Содержание к диссертации
Введение
1. Железнодорожные тоннели и особенности их проектирования 10
1.1 Потребительские свойства железнодорожных тоннелей 10
1.2 Требования к проектированию железнодорожных тоннелей. Расчетные технологии 15
1.2.1 Нагрузки и воздействия 15
1.2.2 Расчетные модели статической работы тоннелей 16
1.2.3 Расчеты тоннелей на динамические воздействия 21
1.3 Подземная среда и формы ее геодинамической активности 25
1.3.1 Модели напряжений и деформации земной коры 26
1.3.2 Формы проявления геодинамической активности 29
1.3.3 Оценка величин смещений земной поверхности инструментальными методами 30
1.4 Краткая характеристика и особенности проектирования Северо-Муйского железнодорожного тоннеля 34
1.5 Цели и задачи исследования 42
2. Расчетные модели тоннеля при внешних геодеформационных воздействиях 43
2.1 Геодеформационные воздействия на тоннель в результате смещений горных блоков 43
2.2 Реакция тоннелей на сейсмические события 45
2.3 Математическая модель тоннеля как балки на упругом основании бесконечной длины
2.3.1 Аналитическое решение определения усилий в тоннеле при смещениях по границе горных блоков 55
2.3.2 Численные исследования с помощью математической модели балки на упругом основании 64
2.4 Численная объемная конечно-элементная модель тоннеля 73
2.5 Выводы по главе 77
3. Экспериментальные исследования работы Северо-Муйского тоннеля 78
3.1 Обоснование задач проведения инструментальных исследований 78
3.2 Исследование распределения деформаций в тоннеле методом «разгрузки» с использованием фотоупругих датчиков 80
3.2.1 Описание метода разгрузки с использованием фотоупругих датчиков 80
3.1.2. Анализ остаточных деформаций в тоннельных конструкциях 84
3.3 Изучение изменения деформаций конструкций тоннеля во времени 89
3.3.1 Описание условий проведения инструментальных наблюдений 89
3.3.2 Анализ продольных деформаций в стенах обделки 92
3.3.3 Анализ продольных деформаций в путевом бетоне 97
3.4 Выводы по главе 101
4. Учет при проектировании железнодорожных тоннелей особенностей их взаимодействия с неоднородными грунтовыми массивами 102
4.1 Условия обеспеченности проектных решений тоннельных обделок в неоднородных грунтовых массивах на разных стадиях 102
4.1.1 Стадия изысканий 102
4.1.2 Стад ия проектирования 104
4.1.3 Стадия строительства 105
4.1.4 Стадия эксплуатации 106
4.2 Исследование работы обделок тоннеля при вертикальных смещениях горных блоков 108
4.2.1 Постановка задачи исследования и принятые допущения 108
4.2.2 Исследование работы бетонной обделки 110
4.2.3 Исследование работы чугунной обделки 114
4.2.4 Рекомендации по учету геодеформационных воздействий 116
4.3 Система автоматизированного мониторинга тоннеля для контроля условий обеспечения проектных решений 118
4.3.1 Цели и задачи автоматизированного мониторинга 118
4.3.2 Организационная структура системы мониторинга 123
4.3.3 Оперативный контур системы мониторинга 126
4.3.4 Аналитический контур системы мониторинга 134
4.4 Рекомендации по проектным решениям ремонтных технологий 137
в железнодорожных тоннелях 137
4.4.1 Общие принципы ремонтных технологий 137
4.4.2 Технология создания проектных решений ремонта тоннеля при просадках пути 138
4.5 Выводы по главе 144
Заключение 145
Список литературы
- Нагрузки и воздействия
- Математическая модель тоннеля как балки на упругом основании бесконечной длины
- Исследование распределения деформаций в тоннеле методом «разгрузки» с использованием фотоупругих датчиков
- Исследование работы обделок тоннеля при вертикальных смещениях горных блоков
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Транспортные магистрали являются жизненно важными «артериями» производственной и социальной сферы как отечественной, так и мировой экономики. Особое место в России занимает железнодорожный транспорт. На современном этапе активно развивается сеть транспортных скоростных и высокоскоростных железнодорожных магистралей. Приоритетными целями транспортной стратегии являются обеспечение безопасности и эффективности перевозок пассажиров и грузов. Техническая безопасность железнодорожного пути и его сооружений зависит от соответствия конструктивных решений природным и функциональным условиям эксплуатации, грузонапряженности, технологий их содержания и ремонта. Наименее управляемыми являются внешние природные факторы. Безопасность и эксплуатационная надежность железнодорожного пути и других протяженных транспортных сооружений (дороги, мосты, тоннели, трубопроводы) Сибири и Дальнего Востока зависят не только от режима грузовых потоков, но и от климатических, а также геодинамических факторов.
Немаловажную роль в грузоперевозках играет Байкало-Амурская магистраль, проходящая в регионе со сложнейшими инженерно-геологическими условиями. Пересечение горных участков осуществляется с помощью тоннелей, среди которых наиболее уникальным сооружением является Северо-Муйский железнодорожный тоннель. Опыт эксплуатации протяженных транспортных сооружений в регионе геодинамически активной Байкальской рифтовой зоны показывает, что при их проектировании необходимо учитывать ряд особенностей проявления геодинамики в горных неоднородных массивах.
Степень разработанности темы. Теоретические и практические основы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных тоннелей в различных аспектах разрабатывали многие ведущие российские ученые:
Ю. И. Айвазов, К. П. Безродный, Н. С. Булычев, С. Н. Власов, В. А. Гарбер, Д. М. Голицинский, Е. А. Демешко, И. Я. Дорман, Б. А. Картозия, А. П. Ледяев, Л. В. Маковский, В. Е. Меркин, А. Г. Протосеня, Н. Н. Фотиева, Ю. С. Фролов и другие специалисты.
Научные основы современных представлений о формировании земной поверхности и взаимодействии верхних пластов с искусственными сооружениями заложены трудами многих ученых и специалистов в области геодинамики: Н. А. Флоренсов, Ю. А. Мещеряков, Н. И. Николаев, Н. А. Логачев, В. П. Солоненко, К. Г. Леви, С. И. Шерман и др.
Современные нормативные требования, опыт и практика проектирования транспортных тоннелей, как в России, так и за рубежом, безусловно, учитывают особенности работы конструкций в сложных инженерно-геологических условиях. В связи с тяжелыми последствиями большое внимание в научно-практической литературе уделяется защите сооружений при сейсмических событиях высокой интенсивности. Нормами и практикой проектирования в России принято рассчитывать транспортные тоннели на землетрясения интенсивностью 7-8-9 баллов по шкале MSK-64. Считается, что сейсмические события меньшей интенсивности не опасны для подземных сооружений. В то же время, такие землетрясения могут быть опасны для горных массивов блоковой структуры, раздробленных в результате разломной тектоники. Скольжение по границам блоков может оказать внешнее геодеформационное воздействие на обделку тоннеля, не предусмотренное при проектировании сооружения и внести коррективы в сложившееся напряженно-деформированное состояние обделок тоннеля. Смещения горных блоков могут вызываться также «криповыми» смещениями разломов.
Целью работы является повышение безопасности и эффективности эксплуатации железнодорожных тоннелей за счет учета при проектировании особенностей их взаимодействия с грунтовыми неоднородными массивами.
Достижение цели осуществляется через решение ряда задач:
анализ методов проектирования транспортных тоннелей в геодинамиче-ски активных районах;
разработка аналитических и численных моделей работы тоннельных обделок на геодинамические и геодеформационные воздействия;
исследование закономерностей изменения усилий в обделках тоннеля при проявлении геодеформационных воздействий аналитическими и численными методами;
экспериментальное исследование особенностей поведения тоннельных обделок в неоднородных грунтовых массивах на примере Северо-Муйского тоннеля;
развитие методов и технологий проектирования тоннелей в неоднородных грунтовых массивах геодинамически активных районов.
Объектом исследования являются железнодорожные тоннели в неоднородных грунтовых массивах.
Предмет исследования – особенности взаимодействия железнодорожных тоннелей с неоднородными грунтовыми массивами.
Научная новизна работы заключается в следующем:
обоснована необходимость учета геодеформационных воздействий в неоднородных грунтовых массивах в результате сейсмической и разломно-криповой геодинамической активности;
предложены аналитические и численные модели определения усилий в обделках железнодорожных тоннелей от геодеформационных воздействий в неоднородных грунтовых массивах;
выявлены закономерности распределения усилий и напряжений в обделках железнодорожных тоннелей при смещениях горных блоков;
разработаны в научно-методические аспекты построения систем мониторинга транспортных тоннелей в неоднородных грунтовых массивах для контроля соблюдения проектных условий.
Теоретическая и практическая значимость работы:
численными исследованиями работы тоннельных обделок в неоднородном грунтовом массиве установлены предельно допустимые величины вертикальных смещений горных блоков в зависимости от степени загружения обделки горным давлением и ширины зоны межблокового заполнения;
сформулированы рекомендации по применению железобетонных и чугунных обделок в зависимости от вероятных величин смещений горных блоков;
разработанные аналитические и численные модели могут быть применены при проектировании обделок тоннеля на участках границ горных блоков в геодинамически активных районах;
при разработке и реализации Программы и проекта модернизации Северо-Муйского тоннеля учтены рекомендации по содержанию тоннельной обделки на основе использования автоматизированной системы мониторинга геодинамической безопасности и предложения по технологии ремонта тоннельных конструкций.
Методология и методы исследования: методы математического и численного моделирования, экспериментальные и другие специальные методы исследования. Для численных экспериментов применялись программные комплексы «NASTRAN», «Midas/Civil», «PLAXIS 3D TUNNEL».
Положения, выносимые на защиту:
аналитические и численные модели определения усилий в обделках железнодорожных тоннелей от геодеформационных воздействий в неоднородных грунтовых массивах;
закономерности распределения усилий в тоннельных конструкциях в результате геодеформационных воздействий;
научно-методические аспекты построения систем мониторинга транспортных тоннелей в неоднородных грунтовых массивах для контроля соблюдения проектных условий.
Достоверность материалов исследования подтверждается результатами численного моделирования, материалами натурных наблюдений и инструментальных обследований.
Апробация работы. Основные положения работы получили одобрение на семинарах кафедры «Строительство железных дорог, мостов и тоннелей» Иркутского государственного университета путей сообщения (2006-2013), кафедры «Тоннели» Санкт-Петербургского государственного университета путей сообщения (2014), и кафедры «Мосты и тоннели» МИИТа (2015). Также материалы диссертации докладывались и обсуждались на совместном заседании отделения «Тоннели и метрополитены» ОАО ЦНИИС и кафедры «Мосты и тоннели» МИ-ИТа (2014), научно - технических конференциях и симпозиумах (г. Иркутск, 2009-2013).
Личный вклад автора заключается в постановке задач исследования, составлении математических моделей работы тоннелей с учетом геодеформационных воздействий, проведении численного моделирования и экспериментальных работ по выявлению особенностей работы тоннелей в горных неоднородных массивах, в разработке научно-методических аспектов построения систем мониторинга.
По теме исследования опубликовано 15 работ, в том числе 8 – в ведущих научных рецензируемых изданиях, включенных в Перечень ВАК Минобрнауки России. На предлагаемые технические решения получен 1 патент.
Структуру диссертации составляют введение, четыре раздела, заключение, библиографический список, включающий 164 наименования.
Нагрузки и воздействия
Транспортные тоннели чаще являются подземными сооружениями, поэтому при проектировании тоннельных конструкций на стадии изысканий изучаются особенности структуры и свойств горных массивов. Сложным является формирование прогноза проявления особенностей горно-геодинамических условий и их изменений во время эксплуатации подземного сооружения и определение степени влияния этих изменений на тоннель. Транспортные нагрузки создают меньшие статические усилия, но динамические воздействия от них отражаются на работе конструктивных связей, могут вызвать со временем нежелательные подвижки в неустойчивых породах заобделочного пространства. Важную роль играют модели работы обделок с учетом передачи горного и гидростатического давления в зависимости от технологий возведения тоннеля.
В основу расчетных технологий входят проверки конструкций по методу предельных состояний [23, 25]. При этом проектные решения зависят от правильного подбора и определения величин внешних нагрузок и воздействий, выбора математических моделей статической и динамической работы конструкций.
СП 122.13330.2012 Тоннели железнодорожные и автодорожные, Актуализированная редакция СНиП 32-04-97 [25] регламентирует необходимость соответствия расчетных моделей тоннельных обделок условиям работы сооружений, технологиям их возведения, характеру взаимодействия элементов конструкций меж 16 ду собой и окружающим грунтом с учетом неблагоприятных сочетаний нагрузок и воздействий.
Для проведения расчетов на статические нагрузки учитывается, прежде всего, собственный вес всех конструктивных элементов самого подземного сооружения, главной же нагрузкой является горное давление, определение которого в горном массиве является непростой задачей. В обводненных средах необходимо предусматривать вероятное изменение гидростатического давления в процессе эксплуатации сооружения. Требования норм обязывают также учитывать влияние природно-климатических воздействий и развитие деформационных процессов в результате таких свойств материалов, как ползучесть и усадка бетона [22,25].
При проектировании расчетами предусматриваются нагрузки и статические схемы работы конструкций на стадии их возведения в зависимости от предусмотренных проектом технологических решений строительства. В качестве особых нагрузок рекомендуется учитывать сейсмические и взрывные воздействия. Неточность применяемых нагрузок и механизма их учета предусмотрено компенсировать коэффициентами надежности и коэффициентами сочетаний нагрузок.
Нормами не предусматриваются геодеформационные воздействия на обделки тоннелей в результате смещений по границам горных блоков. Поэтому оценка таких смещений и степень ее опасности для тоннельных обделок имеют научный и практический интерес.
Расчетные модели статической работы тоннелей базируются на положениях строительной механики или механики сплошных сред [25]. Правоверность таких подходов подтверждается опытом надежной эксплуатации тоннелей в горных массивах, не осложненных геодинамическими процессами. При этом нагрузку от горного давления принято принимать с учетом вероятного свода обрушения или, в определенных случаях, от веса всего грунтового массива над тоннелем, а пере-дача ее на обделку зависит от принятых схем сооружения тоннеля.
При построении расчетных моделей достоверность результатов зависит не только от правильно заданной нагрузки, но и от формализации конструктивных связей, прежде всего, контактной связи между обделкой и горным массивом.
Классическая схема работы тоннеля в упругой среде показана на Рисунке 1.3 [141]. При этом стены тоннеля испытывают радиальные напряжения от распора грунта, в своде обделка находится в зоне отлипания. Зависимость между напряжениями и деформациями u устанавливается экспериментальным путем. Широко распространен был подход применения для описания этой зависимости коэффициента упругого отпора, который определялся с помощью штампов.
Многообразие горных пород и особенностей их взаимодействия с тоннель-ными обделками с учетом технологий их возведения и работы на стадии эксплуа-тации создает трудности для системных подходов к формализации расчетных схем. Так, в работах [136, 137] предложен системный подход, рассматривающий «режим заданных нагрузок» и «режим взаимовлияющих деформаций с грунтом». Принципиальное отличие заключается в учете влияния на работу обделки её кон-тактной связи с горным массивом. Действительно, в ряде случаев связи между обделкой и грунтом достаточно слабые. Это позволяет рассмотреть расчетную схему тоннельной обделки как плоскую стержневую систему, условно опертую на дискретные опоры в зонах упругого отпора, как, например, показано на Рисунке 1.4 [136].
На таком допущении был построен известный метод Метрогипротранса. Распределенные нагрузки прикладывались как сосредоточенные в местах распо-ложения опор. Задача определения усилий от нагрузки решалась методами строи-тельной механики.
Другой подход основан на учете совместной работы обделки и грунтового массива. При этом рассматривается напряженно-деформированное состояние одной общей модели (Рисунок 1.5) [136]. Для определения напряженно-деформированного состояния используются положения механики сплошных сред. Реализация такого подхода основана на использовании аналитических и численных методов.
Аналитические методы удобны в использовании, но ограничены рамками своих допущений, требуют их развития для расчета тоннелей в зонах разломной тектоники в условиях геодеформационных воздействий. Примеры расчетов замкнутых обделок в условиях их взаимодействия грунтов с использованием анали-тических методов на базе аппарата теории упругости и теории пластичности приведены в работах [46, 47, 135, 149 и др.].
Численные методы предполагают разбивку моделей на дискретные элементы, соединенные между собой узлами (Рисунок 1.6). В качестве исходных данных используются внешние силы и нагрузки, свойства материалов, формируются гра-ничные условия, правила сгущения разбивки сетки элементов. Математический аппарат решения дифференциальных уравнений реализовывается с помощью мощных решателей высокопроизводительных компьютеров. Среди численных методов наиболее распространен метод конечных элементов [36, 80, 92,136].
Математическая модель тоннеля как балки на упругом основании бесконечной длины
Транспортные тоннели в горных массивах при проектировании дорожных трасс пересекают разломы различного простирания. Раздробленность горных блоков формируется сложным образом, придерживаясь основных траекторий направленности тектонических напряжений, формирующих систему трещин по разломам. Соответственно, геодеформационные воздействия на тоннель, вызванные смещениями по границам горных блоков, могут также иметь различную направленность. «Пусковым крючком» для реализации таких смещений могут быть как сейсмические события, так и процессы тектонического «крипа» разлом-ной тектоники. Для задания количественных параметров смещений в расчетах обделок представляется целесообразным разложение вектора смещений на горизонтальные и вертикальные составляющие.
Практически, если тоннель проходит вдоль активного разлома, то вероятны горизонтальные продольные деформации. При пересечении разлома со сдвигающей компонентой возможны поперечные горизонтальные воздействия. И те и другие смещения мало изучены в фундаментальной геологии. Но, очевидно, что равномерные горизонтальные движения малозаметны и не опасны до тех пор, пока не встретится препятствие в виде другого массива или крупного разлома. Больший интерес представляют распространенные случаи пересечения тоннелями разломов типа сброса/взброса с характерными вертикальными подвижками. Часто горные массивы раздроблены именно такими разломами. Геодеформационные воздействия в этом случае могут быть представлены в виде заданных перемещений со стороны основания вверх или вниз в зависимости от типа разлома. Влияние такого воздействия вдоль тоннеля будет зависеть от ширины разлома и степени его активности. Как уже отмечалось раннее, специалистами Института Земной Коры Академии наук [125] установлено, что скорости относительных вертикальных перемещений отдельных блоков, контактирующих по Верхнеангарскому, Перевальному и другим разломам Северомуйской горной перемычки, в 6 раз превышают горизонтальные перемещения и ориентировочно составляют величину 18 мм/год. Геодинамическим полигоном в 1970-1980 г.г. регистрировались вертикальные перемещения реперов до 32 мм [58].
Автором выполнено моделирование работы тоннельной обделки при геодеформационных воздействиях различного направления с применением программно-вычислительного комплекса PLAXIS 3D TUNNEL [50]. В качестве модели рассматривался участок IV зоны Северо-Муйского железнодорожного тоннеля. Обделка на участке имеет подковообразный тип сечения с характеристиками, соответствующими бетону класса В30, параметры грунтов соответствуют инженерно-геологическим данным. В рамках принятых допущений выявлено, что напряженно-деформированное состояние обделок тоннелей, расположенных в зонах разломов, зависит от направления и величины проявления геодеформационных воздействий, вызванных смещениями крыльев разломов. Горизонтальное смещение горных блоков вдоль тоннеля мало влияет на напряжения, не связанные с направлением продольной оси, но существенно изменяет нормальные и касательные напряжения на границах грунтов с различными свойствами. Вертикальные смещения горных блоков увеличивают горизонтальные нормальные напряжения, в пограничных зонах появляются локальные зоны повышенных касательных напряжений. Горизонтальное смещение поперек продольной оси тоннеля вызывает резкое увеличение нормальных горизонтальных и касательных напряжений. В зонах сопряжения горных блоков с грунтами различных свойств на протяжении 60-100 м фиксируются концентрации напряжений, которые могут стать причиной образования трещин в обделках. Расчеты подтвердили необходимость учета дополнительных напряжений в обделках тоннеля, вызванных смещениями горных блоков. Количественная оценка таких смещений может подтверждаться геодезическими средствами контроля. Численным способом величины смещений могут быть получены при моделировании совместной работы горных массивов с тоннелями на сейсмические события.
Воздействие землетрясений на наземные и подземные сооружения разных типов исследовалось во многих странах, где землетрясения происходят довольно часто: в России, Японии, США, Канаде. Отмечено, что по ряду причин подземные сооружения по сравнению с наземными в меньшей мере подвержены сейсмическим воздействиям: - подземные сооружения не входят в резонанс, а реагируют на землетрясения таким же образом, как окружающий их массив грунта; - масса тоннелей не оказывает влияния на параметры сейсмических волн, так как погонная масса тоннеля мало отличается от замещенной им погонной массы грунта. - подземные сооружения обладают большим коэффициентом демпфирования, так как энергия рассеивается в окружающий массив грунта, что существенно уменьшает колебания; - демпфирование в подземных сооружениях в пересчете на вязкое трение может достигать 20% от критического значения, в то время как в наземных строительных конструкциях (стальных и железобетонных) этот коэффициент не превышает 2-4%.
Несмотря на такие положительные, с точки зрения сейсмостойкости, свойства подземных сооружений, при сильных землетрясениях конструкции тоннелей повреждаются. Анализ разрушений тоннелей при сейсмических воздействиях показал, что наиболее часто тоннели разрушаются при следующих условиях: - при пересечении зон разломов; - в местах изменения жесткости тоннельной обделки; - в местах пересечения границ слоев грунта с существенно различными характеристиками (жесткостями); - при всплытии тоннелей из-за разжижения грунтов; - из-за больших поперечных, перпендикулярных оси тоннеля деформаций грунта, возникающих при распространении сейсмических волн.
Максимальное количество этих неблагоприятных условий присутствует в горной перемычке, которую пересекает Северо-Муйский тоннель. Множество разломов, чередование скальных гранитных блоков с зонами дробленого грунта, в которых при сильных землетрясениях тоннельная обделка может разрушиться, при слабых воздействиях - возможно образование дефектов (трещин). Поэтому исследование совместной работы системы «горный массив – обделка тоннеля» с учетом геодинамики горных блоков представляет особый интерес.
В районе расположения тоннеля через 150 – 200 и более лет могут повторяться землетрясения высокой интенсивности: 9 баллов по шкале MSK-64 и выше. Более показательными являются землетрясения 5-6 баллов и менее, которые происходят ежегодно с высокой частотой, в отдельные годы землетрясения малой интенсивности (2-3-4 балла) - сотни и тысячи раз. Для расчета использовались акселерограмма по данным Северомуйской сейсмостанции, записанным 23.08.2007 при землетрясении 5.5 баллов по шкале MSK-64, эпицентр которого находился в 27 км от тоннеля и синтезированная акселерограмма на 8 баллов (Рисунок 2.1).
Исследование распределения деформаций в тоннеле методом «разгрузки» с использованием фотоупругих датчиков
Метод «разгрузки» основан на измерении деформаций при искусственном снятии напряжений на локальном участке исследуемой конструкции путем создания вокруг него разгрузочных щелей. При этом происходит упругое восстановление освобожденного участка до первоначального ненагруженного состояния и высвобождение деформаций, адекватных деформациям конструкции при сложившемся нагруженном состоянии. Несмотря на уникально простую методику, широкого практического распространения метод «разгрузки» для бетонных сооружений не нашел. Основу метода измерения деформаций, как бы специально предназначенного для натурных условий, составляют фотоупругие датчики деформаций [13, 52, 126].
Фотоупругий датчик деформаций (Рисунок 3.1) представляет собой пластинку 1 из специального оптически чувствительного материала – отвержденной эпоксидной смолы с наклеенными по концам накладками 2 (концевиками), предназначенными для крепления датчика к конструкции. На верхнюю поверхность датчика нанесена линейная шкала 3 (1 деление = 1мм) для фиксации положения интерференционных полос. На противоположных концах шкалы имеются знаки «+» и «–» для определения знака деформаций – растяжение или сжатие. Нижняя поверхность покрыта светоотражающим слоем 4. Технические характеристики фотоупругих датчиков приведены в Таблице 3.1.
Методика работы с фотоупругими датчиками методом «разгрузки» заключается в следующем. Датчик наклеивается в заданной точке исследуемого массива в направлении измеряемых деформаций, после чего фиксируется начальная карти 81
на расположения его интерференционных полос (Рисунок. 3.2). Затем вблизи концов датчика перпендикулярно его оси в массиве делаются пропилы (Рису-нок 3.3), исключающие из работы сооружения участок массива, на котором укреплен датчик. При этом видимые в лучах поляризованного света интерфе-ренционные полосы датчика перемещаются вдоль его оси в одну или в другую сторону, в зависимости от вида деформации (сжатие или растяжение).
Датчик тарирован таким образом, что, если «разгруженный» участок удлиняется, то полосы смещаются в сторону знака «плюс» шкалы датчика. Укорочение участка вызывает смещение полос в сторону знака «минус». Относительная деформация участка конструкции при постоянной темпе-ратуре определяется с помощью линейного фотоупругого датчика по формуле: = 0 (n0 – n), (3.1) где: n0 – положение полосы (в делениях шкалы) датчика после наклеивания датчика; n – положение полосы (в делениях шкалы) датчика после выполнения раз-гружающих пропилов; 0 – -цена деления шкалы, численно равная величине отно-сительной деформации, которая вызывает перемещение полосы на единицу шкалы датчика (1 мм).
Цена деления 0 определяется по результатам тарировочных испытаний, проводимых на бетонных образцах-призмах путем одновременной фиксации де-формаций бетона фотоупругим датчиком и деформометром (или тензодатчиком) в процессе нагружения призмы в прессе. Среднее значение 0 для фотоупругих датчиков из эпоксидной смолы составляет 2х10-5 мм-1.
Диапазон измерений (10-300)х10-5 Чувствительность по деформации 2х10-5 Чувствительность к температуре, град.-1 4х10-5 Расстояние между полосами, мм 40 Длина, мм 100 Для достоверного определения величины деформации необходимо: - закрепить датчик таким образом, чтобы обеспечить совместность деформаций датчика и конструкции в месте крепления на протяжении всего процесса измерения; - выполнить разгружающие пропилы с достаточной глубиной и длиной, чтобы практически полностью снять напряжения в зоне наклейки датчика; - обеспечить неизменность условий состояния датчика (температура, влажность и др.) или компенсацию их изменений при взятии отсчетов.
Кроме того, в исследуемой зоне градиент деформаций должен быть невелик, чтобы осредненная на базе датчика деформация отличалась от деформации в любой точке зоны не более, чем на величину допустимой погрешности для выбранного типа датчиков деформации.
Поскольку коэффициенты линейного расширения бетона (стали) и эпоксидной смолы, из которой сделан датчик, отличаются, то при изменении температуры в датчике, закрепленном на конструкции, возникают собственные температурные деформации. Величина этих температурных деформаций пропорциональна перепаду температур в моменты снятия отсчетов. При этом показания датчика соответствуют суммарной деформации, складывающейся из деформации конструкции к и температурной деформации датчика т. Деформация конструкции в этом случае определяется по формуле: єк=єд + єт. (3.2) где Бд - суммарная деформация датчика, определяемая по формуле (3.1); єт - температурная деформация датчика. Температурная деформация єт равна: єт = єт0 хАТ, (3.2) где вт0 - температурная чувствительность датчика, численно равная деформации датчика при изменении температуры в зоне измерений на 1С при нулевых деформациях самой конструкции; AT= Т2 -Т}- разность температур в последующий и предыдущий моменты измерений. Знак деформации І определяется в зависимости от направления смещения полос. Знак температурных деформаций датчика определяется по знаку AT. Таким образом, для учета температурных деформаций датчика необходимо измерять температуру вблизи места его установки.
В Северо-Муйском тоннеле установлены портальные ворота, поэтому в течение всего года поддерживается положительная температура +6С - +14С, на одном километре меняется не более, чем на 2-3 градуса.
Следует отметить, что примененный метод «разгрузки» позволяет оценить напряженно-деформированное состояние внутреннего поверхностного контура обделки, и применен с целью сравнения работы обделки на разных участках тоннеля по длине.
Измерение деформаций бетонной обделки и путевого бетона проводились выборочно по длине тоннеля ориентировочно через километр. Устанавливались один-два датчика на стенах тоннеля слева и справа, и по два датчика - на путевом бетоне слева и справа от колеи рядом с рельсами между шпалами. Высота установки датчиков на всех стенах тоннеля составляла 1,1 м с учетом удобства работы в условиях прокладки электрических кабелей.
Датчики для измерения деформаций путевого бетона устанавливались на бетон вдоль оси тоннеля. Схема установки датчиков на стенах приведена на Рисунке 3.4. Общий график продольных деформаций показан на Рисунке 3.5. Для выявления общих закономерностей некоторые показатели были искусственно приведены масштабно к одной шкале, показан геологический разрез. Просадки определены при нивелировании головки рельса Тоннелеобследовательской станцией.
Судя по деформациям, можно сделать вывод, что работа тоннеля близка к работе неразрезной балки, жестко опертой в районе 40 пикета западного участка и менее жестко – на 22 пикете восточного участка. При этом в середине пролетов между этими участками опирания – в районе ПК0 и ПК40вост формируются про-садочные зоны. Жесткость опирания можно объяснить V – образным упором крепких скальных блоков, а проседание – смещением вниз блоков в зоне влияния IV и III тектонических зон. Количественно деформации в тоннеле характеризуются следующим образом.
Горизонтальные деформации бетона в стенах обделки в разных точках тоннеля в основном являются деформациями сжатия и изменяются от -2.6х10-5 до -13.8х10-5 при предельном сжатии для бетонов обделки -47.6 х10-5. Исключение составили деформации в сечении ПК40+10 «запад», на правой стороне которого зафиксировано растяжение 2.4 х10-5 при предельном растяжении 3.38х10-5. Наибольшее значение сжимающих деформаций зафиксировано в сечении ПК40+17 «восток», наименьшее – в сечении ПК32+75 «восток».
Исследование работы обделок тоннеля при вертикальных смещениях горных блоков
Оперативный контур системы мониторинга – это аппаратно-программный комплекс, который отвечает за сбор, передачу, обработку и первичный анализ принимаемых данных мониторинга. Наиболее важными принципами построения оперативного контура являются: соответствие целевым задачам, учет мест расположения активных тектонических нарушений и других особенностей проявления геодинамики в горном массиве, учет специфики конкретного подземного сооружения, оптимальность и эффективность работы аппаратной части, достоверность и точность обработки информации.
Анализ существующих систем мониторинга и личный опыт при обследовании тоннелей позволили автору в качестве основных выделить следующие виды мониторинга: геодезический, сейсмический, гидроогеологический, геофизический, деформационный.
Геодезический мониторинг предполагает контроль положения репер-ной сети на земной поверхности над тоннелем между порталами, увязанный с мониторингом контролируемых марок, заложенных в конструкциях подземного сооружения [75,78]. Геодезический контроль над тоннелем необходим для оценки геодинамических воздействий, передающихся на тоннель. При возможности рекомендуется использовать данные государственных геодинамических полигонов. На современном этапе широко применяются наблюдения на базе технологий GPS/Глонасс. Для контроля деформаций пластов земной поверхности следует обращать внимание на деформации наземных искусственных сооружений [57]. Например, проводимый с участием автора в течение ряда лет геодезический контроль положения опор 19 мостов обходного пути над Северо-Муйским тоннелем показал характерные закономерности их деформирования. Наиболее стабильным оказалось положение опор мостов, расположенных вдоль Перевального разлома (вдоль продольной оси тоннеля). Смещения опор мостов составили величины 2-10 мм. В большей степени подвержены деформационным процессам мосты, расположенные поперек Перевального разлома. В районе западного портала по положению контролируемых точек на всех опорах трехпролетного металлического моста через р. Итыкит (схема 3 34,2) замечено устойчивое снижение проектного подъема в сторону хода километража. Суммарная максимальная величина снижения опор составила 12-20 мм за три года. Это подтверждает продолжающееся опускание Ангараканской депрессии. Именно на этих участках сосредоточено наибольшее количество трещин в стенках обделки.
Оптимальным на современном этапе является сочетание наземных методов геодезии с использованием GPS/Глонасс – технологий и подземных методов контроля габарита тоннельных обделок с использованием маркшейдерских технологий или лазерного сканирования. В результате геодезического контроля уточняются прогнозируемые величины геодеформационных воздействий в зонах разломов, необходимые для оценки эксплуатационного ресурса конструкций. Рекомендации по организации системы геодезического мониторинга транспортных тоннелей приведены в работах [75, 78, 128].
Сейсмический мониторинг выполняется с помощью сейсмостанций, установленных как за пределом тоннеля для фиксации прохождения сейсмических волн по земной поверхности, так и в тоннеле – для записи откликов конструкций на динамические воздействия от сейсмических волновых событий и импульсов, движения поездов. Запись производится современными приборами, работающими в 3 направлениях – акселерометрами, и передается автоматически в Центр управления для обработки и анализа. В информационном поле динамических параметров скрыто много ответов на вопросы. Спектральный анализ диапазонов частот в привязке к пространственному положению участка, временным закономерностям и корреляции может быть основой методики оценки изменения жесткостных параметров тоннельных конструкций в результате развития коррозии бетона, образования трещин, расстройств в контактных зонах.
Гидрогеологический мониторинг предназначен для выявления зон повышенного гидростатического давления и агрессивного воздействия подземных вод и газов на материалы тоннельных конструкций. Гидростатическое давление может быть замерено датчиками, основанными на различных принципах действия, датчики могут быть подключены к автоматизированной системе. Агрессивное же действие подземных вод при эксплуатации тоннеля можно обнаружить проведением специального обследования. Так, в Северо-Муйском тоннеле проводилось изучение гидрогеологической обстановки как во время проектирования, так и при вводе тоннеля в эксплуатацию [45, 59, 93, 143]. Автором в течение ряда лет проводился отбор подземных вод в дренажной штольне на протяжении всей длины тоннеля, химический состав отобранных проб определялся в геохимической лаборатории Института Земной коры СО РАН. Были выявлены скачки отдельных компонентов в составе воды (Рисунок 4.10). Временами обнаруживался высокий процент углекислого газа, что вызывает карбонизацию бетона и может быть причиной процесса образования пустот в заобделочном пространстве [54]. Керны бетона обратного свода содержали крупный заполнитель с разрушенным цементным камнем [130].
Показатели агрессивности подземных вод и газов, выявленные на стадии проектирования, в зонах разломов на стадии эксплуатации в результате активности разломной тектоники могут измениться. В дальнейшем при развитии приборной базы автоматизированный контроль содержания определенных компонентов может служить как инструментом предсказания активизации геодинамических процессов, так и определять методику прогноза протекания коррозийных процессов в тоннельных конструкциях.