Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Проблемы строительства транспортных тоннелей в Иране и пути их решения 10
1.1. Общая характеристика геотехнических условий Ирана 10
1.2. Строительство тоннелей в нарушенных полускальных и скальных грунтах 19
1.3. Строительство тоннелей с применением опережающих крепей 22
1.3.1. Общие положения 22
1.3.2. Анализ условий применения различных видов опережающих крепей , 24
Выводы 40
Глава II. Конструктивно - технологические решения опережающих фибергласовых элементов и анализ результатов лабораторных исследований 42
2.1. Общие сведения 42
2.2. Конструкции и технология возведения опережающих фибергласовых элементов 43
2.3. Опыт применения фибергласовых элементов 52
2.4. Расчет устойчивости грунтов, укрепленных армирующими фибергласовыми элементами 56
2.5. Лабораторные исследования поведения предзабойного породного массива, закрепленного армирующими элементами 64
2.5.1. Общие положения 64
2.5.2. Схема проведения лабораторных экспериментов 64
2.5.3. Моделируемый грунт 65
2.5.4. Проведение экспериментов 66
2.5.5. Результаты экспериментов 67
2.5.6. Осадки поверхности земли 71
2.6. Выводы. Задачи исследования 72
Глава III. Разработка пространственной модели взаимодействия тоннельной обделки, временной крепи и грунтового массива 75
3.1. Анализ существующих методов исследований 75
3.2. Исследование с применением МКЭ 77
3.3. Математические модели породного массива в задачах механики подземных сооружений
3.3.1. Определение области моделируемых пород 80
3.3.2. Моделирование свойств пород 81
3.3.3. Моделирование породного массива 84
3.4. Разработка конечно-элементной модели для расчета временной крепи 87
3.4.1. Выбор расчетной модели 87
3.4.2. Целесообразность и эффективность использования «COSMOS/M» для расчета системы «крепь- грунтовый массив» 90
3.5. Исходные данные 93
3.6. Моделирование этапов строительства 94
Выводы 114
Глава IV. Исследование методом математического моделирования напряженно-деформированного состояния системы «крепь-массив» 116
4.1. Объект исследования. Цели и задачи исследования 116
4.2. План экспериментов и исходные данные 117
4.3. Анализ напряженно-деформированного состояния грунтового массива и элементов крепи 119
4.3.1. Общие положения ,...119
4.3.2. Исследование влияния характеристик грунта, длины фибергласовых стержней и плотности их распределения 124
4.4. Выводы 145
Глава V. Разработка рекомендаций по выбору оптимальных параметров опережающей крепи из фибергласовых элементов 148
5.1. Методы анализа результатов экспериментальных исследований 148
5.2. Исследование совместного влияния параметров забойной крепи на
деформации поверхности лба забоя 150
5.2.1. Исследование горизонтального смещения (выпора) поверхности лба забоя в узле 3180
5.2.2. Исследование выпора лба забоя в зоне наибольших усредненных
горизонтальных смещений 160
Общие выводы 170
Библиографический список используемой литературы 173
Приложения
Приложения А 181
Приложения Б 183
Приложения В 184
- Строительство тоннелей в нарушенных полускальных и скальных грунтах
- Конструкции и технология возведения опережающих фибергласовых элементов
- Исследование с применением МКЭ
- План экспериментов и исходные данные
Введение к работе
В настоящее время на территории Ирана проживает около 69 миллионов человек. Учитывая рост населения (1.08% в 2003 г.), наряду с другими проблемами возникает необходимость развития дорожно-транспортной сети, что связано со строительством новых и повышением качества существующих автомобильных и железных дорог.
По трассе дорог ведется строительство различных искусственных сооружений, среди которых важное место занимают транспортные тоннели (табл. 1). Проект автомобильной дороги Тегеран-Шомал длиной 121 км является одним из крупнейших в Иране. Она соединит города Тегеран и Чалус на севере (южное побережье Каспийского моря). Вдоль трассы будет построено 60 км тоннелей. Протяженность двух - Ал борз и Талун - будет около 6,5 и 5 км соответственно. Тоннели Талун с отметки над уровнем моря от 2285 м у северного портала до 2315 м у южного портала располагаются к северу от Тегерана в направлении Чалус на расстоянии, примерно 21 км, с максимальным продольными уклоном 1,63% и состоят из двух основных, двухполосных параллельных тоннелей (поперечное сечение 75 м2) с проезжей частью 10,30 м. Между тоннелями предусмотрена проходка штольни (поперечное сечение 32 м ). В четвертой пятилетней программе развития экономики Ирана планируется в течение шести лет построить около 200 км городских тоннелей в городах Тегеран, Исфаган и Мэшхед.
Дальнейшее развитие тоннелестроения требует более глубокого изучения и научного обобщения накопленного теоретического и практического опыта для создания эффективных конструкций и технологии строительства. При строительстве тоннелей в Иране возникают многочисленные проблемы, связанные со сложными горногеологическими условиями.
Таблица 1. Перечень построенных и строяищхся тоннелей в Иране
В числе этих проблем обеспечение устойчивости подземных выработок, подверженных воздействиям горного давления, повышенных температур, сейсмики и тектонических разломов, сыпучих и водонасыщенных грунтов. Это требует разработки и реализации новых технологий и конструкций, повышающих производительность труда, скорость сооружения, безопасность проходческих работ, сокращающих трудозатраты, стоимость строительства и повышающих эксплуатационную надежность тоннелей.
Цель диссертационных исследований - определение рациональных
параметров опережающей забойной крепи при строительстве
транспортных тоннелей. До настоящего времени для обеспечения устойчивости выработок и безопасности проходки в Иране используются традиционные методы. В настоящее время для условий Ирана более целесообразно применение современных методов крепления:
своды из бетона (ОБК - опережающая бетонная крепь);
стабилизированный грунт, полученный путем замораживания, химического закрепления или струйной цементации;
защитные экраны из труб;
армирование грунта в забое фибергласовыми элементами и т.п.
Применение фибергласовых элементов - одна из новых технологий,
получившая распространения в последнее годы. Поскольку опережающие крепи не применялись в условиях Ирана, необходимо проанализировать мировой опыт проектирования и строительства, а также провести научные исследования по взаимодействию этих крепей с грунтом на различных этапах строительства и эксплуатации тоннеля. Задачи исследований:
изучение геотехнических условий по трассе эксплуатируемых и
строящихся в Иране тоннелей;
анализ современного опыта проходки тоннелей в нарушенных полускальных и скальных породах;
теоретические исследования методом математического моделирования напряженно-деформированного состояния опережающей крепи из фибергласовых элементов во взаимодействии с грунтовым массивом;
разработка рекомендаций по выбору оптимальных параметров опережающей крепи из фибергласовых элементов при сооружении тоннелей в полускальных и скальных породах.
Научная новизна: Впервые выполнены теоретические исследования пространственной работы забойной крепи из фибергласовых элементов во взаимодействии с грунтовым массивом.
Разработана конечно-элементная пространственная модель расчета системы «крепь из фибергласовых элементов - грунтовый массив».
Разработаны рекомендации по выбору рациональных параметров опережающих крепей из фибергласовых элементов. Достоверность результатов обеспечивается:
использованием методов механики сплошной среды и
сертифицированного программного комплекса «COSMOS/M»;
строгостью исходных предпосылок применяемых методов теоретических исследований;
учетом требований действующих нормативных документов;
использованием разработок передовых ведущих фирм и организаций в рассматриваемой области;
теоретическим исследованием напряженно-деформированного состояния системы «крепь - массив» на математический модели. Практическая ценность:
разработан алгоритм решения задачи взаимодействия горных пород и опережающей крепи, позволяющий, осуществлять моделирование
широкого круга проблем проходки горным способом в скальных породах;
получены объективные количественные характеристики параметров
опережающих крепей из фибергласовых элементов для различных горно-геологических условий;
найдены оптимальные технические параметры крепи из
фибергласовых элементов.
Апробация работы и публикации: Результаты исследований и основные
научные положения диссертационной работы доложены на ежегодных
научно-технических конференциях профессорско-преподавательского
состава Московского автомобильно-дорожного института
(государственного технического университета) в 2002-2004 гг. Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
Опережающая крепь в тоннелестроении. Сборник научных трудов, «Актуальные проблемы мостостроения и тоннелестроения»,- М.: МАДИ, 2001.-С.109-П5.
Применение фибергласовых элементов для стабилизации тоннельного забоя в слабоустойчивых грунтах. Транспорт/Наука, техника, управление. - М.: ВИНИТИ, 2004, №4- С.37-39.
Структура и объем работы. Диссертация содержит 194 стр., включает введение, 5 глав, общие выводы, список использованной литературы из 101 наименования и 3 приложения.
Диссертационная работа выполнена на кафедре мостов и транспортных тоннелей Московского автомобильно-дорожного института (Государственного технического университета) под руководством профессора, члена-корреспондента РАЕН, Л.В. Маковского.
Строительство тоннелей в нарушенных полускальных и скальных грунтах
В соответствии с приведенной выше горно-геологической характеристикой в Иранском регионе (Иранское и Армянское нагорье) преобладают полускальные и скальные горные породы. Следовательно, наибольший интерес представляют технологии закрытого способа строительства тоннелей именно в таких условиях.
В скальных породах, как известно, наибольшее распространение получили две базовые технологии закрытого способа сооружения тоннелей: горный способ с использованием тоннелепроходческих машин и буровзрывных работ [35, 37,68, 69].
Опыт строительства тоннелей свидетельствует, что горный способ не всегда может обеспечивать безаварийную проходку тоннельных выработок, так как строение и структура горных массивов, как показано в предыдущих пунктах, чрезвычайно сложны и многообразны, нередко нарушаются зонами тектонических сдвигов и разрывов. В пределах таких зон прочность и устойчивость пород значительно снижается. Средствам преодоления этих зон, служат специальные методы работ (химическое закрепление, замораживание, цементация и др.), устройство опережающих экранов из труб, анкерная крепь, армирование с помощью фибергласовых элементов и др. Реализацию специальных мероприятий осуществляют, как правило, в виде самостоятельных процессов, дополнительных к основному процессу проходки, либо в сочетании с последним.
Строительство тоннелей горным способом характеризуется большим разнообразием применяемых технологических схем [11, 12, 19, 20, 37, 41,43- 45, 51, 52], что определяется, в первую очередь, геотехническими условиями, размерами поперечного сечения и назначением подземного объекта, уровнем механизации производственных процессов, освоением современных высоких технологий.
Наиболее распространенные способы выполнения работ по сооружению тоннелей можно разделить на три группы: первая - разработку выработки ведут на полное сечение (за один прием или по частям), после чего сооружают стены и свод обделки (рис. 1.4, а);
К первой группе относятся способы сплошного забоя и нижнего уступа, а также способы ступенчатого забоя, верхнего уступа, центральной штольни, подсводного разреза, ко второй - различные варианты опертого свода, к третьей - способ опорного ядра.
Новоавстрийский способ (НАТМ) [35,44] основан на идее А. Бруннера об использовании несущей способности горного массива при проведении горной выработки путем учета совместной его работы с достаточно гибкой обделкой. В качестве гибкой, податливой обделки используется набрызг-бетонная крепь (часто в сочетании с временной анкерной и арочной крепью). Для предупреждения чрезмерных деформаций горного массива, ведущего к расслаиванию и высокому трещинообразованию пород, поверхность обнажения должна покрываться слоем набрызг-бетона с минимальным потерями времени. При дальнейшей проходке тоннеля деформации податливой обделки и окружающего массива (в различных точках удаления от контура выработки - до 5-6 м) тщательно измеряются, и при опасных деформациях принимаются необходимые технические решения (нанесение последующих слоев набрызг-бетона и установка анкеров и т.п.) [9,22,23,30,38].
Конструкции и технология возведения опережающих фибергласовых элементов
В настоящее время в практике тоннелестроения применяют различные профили армирующих фибергласовых элементов: гладкие и гофрированные трубчатые, Y-образные и плоские, закрепленные на специальных кондукторах и объединенные с инъекционными трубками и трубками для отвода воздуха (рис.2.1). Продольный разрез по оси армирующего фибергласового элемента трубчатого профиля показан на рис.2.2. Техническая характеристика фибергласовых элементов дана в таблице 2.1, Основные геометрические параметры трубчатых элементов составляют: диаметр - 40-60 мм, толщина стенки - 10 мм, длина - 15-25 м.
Европейские страны, удачно применяют технологию армирования забоя тоннеля, используя продольные трубы из фибергласа. На рис.2.3 показана схема устройства опережающих фибергласовых элементов. Сущность технологии заключается в том, что из забоя строящегося тоннеля равномерно по всей его площади забуривают систему горизонтальных и слабо наклонных скважин (рис.2.4), в которые затем помещают фибергласовые элементы различной конструкции (рис.2.5) и инъектируют укрепляющий состав (чаще всего цементный раствор) (рис .2.6).
Длина зоны армирования составляет Lc —15-20 м и более, превышая глубину заходки равную (1-1,5) D, где D - диаметр тоннеля. Лбу забоя придают вогнутую форму для реализации арочного эффекта. Через закрепленный таким образом грунтовый массив ведут проходку тоннеля способом сплошного забоя, срезая фибергласовые элементы рабочим органом тоннелепроходческой машины,
По мере продвижения забоя забуривают очередную серию скважин и устанавливают армирующие элементы, обеспечивая перекрытие ранее заармированных зон на 5-6 м. Плотность распределения фибергласовых элементов по плоскости забоя ар составляет 0,35-0,5 ед./м2.
Такая технология используется в связных и мало связных слабоустойчивых и неустойчивых грунтах естественной влажности с небольшим количеством каменистых включений, что позволяет обеспечить заданное направление скважин. Основным достоинством данной технологии является возможность вести проходку тоннеля практически в любых грунтах способом сплошного забоя с применением высокопроизводительного тоннелепроходческого оборудования.
Идея использования фибергласовых элементов для закрепления грунта является ключевой в этой технологии, потому что этот материал объединяет в себе одновременно высокую прочность на растяжение и хрупкость. Следовательно, очень просто срезать крепь, выполненную из этого материала рабочим органом тоннелепроходческой машины или ковшом экскаватора, который используется для разработки грунта. Основные преимущества этого метода: проходку тоннеля можно вести способом сплошного забоя; повышение безопасности производства работ; механизированная схема проходки при высокой производительности; приемлемая цена (ниже, чем при использовании традиционных технологий); высокая технологическая гибкость (широкий спектр различных видов грунта можно закреплять одним оборудованием). Для того, чтобы правильно использовать эту технологию, важно иметь в виду две концепции, которые лежат в её основе: - поверхности лба забоя следует придавать вогнутую форму для реализации арочного эффекта; - армировать забой тоннеля следует либо с помощью фибергласовых элементов, либо в сочетании с контурными опережающими крепями.
В зависимости от типа пересекаемого грунта и степени его устойчивости армирование зоны перед забоем тоннеля выполняют без дополнительного крепления (рис.2.7,а) или в сочетании с опережающей крепью по контуру выработки. Для усиления забойной зоны применяют опережающую бетонную крепь, выполненную в нарезанной по контуру выработки прорези (рис.2.7,б). Возможно устройство опережающей контурной крепи в виде экрана из труб, из грунта, закрепленного струйной цементацией (рис.2.7,в), или из тех же фибергласовых элементов с инъектированием в них укрепляющего состава (рис.2.7,г).
Исследование с применением МКЭ
Конструкция фибергласовых элементов и разнообразие горногеологических условий, в которых они могут устраиваться, не позволяет применять в расчетах обычные методы строительной механики и механики сплошной среды. Это связано с отсутствием достаточно простого математического аппарата в выше упомянутых методиках, позволяющего учесть без введения дополнительных допущений влияние крепи на напряженно-деформированное состояние грунтового массива.
Развитие ЭВМ в последние годы и создание быстродействующих вычислительных машин обусловили широкое применение численных методов решения задач, для которых точное аналитическое решение невозможно.
В расчетах тоннельных сооружений наибольшее распространение получили методы конечных разностей, конечных элементов и граничных элементов. В силу ряда причин метод конечных элементов занимает среди этих методов особое место и применяется наиболее широко. Использование его для исследований и расчета систем «грунт - тоннель — крепь» показало его эффективность.
Сравнение метода конечных элементов с традиционными аналитическими методами механики твердого тела показывает его преимущества, заключающиеся в сравнительной простоте алгоритмизации, возможности полной автоматизации составления системы алгебраических уравнений, инвариантности алгоритма по отношению к классу рассчитываемых объектов, возможности получения решения для комбинированных систем, топологически сколь угодно сложных, сравнительной простоте формулировки физических и геомеханических нелинейных задач, возможности реализации практически любых граничных условий.
В настоящее время накоплен значительный опыт исследований и расчета подземных сооружений, методом конечных элементов. Работы по совершенствованию метода активно продолжаются, расширяется область его применения при исследовании, проектировании и строительстве тоннелей.
Все это делает метод конечных элементов наиболее универсальными и отвечающим в значительной мере требованиям расчета комбинированных систем, каким являются тоннельные сооружения.
Благодаря работам А.В. Александрова, Б.З. Амусина, А.С. Городецкого, Ж.С. Ержанова, ВТ. Корнеева, Б.Я. Лащеникова, В.А. Постнова, А.Р. Ржаницина, Л.А. Розина, А.С. Сахарова, СБ. Ухова, А.П. Филина, А.Б. Фадеева, В.В. Чеботаева, Н.Н. Шапошникова и ряда других авторов МКЭ получил четкое математическое обоснование и стал признанным в практических расчетах геомеханических задач [5,24,26,28,29,60,69,71,72].
В зарубежной литературе встречается большое количество работ, посвященных использованию метода конечных элементов в решении геомеханических задач. Из них следует выделить работы J.M. Duncan, О.С. Zienkitwicz, J.H. Prevost, P.M. Byrne, K.J. Bathe, W.D. Finn, M.K.W. Lee, P.P. Martin, W. Wittke и др. [77,84].
Метод конечных элементов заключается в физической дискретизации области на элементы и рассмотрении каждого из них как сплошной среды меньшего размера. Каждому элементу должны соответствовать внутренние или внешние узлы и для приближенного описания действительной реакции области выбираются пробные функции, обычно в виде полиномов, учитывая однозначную определенность этих функций в узловых точках, конечно-элементные уравнения легко получить несколькими путями, например, с использованием вариационного принципа или метода взвешенного остатка. Использование любого из этих способов приводит к нормальной ленточной и симметричной системе уравнений.
Обоснованное проектирование тоннельных сооружений, находящихся в поле гравитационных сил, возможно лишь при достаточно полном и точном анализе их напряженно-деформированного состояния. Анизотропия и неоднородность грунтов, проявление пластичности и ползучести, влияние іслиматических факторов и др. часто не позволяют использовать классические аналитические подходы к решению задачи. Вместе с тем, определение поля напряжений и деформаций в произвольной точке массива или тоннельной конструкции создают предпосылки для принятия обоснованных решений по проектированию надежных и долговечных конструкций.
С помощью метода конечных элементов можно рассматривать сложную реальную геометрию, изотропные и анизотропные материалы с линейными, нелинейными и вязкими свойствами, смешанные граничные условия и технологическую последовательность выполнения операций при строительных процессах. Возможности метода весьма широки и определяются производительностью вычислительных машин и квалификацией рассчетчика.
Основными преимуществами применения метода конечных элементов для расчета тоннельных сооружений являются: рассмотрение породы, материала обделки и дополнительных элементов как единого целого; возможность расчетов тоннельных конструкций произвольного очертания; моделирование различных этапов технологического процесса; сравнение деформационных процессов в натуре с результатами расчета; исследование сложных конструкций и процессов. К числу недостатков МКЭ можно отнести следующие: результаты расчетов в значительной степени зависят от правильного (корректного) построения модели МКЭ и точности задания на модели прочностно-деформационных характеристик элементов модели; результаты исследований зависят от теоретико-математических гипотез, положенных в основу МКЭ-модели.
План экспериментов и исходные данные
Исходные данные (расчетные физико-механические характеристики системы «крепь-массив»), принятые при разработке численной математической модели (модели МКЭ), представлены в табл. 4.1 [3].
Диапазон изменения модуля упругости грунта - от 150000 т/м (слабые известняки) до 450000 т/м (плотные, слаботрещиноватые известняки). Плотность распределения стержней по площади забоя (ед./л 2) от 0,4 до 1,5.
План экспериментов (матрица планирования) для исследования несущей системы «крепь-массив» представлен в табл. 4.2, где приведены границы и значения уровней варьирования переменных.
Минимальную относительную длину стержней LQ I D = 0,5 выбрали исходя из предполагаемой величины заходки. Верхний предел, длины стержней, равный 2.0Д принят по технологическим соображениям (возможности существующего оборудования).
Значения переменной ар (плотности распределения армирующих стержней по площади забоя) выбрали по данным опыта строительства и результатам предварительных расчетов. Количество уровней значения переменной Op назначено из условия определения закономерности воздействия этой переменной на дискретной модели МКЭ при ограниченных возможностях программного обеспечения по количеству элементов МКЭ,
При варьировании значений переменной Е также было выбрано три уровня значений с шагом 1,5 105 т/м2 (1,5 105; 3 105; 4,5 105 т/м2), исходя из возможности получения количественных оценок влияния Е.
В качестве «нулевого» уровня (базы отсчета) для оценки степени влияния забойной крепи на напряженно-деформированное состояние массива в зоне забоя рассматривали проходку тоннельной выработки в неармированном массиве.
Глубину заложения тоннеля (над шелыгой свода) Я3 в рамках первого блока экспериментов приняли постоянной, равной 2.0 D. В дальнейшем влияние глубины Hz заложения тоннеля исследовали только при некоторых, наиболее характерных, комбинациях остальных переменных (см. табл. 4.2).
Всего в первом блоке экспериментов исследовали 3x3x4 = 36 вариантов (комбинаций переменных).
Напряженно-деформированное состояние (НДС) системы «крепь-массив» исследовали путем варьирования значений отдельных элементов (переменных) системы.
После оценки воздействия на НДС системы «крепь-массив» отдельных ее составляющих провели исследование по влиянию комбинаций (сочетаний) факторов LQ / D, ар, "ф на горизонтальные, боковые и вертикальные смещения, на нормальные вертикальные, горизонтальные и боковые напряжения точек и элементов на поверхности лба забоя.
Напряженно-деформированное состояние грунтового массива и крепи представлено в виде диаграмм (графиков) деформаций и напряжений, возникающих в элементах системы «крепь-массив».
Сравнение и анализ результатов численного моделирования проводили в пяти зонах МКЭ-модели: лоб забоя (сечение 1-1); предзабойная зона (сечение 2-2); кровля забоя (сечение 1-1); подошва забоя (сечение 1-1); поверхность земли (рис.4.1).
