Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Конструктивно-технологические решения и методы расчета экранов из труб 14
1.1 Общие положения 14
1 2 Конструкции и технология возведения труб экрана. Строительство тоннелей под защитой экранов из труб 17
1.3 Методы расчета экранов из труб 29
Выводы- Задачи исследований 36
Глава 2 Теоретические исследования работы системы «крепь-экран-массив» по плоской схеме 38
2.1 Общие положения 38
2.2 Метод конечных элементов (МКЭ) применительно к расчету подземных сооружений 40
2-3 Методика исследования МКЭ напряженно-деформированного состояния (НДС) системы «крепь-экран-массив» с учетом упругопластических свойств грунтов 42
2.4 Исследования НДС МКЭ системы «крепь-экран-массив» с учетом упруго-пластических свойств грунтов 45
2.5 Исследование влияния жесткости опирання поддерживающих элементов в системе «крепь-экран-массив» по существующей методике расчета экранов из труб 54
Выводы 58
Глава 3 Теоретические исследования работы системы «крепь-экран-массив» по пространственной схеме 59
3.1 Общие положения 59
3.2 Построение расчетных моделей в программном комплексе «COSMOS/M» 61
3.3 Моделирование задач определения НДС обделок тоннелей 62
3.4 Применение программного комплекса «COSMOS/M» для расчета напряженно-деформированного состояния системы «крепь-грунтовый массив» (тестовые расчеты) 65
3.5 Разработка пространственной конечно-элементной модели для расчета системы «крепь-экран-массив» 70
3.6 Планирование численного эксперимента 73
3.7 Методы анализа результатов экспериментальных исследований 75
3.8 Исследования напряженно-деформированного состояния несущей системы «крепь-экран-массив» на пространственных моделях ,. 81
Выводы 93
Глава 4 Экспериментальные исследования при строительстве тоннелей под защитой экранов из труб 94
4.1 Общие положения 94
4.2 Методика мониторинга напряженно-деформированного состояния крепи при строительстве тоннеля под действующей магистралью с применением защитного экрана из труб 98
4.3 Экспериментальные исследования НДС временной крепи тоннелей (поддерживающих элементов) 101
4.4 Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований 123
4.5 Экспериментальные исследования НДС постоянных колонн тоннеля при введении их в работу 129
4.6 Исследования НДС труб защитного экрана в процессе строительства тоннеля 134
4.7 Геодезический мониторинг деформаций конструкций тоннеля, насыпи и ж.-д. путей 139
4.8 Экспериментальные исследования нагруженности забойной крепи 150
Выводы 155
Общие выводы 157
Библиографический список использованной
Литературы 163 '
Приложения
- Конструкции и технология возведения труб экрана. Строительство тоннелей под защитой экранов из труб
- Метод конечных элементов (МКЭ) применительно к расчету подземных сооружений
- Построение расчетных моделей в программном комплексе «COSMOS/M»
- Методика мониторинга напряженно-деформированного состояния крепи при строительстве тоннеля под действующей магистралью с применением защитного экрана из труб
Введение к работе
Наблюдающееся в последние десятилетия расширение масштабов тоннельного строительства обусловливает необходимость дальнейшего совершенствования технических средств и методов преодоления участков нарушенных и неустойчивых грунтов, встречающихся по трассе горных, подводных и городских тоннелей, сооружаемых закрытым способом [30, 34].
При строительстве городских подземных транспортных сооружений мелкого заложения под существующими объектами возникают существенные трудности, связанные с нарушением их нормального функционирования.
В практике тоннелестроения в настоящее время находят применение следующие виды контурной и опережающей крепей: арочная, анкерная, на-брызг-бетонная, бетонные своды, опережающие экраны из грунтоцементных свай, армирующие фибергласовые элементы в призабойной зоне, опорные столбы из вертикальных и наклонных микросвай, экраны из труб и др. [30]-
Экраны из труб устраивают по контуру будущего тоннеля. Экран из труб может служить не только в качестве временной крепи, но и входить в состав постоянной несущей конструкции [27,34,35,66,67].
Такой способ применяют при строительстве перегонных тоннелей и станций метрополитена, автотранспортных и пешеходных тоннелей преимущественно мелкого заложения на застроенной городской территории, когда использование открытого способа затруднительно или невозможно.
Особенно эффективным этот способ оказывается при строительстве тоннелей под улицами и дорогами, под насыпями и фундаментами зданий в слабых неустойчивых грунтах при глубине заложения от 3 до І м от поверхности земли. Применение указанного способа работ не требует вскрытия дневной поверхности над подземным сооружением, не нарушает условий уличного движения, сводит до минимума сдвижения и деформации поверх-
ности земли. При этом в ряде случаев отпадает необходимость в применении искусственного замораживания и химического закрепления грунтов.
Под защитой экранов из труб построены горным способом многие подземные сооружения мелкого заложения: станция «Венеция» метрополитена г- Милана (Италия); перегонные тоннели в п Атланте (США) при строительстве метрополитена под скоростной 10-полосной автомагистралью 1-285; два пешеходных тоннеля под автомагистралью Оршард в г. Сингапуре; тоннель под железной дорогой в Калифорнии (США); двухъярусная подземная станция метрополитена в г. Сендай (Япония) под 15 ж.д. путями; два параллельных трехполосных тоннеля Мэйко (Япония) и др. [70, 73-76, 78-88],
В зарубежной практике строительства тоннелей способом продав-ливания известны следующие случаи использования экранов из труб: в Японии по такой технологии соорудили два автотранспортных (Куруме и Осака - Нагойя под железнодорожными путями) и один пешеходно-коллекториый тоннель в г, Нагато под станционными ж.д. путями и др. [34].
В России под действующими железнодорожными и автодорожными магистралями сооружены с помощью защитного экрана из труб горным способом: автодорожные тоннели на пересечении железнодорожных путей ст. Пермь-П - ст. Свердловск - ст. Бахаревка (г. Пермь), на Волоколамской развязке, пешеходные тоннели в Лужниках, на Волоколамской развязке, под Бутиковским переулком (г. Москва), коллекторные тоннели на ул. Вавилова» над станцией Московского метрополитена «Ленинский проспект» под магазином «Ткани» в районе Гагаринской развязки, трехсекционные инженерные коллекторные тоннели на 41 км Московской окружной ж.д. МКМЖД, в Москва-СИТИ у Экспоцентра на 1-й Красногвардейской ул. (г. Москва); методом продавливания-автодорожные тоннели под железнодорожными путями Павелецкого направления. Строятся автодорожные тоннели в Москве, Санкт-Петербурге (пос. Мурино); проектируются тоннели в Москве (Iй* Брестская ул., под Шмитовским проездом, на Смоленской ж.д.
под пл. Тестовская, на Варшавском шоссе под Курским направлением МЖД, через грузовую станцию Перерва Курского направления МЖД, в районе платформы Люблино под ж.д. путями Курского направлення МЖД) [10,13,18,33-35,37,38,60,61,64-67].
В России существует ряд специализированных строительных организаций, которые занимаются устройствам защитных экранов из труб, такие как «Тоннельный отряд 44», НПО «Космос», ООО «Трансстройтоннель-99», СМУ-5 Мосметростроя.
При строительстве тоннелей под защитой экранов из труб возникают различные проблемы, связанные с взаимодействием конструкций экрана с окружающим грунтовым массивом и расположенными поблизости зданиями, сооружениями и инженерными коммуникациями. Для решения этих проблем и обоснованного проектирования и строительства тоннелей под защитой экранов из труб необходимо проведение научных исследований для обеспечения безопасности и надежности при строительстве и эксплуатации тоннелей.
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ.
Актуальность темы диссертационной работы определяется расширением объемов подземного строительства в сложных градостроительных и инженерно-геологических условиях, требующих применения опережающих крепей и, прежде всего, экранов из труб.
Высокая эффективность этой технологии» подтвержденная практикой строительства, способствует расширению сферы ее применения в крупных городах России, Однако многие вопросы взаимодействия экранов из труб с грунтовым массивом изучены недостаточно. В связи с этим такие исследования в настоящее время стали настоятельной необходимостью.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИИ,
Цель - установить закономерности в формировании напряженно-деформированного состояния (НДС) системы, состоящей из крепи (экрана из труб и рам или арок) и грунтового массива (далее «креп ь-э крап-масс и в») на различных этапах строительства и эксплуатации тоннеля с учетом конструктивных особенностей и технологии возведения, свойств пересекаемых грунтов.
Задачи:
выполнить теоретические исследования напряженно-деформированного состояния системы «крепь-экран-массив» с применением метода конечных элементов (МКЭ) и расчетных компьютерных комплексов «COSMOS/M» (разработан американской компанией «Structural Research & Analysis Corporation»), «ECRA№>, «ROBD» (разработаны НИЦ TM ОАОЦНИИС), «RK6» (разработан Ленметрогипротрансом);
исследовать методом математического моделирования технологические операции при сооружении тоннелей мелкого заложения под защитой экрана из труб;
разработать методику мониторинга НДС труб экрана и поддерживающей крепи и провести экспериментальные исследования в натурных условиях;
дать конкретные рекомендации по проектированию и сооружению тоннелей мелкого заложения под защитой экранов из труб.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.
Основой исследований является системный комплексный подход к решению проблемы, когда отдельные операции процесса строительства тоннеля под защитой экрана из труб рассматриваются взаимосвязанно, с единых позиций принципа целостности»
В теоретических исследованиях применены методы математического моделирования на основе метода конечных элементов (МКЭ). Разработаны
плоская (с учетом упруго-пластических свойств грунтов) и пространственная модели системы «крепь-экран-массив». Экспериментальные исследования, направленные на выявление закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния тоннельных конструкций, проводились на строящихся тоннелях. Результаты расчета МКЭ сопоставлялись с результатами мониторинга НДС и с традиционными методами расчета. НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в следующем:
впервые в Российской Федерации выполнены комплексные теоретико-экспериментальные исследования пространственной работы системы «крепь-экран-массив»;
разработаны конечно-элементные плоская и пространственная модели расчета системы «крепь-экран-массив»;
разработана методика проведения мониторинга напряженно-деформированного состояния крепи при строительстве тоннеля под действующей магистралью с применением защитного экрана из труб;
проведены экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния труб защитного экрана; элементов временной и постоянной контурной и забойной крепей; деформативных характеристик грунта на строящихся тоннелях под действующими магистралями;
выявлены закономерности распределения статических и динамических
нагрузок между элементами крепи;
ПРАКТИЧЕСКУЮ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ составляют:
* методика и результаты теоретических исследований системы «крепь—
экран-массив» на разработанных математических моделях;
методика проведения и результаты мониторинга напряженно-деформированного состояния крепи при строительстве тоннелей под действующими транспортными магистралями с применением защитного экрана из труб;
рекомендации по расчету и назначению конструктивно-технологических
параметров экранов из труб, направленные на повышение эффективности проектных разработок в части повышения надежности экранов из труб, позволяющие снизить трудозатраты и стоимость работ.
ДОСТОВ ЕРНОСТЬ полученных результатов обоснована:
строгостью исходных предпосылок применяемых методов теоретических и экспериментальных исследований;
учетом требований действующих нормативных документов;
использованием разработок передовых отечественных и иностранных фирм и организаций в рассматриваемой области;
тестовыми расчетами напряженно-деформированного состояния крепи и грунтового массива при строительстве тоннелей, подтвержденными практикой строительства;
комплексными экспериментально-теоретическими исследованиями напряженно-деформированного состояния системы «крепь-экран-массив» на математических моделях и на строящихся и эксплуатируемых тоннелях;
хорошей (для практических целей) сходимостью расчетных значений с результатами экспериментальных исследований в натурных условиях,
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ. Результаты работы нашли применение при проектировании в НИЦ «Тоннели и метрополитены» ОАО ЦНИИС, ГУП «Мосинжпроект», ГУП «Моспроект-2», ОАО «Метрогипрот-ранс», ООО «Метро-Стиль2000», научно-техническом сопровождении НИЦ ТМ строительства тоннелей, сооруженных под защитой экрана из труб в г. Москве (Нахимовский проспект, Лужники, Волоколамское шоссе-ГУП «Мосинжпроект», ОАО «Метрогипротранс» ОАО «Тоннельный отряд 44»), г. Перми (ул. Локомотивная, ст. Бахаревка - ОАО «Уралгипротранс», НПО «Космос», ОАО «Стимул-Урал», ОАО «Космос-Урал», ОАО «Тоннельный отряд 44»); а также при разработке методик расчета и мониторинга напря-
женно-деформированного состояния (НДС) временной крепи; отражены в нормативных документах (МГСН 5.03-02 "Московские городские строительные нормы проектирования автотранспортных тоннелей11; "Рекомендации по проектированию и сооружению опережающих защитных экранов из труб с применением микротоннслепроходческих комплексов при строительстве тоннелей". М.: ОАО Корпорация "Трансстрой", Тоннельная ассоциация России, 2003 г. [44]; Рабочая инструкция РИ05. "Мониторинг напряженно-деформированного состояния крепи при строительстве тоннеля под действующей магистралью с применением защитного экрана из труб". М,: ЦНИИС, 2002 г, [15]; "Руководство по техническому диагностированию автодорожных тоннелей". Утверждено Распоряжением Государственной службы дорожного хозяйства "Росавтодор" Министерства транспорта Российской Федерации от 04.12,2000 г, № АВ-22-р.); а также в учебном процессе кафедры "Мосты и транспортные тоннели" МАДИ (ГТУ).
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ, Результаты исследований и основные научные положения диссертационной работы доложены:
на Международной научно-практической конференции «Градоформирую-щие технологии XXI века», посвященной 300-летию создания системы инженерно-технического образования в России. (Секция «Транспорт, до-роги, мосты, тоннели и коммуникации»), Россия, Москва, 11.09,2001 г.;
на Международной научно-практической конференции "Тоннельное строительство России и стран СНГ в начале века: опыт и перспективы11- Россия, Москва, 28-31 октября 2002 г;
на семинаре «Актуальные проблемы расчета строительных конструкций с использованием пространственных моделей и их влияние на конструктивные решения», октябрь 2002 г.;
на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Московского автомобильно-дорожного института (Государственного технического университета), 2001-2003 п\;
на заседаниях Секции НИЦ «Тоннели и метрополитены» Ученого совета ОАО ЦНИИС, 1999-2003 гг.
ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 6 научных статьях (3 из которых в соавторстве):
Щекудов Е-В. Научно-техническое сопровождение строительства тоннелей, сооружаемых под защитой экранов из труб//Актуальные проблемы мостостроения и тоннелестроения: Сборник научных трудов, -М.: МАДИ, 2001.-С.98-108.
Щекудов Е.В. Опыт сооружения тоннелей с применением защитного экрана из труб под действующими транспортными магистралями// Исследования конструкций и материалов для метро- и тоннелестроения: Сборник научных трудов. -М.: ЦНИИС, 2002. -С.38-62.
Чеботаев В.В., Щекудов Е.В, Сооружение тоннелей под действующими магистралями с помощью защитного экрана из труб//НаучнО-исследовательский институт транспортного строительства (ЦНИИС) на пороге третьего тысячелетия: Сборник научных трудов. - М. :ЦНИИС, 2000.-С.191-198.
Чеботаев В.В., Воробьев Л.А., Щекудов Е.В. Научно-техническое сопровождение строительства тоннелей в Перми и Москве//Тезисы докладов и сообщений Международной научно-практической конференции «Градоформирующие технологии XXI века», посвященной 300-летию создания системы инженерно-технического образования в России. Секция «Транспорт, дороги, мосты, тоннели и коммуникации». -М.,2001.-С.44-46.
Воробьев Л.А,, Щекудов Е.В. Рабочая инструкция РИ05 «Мониторинг напряженно-деформированного состояния крепи при строительстве тоннеля под действующей магистралью с применением защитного экрана из труб». М: ЦНИИС, 2001 .-15с.
Щекудов Е.В. Исследование работы ґрунтоцементних свай в ограждающих конструкциях котловшюв//Наука и техника в дорожной отрасли, № 2. -М.,2003.
ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация содержит 204 стр., 64 иллюстрации, 12 таблиц и включает введение, 4 главы, общие выводы, список использованной литературы 89 наименований и 4 приложения.
Диссертация выполнена на кафедре "Мосты и транспортные тоннели" Московского автомобильно-дорожного института (Государственного технического университета) под руководством члена-корреспондента РАЕН, к.т.н., профессора Л.В, Маковского.
Разработка методики расчета конструкций временной крепи при сооружении тоннелей под защитой экрана из труб, методики мониторинга напряженно-деформированного состояния (НДС) временной крепи и экспериментальные исследования на объектах строительства выполнялись в лаборатории «Горного давления и норм расчета» Научно-исследовательского центра «Тоннели и метрополитены» Научно-исследовательского института транспортного строительства (Директор НИЦ ТМ, д.т.н., проф. В.Е. Меркин; зав. лаб., к.т.н, В.В. Чеботаев; ст. научн. сотр. Л.А. Воробьев).
Конструкции и технология возведения труб экрана. Строительство тоннелей под защитой экранов из труб
Для устройства опережающих экранов из труб рекомендуется использовать преимущественно стальные электросварные прямошовные трубы 0 250 - 1500 мм с толщинами стенки б 12 мм, Диаметр труб и толщина стенки определяются проектом в зависимости от типа применяемого оборудования, длины продавливайия, глубины заложения, инженерно-геологических условий, типа поддерживающей крепи и способа разработки фунтового ядра. Длина секций труб должна назначаться в зависимости от типа дом-кратной станции и габарита стартового котлована и изменяется от 3 до 6 м. Для обеспечения сплошности защитного экрана трубы должны соединяться между собой при помощи замковых фиксирующих устройств, не препятствующих продольному перемещению (рис. 1.2; там же показан микротоннелепроходческий щит для устройства экрана из труб).
Варианты конструкций тоннелей Варшавского В.В., Веселовского В.Н., Власова С,НМ Воробьева Л.А., Гребенешникова AJL, Гукасова НА,, Касапова Р.И., Киселева Д.С., Колина Д.И., Маковского Л.В., МеркинаВ.Е., Милова В.Г., Мишина СИ., Рахманинова КХП., Самойлова В.П., Сарабеева В.Ф., Симонова Ю.Ф., Туренского С.Н., Хавина А.Б., Чеботаева В,ВМ Чеботарева СВ. и др.; за рубежом в работах J.Clarke, H.H,Einstein, A.Bobct, T-Iftimie, M.Sofian, LStefancscu, Masanobu Murata» Tatsuo Okazawa, Koichi Harunaka, Akio ТатаІ, RP.Oreste, D.Peila, Gary W.Rhodes, Joseph L.Kauschinger, Seishi Satoh, Shoichi Furuyama, Yoshiyuki Murai, Tctsuro Endoh, K.Shirakawa, T.Aoki Y.Fujii, T.Nakao.
В зависимости от объемпо-планиравочиых и конструктивных решений подземного сооружения, а также от свойств залегающих грунтов применяют различную технологию работ. При длине подземного сооружения до 30 40 м трубы задавливают с одной стороны пересекаемого препятствия, а при большей длине-с обеих сторон, устраивая два «забойных» котлована, В большинстве случаев трубы задавливают в один или два ряда вдоль оси тоннеля, однако при расположении тоннеля рядом с фундаментами зданий или с другими подземными сооружениями может потребоваться устройство экрана из труб,-залавливаемых в поперечном направлении- При этом трубы могут опираться на заранее возведенные траншейные стены и входить в состав конструкции перекрытия.
При задавливании труб в устойчивых грунтах их располагают с зазорами порядка 15+50 см, заполняемыми впоследствии цементным раствором или бетонной смесью. При продавливании стальных труб в неустойчивых грунтах их располагают вплотную, соединяя между собой при помощи замковых устройств по типу шпунта. В этом случае повышается точность и упрощается контроль задавливания труб, так как замковые устройства служат направляющими для вновь залавливаемых труб. Разработку грунтового ядра под защитой экрана из труб производят сплошным забоем или по частям заходкамн 0.5 - б м с применением тоннелепроходческих машин избирательного действия или тоннельных экскаваторов. После раскрытия выработки в пределах очередной заходки экран подкрепляют временными металлическими рамами (арками), а затем возводят обделку подземного сооружения.
Рассмотренная технология работ предусматривает устройство экрана из труб за пределами контура подземного сооружения. В некоторых случаях защитный экран входит в состав обделки, выполняя функции не только временной, но и постоянной крепи.
С целью увеличения длины экранов из труб без устройства промежуточных шахт или котлованов разработана технология создания опережающих экранов непосредственно из забоя подземной выработки путем бурения наклонных скважин и проталкивания в них стальных труб. Экраны устраивают секциями длиной по 10 + 15 м и более, перекрывая соседние участки на 1 -5- 1.5 м. Скважины забуривают всплошную или на некотором расстоянии одна от другой под углом 4 -г- 6 к оси выработки установками вращательного бурения или специальными агрегатами на рельсовом ходу. Проходку тоннеля под прикрытием экрана из труб ведут обычно горным способом заходками по 4 м, не доходя до конца экрана по крайней мере на 1 м. В процессе разработки грунтового ядра трубы подкрепляют стальными арками, а затем возводят постоянную обделку из монолитного бетона или набрызг-бетона. Такая технология работ оказывается весьма эффективной при проходке тоннелей в зонах нарушенных и неустойчивых грунтов.
Все трубы экрана должны выступать внутрь стартового и приёмного котлованов на величину, устанавливаемую проектом для установки временной крепи, которая будет использоваться при проходке подземного сооружения, возводимого под защитой экрана. На основе анализа современного отечественного и зарубежного опыта сооружения тоннелей под насыпями железных и автомобильных дорог рекомендуются следующие варианты конструктивно-технологических решений тоннелей, сооружаемых под защитой экранов из труб, обеспечивающих ведение строительных работ без перерыва движения поездов и автомобильных средств и с минимальными нарушениями поверхностных условий:
Проходка горным способом под защитой экранов из труб эффективна при использовании для устройства защитных экранов микротоннельной технологии, которая в последние годы получает все большее распространение, позволяет механизировать и ускорить процесс устройства экранов из труб в широком диапазоне инженерно-геологических условий: от полускальных и мягких до слабых водонасыщенных грунтов с включениями гальки и валунов. Во многих странах созданы механизированные и автоматизированные щитовые комплексы для проходки тоннелей малых диаметров, которые успешно используют и для устройства экранов из труб. При этой технологии возможно строительство тоннелей практически любых форм и размеров поперечного сечения длиной до 80-100 м.
Тоннели под защитой экранов из труб, построенные, строящиеся и проектируемые в России приведены в таблице 1.L Данный способ широко применяется и за рубежом (Италия, Франция, Япония, США, Румыния и др.).
При горных способах работ обделке придают сводчатое или прямоугольное очертание. Все работы по разработке грунта и возведению обделки ведутся под прикрытием экрана и практически не влияют на напряженно-деформированное состояние грунтового массива насыпи при обеспечении надежности и достаточной жесткости временного крепления.
Метод конечных элементов (МКЭ) применительно к расчету подземных сооружений
Наибольшее распространение в практике решения геомеханических задач в технически развитых странах получил метод конечных элементов (МКЭ) - приближенный численный метод решения задач механики сплошной среды и, в первую очередь - задач теории упругости, строгое аналитическое решение которых встречает серьезные математические трудности [39, 40, 71, 72]. Причинами такого предпочтения являются его большие возможности - он позволяет учитывать в расчете прочностные и деформационные свойства каждого напластования грунта, а также влияние технологии сооружения подземных выработок на любом этапе строительства.
Основополагающие работы Б. Айронса, Д. Аргириса, С. Ахмада, Ф. де Вебекс, Ж. Габусси, Р. Гэллахера, Ф.С. Десаи, А, Женишека, О. Зенкевича, И, Кратохвила, Дж. Одена, Э. Уилсона и других обеспечили нарастающее развитие как собственно МКЭ, так и различных методик его применения в решении инженерных задач. В СССР и России практическое применение МКЭ в задачах геомеханики нашло свое развитие благодаря работам АЛ. Гольдина, Ж.С Ержанова, О.Н. Золотова, СВ. Кузнецова, A.M. Линькова, Л.А, Розина, РЛ. Салганика, А,Г. Угодчикова, СБ. Ухова, А-Б. Фадеева [2, 57], В.В. Чеботаева [62], НЯ Шапошникова [51], СА. Юфина [69] и других исследователей.
В отличие от аналитических методов, основывающихся на решении дифференциальных уравнений равновесия и совместности деформаций и требующих удовлетворения условий равновесия и сплошности материала в каждой точке деформируемого тела, в методе конечных элементов рассматриваемая бесконечная область заменяется конечной, которая разбивается на множество элементов» треугольного, прямоугольного или полигонального очертания, стыкуемых только в вершинах. Следовательно, условия равнове-сия и совместности деформаций соблюдаются в общих узлах элементов.
Для определения неизвестных усилий в узлах и смещений узлов по заданным усилиям или перемещениям на границе области составляются уравнения равновесия и совместности деформаций, число которых соответствует числу узлов расчетной схемы. Чем больше выделенная область и чем гуще сетка и меньше размеры элементов, тем точнее решение, однако, при этом возрастает трудоемкость расчета. На практике сетка конечных элементов разбивается неравномерно, она сгущается в областях, где требуется более высокая точность и где ожидаются высокие градиенты напряжений.
Решение той или иной задачи с использованием метода конечных элементов является по сути дела машинным экспериментом. Как и эксперимент, это решение, в отличие от аналитического, не обладает общностью и справедливо (при соответствующей точности) лишь для конкретной данной конструкции и данного конкретного массива. Поэтому метод конечных элементов применяется обычно для расчета сложных и ответственных конструкций с детальным учетом конкретных условий работы. Для получе ния высокой точности метод требует больших затрат труда, современного компьютерного расчетного комплекса и высокого класса ЭВМ. Метод конечных элементов позволяет решать как двухмерные, так и пространственные задачи [39, 57]. 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 [20,39,40,70,71].
Построение расчетных моделей в программном комплексе «COSMOS/M»
«COSMOS/M» — это мощная программная система метода конечного элемента, позволяющая выполнять на персональных ЭВМ типа PC практически любые научные и инженерные расчеты строительных конструкций [40,71], Программа «COSMOS/M» широко используется многими промышленными предприятиями и научными центрами во всем мире- Уже имеется положительный опыт применения этой программы на ряде промышленных предприятий в России. Программа «COSMOS/M» позволяет быстро и качественно строить конечно-элементную модель исследуемого объекта практически любой сложности, выполнить почти все виды нужных при проектировании расчетов и получить наглядное графическое представление результатов с использованием многоцветной палитры и средств анимации. Программный комплекс позволяет производить: расчет статических деформаций и напряжений, решение задач прочности при действии на объект сосредоточенных и распределенных статических нагрузок, собственного веса, температуры и центробежі гых нагрузок. Свойства материалов могут быть нелинейными; расчет деформаций и напряжений, решение задач прочности при действии на объект сосредоточенных динамических силовых нагрузок и сейсмических возмущений; анализ устойчивости (определение предельных нагрузок) и др.
При визуализации результатов доступны всевозможные операции работы с изображением: поворот, масштабирование, выделение фрагментов, удаление невидимых линии и т.д. Одна из важнейших особенностей программы «COSMOS/M» - возможность использования "суперэлементов", что полностью снимает ограничения на размерность задачи, позволяет решать задачи очень большой размерности.
Трудоемкий процесс создания конечно-элементной сетки может быть значительно упрощен, благодаря средствам автоматической генерации, которые позволяют быстро генерировать сложные сетки. Сюда относится автоматическое разбиение области на элементы с желаемой густотой сетки, операции переноса, масштабирования, симметричного отражения.
Программа имеет совершенный геометрический препроцессор, позволяющий формировать модель в графическом окне. В качестве конечных элементов могут использоваться: двух-и трехмерные стержневые и балочные элементы, пластины, оболочки, трубы и др.
С помощью современного мощного комплекса программ «COSMOS/M» возможно решение пространственных задач тоннелестроения, моделирование технологических ситуаций при сооружении тоннелей, главным образом, в зоне забоя. Эти ситуации не могут быть сведены к плоским расчетным схемам, и для их расчета необходима постановка пространственных задач, на порядок увеличивающих число неизвестных и сложность решения.
Первым действием при моделировании задач в тоннелестроении является выбор размеров расчетного фрагмента грунтового массива. Из теоретических решений плоских задач теории упругости известно, что возмущения НДС, вносимые вырезанием отверстий в тяжелой плоскости, практически затухают примерно на расстоянии 2.5 R от выработки, где R 63 приведенный радиус сечения. При появлении в окрестности выработки зон пластических деформаций это расстояние может возрастать до (3 4) R. Отсюда ширина расчетного фрагмента должна быть не менее 6 Rt при использовании симметрии модели - не менее 3 R в упругих задачах и (7- 8) R в упругопластических. Нижняя граница фрагмента также должна располагаться на этом расстоянии; при наличии вблизи основания тоннеля более жестких и прочных грунтов это расстояние может быть уменьшено. Передняя и задняя границы фрагмента должны быть расположены на расстоянии не менее (3 4) R от забоя сооружаемого тоннеля.
Таким образом, минимальные размеры моделируемого грунтового массива составят: 6 R по длине тоннеля, 6 R по ширине тоннеля (3 R для симметричных задач), 4 R+H по высоте, где Н-глубина заложения тоннеля. Для глубоко заложенных тоннелей (Н 10 R) можно принимать фрагмент высотой 6 R с равномерной нагрузкой на верхней грани, имитирующей давление выше расположенных грунтов.
Нижняя грань расчетного фрагмента закрепляется от вертикальных смещений» вертикальные грани-от горизонтальных. Учитывая, что в процессе решения задачи нужно будет удалять грунт, находящийся в сечении тоннеля, тело тоннеля на каждой захолке следует задавать отдельно. Для построения объемной модели следует использовать четырехуз-ловые конечные элементы пирамидальной формы. Построение фрагмента расчетной области осуществляется путем задания координат узловых точек. Затем узловые точки на плоскости объединяют в замкнутый контур линиями, фиксируют его, задавая размер конечного элемента, и на этой основе строят трехмерную область. После этого осуществляют закрепление точек на свободных гранях и прикладывают к узлам расчетной схемы действующие силы. Построе 64 ниє расчетной модели контролируют визуально на экране монитора и при необходимости производят корректировки. Результаты расчета могут быть просмотрены на. экране в форме таблицы (узловые напряжения ох, оу, оЕ и тку, TXZ, туг), либо в графической форме с помощью цветовой палитры- Можно получить любую проекцию расчетной модели, совмещенной с эпюрами напряжений. В начальной стадии решения определяется тип задачи путем выбора типа конечного элемента (одномерная, двумерная или трехмерная задачи) и заданы свойства грунтовых элементов. Затем строится расчетная модель путем размещения ключевых точек каркаса, с контролем построения на экране. Через эти точки проведены прямые линии и выделен на плоскости замкнутый контур. После этого построены пространственные конечные элементы, генерируя их в любом направлении. При построении двух и более областей их необходимо связать друг с другом. Излишние узлы удаляют. Заканчивают построение расчетной модели установкой закреплений на граничных плоскостях грунтового фрагмента, предварительно определив номера узлов, расположенных на этих плоскостях. Перед расчетом задают направление действия и величину силы тяжести. Разработку грунта при проходке моделируют вырезанием конечных элементов на заходке и приложением сил в узлах, эквивалентных "снятым" при разработке напряжениям.
Методика мониторинга напряженно-деформированного состояния крепи при строительстве тоннеля под действующей магистралью с применением защитного экрана из труб
В случае проходки тоннеля под защитой экрана из труб нагружен-ность и надежность крепи в значительной степени зависит от характера совместной ее работы с трубами экрана [15].
Характер и режим совместной работы крепи и экрана определяются рядом технологических факторов (темпом проходки, способом разработки и крепления забоя, устойчивостью фунта, способо.м перехода с временного технологического крепления к постоянным несущим тоннельным конструкциям и пр.), которые в полной мере трудно учесть расчетом па стадии проектирования тоннеля и разработки проекта производства работ.
Определение неравномерности фактической нагруженности отдельных рам в процессе проходки тоннеля позволяет своевременно вносить коррективы в технологию проходки для предупреждения опасных ситуаций, что крайне важно при проходке тоннеля под действующей магистралью без перерыва движения, а также для обеспечения надежности и долговечности готового тоннеля. Результаты измерений осадки стоек рам и деформаций насыпи в зоне проходки тоннеля сопоставляют с результатами определения усилий в стойках (для выявления или уточнения причин осадки, а также оценки влияния осадки на перераспределение нагрузок на отдельные рамы).
Измерения усилий (изгибающих моментов в ригелях, нормальных сил Б стойках) и высокоточные маркшейдерские измерения (смешений, осадок и прогибов конструкций крепи) рассматривают как единый комплекс взаимосвязанных наблюдений, при определении и анализе пагруженности крепи, а также для выявления причин отклонений деформаций и усилий в конструкциях от расчетных значений Усилия (изгибающие моменты Ы и нормальные силы N) в ригелях и стойках (колоннах) рам определяют посредством измерения деформаций в характерных точках металлоконструкций.
При выборе метода измерений деформаций рам для оценки их пагруженности особое внимание следует уделять обеспечению надежности результатов Необходимо сопоставить вычисленные и измеренные величины для подтверждения предпосылок методик расчетов.
Определение нагрузок на ригели рам от давления верхнего ряда труб защитного экрана выполняли по усилиям в стойках рам, которые определяли по измеренным деформациям стоек. Учитывая сложную картину взаимодействия ригеля с экраном из труб в условиях проходки и принимая во внимание, что жесткость ригеля на изгиб значительна по сравнению с податливостью грунта насыпи, вертикальная нагрузка на ригель принимается равномерно распределенной.
Для обработки данных измерений осадки насыпи и построения графиков использован модернизированный комплекс программ "Bd_osad__v" (база данных для анализа осадки грунта) Лаборатории горного давления и норм расчета НИЦ «Тоннели и метрополитены» ОАО «ЦНИИС».
Определение фактической нагруженности рам крепи в процессе проходки позволило оценить адекватность расчетной модели (расчетной схемы) и правильность назначения параметров крепи, а также выявить некоторые закономерности в случайном характере совместной работы рам крепи с экраном из труб и, таким образом, эмпирическим путем оценить фактические условия работы крепи на стадии проходки. Определение нагруженности рам использовали для внесения коррективов в технологию проходки (для предупреждения возникновения опасных ситуаций).
Положение и количество измерительных баз для деформометров может корректироваться с учетом возможного доступа к ним и обеспечения сохранности «маячков» при выполнении земляных и монтажных работ при проходке. По ходу проходки, при необходимости, на основе анализа результатов измерений оборудуют дополнительные измерительные точки, восстанавливают утраченные.
В зависимости от результатов измерения усилий в рамах вели высокоточное нивелирование осадки опор стоек этих рам. Высокоточное нивелирование опор выполняли при каждом цикле продвижения забоя. Режим и объем измерений деформаций стоек и ригелей рам (посредством деформометра) корректировали применительно к условиям проходки и доступности измерительных точек на основе анализа результатов определения усилий М и N.
Для оценки надежности тоннелей, сооружаемых под защитой экранов из труб, были проведены исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) крепи в натурных условиях на четырех крупных и ответственных транспортных объектах в г. Москве {Лужники, Волоколамское шоссе) и г. Перми (ул. Локомотивная, Бахаревка), с последующим сравнением полученных значений с расчетными.
Исследования НДС временной крени на Лужниковсиом тоннеле Пешеходный тоннель длиной 30 м под железнодорожной насыпью в Лужниках проходили под экраном из стальных труб 0 820x12 мм двумя встречными забоями (рис, 4,1), До начала проходки трубы были усилены путем заполнения их бетоном с арматурным каркасом. Несущая система тоннеля представляла собой стальные рамы, устанавливаемые по мерс проходки с шагом 3.0 м, на которые опирался экран из труб. Экран сооружали путем продавливання труб микрощитовым комплексом "AVN" фирмы "Херренкнехт" с бентонитовым пригрузом (Германия).
Максимальное измеренное усилие в одной из средних колонн наиболее напряженной рамы №10 достигло значения 205 тс (расчетное значение равно 446 тс — данные Метрогипротранса), Максимальное усилие в одной из боковых колонн рамы № 6 достигло 107 тс (расчетное значение равно 106 тс). Фактические усилия в средних колоннах рам в зоне сбойки оказались значительно ниже расчетных.
