Введение к работе
Актуальность работы. В связи с расширяющимся строительством подземных сооружений 9 сложных горно-геологических условиях, характеризующихся большими глубинами, наличием слабых, нарушенных и сильно обводненных пород, повышенной тектонической и сейсмической активностью, особую актуальность приобретают вопросы повышения качества проектных решений на основе развития и совершенствования методов расчета подземных конструкций.
В настоящее время в практике подземного строительства широкое применение получили конструкции, к которым относятся, в частности, крепь с управляемой несущей способностью, усиливаемая поэтапным возведением технологически и конструктивно сочетаемых элементов, набрызгбетонная крепь в сочетании с анкерами или арками и др. Как многослойные также могут рассматриваются конструкции из железобетона, в которых выделяются однородные слои из бетона и неоднородные - из бетона в сочетании с металлической арматурой, и обделки из тюбингов, при выделении в них слоев спинок и ребер, включая межреберное заполнение, и пр. Кроме того, в процессе проходки выработки окружающий ее массив обычно подвергается активному воздействию, в результате которого вокруг выработки формируется зона так называемой технологической неоднородности пород, в пределах которой их деформационные и прочностные свойства изменяются с удалением от поверхности выработки. Так, в результате влияния буровзрывных работ вокруг выработки формируется зона ослабленных пород. Проведение же наряду с креплением специальных мероприятий по упрочнению окружающего массива путем нагнетания скрепляющих растворов из забоя выработки (предварительное упрочнение) или через уже сооруженную крепь (последующее упрочнение), позволяет значительно повысить модуль деформации породы вокруг сооружения. Выделяя в зоне технологической неоднородности пород слои с различными механическими свойствами и рассматривая эту зону как многослойную, можно с достаточной точностью, аппроксимировать практически любой закон изменения (в том числе и непрерывного - при выделении большого числа слоев малой толщины) деформационных характеристик пород.
Имеющиеся в настоящее время методы, расчета крепи подземных сооружений круглого поперечного сечения, основанные на аналитических решениях контактных задач для многослойного кольца, подкрепляющего отверстие в весомой линейно - деформируемой или вязкоупругой (в рамках теории линейной наследственной ползучести) среде, моделирующей массив пород, позволяют достаточно строго оценивать напряженное состояние многослойных крк-трукций, в том числе - в составе комплекса взаимо-влияющих параллельных тоннелей, расположенных в трансверсапьно-нзотропном массиве пород, тоннелей мелкого заложения.
Существующие методы расчета для крепи выработок некругового поперечного сечения, основанные на аналитических решениях плоских контактных задач теории упругости для одно- или двуслойного кольца произвольной формы (с одной осью симметрии), позволяют определять напряженно-деформированной состояние монолитной крепи (обделки), в том числе - сооружаемой с применением инъекционного упрочнения пород, набрызгбе-тонной крени в сочетании с анкерами, двуслойной конструкции (например, сталебетонной) при основных видак статических, тектонических и сейсмических воздействий.
Аналогичных методов расчета подземных конструкции произвольного поперечного сечения, более адекватной моделью которых является многослойное некруговое кольцо в линейно-деформируемой или вязкоупругой среде, до настоящего времени не имелось. Отдельные результаты, которые, в принципе, могут быть получены на основе численного моделирования, например, с использованием метода конечных элементов (МКЭ), вряд ли можно расценивать как решение указанной проблемы', поскольку рассмотрение большого количества тонких слоев из разных материалов, вносит дополнительные существенные трудности, связанные с достижением необходимой точности расчета, преодоление которых имеет смысл при проектировании только уникальных объектов.
В связи с этим разработка аналитического метода расчета многослойных подземных конструкций произвольного поперечного сечения с учетом технологической неоднородности окружающих пород на статические, тектонические и сейсмические воздействия является актуальной научной проблемой, решение которой открывает новые возможности для совершенствования проектирования подземных сооружений различного назначения, способствуя повышении) их надежности, а в ряде случаев - научно обоснованному принятию более экономичных проектных решений.
Работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой 08-95 "Разработка теории и методов расчета конструкций подземных сооружений", тематического плана НИР ТулГУ 1996-2000 г.г. и поддержана грантами РФФИ (проект № 98-05-64016) и Министерства общего и профессионального образования РФ (1998 г.).
Цель работы состоит в разработке математической модели взаимодействия многослойной крепи (обделки) с технологически неоднородным массивом пород при статических, тектонических и сейсмических воздействиях, позволяющей учитывать основные особенности конструкции и техно-логин ее сооружения, и аналитического метода расчета многослойных обделок тоннелей и крепи подземных сооружений произвольного поперечного сечения с учетом технологической неоднородности окружающего массива на действие собственного веса пород или тектонических сил в массиве, внешнего давления подземных вод, внутреннего напора л на сейсмические воздействия землетрясений, чго позволит повысить надежность проектируемых
подземных сооружетш и в ряде случаев облегчить конструкции, снизив их толщину или процент армирования.
Идея работы заключается в рассмотрении многослойной подземной конструкции и окружающего технологически неоднородного массива пород как единой деформируемой системы на основе новых аналитических решений плоских контактных задач о равновесии многослойной системы общего вида (границы слоев могут представлять собой различные замкнутые' кривые, в том числе - без осей симметрии, имеющие неровности, аппроксимируемые пшотрохоидалыгой кривой), подкрепляющей отверстие в линейно-деформируемой или вязкоунругой (п рамках теории линейной иаследст-' венной ползучести) среде при граничных условиях, отражающих совместное деформирование среды и слоев системы, моделирующей конструкцию и технологически неоднородную часть массива при статических, тектонических и сейсмических воздействиях.
Методы исследования . включают аналитические решения плоских контактных задач теории упругости с использованием теории аналитических функций комплексного переменного, аппарата конформных отображений, комплексных рядов Лорана и полиномов Фабера; разработку программного обеспечения для ПЭВМ; выполнение многоварнантных расчетов с целью исследования напряженного состояния многослойных подземных конструкций различного назначения с учетом особенностей технологии их сооружения; сравнение результатов расчетов с решениями частных задач, п том числе - методом конечных элементов (МКЭ), а также с данными натурных исследований,' полученными другими авторами.
Научные положения; разработанные лично соискателем, и их новизна:
разработана математическая модель взаимодействия многослойных подземных конструкций произвольного поперечного сечения с массивом пород, обладающим технологической неоднородностью, при статических, тектонических и сейсмических воздействиях;
получены новые аналитические решения ряда плоских контактных задач, теории упругости для, многослойного некругового кольца с границами слоев, в общем случае представляющими собой различные непересекающиеся замкнутые кривые (без осей симметрии), имеющие нерогшости, аппроксимируемые гипотрохойдалыЮй кривой, подкрепляющего отверстие в линейно-деформируемой среде при граничных условиях, отражающих непрерывность векторов напряжений и смещений на линиях контакта; наличие начальных напряжений, главные оси которых могут быть наклонены по отношению к вертикали и горизонтали; действие на внутреннем контуре лг.чейко изменяющегося по высоте давления и наличие на бесконечности двухосного, неравнок'омпонентного.сжатия и чистого сдвига под произвольным углом « вертикал» и горизонтали;
на основе полученных решений разработан новый \;огод ря:чегя м»ч
юслопных подземных конструкции с учетом технологической неоднородности пород, в том числе - подверженных ползучести (учет реологических свойств пород производится на основе теории линейной наследственной ползучести с использованием метода переменных модулей) на действие соб-C1 венного веса пород, тектонических сил в массиве, давления подземных под, внутреннего напора и на сейсмические воздействия землетрясений;
-- разработаны алгоритмы и комплекс программ для ПЭВМ, позволяющий производить многовариатные расчеты широкого класса подземных конструкций различного назначения в целях практического проектирования;
выполнена проверка точности удовлетворения граничных условий рассмотренных контактных задач и произведено сопоставление получаемых результатов с аналитическими и численными решениями частных задач и данными натурных наблюдений, полученными другими авторами;
на конкретных примерах выявлены закономерности формирования напряженного состояния бетонной обделки транспортного тоннеля и обделки из бетона с внутренней стальной облицовкой напорного гидротехнического тоннеля, сооружаемых с применением укрепительной цементации пород, ослабленных вследствие ведения буро-взрывных работ; железобетонной, ме-таллобетонной и набрызгбегонной в сочетании с анкерами крепи капитальных, горных выработок при действии собственного веса пород, тектонических сил в массиве, внешнего давления подземных вод, внутреннего давления воды и при сейсмических воздействиях землетрясений.
Достоверность научных положений и выводов диссертации под
тверждается высокой точностью (с погрешностью не- более 2%) удовлетво
рения граничных условий решаемых контактных задач, практически полным
(отличия не превышают 3%) совпадением результатов с данными, получен
ными при решении частных задач аналитическими методами, удовлетвори
тельным согласованием результатов с данными численного моделирования
методом конечных элементов (отличия в среднем составляют 15% ), а также
качественным соответствием результатов расчета Данным натурных иссле
дований.
Научное значение диссертационной работы состоит в разработке математической модели взаимодействия многослойной- подземной конструкции (слои могут возводиться с отставанием друг от друга) с массивом пород, обладающим технологической неоднородностью, в том числе -подверженным ползучести, при статических, тектонических и сейсмических воздействиях; получении новых аналитических решений ряда плоских контактных задач теории упругости для многослойного кольца общего вид (границы'слоев могут представлять собой различные замкнутые непересе кающиеся кривые с неровностями, аппроксимируемыми гипогрохоидально» кривой), подкрепляющего отверстие в лннейнс—деформируемой среде:; раз работке на их основе метода расчета многослойных подземных конструкцій' произвольного поперечного сечения'с учетом технологической неоднород
ности пород на статические, тектонические и сейсмические воздействия; установлении закономерностей формирования напряженного состояния ряда подземных конструкций при различных способах их сооружения.
Практическое значение диссертации состоит н разработке алгоритмов расчета многослойных подземных конструкций произвольного поперечного сечения с учетом технологической неоднородности окружающего массива и особенностей технологии их возведения на статические, тектонические и сейсмические воздействия и в создании соответствующего программного обеспечения для ПЭВМ, позволяющего производить многовариантные расчеты широкого класса подземных конструкций-в целях практического проектирования.
Реализация работ ы. Разработанный метод отражен и "Инструкции по расчету горизонтальных выработок рудных шахт в тектонически активных районах (применительно к условиям Кнмперсайских месторождений хромитовых руд Донского ГОКа)", утвержденной Минчерметом СССР в 1987 г.; "Инструкции по расчету и применению облегченных видов крепей с анкерами в вертикальных стволах (РД 12.18.089-90)", утвержденной Минуглепромом СССР в 1990 г., а также в норматизно-технпческом документе "Проектирование и технология инъекционного закрепления грунтов при строительстве транспортных тоннелей", М.: АО "Ленметропшротранс", 1997 г., разработанном в Сибирским научно-исследовательским тоннельным центром (СибТОЫ) с участием Тульского государственного университета н Бамтоішельстроя в развитие глав СНИП по проектированию, производству и приемке работ при строительстве тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях, п том числе - при преодолении зон тектонических разломов.
Разработанный меюд расчета и программный комплекс для ПЭВМ переданы в 1992 - 1993 г.г. АО "Институт Гидроспедпроект" (г. Москва) и после апробации при проектировании обделок Шамалдысайского и Каидакского автодорожных тоннелей, Деривационного туннеля Памирской ГЭС и др., включены и качестве соответствующих компонентов в САПР "ТОННЕЛЬ", а также положены в основу-"Методических рекомендаций но внедрению Но-Ео-Апстрийского метода при проектировании и строительстве тоннелей различного назначения" в качестве базовой расчетной методики.
Результаты диссертационной работы использованы Институтом горною дела УрО РАН и проектным институтом "Уралгнпроруда" при расчете параметри крепи капитальных зкработок горно-рудных предприятий Урала и Казахстана, а іаігд.е ЗАО "Уоннельпроект" (г. Тула) при разработке проектной документации на проведение капитальною ремонта обделки водопропускного тоннеля на 27 км железнодорожного перегона Орел-Елец.
Апробация раб о.т ы. Основные положения работы докладывались на VII Всесоюзной научной отколе "/(сформирование н разрушение мгпсрна'юн с дефектами и динамические явления в горных породах и пыра-
ботках" (г. Симферополі, 1990 г.), на Международном Симпозиуме
"Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительст
во и сложных горно-іеологическнх условиях" (г. Белгород, 1991 г.), на Ме
ждународной конференции "Геомеханика 93" (г. Острава, Чехия, 1993 г.), на
16-м Всемирном Горном Конгрессе ""Горная промышленность на пороге
XXI века" (г. София, Болгария, 1994 г.), на Международном .Симпозиуме
"Геотехнические аспекты подземного строительства в слабых грунтах"
(г. Лондон, Великобритания, 1996 г.), на 1-й Международной конференции
но проблемам экологии и безопасности жизнедеятельности (г.Тула, 1997 г.),
на XX Зимней школе по механике горных пород .(г. Вроцлав, Польша,
1997 г.), на научном семинаре, проводимом в рамках Недели горняка-98 (г.
Москва, 1998), на заседаниях секции расчета и проектирования тоннелей
Тоннельной ассоциации (г. Тула, 1994, 1996, 1997 г.г.), на ежегодных науч
но-технических конференциях преподавателей и сотрудников ТулГУ ( г.. Ту
ла, 1993 -1998 г.)
П у б л и к а ц и и по теме диссертации опубликовано 54 печатных работы, в.том числе - 1 монография.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, содержит 292 с, включая 44 рис., 20 табл., список литературы из 228 наименований, и три приложения.
Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность своему З'шгелго.и научному консультанту д.т.н., проф. ФогиевойН.Н- за помощь при выполнении работы и д.т.и., проф. Н.С.Булычеву за ценные советы и замечания, а также коллективу кафедры механики материалов ТулГУ^за содействие, оказанное в процессе подготовки диссертации.
