Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Общая характристика инженерно-геологических условий ирана применительно к регионам перспективного строительства транспортных тоннелей 9
1.1 .Обшая часть 9
1.2. Обзор геологического строения и состава горных пород , слагающих Иранское нагорье 16
1.3. Инженерно-геологическая обстановка на строительстве перевального тоннеля Новый Кандован через хребет Эльбурс 27
1.4.Выводы 37
ГЛАВА 2. Современное состояние и анализ проблемы сооружения транспортных тоннелей в полускальных и скальных грунтах 38
2.1.Обзор и анализ технологии строительства тоннелей в полускальных и скальных грунтах 38
2.1.1.Общие данные 38
2.1.2.Сооружение тоннелей горным способом с применением БВР 39
2.1.3.Сооружение тоннелей щитовым способом 50
2.1.4. Применение специальных способов работ при проходке тоннелей 57
2.1.5.Сравнитеьный анализ преимуществ и недостатков горного и щитового способов проходки. Общая оценка их технико-экономической эффективности 65
2.2.Обзор и анализ современной механизированной щитовой проходческой техники для полускальных и скальных грунтов 69
2.2.1.Класификация механизированных проходческих щитов и тоннелепроходческих машин(ТПМ)для полускальных и скальных грунтов 69
2.2.2.Основные принципиальные схемы современных механизированных щитов и ТПМ 71
2.2.3.Выбор перспективных типов механизированных щитов и ТПМ рассматриваемых горно-геологических условиях 81
2.2.4.Анализ породоразрушаюшего инструмента и выбор его оптимального типа 98
2.2.5.Параметры роторных механизированных щитов и их определение 101
2.3 .Выводы.Цели и задачи исследований 109
ГЛАВА 3. Теоретические исследования взаимодествия роторных механизированных щитов и скальных грунтов 111
3.1 .Анализ расчетных методик 111
3.2.Теории прочности и выбор адекватной модели прочности скальных грунтов 116
3.3.Трещиноватость и прочностные параметры скальных грунтов 122
3.4.Теория разрушения скального грунта дисковой шарошкой... 132
3.4.1. .Расчетная схема силового взаимодействия скального фунта и дисковой шарошки 132
3.4.2.Геомтрическое описание работы шарошки 133
3.4.3. Теоретическое решение задачи предельного состояния скального грунта под действием внешней нагрузки 138
3.4.4.Определение предельного давления при внедрении клинового контура в породный массив и граничной линии скольжения при разрушении грунта шарошкой 143
3.4.5.Определение силовых и технологических параметров роторного исполнительного органа щита 146
3.5.Учет неоднородности геологического сложения смешанного забоя при расчете параметров щита 151
3.6.Выводы 156
ГЛАВА 4. Исследование на основе математического моделирования зависимости основных параметров роторного исполнительного органа щита от действующих факторов 157
4.1 .Программа расчета работы роторного исполнительного органа с дисковыми шарошками «DISC IO» 157
4.2. Влияние физико-механических характеристик скальных грунтов 160
4.3.Влияние параметров дисковой шарошки 167
4.4.Влияние параметров роторного исполнительного органа щита. 173
4.5.Обоснование рациональной области применения роторных механизированных щитов и ТПМ 175
4.6.Выводы 190
ГЛАВА 5. Технико-экономичесое исследование технологии сооружения транспортных тоннелей с разработкой рекомендаций по выбору оптимальных технических решений 192
5.1 .Методика исследований 192
5.2.Технико-экономическое моделирование технологий проходки тоннелей горным способом 198
5.3. Технико-экономическое моделирование технологий проходки тоннелей щитовым способом 209
5.4.Рекомендации по выбору оптимальных технических решений при сооружении транспортных тоннелей в полускальных и скальных грунтах 219
5.5.Выводи 227
Общие выводы 228
Список литературы 230
- Обзор геологического строения и состава горных пород , слагающих Иранское нагорье
- Применение специальных способов работ при проходке тоннелей
- Теоретическое решение задачи предельного состояния скального грунта под действием внешней нагрузки
- Влияние физико-механических характеристик скальных грунтов
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в Иране осуществляется широкая программа транспортного строительства, связанная, в основном, с развитием сети автомобильных дорог. Большое внимание уделяется также проблеме совершенствования городского транспорта и коммунального хозяйства. Во всех этих областях транспортного и городского строительства важное место занимает сооружение подземных объектов: автодорожных тоннелей, тоннелей метрополитена, коллекторных тоннелей. Как искусственные подземные сооружения, тоннели относятся к категории технически сложных и дорогостоящих элементов строительной отрасли экономики страны. В этой связи в современных условиях Ирана придается исключительно большое значение использованию в строительном деле наиболее совершенных, научно обоснованных и экономичных технических решений в сфере конструкций, технологий производства работ, комплексной механизации и автоматизации строительства. Благодаря многолетнему научному и техническому сотрудничеству между Ираном и Россией, в частности, в области строительства, иранские строители приобрели определенный опыт и знания, в том числе, и в отрасли подземного строительства. Так, по российской технической документации в Северном Иране прокладывается автомагистраль, напрямую связывающая г. Тегеран с побережьем Каспийского моря. На этой дороге, значительно сокращающей существующую транспортную связь, строится два автодорожных тоннеля - Кандован и Талун длиной соответственно 4,8 и 3 км. Трасса пересекает хребет Эльбурс со средней высотой до 3,5 км. При строительстве горных тоннелей применяется, как правило, закрытый способ работ: с буровзрывными работами, либо в виде щитовой проходки.
В последние два десятилетия технология проходки тоннелей механизированными щитами сильно продвинулась вперед. Все шире применяется так называемая "машинная" проходка, основанная на механическом разрушении горных пород. В устойчивых прочных скальных грунтах успешно работают тоннелепроходческие машины (ТИМ). "Машинный" способ проходки тоннелей в сравнении с буровзрывным предпочтительнее по многим показателям, но экономически проигрывает при малых скоростях проходки. Между тем, обоснования использования механизированной щитовой проходки в мировом тоннелестроении делается по косвенным, часто плохо обусловленным, качественным признакам, так как отсутствуют количественные оценки, надежно и однозначно определяющие механические и технологические показатели щитов для конкретных инженерно-геологических условий.
Поэтому актуальной задачей для природных и экономических условий Ирана является разработка методики количественной оценки эффективности работы механизированных щитов и ТПМ и на этой основе исследование технических и экономических параметров "машинной" проходки, сопоставление их с показателями буровзрывного способа строительства, установление области эффективного применения этих технологий. Исследование осуществляется посредством математического (имитационного) и экономического моделирования применительно к конкретным горно-геологическим условиям проходки разведочно-вентиляционной штольни тоннеля Кандован.
Цель и задачи работы: целью исследований является обоснование применения щитовой проходки тоннелей в геотехнических условиях Ирана.
Для достижения поставленной цели рещаютсд следующие; заддчи: ,....-.. изучение инженерно-геологических условий, Щана с точки зрения требований тоннельного строительства; обзор и анализ современного состояния тоннелестроения в полу скальных и скальных грунтах со сравнительной оценкой горного и щитового способов ивыбором перспективного типа щита; теоретическое исследование взаимодействия роторных щитов с горным массивом; анализ теории разрушения горных дОрод и разработка методики расчета механических и техцрлогшеских параметров щита и ТПМ; исследование на основе математического моделирования характера зависимостей основных параметров - роторного дгята от главньїх воздействующих факторов; технико-экономическое исследование технологии сооружения тоннелей с применение как горного с буровзрывными работами, так и механизированного щитового способов проходки; разработка рекомендаций по выбору оптимальных технических решений по выбору оптимальных технических решений при сооружении тоннелей в полускальных и скальных грунтах. Научная новизна: впервые детально рассмотрены гидрогеологические и геологические условия Иранского и Армянского нагорий с позиций строительства транспортных и других тоннелей; - предложена классификация механизированных щитов и ТПМ для скальных и полу скальных грунтов и установлены их определяющие параметры; разработана шкала соответствия прочностных параметров горных пород шкале групп грунтов по трудности их разработки, принятая в действующих нормативах; обосновано применение теории прочности Мора в интерпретации Г.А. Гениева к случаю разрушения гордой породы дисковой шарошкой; разработан алгоритм расчета параметров роторного щита с дисковыми шарошками и получены на базе программы "Disc.10" комплекс ранее неизвестных графических зависимостей параметров щита от влияющих факторов; разработана методика технико-экономического анализа проходки тоннелей механизированным щитом.
Достоверность результатов обеспечивается использованием классических теорий прочности твердых тел и механики сплощной среды, применением обоснованных долголетним опытом нррщтивных документов (СНиІХ ЁРЕР, ЕНиР), сравнением с осредненными технико-экономическими показателями, достигнутым при сооружении механизированными іпитіами и ТПМ в сход^л>іх геотехничерких условиях и приведенньїх в работе.
Практическая ценность работы заклкэчщгся в программной реализации алгоритма решения задачи взаимодействия горных пород и роторных щитов и ТПМ, позволяющая, во-первых, осуществлять имитационное моделирование широкого круга проблем проходки щитами в скальных грунтах; во-вторых, прдучатъ обьективньїе количественные оценки параметров щитовой проходки для обоснованного назначения показателей роторного щита и ТПМ в тех или иных геотехнических условиях; в-третьих - находить оптимальные технические решения при многовариантных задачах (сравнение ряда технологических схем проходки горным и щитовым способом, выборе рациональной модели щита или ТПМ из многих и др.). Рекомендуемая методика и результаты технико-экономических исследований обеспечивают квалифицированное составление ТЭО на сооружение тоннелей машинным способом в скальных грунтах, что показано на примере проходки разведочно-вентиляционной штольни т.Кандован.
Апробация работы и публикации. Основные результаты докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры "Тоннели и метрополитены", расширенном коллоквиуме кафедр "Тоннели и метрополитены", "Стгюйтельная механика" МИИТа, в проектной органдаации "Азадрах Тегеран Шомаль'* (Иран), в Институте Метрополитена (Тегеран, Иран) в 1998-2001 г.г. Основные результаты отражены в трех публикациях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и списка литературы из 127 наименований. Работа содержит 23 7 страниц машинописного текста сквозной нумерации, включая XX? рисунков и 29 таблиц.
Обзор геологического строения и состава горных пород , слагающих Иранское нагорье
Позднепротезойские комплексы выходят на поверхность в различных районах преимущественно в пределах Центрального Ирана. Повсеместно они образуют выступы древнего фундамента, перекрытого осадочными образованиями венда и палеозоя. Эти выступы сложены различными метаморфическими породами. Более метаморфизированные породы главным образом приурочены к выступам в зоне Бафка, где они образуют мощную серию гнейсов и кристаллических сланцев. Их иранские геологи выделяют в качестве характерных комплексов (Бонех-Шуроу, Сракух, Чапедони, Бафка). В строении этих комплексов участвуют также слюдистые сланцы, биотитовые гнейсы, кварциты, разнообразные кристаллические сланцы с гранитом, мраморы и известняки. Во многих местах эти породы вмещают небольшие тела переплавленных гранитов, гранито-гнейсов и гнейсовидных гранитов.
Преобладающее значение среди фундамента имеют метаморфизированные породы. Они широко распространены во Внутреннем Загросе (зона Боруджирд-Сирджана), в массиве Западного Ирана. Среди них выделяются многочисленные по названиям комплексы (Ташк, Поштэ-Бадам, Энарек и др.), однако их общей особенностью является преимущественный песчано-глинистый состав исходных пород. В строении комплексов участвуют кварцевые сланцы, кварциты, филлиты и шиферные сланцы. В некоторых районах значение приобретают сланцы с карбонатом, иногда с включениями порфировых вулканогенных пород (формация Кохар).
Между различно морфизированными породами устанавливаются постепенные переходы, четкие контакты отсутствуют, но в единичных случаях в слабо измененных породах отмечаются обломки гранитов и полевых шпатов.
Породы фундамента образуют сложные складки линейного типа с интрузиями гранитов. Возраст этих процессов часто оказывается мезозойским, что свидетельствует о значительном преобразовании пород фундамента во время последующих тектонических эпох. Однако в ряде районов четко устанавливается проявление древнего магматизма, связанного с байкальской эпохой тектогенеза. Так, в горах Сольтание (Западно-Иранский массив) давно известны массивы древних гранитов (граниты Доран) среди позднепротерозойских вулканитов (формация Кохар), связанные с байкальским горообразованием.
Вендский комплекс включает в себя несколько формаций, и выделяется иранскими геологами в качестве «инфракембрийского комплекса». Породы этого комплекса распространены довольно широко, но занимают обычно небольшие площади, образуя вместе с палеозойскими комплексами «ядра» или «осевые зоны» поднятий среди более молодых образовании. По составу отложений и проявлению магматизма на территории Ирана выделяются два типа вендского комплекса. Одна из них охватывает северные части региона, включая складчатые зоны Эльбурса и Беналуда, а также поднятия в хр. Сольтание. Другая имеет более локальное развитие, проявляясь в Загросе и в зоне Бафка.
В первой из этих областей вендский комплекс в основном сложен карбонатными отложениями. Они начинаются терригенными породами (морскими отложениями наземного происхождения) (формация Байандор), которые перекрывают метаморфические сланцы и граниты Доран поздней протерозойской эры. Средняя часть комплекса состоит из доломитов с прослоями кремней и глинистых пород (формация Сольтание) значительной мощности. Верхнюю часть комплекса составляют пестроокрашенные известково-глинистые сланцы и песчаники, несущие следы отложения в мелководных условиях шельфа. Мощность комплекса достигает 2000 - 2500 м.
Породы вендского комплекса в целом образуют простые структуры. Обычно это крупные моноклинали, наклоненные под разными, иногда крутыми углами.
В зоне Бафка состав отложений вендского комплекса более разнообразен. В основании его также располагаются обломочные породы, залегающие на сланцах. Они сменяются вулканогенно-осадочной толщей (серия Ризу), в которой значительное место занимают риолиты, андезиты и их туфы. Эти породы вмещают отдельные тела кварцевых порфиров, гранопорфиров и гранитов. На некоторых участках значение приобретают доломиты и известняки (серия Дезу). Верхи вендского комплекса составляет толща, сложенная переслоенными известняками, доломитами, гипсами и каменной солью (серия Равар). В подстилающем фундаменте в зоне Бафка обнаруживается большое разнообразие гранито-сиенитов, сиенитов, карбонацитов. Сходная по составу толща пород (Хормузская серя) распространена и на юго-востоке Загросса.
Таким образом, вендский комплекс в зоне Бафка и в Загроссе, в отличие от других (северных) районов Ирана, по-видимому, сформировался в условиях, сходных с внутриконтинентальными рифтами (разломами). Именно с этим, вероятно, связана специфика образования металлических руд этих районов, отмечаемая в некоторых работах [17-20].
Палеозойский комплекс охватывает весь этот период, а в некоторых районах включает также нижний и средний триасе. Главными особенностями этого комплекса является преимущественно карбонатный состав отложений и практическое отсутствие крупных длительных перерывов в процессе морских отложений. Отклонения от этого наблюдаются лишь в отдельных районах, что отмечено ниже. Эти особенности данного комплекса послужили основанием для утверждения, принятых большинством геологов, о принадлежности территории Ирана в палеозойский период к пассивной окраине древнего континента, включающего Аравийскую платформу. Осадконакопление протекало в условиях мелководной части шельфа и лишь иногда в более глубокой его части или на континентальном склоне.
Палеозойский комплекс начинается отложениями кембрия, представленными характерными песчаниками и алевролитами (формация Лалун), залегающими на отложениях вендского комплекса. Они сменяются толщей (формация Мила) переслаивания мергелей, глинистых сланцев, доломитов и известняков. Верхи этой толщи принадлежат уже ордовикскому периоду. Силурийские отложения распространены слабо и отличаются незначительной мощностью. Для этой эпохи были характерны менее стабильные условия, в связи с чем в некоторых районах Центрального Ирана и Эльбурса проявились вулканические процессы, сопровождавшиеся движением древних континентов, благодаря которым силурийские породы иногда залегают на докембрийских образованиях. Такие явления отмечаются на западе Эльбурса (район г.Решт), на севере зоны Бафка и восточнее г.Энарек. Во всех отмеченных районах силурийские карбонатные отложения вмещают диабазы, порфириты и туфы. Нижняя часть девонского периода представлена континентальными красноцветными песчаниками и песчано-глинистыми сланцами с конгломератами, залегающими на подстилающих породах. Верхняя часть девона обычно имеет карбонатный состав, но в Эльбурсе и на западе Ирана они включают песчано-глинистые отложения.
Каменноугольные отложения имеют сходный состав с породами девона. Здесь также преобладают карбонатные морские отложения, которые лишь в районе г.Тебес (Центральный Иран) сменяются наземными и известково-глинистыми.
Следует отметить, что на северо-востоке Ирана в районе г.Мешхед (зона Биналуда) наземные отложения карбона характеризуются повышенной мощностью, значительным метаморфизмом и присутствием измененных вулканических пород основного состава. Все эти особенности карбона сближают данный район с прилегающей к Ирану областью палеозойской складчатости, к которой принадлежит Среднеазиатский регион.
Применение специальных способов работ при проходке тоннелей
При сооружении тоннелей в скальных и полускальных грунтах требуются новые технологии, разработанные в последние десятилетия нашего века[61]. Для условий резкого перехода от скального грунта к неустойчивому, при специфических сейсмических условиях и тектонически сложного особых геологического строения массива (в том числе и в такой стране как Иран) необходимо использовать следующие специальные способы проходки в дополнение к основным (горному и щитовому): 1) проходка тоннелей с устройством арочно-бетонной крепи и возведением двухслойной обделки; 2) способ опережающих экранов из труб; 3) способ азотного замораживания в сильнотрещиноватых грунтах; 4) система комплексного водопонижения при проходке водообильных участков; 5) инъекционное закрепление грунтов. Указанные способы были тщательно отработаны и развиты при строительстве тоннелей Байкало-Амурской магистрали [62]. 1. Первый способ преимущественно используется для проходки в зонах тектонически нарушенных грунтов .В зависимости от степени их устойчивости был разработан комплекс принципиально новых решений, позволивших сооружать тоннели с применением высокопроизводительной техники и с возможно большим раскрытием сечения выработки при использовании несущей способности массива.
Как известно, в зарубежной практике широко распространился новоавстрийский способ сооружения тоннелей, отличающийся высокой экономичностью. Основной отличительной особенностью этого способа является максимальное использование несущей способности горного массива, достигаемое за счет подкрепления выработки податливой крепью сразу после разработки трута. Очень важным моментом является постоянный контроль напряженно-деформированного состояния системы крепь-массив, в результате которого определяется необходимость усиления крепи дополнительными средствами. Работы по усилению ведутся до стабилизации горного давления. После стабилизации горного давления возводится внутренний слой постоянной обделки, усиливающий наружный слой и обеспечивающий требуемую несущую способность обделки. Технико-экономические показатели такой обделки значительно выше по сравнению с традиционными способами (стоимость снижается примерно в 1,5 раза). На основе данного метода, а также получения в процессе строительства тоннелей БАМа результатов натурных и теоретических геомеханических исследований, была разработана новая технология, сочетающая в себе преимущества новоавстрийского способа с конструкцией временной арочной крепи. Новые решения позволили отказаться от непрерывных измерений и использования дорогих и сложных приборов, в основном одноразового использования. Конструкция обделки показана на рис.2.10.
Новая технология включает в себя следующие элементы: -разработка грунта в забое на полное сечение буровзрывным способом или с применением комбайнов, уборка грунта и его откатка на поверхность; -устройство податливой арочно-бетонной крепи. Сначала ставят арки, которые в первый момент используют в качестве кружала для установки опалубки за внешнюю полку арки, обращенную к грунту; -укладка бетона в пространство между аркой и грунтом. По мере твердения бетона несущая способность крепи возрастает до величины, достаточной для полного восприятия полного горного давления; в последующем бетонный слой становится наружным слоем постоянной обделки; -после окончания бетонирования производится первичный замер положения арочно-бетонной крепи; -перед бетонированием внутреннего слоя постоянной обделки производится вторичное измерение положения арочно-бетонной крепи. Разработанная в процессе исследований методика позволяет определить величину горного давления по измеренным деформациям и назначить требуемую несущую способность обделки (внутренний слой); -в зависимости от результатов измерений производится полный или частичный демонтаж арок (демонтируемые арки снова могут использоваться в работе); -в зависимости от деформации и состояния первичного слоя бетонируется внутренний слой обделки толщиной 30-50 см, который расчитывается на статические и сейсмические нагрузки. Важной частью технологии является новая методика расчета наружного слоя обделки с учетом загружения бетона в раннем возрасте, которая была разработана в процессе проведения исследований. В дальнейшем оба слоя работают совместно. Технико-экономические данные свидетельствует, что показатели новой технологии соответствуют лучшим мировым достижениям. Кроме того, обеспечивается повышенная безопасность проходческих работ. 2. Технология строительства тоннелей под защитой экранов из труб использует принцип опережающего крепления (например, в виде забивной крепи). Использование данного метода позволяет избежать вывалов и обрушений грунта при проходке, стабилизировать окружающий горный массив, предотвратить его деформации и нарушения. Применение экранов рекомендуется при сооружении: -тоннелей глубокого заложения и их участков в неустойчивых, слабоустойчивых грунтах, характеризующихся коэффициентом крепости f =2, а также в сильнотрещиноватых грунтах средней устойчивости, в том числе при проходке зон тектонических разломов и сбросов; -портальных участков тоннелей, при сложении склонов из сильнотрещиноватых или оползнеопасных грунтов; -тоннелей под путями железных дорог, автомагистралями, крупными инженерными сооружениями. При первом способе проходка тоннелей осуществляется буровзрывным методом с раскрытием забоя на полное сечение. Верхний центральный перфаратор бурового агрегата используется для бурения скважин по контуру свода тоннеля, в которые устанавливаются анкера -перфорированные трубы диаметром 76x4 мм длиной 10-12 м для устройства опережающего экрана. Скважины бурятся под углом 8 к горизонтали вверх, чтобы обеспечить их расположение за контуром выработки тоннеля. Через трубчатые анкера осуществляется инъекция раствора для цементации грунта по контуру выработки.
Теоретическое решение задачи предельного состояния скального грунта под действием внешней нагрузки
Необходимо отметить, что эти графики построены для ротора с одним и тем же числом ш шарошек, тогда как с изменением m результаты могут быть несколько иными. Так при повышении радиуса число шарошек на роторе уменьшается и следовательно снижаются Р, М и N. Современная тенденция развития роторных щитов показывала постепенный рост радиуса г. В настоящее время рост приостановился на максимальных г = 255 см, так как линейная скорость на режущей кромке диска достигла критического значения, ограничивающего частоту вращения ротора, и, следовательно, производительность последнего. Критическое значение линейной скорости устанавливается долговечности диска шарошкит.е по времени наработки на отказ.
На производительность Q и ширину канавки L радиус г шарошки не влияет. Проанализируем влияние угла заострения сск шарошки на основные параметры (рис. 4.18. - 4.21.). Графики (Р, М, N, L) = f (а h) свидетельствуют о слегка нелинейном убыстряющемся росте значений параметров ротора в 1,7 раза (оск 60-100). Диапазон изменения ак принят с учетом практических данных, поскольку среднее значение ак 80. Рост параметров Р, М, N, L объясняется тем, что с увеличением угла ак заострения при одинаковых заглублениях h возрастает ширина площадки 2а внедрения клинового штампа, что вполне согласуется с опытом. Практическое среднее ак = 80 следует подтвердить, так как оно установилось не только по соображениям о сопротивлении внедрению в породу, но и по вопросам надежной и долговечной работы дискового венца шарошки, который должен обладать высокой прочностью. В данном разделе исследуется влияние диаметра D ротора, частоты вращения п ротора, коэффициента трения качения f шарошек по плоскости забоя на параметры Р, М, N и Q щита. Зависимость P(D) - линейная (рис. 4.22.). Ее характер обусловлен тем, что с увеличением D во столько же раз увеличивается число шарошек для обработки забоя увеличивающегося сечения. Если принято условие расположения одной шарошки на траектории резания, то можно считать, что все шарошки располагаются на одном луче - радиусе ротора, что обеспечивает пропорциональность числа шарошек и длины радиуса или диаметра. Что касается зависимостей М (D) и N (D), (рис. 4.23 и 4.24) то она близка к квадратной параболе типа M=K D . Это согласуется с общим представлением об изменении М и N пропорционально площади забоя. Зависимости Р (п) и М (п) (рис. 4.25 и 4.26) подтверждают, что частота вращения п никак не влияет на параметр Р и М. Это же обстоятельство свидетельствует о том, что программа работает нормально. Графики N (п) и Q (п) (рис. 4.27 и 4.28) показывают прямую пропорциональность значений мощности и производительности роторного щита от частоты вращения, что так же усматривается из соответствующих формул расчетной методики. Зависимости (Р, М, N) (рис. 4.29 - 4.31) от коэффициента трения качения f стального диска по скальной породе показывают, что на усилие подачи Р коэффициент f не влияет (это вытекает и из формул расчета), а крутящий момент М и мощность N, хотя и зависят от f, но его влияние пренебрежимо мало, так как основной вклад в значения М и N вносят затраты энергии на разрушение скальной породы в слое толщиной h. Всего было выполнено 668 расчетов по исследуемым зависимостям. Из проведенного анализа в п. 4.4. анализа влияния различных групп факторов, влияющих на значения основных параметров роторных щитов, - усилия подачи Р, крутящего момента М, мощности привода N и отчасти производительности Q — следует, что все зависимости имеют вид возрастающих прямых и кривых. Влияние главного фактора -крепости скального грунта, обусловленной пределом прочности Re на одноосное сжатие, - на Р, М, N необходимо выражать через нормативную шкалу групп грунтов по трудности разработки, так как она является стандартным средством определения норм трудоемкости работ и единичных стоимостей. Как показано в п. 3.3., оказалось возможным представить прочность Re грунта на одноосное сжатие во взаимосвязи с нормативной шкалой групп грунтов по трудности их разработки. График этой зависимости приведен на рис. 4.32. Пользуясь этим графиком нетрудно увязать результаты расчетов по программе "DISC-10" с областью применения роторных щитов в скальных грунтах, относящихся к соответствующей группе. Для выбора рациональной области применения роторных щитов требуется их параметры оценивать по нормативной шкале групп грунтов.
Влияние физико-механических характеристик скальных грунтов
Учитывая сказанное, исследуется 9 вариантов проходки тоннелей. Совокупность технологических операций по сооружению тоннеля носит, как известно, циклический характер [118,122] и состоит из двух видов: основных проходческих операций, выполняемых в забое (разработка породы) и на некотором расстоянии от него (возведение обделки) и вспомогательных сопутствующих операций (укладка рельсов, наращивание коммуникаций и др.).
Основные операции составляют проходческий цикл, начинаемый с какой-либо операции и кончаемый до начала ее повторения. Продолжительность цикла - время Тц - определяется, как правило, последовательным выполнением основных операций. Вспомогательные же осуществляются параллельно основным.
Для оценки и сравнения сопоставляемых технологических вариантов с целью выбора оптимального способа используются елдующие основные критерии[ 119-124,126,127]: 1. Сметная стоимость С сооружения 1 м тоннеля в прямых затратах, руб/м. 2. Удельная трудоемкость q на 1м готового тоннеля (с учетом возведения обделки), чел-час/м. 3. Время цикла Т„, час. 4. Производительность - скорость проходки V, оцениваемая здесь в виде двух показателей: м/час и м/ мес. Важным вспомогательным критерием является стоимость машино-часа С , характеризующая ценовые, конструктивные и механические параметры машин и оборудования. Необходимые трудовые ресурсы (количество п проходчиков в бригаде) устанавливаются по формуле: За время цикла план выполнения операций проходки участка тоннеля оформляется в виде графика-циклограммы. Наличие последней позволяет устанавливать трудоемкость q, время цикла Тц, скорость проходки v, состав бригады и звеньев, номенклатуру и очередность операций и др. характеристики. Для удобства циклограммы проходки нами заменены равноценными расчетами в табличной форме. В работе [124] расчет параметров цикла предлагается производить с учетом нормативных документов и ряда коэффициентов, основанных на практическом опыте производства проходческих работ. Следует согласиться с этой рекомендацией, и последующие расчеты будем базировать на ЕНиР, Сб.36, вып.2. Строительство метрополитенов, тоннелей и подземных сооружений специального назначения. М.:1987 [103]. Расчет сметных стоимостей осуществляется по следующей методике [112,119,121,123]: 1. В основу расчетов положены СНиП IV-5-82 (сб. 29),СНиП IV-3-82иЕНиР36-2. 2. Из двух значений стоимости отдельных видов работ, подсчитанных по названным сборникам норм, принимается наибольшее. 3. В перечне работ по сооружению тоннеля не учитываются одинаковые и общие для всех вариантов работы: транспортные операции по тоннелю, выгрузка породы на эстакаде, транспорт к месту вывала, обслуживающие процессы, а также стоимости возврата материалов, коэффициенты при капеже и притоке подземных вод и другие общие коэффициенты. 4. Стоимость машино-часа, отсутствующая в СНиП IV-3-82, устанавливается косвенным путем (по осредненным значениям норм для аналогичных машин и механизмов с поправкой на габариты, массу и сложность оборудования). 5. Стоимость определяет в относительных единицах, а именно- в ценах 1984 г. 5.2.Технико-экономическое моделирование технологий проходки горным способом. В целях расчета трудозатрат, продолжительности операций и скорости проходки при сооружении буровзрывным способом 1м пилот-тоннеля или штольни сечением 17,5м2, монолитной бетонной обделки или набрызг-бетонной постоянной крепью составлена табл.5.1. В таблице варьируются категории пород, объединенные в группы по 2 категории. Выделены основные последовательно выполняемые операции, определяющие полный цикл проходки, параллельно осуществляемые операции, а также операции по возведению постоянной обделки. Получены результаты по всему циклу проходки. В табл.5.2. для тех же вариантов технологической схемы приведены результирующие данные по полному циклу проходки 1м тоннеля сечением 16 м2. Пересчет сделан на основе корректирующего коэффициента к=0,9 в виде отношения площади сечения тоннеля исходного и рассчитываемого (вследствие близости их значений). Приведение площади сечения к 16м2 обусловлено необходимостью сопоставленная горного способа со щитовым, так как площадь сечения щита DHap=4.5M составляет 15.9м2. На основании полученных данных, нормативных документов и укрупненных показателей выполнен расчет сметной стоимости в прямых затратах для 1м тоннеля сечением 16м2 с монолитной бетонной обделкой(в грунтах IV-VII групп )и с набрызгбетонной обделкой(в грунтах VEQ групп). Результаты расчета приведены в табл.5.3. О характере влияния категории скального грунта по трудности ее разработки на параметры проходческого цикла и стоимость позволяют судить графики рис.5.5,5.6,5.7,5.8. . Как и следовало ожидать трудоемкость q проходки прогрессивно возрастает с повышением категорийности скального грунта. Особенно быстро увеличиваются затраты труда в процессе бурения шпуров, поскольку резко изменяется в сторону повышения твердость и прочность горных пород. Кроме того, играет роль и фактор удельного веса ручного труда при устройстве набрьогбетонной обделки, хотя он и компенсируется дополнительной операцией перестанов опалубки в случае возведения обделки из монолитного бетона.
Аналогичный характер изменения имеет и продолжительность проходческого цикла Тц, так как она пропорциональна (при одной и той же численности бригад) трудоемкости.
Что касается скорости проходки V, то она в основных чертах обратно пропорциональна времени цикла, и это подтверждается графиком рис.5.7: скорости падают вдвое при работах в X-XI группах грунтов против работ в IV-V групп. Выход может быть найден в применении более производительных гидравлических бурильных машин и/или увеличении числа манипуляторов на буровых установках.
