; вероятностно-статистическим анализом с использованием современных методов прикладной статистики; тиражированием малых выборок, сопоставлением с результатами инженерно-геологических исследований прошлых лет; реализацией в проектах строительства перегонных тоннелей.
Научная новизна результатов исследований:
-
Установлена целесообразность и необходимость коррекции существующих нормативных методов статистического оценивания свойств грунтовых массивов и грунтов, оперирующих малыми выборками (объемом от 3 до 30 компонентов) и постулирующими нормальность или логнормальность выборочной информации.
-
Доказаны результативность и преимущества проекционного метода определения плотности распределений малых выборок с использованием разложений в ряд Грамма-Шарлье по сравнению с нормальным распределением.
3. Доказана эффективность тиражирования (методы «Bootstrap» и
«Jacknife») малых выборок, полученных по результатам испытаний свойств
грунтовых массивов и грунтов, включающего предлагаемую процедуру генерации результатов выборочных испытаний рядами Грамма-Шарлье и Эджвуорта.
-
Разработан вариант дифференциального метода оценивания механических свойств грунтовых массивов с реализацией принципа тиражирования выборки по данным скважинных прессиометрических испытаний.
-
Разработаны критерии и модели обоснования проектных и управленческих решений по строительству перегонных тоннелей метрополитенов с учетом риска, определяемого методами непараметрической статистики, в т. ч. методика, синтезирующая 3 D методы конечных элементов и Монте-Карло.
Практическая значимость работы состоит: в разработке пакета из 17 программ, обеспечивающих полную сопоставительность предлагаемых непараметрических и существующих параметрических методов статистического оценивания, а также имитационных моделей стратегических, тактических, локальных проектных и управленческих решений по проектированию и строительству перегонных тоннелей метрополитенов в условиях высокой нестабильности вмещающих массивов.
Реализация результатов работы. Материалы исследования использовались при проектировании и строительстве пускового участка первой линии Челябинского метрополитена (МУП «Челябметротрансстрой») и могут быть переданы проектным и производственным организациям Екатеринбурга и Челябинска ОАО «Уралгипротранс» и ОАО «Челябинскдортранспроект», ЕМУП «УЗПС МЕТРО», ООО «Метрострой - ПТС» (г. Екатеринбург), МУП «Челябметротрансстрой», ООО «Спецподземстрой» (г. Екатеринбург). Пакет прикладных программ будет использоваться в учебном процессе.
Личный вклад автора диссертации заключается в сборе и обобщении материалов, постановке задач исследований, проведении экспериментов, выполнении научных исследований, обосновании и формулировании научных положений, выводов и рекомендаций диссертации.
Апробация работы. Содержание и основные результаты исследований обсуждались на семинарах Уральского отделения Тоннельной ассоциации России (2010, 2011, 2012 гг., г. Екатеринбург), семинарах кафедры шахтного строительства УГГУ (2009, 2010, 2011 гг., г. Екатеринбург), Международных конференциях «Современная механизация работ при строительстве тоннелей и освоении подземного пространства крупных городов» (2009 г., г. Москва), Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений (2010, 2013 гг., г. Екатеринбург), Уральской горнопромышленной декаде (2009, 2010,2012,2013 гг., г. Екатеринбург).
Публикации. Содержание диссертации опубликовано в девяти работах, в том числе в трех работах в изданиях, внесенных в список ВАК России.
Структура и объем работы. Диссертация включает общую характеристику работы, четыре главы, заключение, библиографический указатель из 112 наименований. Объем диссертации - 217 страниц компьютерного текста (14 кегль, шрифт «Times New Roman»), 71 таблицу, 75 рисунков, библиографический указатель из 112 источников.
