Введение к работе
Актуальность работы, При строительстве туннелей в сложных горно-геологических условиях, характеризующихся наличием слабых и обводненных пород, наряду о креплением применяются специальные мероприятия по упрочнении массива путем нагнетания скрепляющих растворов из забоя или через уже сооруженную обделку, что позволяет обеспечить снижение остаточных напоров подземных вод, воздействующих на конструкцию, повысить модуль деформации окружающей тукнель породы и уменьшить анизотропию ее свойств.
Наличие вокруг туннеля зоны укрепленных пород, как правило, оказывает благоприятное влияние на напряженное состояние обделки, увеличивая несущую способность системы "обделка-массив" и повияая вапас ео прочности прн различная сочетаниях действующих нагрузок.
Вместе с тем, в процессе нагнетания скрепляющего раствора в массив через пробуренные .в обделке скважины создается локальное нагружение конструкции вблизи кэлдой из них, что вызывает появление дополнительных напряжений и усилий в обделке и мелет привести к ее разрушению.
В связи о этим нормативно-техническими документами рекомендуется при расчете обделок на различные сочетания нагрузок учитывать кратковременное воздействие давления раствора при его нагнетании за туннельную обделку.
Имеющиеся в настоящее время методы, основанные на современных представлениях механики подземных сооружении о взаимодействии подземных конструкций и окружающего массива пород как элементов единой деформируемой системы, позволяют производить расчеты обделок туннелей на статические нагрузки и сейсмические воздействия, в том числе - с учетом наличия вокруг туннеля зоны пород, укрепленных цементацией. Аналогичных ке методов расчета обдалок туннелей на давление раствора, нагнетаемого в произвольно расположенные скважины, до настоящего времени не имелось.
В связи с этим разработка указанных методов расчета обделок является актуальной.
Диссертационнаяработа связана с темой К3 03-95 "Разработка теории и методов расчета конструкций подземных сооружений", выполняемой по .плану ТулГУ.
Цель работы состоит в создании метода расчета обделок туннелей произвольного поперечного сечения на давление раствора, нагнетаемого ва Обделку в одну іти несколько произвольно расположенных скважин, позволяющего обеспечить прочность обделки и в ряде случаев выявить возможность применения Оолее высоких давлений нагнетания раствора, что способствует повышению эффективности цементационных работ и сокращению сроков их выполнения.
Идея работы заключается в математическом моделировании взаимодействия обделки туннеля и массива пород как элементов единой деформируемой системы, испытывающей воздействие давления нагнетаемого1 раствора.
Методы исследования включают аналитическое решение соответствующей контактной задачи теории упругости с использованием теории аналитических функций комплексного переменного, аппарата конформных отображений и комплексных рядов, разработку программного обеспечения для ЭВМ, выполнение много-вариантных расчетов с целью исследования вависимости напряженного состояния обделок туннелей, вызываемого цементацией пород гт основных влияющих факторов, сравнение, результатов расчета с имеющимися ревениями частных задач, полученными другими авторами.
Научные положения, разработанные лично со. искателем, и их новизна:
- разработана математическая модель взаимодействия обделки туннеля произвольного поперечного сечения с массивом пород при нагнетании в массив скрепляющего раствора, дающая возможность пространственную задачу о локальном давлении раствора приближенно заменить эквивалентной плоской задачей и позволяющая учесть основные факторы, существенно влияющие на напряженное состояние конструкции - форму и размеры поперечного сечения обделки, деформационные и прочностные характеристики материала обделки, радиус, число и расположение скважин, в которые одновременно нагнетается раствор, тип пород (скальные или песчано-гравелистые), их деформационные характеристики, коэффициент фильтрации, пористость и коэффициент заполнения пор нагнетаемым раствором (или активную пористость), вид нагнетания (через перфорированную трубку или ч-рез открытый конец нагнетателя), удельный вес и вязкость нагибаемого раствора;
. - получено новое аналитическое решение плоской контактной
- 5 -задачи теории упругости для кольца произвольной формы (с одной осью симметрии), моделирующего обделку, подкрепляющего отверстие в линейно-деформируемой среде, моделирующей массив пород, при граничных условиях, отражающих непрерывность перемещений и касательных напряжений на контакте обделки с массивом и наличие на отдельных участках линии контакта переменных'скачков нормальных напряжений, моделируюших воздействие раствора, нагнетаемого ва обделку в одну или несколько произвольно расположенных скважин (на остальной части линии контакта напряжения непрерывны), а также отсутствие внешних сил на внутреннем контуре поперечного сечения обделки;
на основе полученного решения контактной задачи разработан метод расчета обделок туннелей на действие давления раство-" ра, нагнетаемого ва обделку при цементации пород;
разработана методика определения максимального допускаемого давления нагнетания раствора в зависимости от расположения скважины;
исследованы зависимости нормальных тангенциальных напряжений, возникающие на внутреннем контуре поперечного сечения обделки, и максимального допускаемого давления нагнетаемого раствора от отношения модулей деформации породы и материала обделки и относительной толщины- обделки.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается высокой точностью (с погрешностью не более 5 X) удовлетворения граничных условий контактной задачи, удовлетворительным согласованием .(отличия в пределах 0,3 X) получаемых в частных случаях результатов с решениями других авторов.
Научное значение диссертационной работы состоит в разработке математической модели вваимодеиствия обделки туннеля произвольного поперечного сечения с массивом пород при давлении нагнетаемого раствора; получении решения плоской контактной задачи теории упругости, положенного в основу разработанного метода расчета обделок туннелей на давление раствора, нагнетаемого в массив.при цементации пород; установлении зависимостей нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре поперечного сечения обделки от основных влияющих факторов.
Практическое значение работы состоит в создании метода и алгоритма расчета обделок туннелей на давление раствора, нагнетаемого в массив при цементации пород, равработке
Ы2ТОД5ЗД5 определения «аксииадького допускаемого давления нагие-' уанвя раствора в зависимости от расположения скважины, позволяющей з ріде' случаев применять более высокие давления нагнетания растворе, что приводит к повышению эффективности цементационных' работ и сокращении сроков их выполнения; разработке программы цжп. 0 ЭВМ, позволяющей производить многовариантные расчеты в целях практического проектирования.
Реализация результатов работы: Результаты диссертации использованы ОШ "Гидроспецпроект" при проектировании обделок гидротехнического туннеля (тестовый проект), Кандакского автодорожного туннеля, автодорожного туннеля ь г. Дамаске и трех типов обделок деривационного туннеля Май-какской ГЭС; Выполненные расчеты позволили выявить дополнительный аааас прочности обделки, а, следовательно, и возможность применения солее высоких' давлений нагнетания раствора, что, в своз очередь, приводит к повышению эффективности цементационных работ и сокращении сроков их выполнения.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на семинаре XVII зимней школы во механике горных пород ( Польша, 1994 г.), на двух заседаниях секции расчета и проектирования тоннелей Тоннельной ассоциации (Г. Туда, 19а4,. 1996 гг.), на научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников Тульского государственного университета (Г.Тула 1992, 1993, 1994, 1995, 1996 ГГ.).
П у О а и к а ц и и . По теме диссертации опубликовано . 5 печаткам работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, содержит 107 стр., включая 88 рис., 5 табл., список литературы из 801 наименования и одно приложение.
