автореферат диссертации по строительству, 05.23.15, диссертация на тему:Эффективные конструкции и технология сооружения эскалаторных тоннелей метрополитена в аллювиальных отложениях

ОАО "Научно-исследовательский институт транспортного строительства (ЦИИИС)"

На правах рукописи

ЕФРЕМОВ Виталий Рейнгольдович

Эффективные конструкции и технология сооружения эскалаторных тоннелей метрополитена в аллювиальных отложениях

05.23.15 - мосты и транспортные тоннели

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1996

Работа выполнена в

ОАО "Научно-исследовательский

строительства (ЦНИИС)"

институт транспортного

Научный руководитель:

докТор техн. наук, проф., академик РАТ В.Е. Меркин

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

доктор техн. наук, проф., член-корр. РАЕН И .Я. Дорман

кандидат техн. наук В.В. Чеботаев

ОАО 'СПЕЦИАЛЬНОЕ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ БЮРО То кнель метростроя "

Защита состоится 1997 г. в

час.

на заседании диссертационного совета Д. 133. 01. 01 ОАО "Научно-исследовательский институт транспортного строительства ( ЩПШС)" по адресу:

129329, Москва, ул. Кольская, д. 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО "ЦНИИС"

Автореферат разослан ^¿¿{/¿/У/ЛА 997 г

Ученый секретарь диссертационного совета . к . т . н {¿/Р^СС^^ ^ Ж.А Петрова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Сооружение эскалаторного комплекса станции метрополитена глубокого заложения представляет собой одну из наиболее сложных и трудоемких составляющих работ по строительству станции. Повышение эффективности конструктивных и технологических решений по сооружению наклонных эскалаторных тоннелей, относимых, как правило, к категории сооружений индивидуального типа (что связано с необходимостью взаимоувязки подземных и наземных строительных объектов в стесненных городских условиях), позволит значительно снизить как общие затраты на возведение станций, так и сократить сроки их строительства.

Анализ проекгно-сметной документации строящегося метрополитена в г. Алма-Ате показал, что объем проходческих работ по сооружению эскалаторного тоннеля составляет не менее 8,7 % от объема проходческих работ для станции в целом, причем стоимость этих работ достигает 11,1% (для сравнения, на строительстве -Московского метрополитена эта стоимость достигает 15,1%).

Традиционная технология сооружения эскалаторных тоннелей предполагает проходку выработки укладчиком ТНУ-4а с обделкой из чугунных тюбингов диаметром 9,5 м. Однако, это инженерное решение в силу ряда экономических причин (высокой стоимости чугунных тюбингов или их отсутствия) в каждом конкретном случае требует тщательного анализа. В ряде случаев, например, при сооружении станции в аллювиальных отложениях, инженерно-геологические условия вполне позволяют использовать более экономичные конструкции и технологии сооружения наклонных тоннелей. Основным препятствием здесь при переходе на другие, более современные инженерные решения, является недостаточность научного и производственного обоснования новых решений для внедрения их в отечественную практику метростроения, в частности, ограниченный пока что объем экспериментальных исследований, в натурных условиях.

Кроме того, в существующих на сегодняшний день отечественных нормативных документах по проектированию

транспорты* тоннелей различного назначения отсутствуют какие-либо конкретные указания, которые бы учитывали специфику наклонных эскалаторных тоннелей, вследствие чего проектировщикам часто приходится заведомо идти на нерациональные конструкции крепей и обделок.

Актуальность темы особенно возрастает в современных условиях перехода бывших социалистических стран на рыночные принципы экономики и хозяйствования.

Большое распространение в тоннеле- и метростроении за последнее время получил так называемый ново-австрийский метод сооружения тоннелей (НАТМ), что можно объяснить весомым экономическим эффектом, достигаемым от применения этого наукоемкого современного метода строительства. Например, в Германии (ФРГ) на строительстве метрополитенов (перегонных, эскалаторных и пешеходных тоннелей, станций лилокного и колонного типов, камер и т.п.) только ,в 1987 г. НАТМ был принят к производству на 43 % общей длины выработок (около 25 км). При этом удалось снизить стоимость работ почти в 2 раза, а материалоемкость — на 30 %. С течением времени объемы применения НАТМ в мире неуклонно растут. 'НАТМ находит широкое применение в Австрии, Швеции, США.

Таким образом, совершенствование и расширение области использования методов НАТМ в отечественной практике метростроения, в частности внедрение его в практику строительства эскалаторных тоннелей, представляется крайне актуальным.

Цель и задачи. Цель настоящих исследований — разработка эффективных конструкций и технологий с использованием элементов НАТМ для условий строительства метрополитенов в аллювиальных отложениях (Например^ Лпна-Ата) при сооружении эскалаторных тоннелей с применением монолитных бетонных и железобетонных обделок взамен чугунных тюбинговых.

В соответствии с поставленной целью предстояло решить ряд научных и инженерных задач, в том чиспе:

выполнить анализ существующего состояния и оценить технический уровень отечественной технологии сооружения эскалаторных тоннелей;

разработан. специальные методики для проиедемпм исследования статической работы обделок применительно к наклонным тоннелям;

осуществить постановку и провести комплекс натурных исследований в производственных условиях по уточнению особенностей работы конструкций и технологии сооружения эскалаторных тоннелей;

разработать применительно к. наклонным тоннелям

рекомендации и предложения по совершенствованию

конструкции монолитных обделок и технологии их

возведения на основе принципов НАТМ;

разработать технологическую схему сооружения наклонного эскалаторного тоннеля с горизонтальным. забоем для возможности частичного или полного устранения наклонного положения рабочей. площадки для работающих людей и оборудования, что позволило бы Снизить трудоемкость проходческих работ на 16-30 % и обеспечить тем самым возможность применения (при некоторой незначительной модернизации) серийно выпу каемон строительной техники;

разработать методику математического моделирования статической работы 'конструкций наклонного тоннеля, сооружаемого методом горизонтального забоя;

разработать методику анализа в производственных условиях напряженного состояния и нагруженности крепи (обделки) наклонного тоннеля по результатам измерений н наблюдении за их деформациями.

Объектами_исследований являлись эскалаторные тоннели.

Эксперименты проводили в производственных условиях на крепях и оиделках горных выработок Алмаатинского метрополитена (в перегонных тоннелях, руддворах, подходных выработках рабочих стволов у строящихся станций). При этом особое внимание уделяли измерениям проявлений горного давления на самых ранних стадиях его проявления — при возведении крени, когда перераспределение внутренних усилий в системе "крепь-массив" идет наиболее интенсивно.

Методика исследований базировалась на использовании результатов теоретических, опытно-экспериментальных и конструкторско-технологических разработок ведущих

отечественных и зарубежных фирм и отдельных исследователей, на проведении автором собственных аналитических и натурных экспериментов с разработкой специальных методик исследований статической работы крепей ( обделок ) и технологических параметров их возведения для решения задач по теме диссертации.

Диссертантом предложены и выносятся на защиту:

• методика и результаты исследований статической работы временной крепи и обделки . наклонных тоннелей, сооружаемых с использованием элементов НЛТМ;

• методика оценки нагруженности крепи (обделки) тоннелей по результатам натурных изменений и наблюдений;

• результаты натурных исследований величины, характера проявления и развития горного давления в аллювиальных отложениях (для условий строительства АлмаатиНского метрополитена);

• методика подбора и определения технологических параметров процесса сооружения наклонных эскалаторных тоннелей с монолитной бетонной обделкой;

• варианты технологии сооружения эскалаторного тоннеля, разработанные по предложенной методике подбора и определения технологических параметров.

Научная новизна работы состоит в разработке автором оригинальных методик по подбору и определению технологических параметров процесса сооружения наклонных эскапаторных тоннелей с монолитной бетонной обделкой в условиях применения элементов НАТМ и по оценке нагруженности крепи (обделки) по результатам натурных измерений и наблюдений.

Практическая значимость работы состоит в возможности получения на основе разработанных автором методики подбора и определения технологических параметров процесса сооружения эскалаторных тоннелей к методики оценки нагруженности крепи (обделки) более точных , и надежных результатов по сравнению с ранее применяемыми методиками.

Использование этих методик позволило автору научно обосновать возможность и эффективность проходки

эскалаторных тоннелей с горизонтальным забоем для частичного или полного устранения неудобств, обусловленных наклонным положением строительной (рабочей) площадки в забое наклонного' тоннеля при традиционной технологии.

Реализация работы. С учетом проведенных комплексных исследований были рекомендованы, запроектированы и возведены облегченные монолитные железобетонные обделки подходных выработок на рабочих стволах строящихся в г.Алма-Ате станций метрополитена "Достык", "Алмалы", "Тулпар"; разработаны варианты технологии сооружения эскалаторных тоннелей с элементами НАТМ; составлена рабочая документация на сооружение эскалаторного тоннеля.

Документация согласована Заказчиком (Дирекцией строящегося метрополитена г. Алма-Аты), Проектировщиком (фирма "Метропроект" - "Алмаатагипротранс"), Подрядчиком (ПСО "Алмаатаметрострой") и принята к производству.

В настоящее время ведутся работы по обустройству строительной площадки и сооружению надшахтного комплекса.

Технико-экономическое сравнение строительства

эскалаторного тоннеля по предложенному автором варианту с базовым показало, что расчетный экономический эффект в ценах 1984 г. составляет 5.21 тыс. руб на пог. м готового тоннеля.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на секции "Тоннели и метрополитены" Ученого Совета ОАО "ЦПИИС" (1994, 1996 гг.), на научном семинаре АН СССР "Средства измерений и испытаний для обеспечения сейсмостойкости сооружений" (Армения, г. Ереван, май 1990 г.), на Всесоюзной IX конференции но механике горных пород (Киргизия, г. Фрунзе, 1989 г.), на научно-технических и производственных совещаниях . по строительству метрополитена в г. Алма-Ате: на фирме "Метропроскт-Алмаатапшротранс", ПСО 'Алмаатаметрострой", в ДСМ г. Алма-Ата (1990 - 1994 гг.).

Публикации. Работы по тематике диссертации нашли отражение в четырех научно-исследовательских отчетах по тематике НИЦ 7М. По материалам диссертации опубликовано ipil печатных работы автора.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении дано обоснование выбора и актуальности темы, сформулированы цели и задачи исследований, дана оценка полученных результатов, научной новизны и практической ценности научных и конструкторско-технологических разработок.

Первая глава диссертации посвящена анализу опыта проходки и крепления наклонных горных выработок в различных инженерно-геологических условиях в транспортном, шахтном и гидротехническом строительстве. Дан подробный обзор работ в этой области подземного строительства (рассмотрены методы, расчетные модели, результаты исследовании).

Установлено следующее.

Ново-австрийский метод строительства тоннелей (НАУМ) признан во всем мире как один из наиболее рациональных методов, но вместе с тем является весьма наукоемким, требующим высокой квалификации строителей.

Наклонное положение выработки и забоя эскалаторного тоннеля существенно снижают производительность труда проходчиков и затрудняют применение типовой (серийной) высокопроизводительной горнопроходческой техники.

В отечественных нормативных документах по транспортным тоннелям отсутствуют указания, которые учитывали бы для линий метрополитена гл>бокого заложения специфику проектирования и строительства наклонных тоннелей.

Расчет собственно конструкций крепей и обделок транспортных тоннелей в настоящее время не представляет принципиальных трудностей. Проблема повышения эффективности проектирования тоннельных сооружений здесь сводится по существу к разработке эффективных методик оценки величины и характера проявления' ^горного давления. А и гор проанализировал многочисленные эвристические

теории (гипотезы) горного давления, в частости таких & ' •

ученых, как акая. Л.II. Герман, проф. М.М. Протодьяконом, проф. Ii.Д. Слесярев, проф. U.M. Цимбаревич и др.

Отмечено, что значительным шагом в развитии теорий проявления горного давления стали предложенные еще акад. Г.Н. Савиным схемы взаимодействия крени с массивом, которые легли в основу современных моделей "крепь-масснв". Вычислительные схемы этих моделей благодаря развитию электронной вычислительной техники используют теперь такие мощные вычислительные средства, как аппарат метода конечных элементов (МКЭ). Вместе с тем эвристические инженерные методы оценки параметров проявления горного давления и нагруженностн подземных конструкций и сегодня не потеряли своего практического значения.

В своих исследованиях автор использовал результаты известных ученых, опытных инженеров-горняков и педагогов, таких как A.A. Борисов, И.В. Баклашев, В.Г. Березанкев, Б.А. Картозия, IO.M« Либермаи, К.В.Руппенейт, Н.С. Булычев, труды исследователей и расчетчиков М.М. Архангельского, С.А. Орлова, Б.Г1. Бодрова, H.H. Фотиевой, А.Ф. Рспужснко, В.И. Шейнина, труды по исследованиям горного давления и деформаций горного массива акад. E.H. Шемякина. Автором использованы последние достижения в области оценки горного давления видных отечественных и зарубежных исследователей. Большую помощь при разработке тоннельных конструкций и технологий оказали автору работы ряда опытных исследователе., и строителен транспортных тоннелей и метрополитенов: СИ. Власова, В.Е. Меркина, Д.М. Голицынского, В.В. Чебот аева, В. А. Гарбера, О.Ю. Антонова, Б,Н. Виноградова и многих др.

На основе результатов» анализа проблемы автором был предложен комплексный ( расчетно-экснериментальныГ. ) подход к проектированию наклонных эскалаторных тоннелей, базирующийся на результатах экспериментов в наклонных выработках М.М '.Протодьяконова, аналогичных экспериментах, проведенных на маломасшгзбных моделях В.Г. Храповым с учетом эллиптичности расчетного поперечного сечения наклонной выработки по Я.Г. Галкину

собственных натурных экспериментах автора.

Расчетио-экспериментальный подход автора, позволил ему получить достаточно гибкую инженерную методику оценки нагруженностн крепи наклонной выработки и, тем самым, повысить надежность полученных результатов.

Как результат анализа сосюиння проблемы ашором сформулированы следующие целевые задачи диссертации:

• разработать технологическую схему сооружения наклонного эскалаторного тоннеля с горизонтальным забоем для облегчения условий работы проходчиков и оборудования; разработать Методику математического моделирования статической работы наклонных выработок с горизонтальным забоем;

• разработать Методику оценки нагружснности и несущей способности крепей по результатам натурных измерений и наблюдений. Для решения этих задач автором составлена блок-схема алгоритма.

Вторая глава посвящена исследованиям на нелинейных моделях строительной механики и моделях метода конечных элементов (МКЭ) статической работы вариантов тоннельных конструкций эскалаторного тоннеля, сооружаемого по технологии с элементами НАТМ.

Исследования на математических моделях (расчеты) проводили с учетом требований действующих отечественных нормативных документов по строительству тоннельных сооружении. Расчетные положения уточняли по результатам натурных измерений проявления горного давления, выполненных по методике, предложенной автором и рассмотренной в третьей главе диссертации

При расчетах по моделям строительной механики (в соответствии с главой СНиП П-40-80) нагрузки на крепь определяли по гипотезе проф.М.М.Протодьяконова. При этом вводили коэффициент Кцакл.=0,866,учитывающий наклон выработки (з04

Кроме того, применяли коэффициент Кг, учитывающий развитие горного давления во времени, который был определен па основе результатов обработки натурных измерений для аллювиальных грунтов Алмаатинскоо метрополитена и принят равным:

Кг ~ 0.052 • х,' г,'"\

где X — период (количество дней) с момента включения крени в работу. Нормативную высоту свода обрушения по Протодьяконову (для определении вертикальной нагрузки на крепь) находили принимая X -= 365 дней.

Исследования показали, что дня условий строительства Алмаатннского метрополитена вертикальная нагрузка от горного давления не превышает 13,05 тс/м2 = 128 кПа. Это значение оказалось существенно ниже того, которое необходимо было принимать в соответствии с отечественными нормами.

На основании исследований, проведенных в выработках Алмаатннского метрополитена, автором рекомендовано определять оптимальные значения параметров конструкции эскалаторного тоннеля по следующей схеме:

назначают варианты конструкций тоннеля, в которых априори принимают набрызг-бетонную крепь и монолитную обделку, в соответствии с положениями НАТМ. Начальные значения параметров задают по опыту для аналогичных условий строительства;

выполняют статические расчеты временной крепи на возрастающую нагрузку от проявления горного,давления при постоянном значении коэффициента бокового давления. При этом в расчетах принимают значение нагрузки на крепь с учетом специфики ее действия на наклонный тоннель (повышенное значение нагрузки у портала и постоянное значение на всей остальной длине тоннеля);

выполняют проверочный расчет наиболее напряженных сечений крени по предельному состоянию 1 и группы при соответствующих значениях расчетных нагрузок;

производят оценку несущей способности крени в целом;

задают уточненные параметры обделки с учетом результатов оценки несущей способности крепи и повышенных требований к обделке с позиций норм проектирования;

выполняют расчеты сечений обделки и по этим результатам корректируют ранее назначенные ее параметры;

во время возпедення сбделкл еще раз производят корректировку се параметре)!' на основе результатов натурных наблюдений и измерении ее деформаций.

При определении расчетном нагрузки на крепь было предложено принимать ее рапной лишь 50 % от нормируемой, так как проведенные автором исследования показали, что крепь будет иметь еще достаточный запас несущей способности. По результатам анализа натурных измерений и наблюдений с использованием усредненной зависимости нарастания горного давления во времени нагрузка на крепь в течение года в условиях строительства Алмаатннского метрополитена достигает лишь 25,5 % от величины нагрузки, определяемой по СНиПу.

В соответствии с данной Методикой были разработаны варианты конструкций крепи и обделки и выполнен анализ их статической работы.

При расчетах тоннельных конструкций по программе ЦНИИС,а ТЮЫЬ (нелинейный расчет) ( рис. 1 ) проверки прочности сечений не требовалось, так как проверка прочности и деформативности сечений здесь выполняется программой автоматически на всех ступенях нагружения. Тем не менее, были выполнены контрольные проверки прочности сечений по программе ЦНИИС.а BAKSAN (расчет элементов тоннельных конструкций из ненапряженного железобетона, работающих на внецентренное сжатие). Расчеты показали, что несущая способность наиболее напряженных сечений крепи на 60 % выше расчетного значения, а в остальных зонах прочность еще обеспечивается даже при нагрузке, вдвое превышающей расчетную.

Таким образом, при расчетных нагрузках на крепь, равных 50 % от нагрузки на обделку, запас прочности по варианту I оказался равным не менее 1.6 по предельному состоянию первой группы и не менее 2 по разрушению материала конструкции прн учете пластических деформаций бетона.

Расчет обделки (как н крепи) проводили также с учетом нелинейности работы бетона. Анализ результатов расчетов показал, что в условиях строительства Алмаатннского метрополитена обделка при этом будет имеет как минимум полуторный запас прочности.

Исследования крепи и обделки по варианту П (прн большей толщине) показали, что из-за повышенной жесткости

РАСЧЕТНОЕ CXEilíH КОНСТРУКЦИЙ И ЭПЕГЫ ЕКУТРЕНШХ УСИЛИЛ В КРЕПИ И' ОБДЕЛКЕ

влгидкг тиодг.з;

Расчетные схемы

Зпюри изгибающих моментов, тем

с;

ai н * S

QJ Ъ

К QJ

чмо

с;

Si

i:

Oj «§■

§ о

О!

,r q„'0.5q

i"

1 ' I ' I' I.....1?

Зоюры нормальных сил, гаг

при нвгруисе до S0 ле/п I

' *it € JÜOJt 1' 1 *

сри ¿в 50 те/ni

""VrkzBr^k1"

111 / >Г\ 1

я« я w\м

Рис. I

здесь имели место более высокие расчетные изгибающие моменты. Тем не менее разрушения конструкции не произойдет, так как напряжения и деформации в материале тоннельных конструкций не выходят за допустимые пределы.

Результаты применения предложенной автором Методики показали, что параметры обделки можно существенно улучшить.

Методом исключения была определена область, где новые конструкции могут оказаться неэффективными. Но даже за пределами эффективной области предлагаемые новые решения более экономичны по сравнению с базовым вариантом обделки из чугунных тюбингов.

При определении нагрузок на крепь по предложенной автором Методике можно существенно снизить также порог применимости предложенных вариантов конструкции обделок эскалаторных тоннелей в сторону возможности их использования в менее устойчивых грунтах, вплоть до грунтов с коэффициентом крепости Г -0,21 -0,29.

В третьей главе представлены результаты исследований проявлений горного давления на крепи.

На основе проведенных экспериментальных работ автором была предложена эмпирическая зависимость для оценки динамики развития горного давления во времени. Для этого автор использовал здесь разработанную сотрудниками ЦНИИСа к.т.н. В.В. Чеботаевым и Л.А. Воробьевым при участии автора Методику оценки пагружспности крепи — пакет прикладных программ "ОРИН'ГО" (Обработка Результатов Измерений Нагруженностн Тоннельных Обделок).

Методика "ОРИНТО" базируется на следующих положениях, которые определяют область ее эффективного применения, точность и достоверность результатов, которые могут быть получены при правильном ее использовании.

Крепь — элемент системы "крепь-массив".

В качестве расчетной модели системы "крепь-массив" используют методику Метропроекта — расчет крепи (обделки) на заданные нагрузки с учетом упругого отпора породы (базовая модель но расчет}' обделок транспортных тоннелей в действующих главах СНиП).

Статическую. работу крепи (обделки) полагают упругой (для обеспечения возможности использования однозначной зависимости между напряжениями и деформациями). Внутренние усилия в крепи определяют по известным линейным зависимостям:

М = EI ♦ (eD„ - еИАР) / 10' * (YlIAP - YBi.); N - EF«( eBii* Yhap-Cap* Yn.i)/10'*(Y„Ap-Ydh),

где: E— модуль упругости материала крепи, кгс/см2;

I — момент инерции сечения крепи, см4;

.> 2

г — площадь сечеиия крепи, см ;

Yhap, YBh — соответственно координаты наружной и внутренней измерительных баз деформометров;

ецлр, евн — соответственно относительные деформации, измеренные деформометром на наружной и внутренней измерительных базах;

М — изгибающий момент в сечении, тс* м;

N— продольная (нормальная) сила в сечении, тс.

В пределах длины измерительных баз деформометров L полагают N и М постоянными и определяют относительные деформации по изпестным формулам:

ецд,р = ALhap / L ; евн = АЬпн / L .

Цель методики "ОРИНТО" — обеспечить проверку соответствия расчетной нагруженности крепи (обделки) фактической. Способ сопоставления расчетных и фактических значений нагруженности, реализуемый пакетом "ОРИНТО", состоит в следующем.

По вычисленным относительным деформациям в ряде измерительных точек в измерительном сечении обделки определяют в этих точках изгибающие моменты М и продольные (нормальные) силы N. Под одной измерительной точкой в измерительном сечении тоннеля здесь понимают полную систему измерительных баз, обеспечивающую определение в этой точке усилии N и М).

Далее подбирают такие параметры контрактного давления на крепь, которые вызывают в измерительных точках крепи внутренние силы М it N, соответствующие вычисленным по

результатам измерений относительных деформаций. Для этого и программу "ОРИ НТО" заводя.г систему эталонов нагруженности крепи. Чем полнее эта система эталонов и чем большее количество измерительных точек взято в измерительном поперечном сечении тоннеля, тем точнее и достовернее будут результаты оценки нагруженности крепи.

Система интерполяции "ОРИНТО" позволяет выводить результаты в принципе при любом количестве измерительных точек по периметру измерительного сечения крепи. Однако, для обеспечения разумной точности и достоверности результатов количество измерительных точек должно быть не менее 4-5. Результаты выдаются программой в виде ранжированного ряда вероятностей по всем возможным вариантам нагруженности, что позволяет исследователю правильно оценить и обосновать надежность результатов.

Для измерении относительных деформаций применяли съемные деформометры ЦНИИС с базой Ь - 300 мм, на индикаторах часового тина с ценой деления 0,01 мм.

Вместо пары баз для измерений приращении длин в двух уровнях ( для вычислении ецн и сидр ) в ряде случаев оказалось технологичнее применение комплекса измерительных-• приборов, состоящего из деформометра и прогпбомера. Это позволило отказаться от установки на крепи (обделке) измерительных кронштейнов, так называемых "рогов", которые в производственных условиях сложно защитить от случайных повреждений.

На основе данных измерений нагруженности крепи с использованием пакета "ОРИИТО" были исследованы различные математические выражения для аппроксимации зависимостей нарастания контактного давления во времени: линейная, степенная и логарифмическая. В качестве рабочей была принята степенная формула:

V - 0,3)48*ХСМ%°,

где: У— величина вертикального давления грунта, тс/м2;

X— время с момента включения крепи в работу, дни.

Низкие значения контактных давлений на крепь, полученные на основе измерений деформаций и применения пакета "ОРМПТО", позволили вполне обоснованно ввести на величину расчетного давления грунта понижающий коэффициент, учитывающий особенности проявления горного давления в выработках для условий строигельства

Ллмаатннского метрополитена, принимая нарастание сорного давления во времени по формуле:

К = 0,021 ♦ X04964.

В четвертой главе представлены разработки автора но технологии и комплексу оборудования для сооружения эскалаторных тоннелей, выполненные в соответствии с предложенным автором алгоритмом решения целевых задач, описанным в главе первой. Автором разработано и предложено два варианта технологии сооружения эскалаторного тоннеля.

Основные характеристики технологии сооружения эскалаторного тоннеля по варианту I (рис.2):

• разработку и погрузку породы осуществляют серийным экскаватором "обратная лопата", откатку породы ведут конвейером типа "изгиб" или элеваторного типа;

• часть забоя устраивают под углом естественного откоса, что позволяет отказаться от крепления лба абоя;

• постоянную обделку из монолитного бетона с элементами внутренних обустройств сооружают после проходки на временной крепи всего тоннеля.

• в качестве временной крепи применяют арочно-набрызгбетонную крепь, возводимую по технологии с элементами НАТМ.

Вариант I имеет в сравнении с базовым более высокий уровень технологической обеспеченности и меньшие удельные затраты. В дальнейшем по варианту .1 с учетом наличия у строителей соответствующей техник!! ПСО "Алмаатаметростром" разработал рабочий проект организации строительства (ПОС). Расчетные показатели технологии по варианту I оказались следующими:

темп проходки с возведением крепи темп сооружения бетонной обделки средняя скорость сооружения тоннеля трудозатраты на 1 пог. м тоннеля

-45- пог.м/мес,

- 60 пог.м / мес,

- 25,7 пог.м / мес, -81,6 чел. час.

Варианты технологии сооружении наклонного хода

Вариант I

Устройство Временного креплении

Iмол г а»

¡¡м«ТВГ\

¡аяжи £1. Скз/ьчн с ei-.ii;

сечение срочно-набрызгбетоннзй брененной крепи'

Л берхней чйсти, злепенты временной крепи

%лУ

у 6 ни* Ч( и чО (.1,

,Жу

Уро&ерь )опикорщеО "в ноислипныи лоток

Вепюниро5ание лотка а крепление стен тоннеля набразг-бетоном

Се*знз«ссс( ЬИ-I 5

, л 1ьАи? ¿(«в/«*;'

'но.

Хотя средняя скорость сооружения готового тоннеля оказалась несколько ниже средней скорости по базовому варианту, однако по приведенным затратам и по уровшо технологической обеспеченности (по трудозатратам) предлагаемый вариант существенно превосходит базовый.

Учитывая, что скорости сооружения эскалаторного тоннеля по традиционной технологии, рассчитанные по циклограммам, практически были достигнуты лишь о редких случаях, можно говорить о сопоставимости скоростей традиционной и предлагаемой технологий. Крепь и обделка по варианту I имеют существенный запас прочности и в дальнейшем имеется возможность ( при реализации данного варианта ) еще значительно улучшить его технологические показатели.

Характеристики технологии сооружения эскалаторного тоннеля по варианту II (перспективный вариант, рис. 3 ):

• проходку ведут полностью горизонтальном забоем с разработкой и погрузкой породы модернизированным серийным экскаватором, на котором дополнительно монтируют щелеобразующий рабочий орган (.аля различных типов грунтов это может быть рабочий орган цепного экскаватора, баровый рабочий орган, днскофрезерная машина). Модернизация рабочих органов заключается в приспособлении их для резки грзмта в горизонтальной плоскости вместо вертикальной;

• откатку породы ведут конвейером типа "изгиб" или элеваторного типа;

• формирование части лба забоя под углом естественного откоса исключает необходимость крепление забоя;

• временное крепление выработки ведут набр. .згбетон-машиной путем заполнения горизонтальных прорезей по контуру тоннеля одновременно с их нарезкой ( по аналогии с методом опережающего бетонного свода);

• тоннель проходят на временной крепи на всю длину;

• обделку из монолитного бетона с элементами внутренних обустройств возводят после проходки на временной крепи всего тоннеля.

.Вариант II требует наличия довольно сложного комплекса специального оборудования (для одновременного выполнения

Варианты технологии сооружения наклонного хода

Вариант II

Устройство временного крепления

Ц»т»6,а ЦП — \

ш

р

Щелей бриуупщуО рабочий бреои""

-—1—--

/

Рис, 3

раба г по нарезке и заполнению опережающей щели) Опыт такой проходкн в отечественной практике пока огсуюгвует, хотя в Отделении тоннелей и метрополитенов (ныне НИЦТМ ОАО "ЦНИИС") в свое время проводили экспериментальные работы, в результат которых были получены положительные результаты. Опыт проходки с опережающей бетонной крепью имеется во Франции, Японии н др. странах.

По результатам исследований разработаны: "Техническое задание на нестандартное оборудование дпя сооружения эскалаторных тоннелей с монолитной обделкой" (для варианта II) и "Технический проект конструкции передвижной опалубки для сооружения обделки" (для варианта I).

Можно ожидать, что по перспективному варианту (вар. II) будет иметь место более высокий уровень технологической обеспеченности в сравнении и с базовым, н с вариантом I.

В пятой главе даны основные результаты внедрения исследований и конструкгорско-технологических разработок.

С использованием результатов диссертационной работы запроектированы и применены облегченные монолитные железобетонные обделки подходных выработок на рабочих стволах сооружаемых станций "Достык", "Алмалы", "Тулпар". Применение этих обделок позволило сэкономить на каждом ног. метре тоннеля: бетона В25 — 2,52 м3, металла — 0,08 т, объемов земляных работ — 6,37 м3, трудозатрат — более 23 чел. ч. Общий экономический эффект на I пог. м выработки в ■ базовых ценах 1984 г. составил 306,6 руб.

Всего на 01.01.96 с облегченной обделкой пройдено 541 пог. м. выработок. Суммарная экономия в базовых ценах составила 165,87 тыс. руб. (объем внедрения в соответствии с технической документацией принят равным 83 пог. м).

• Разработанные в рамках проведенных исследований варианты технологии сооружения эскалаторных тоннелей согласованы Заказчиком, Проектировщиком н Подрядчиком. Оба варианта приняты к производству.

Ввиду того, что стоимость оборудования для сооружения эскалаторных тоннелей до его изготовления оценить не представляется возможным, его стоимость при сравнении вариантов не учитывали. Однако, в сравнительных расчетах учтены и сопоставлены трудовые и материальные затраты и затраты на эксплуатацию существующей строительной техники. При этом общий экономический эффект в базовых

ценах 1У84 г. составил 432,45 тыс. руб. (па тоннель длиной Ь'З м ) и, соответственно, 5,21 тыс. руб. на I лог. м готового тоннеля.

В Заключении автором дана общая оценка результатов работы, намечены пути совершенствования конструкций и технологий сооружения эскалаторных тоннелей.

В Приложении помещены некоторые результаты исследований горного давления, справки о внедрении, материалы патентного поиска и др. справочные материалы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1 Конструкции и технологии сооружения эскалаторных тоннелей на основе принципов НАТМ в отечественной практике пока не применялись, что связано с рядом специфических особенностей этого типа сооружений, затрудняющих использование здесь опыта зарубежных фирм по литературным данным, так как эти вопросы являются предметом "ноу-хау" фирм. Поэтому одной из задач диссертационной работы было обоснование возможности эффективного применения НАТМ при сооружении эскалаторных тоннелей на основе результатов экспериментальных исследований, ранее выполненных в ЦН11ИСе с постановкой дополнительных исследований.

2 При выводе расчетной зависимости для оценки нагрузки на крепь автором проведены исследования изменения нагрузок на крепь наклонных тоннелей в зависимости ог глубины заложения и формы выработки.

3 Для оценки динамики нарастания горно! о давления во времени автором разработана методика и проведен натурный эксперимент на крепи подходной выработки станции "Алмалы". Результаты натурного эксперимента подтвердили правильность выведенной зависимости. Реальные нагрузки на крепь не превышали 25 % от нормированной.

4 Разработана Методика определения оптимальных параметров технологии сооружения транспортного тоннеля. Определяющим элементом предложенной технологии сооружения эскалаторного тоннеля является горизонтальное положение забоя, что обеспечивает возможность снижения трудоемкости на 16-30%.

5 Определена область эффективного применения предложенных автором конструктивно-технологических решений сооружения эсккалаторного тоннеля. При нагрузках от горного давления до 750 кН/м2 в грунтах с коэффициентом крепости по проф. М.М. Протодьяконову Г> 0.21 может быть обеспечена экономия труда в 2 и более раза по сравнению с традиционным решение (применение эректорнон проходки с возведением обделки из чугунных тюбингов).

6 Методика определения нагруАенности крепи (обделки), разработанная с участием автора в рамках данной работы (с использованием пакета прикладных программ "ОРИНТО"), применима для осуществлений мониторинга состояния крепи в период строительства транспортных тоннелей для корректировки ее параметров по результатам измерений ее деформаций.

7 Па базе предложенной автором Методики определения параметров конструкций и технологии сооружения наклонных тоннелей составлена рабочая документация по сооружению эскалаторного тоннеля метрополитена в г. Алма-Ате.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1 Ефремов В.Р. Обзор опыта строительства эскалаторных тоннелей и наклонных горных выработок. Забои. 1992, 6-8.

2 Ефремов В.Р. Конструктивно-технологическое решение для сооружения эскалаторных тоннелей метрополитена в аллювиальных отложениях. Метро. 1993, N0 3.

3 Ефремов В.Р. Опыт исследования проявления горного давления при сооружении выработок Алмаатинского метрополитена. Подземное пространство мира. 1995, N0 2.