автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Эффективные технологические параметры компенсационного нагнетания в тоннелестроении

На правах рукописи

аячыб304

КРАВЧЕНКО Виктор Валерьевич

ЭФФЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ КОМПЕНСАЦИОННОГО НАГНЕТАНИЯ В ТОННЕЛЕСТРОЕНИИ

05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 2 ДЕК 2010

Москва 2010

004616304

Работа выполнена в Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) на кафедре мостов и транспортных тоннелей.

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Маковский Лев Вениаминович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шилин Андрей Александрович

кандидат технических наук, Конюхов Дмитрий Сергеевич

Ведущая организация: НПО «Космос»

Защита диссертации состоится 16 декабря 2010 года в Щ часов на заседании диссертационного совета Д 212.126.02 ВАК РФ при Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский проспект, 64, ауд. 42. л/

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенные печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета. Копию отзыва просим присылать по e-mail: uchsovet@madi.ru Телефон для справок 8 (499) 155 - 93 - 24.

Автореферат разослан «Л5"» ноября 2010 года.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, профессор (

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Актуальность диссертационной работы обусловлена увеличением объемов подземного строительства в сложных градостроительных и инженерно-геологических условиях, требующих применения специальных мер по улучшению физико-механических свойств грунтов основания и минимизации нарушений зданий и сооружений. Среди таких мер особое место занимает укрепление грунтового массива методом компенсационного нагнетания. Высокая эффективность этой технологии, подтвержденная практикой подземного строительства, способствует расширению сферы ее применения в крупных городах России. Однако вопросы по применению данной технологии в отечественной практике тоннелестроения изучены недостаточно, теоретические и экспериментальные исследования не проводились. В связи с этим, в настоящее время такие исследования являются весьма актуальными.

Цель и задачи диссертации.

Цель диссертации - установление эффективных технологических параметров компенсационного нагнетания. Для этого должны быть определены: размеры зоны нагнетания, положение этой зоны относительно вертикальной оси тоннеля, шаг инъекционных скважин, давление нагнетания, состав строительного раствора, величина объемного расширения скважины компенсационного нагнетания, необходимая для «поднятия» сооружения и др.

В соответствии с поставленной целью определены задачи исследований:

» анализ существующего опыта применения метода компенсационного нагнетания;

• разработка пространственных конечно-элементных моделей системы, включающей в себя грунтовый массив, зону компенсационного нагнетания, строящийся тоннель и защищаемое сооружение (в дальнейшем, «тоннель-укрепление-массив»);

• проведение численных экспериментов для выявления НДС системы «тоннель-укрепление-массив»;

• обработка и анализ экспериментальных исследований;

• учет результатов экспериментальных исследований для корректировки теоретических исследований;

• разработка методики определения основных параметров компенсационного нагнетания.

Методика исследований.

Методы исследований предусматривают комплексный подход, включающий научный анализ, обоснование и обобщение материалов по вопросам применения технологии компенсационного нагнетания в тоннелестроении с целью снижения осадок зданий и сооружений

В теоретических исследованиях использовано математическое моделирование на основе метода конечных элементов (МКЭ). Разработаны численные плоские и пространственные конечно-элементные модели для расчета системы «тоннель-укрепление-массив».

Выполнен анализ данных лабораторных исследований компенсационного нагнетания, полученных в Технологическом Университете (Delft University of Technology), Делфт, Нидерланды, в Кембриджском университете (Cambridge University), Кембридж, Англия, в Университете La Sapienza (La Sapienza University of Rome), Рим, Италия, в Роял Хасконинг (Royal Hastening), Неймеген, Голландия.

В диссертационной работе проанализированы данные натурных исследований компенсационного нагнетания в процессе проходки участка Лефортовского тоннеля под зданием Алексеевского военного училища в Москве и при ликвидации деформаций 10-ти этажного здания, расположенного в центре города Тайбэй (Тайвань). Также были рассмотрены примеры применения компенсационного нагнетания НПО «Космос» при сооружении Апабяно-Балтийского тоннеля под действующими тоннелями метрополитена и автотранспортными тоннелями в районе станции метро «Сокол» в 2008-2010 г., а также ЗАО «Триада-холдинг» при реконструкции здания Государственного Академического Большого театра в 2005-2009 г.

Научная новизна работы.

• Проанализированы данные теоретических и экспериментальных исследований компенсационного нагнетания.

• Впервые разработаны численные плоские и пространственные конечно-элементные модели для расчета системы «тоннель-укрепление-массив» .

• Проведены теоретические исследования НДС системы «тоннель-укрепление-массив»

• Обобщены результаты экспериментальных зарубежных исследований. Полученные данные были использованы для корректировки теоретических исследований.

• Впервые в Российской Федерации разработана методика определения основных параметров компенсационного нагнетания.

Практическая ценность работы заключается в разработке методик:

• определения основных параметров компенсационного нагнетания;

• расчета системы «тоннель-укрепление-массив»;

• теоретических исследований метода компенсационного нагнетания.

Достоверность полученных результатов обоснована:

• учетом требований действующих нормативных документов;

• строгостью применяемых методов теоретических и экспериментальных исследований;

• использованием передовых методических разработок ведущих отечественных и иностранных компаний в рассматриваемой области;

• тестовыми расчетами НДС системы «тоннель-укрепление-массив», подтвержденными практикой строительства;

• хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Реализация результатов.

Результаты работы нашли применение:

• при проектировании ООО «ЗЕГЕ С.О. «ЗЗСТ» нулевого цикла здания над тоннелями метрополитена в районе станции «Проспект Вернадского» в Москве;

• в учебном процессе кафедры мостов и транспортных тоннелей Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ).

Апробация работы.

Результаты работы были доложены:

• на 67-ой научно-методической и научно-исследовательской конференции Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ), 2008 г.;

• на заседании секции «Метро и тоннелестроение, освоение подземного пространства» Ученого Совета ЦНИИС, 2009 г.;

• на 68-ой научно-методической и научно-исследовательской конференции Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ), 2010 г.

Нг защиту выкосятся:

• результаты анализа отечественного и зарубежного опыта применения технологии компенсационного нагнетания в тоннелестроении;

• результаты анализа и обработки экспериментальных исследований, выполненных за рубежом и применяемые в дальнейших теоретических исследованиях соискателя;

• плоская и пространственная конечно-элементные модели системы «тоннель-укреплекие-массив», реализованные с использованием программных комплексов «PLAXIS» и «PLAXIS 3D TUNNEL» соответственно;

• результаты численного эксперимента системы «тоннель-укрепление-массив»;

• методика определения основных параметров компенсационного нагнетания.

Публикации.

По результатам исследования опубликовано семь печатных работ в профильных изданиях, в том числе одна в журнале, находящемся в списке ВАК РФ, в которых отражены основные положения диссертационной работы.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения, списка литературы и четырех Приложений. Полный объем работы составляет 143 страницы, включая 83 иллюстрации и 20 таблиц. Список литературы включает 96 наименований, в том числе 26 иностранных.

Диссертационная работа выполнена на кафедре мостов и транспортных тоннелей Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность темы диссертации, новизна и практическая значимость, сформулированы цель и задачи исследований.

В первой главе проанализирован отечественный и зарубежный опыт компенсационного нагнетания в тоннелестроении, рассмотрена область его применения и технология работ, намечены задачи дальнейших исследований.

Наблюдающееся в последние десятилетия увеличение тоннельного строительства в условиях плотной городской застройки обусловливает необходимость дальнейшего совершенствования технических средств и методов защиты от недопустимых осадок зданий и сооружений, встречающихся по трассе тоннелей, сооружаемых закрытым способом.

Большой вклад для решения этого вопроса в нашей стране внесли: Авершин С.Г., Богомолова О,В., Власов С.Н., Воробьев Л.А., Гарбер В.А., Голубев В.Г., Демешко Е.А., Дорман И.Я., Иофис М.А., Ильичев В.А., Конюхов Д.С., Лиманов Ю.А., Маковский Л.В., Меркин В.Е., Муллер В.Ф., Петрухин В.П., Смирнова Г.О., Чеботаев В.В., Шилин A.A., Щекудов Е.В., Яровой Ю.И. и др. За рубежом этот вопрос решался в работах Bezuijen A.F., Н.Т. Chen., Е. Falk., S. P. Kaushish, D. Kolymbas, Y. Kojma, H. Knitsch., R. Kleinlugtenbelt, T. Ramamurthy H.F. Schweiger, T. Telford, L.W.Wong, A.M. Wood, К. Yashiro.

Среди методов защиты зданий и сооружений от деформаций, вызванных строительством тоннелей, особое место занимает укрепление грунтового массива методом компенсационного нагнетания. Принципиальная схема компенсационного нагнетания приведена на рис. 1.

Сущность этого метода заключается в том, что развитие осадок предотвращается путем нагнетания строительных растворов в определенный горизонт грунтового массива между тоннельной выработкой и защищаемым сооружением. Подавая в грунт под давлением стабилизирующий состав, создают «строительный подъем» грунтового массива, компенсируя, таким образом, потери грунта при прохсдке тоннеля. Нагнетание начинается, как только возникают подвижки грунта с приближением забоя, и продолжается по мере необходимости в течение всего процесса их развития.

Рис. 1. Принципиальная схема технологии компенсационного нагнетания

Неотъемлемым элементом метода компенсационного нагнетания является комплексный геотехнический мониторинг, организованный с применением высокоточных измерительных средств.

Положительный опыт применения этого метода накоплен при строительстве станции «Юбилейная» на линии метрополитена в Лондоне, Великобритания, на строительстве метрополитена в Балтиморе, США, при сооружении станций Венского метрополитена, Австрия, при строительстве участка Лефортовского тоннеля под зданием Алексеевского военного училища в Москве, Россия и других странах. Этот метод не требует вскрытия дневной поверхности земли, не нарушает условия городского движения и минимизирует деформации грунтового массива.

Для оценки эффективности рассматриваемой технологии в диссертации были проведены технико-экономические расчеты по сравнению компенсационного нагнетания с другими специальными методами укрепления и стабилизации грунтового массива (химическое закрепление, замораживание, цементация). При этом, на основе данных отечественного и зарубежного опыта, учитывались стоимость материалов, производство работ, трудозатраты, эксплуатация оборудования и др, В результате было выявлено, что применение компенсационного нагнетания требует меньших затрат по сравнению с химическим закреплением - на 25-30%, замораживанием - на 3540%, цементацией - на 30-35%.

Диссертация направлена на изучение компенсационного нагнетания по фильтрационной схеме, когда инъекции строительного раствора производят в несвязные песчаные грунты с высокой степенью проницаемости. При этом в грунт под давлением 1,2-4,5 МПа нагнетают текучий строительный раствор с высоким содержанием частиц твердой фракции, которые оседают вблизи инъектора, вызывая развитие вокруг него искусственного уплотнения. Жидкая составляющая раствора фильтруется в окружающий фунтовый массив.

Для оценки НДС системы «тоннель-укрепление-массив» в настоящее время широко используют численные методы и, прежде всего, МКЭ, позволяющий решать сложные пространственные геомеханические задачи с учетом неоднородности грунтового массива и его нелинейной работы.

Существует большой выбор программных комплексов, основанных на МКЭ: «PLAXIS», «GEO», «MIDAS GTS», «NASTRAN», «COSMOS/M», «ANSYS» и др. Учитывая сложный характер взаимодействия системы, включающей в себя грунтовый массив, зону компенсационного нагнетания, строящийся тоннель и защищаемое сооружение, а также необходимость учитывать технологическую последовательность выполнения строительных операций, в диссертационной работе было решено использовать программные комплексы «PLAXIS 2D v. 8.5» и «PLAXIS 3D TUNNEL 2».

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям работы системы «тоннель-укрепление-массив», разработке плоской и пространственной конечно-элементной модели для определения напряженно - деформированного состояния (НДС) этой системы.

Существенный вклад в разработку теоретических и практических основ расчета подземных сооружений на основе МКЭ внесли: И.В. Бакпашов, В.А. Гарбер, Ж.С Ержанов, Ю.К. Зарецкий, М.Г. Зерцалов, Б.А. Картозия, И.И. Кондауров, C.B. Кузнецов, J1.A. Розин, С.Б. Ухов, А.Б. Фадеев, В.В. Чеботаев, H.H. Шапошников, Е.В. Щекудов, С.А. Юфин и др.

Расчеты проводились с применением комплексов программ «PLAXIS 2D v. 8.5» и «PLAXIS 3D TUNNEL 2», разработанных компанией "PLAXiS b/v". Данные расчетные комплексы предназначены для решения задач инженерной геотехники на основе МКЭ.

Для моделирования работы фунта в диссертационной работе была использована нелинейная упругопластическая модель Мора-Кулона.

Для исследования работы системы «тоннель-укрепление-массив» с учетом особенностей окружающего грунтового массива и

технологии строительных работ были проведены две серии численных экспериментов. В качестве исходных данных приняты инженерно-геологические условия, характерные для центральной части г. Москвы. Компенсационное нагнетание по фильтрационной схеме производится в песок среднезернистый.

В первой серии численных экспериментов определяли необходимый для перекрытия зон образования полостей разрыва (цементных линз) и уплотнения грунта шаг скважин компенсационного нагнетания в продольном (относительно оси будущего тоннеля) направлении.

Для этого варьировались следующие факторы.

• Шаг скважин компенсационного нагнетания - Д (1,5, 1,3, 1,1, 0,9, 0,7 и 0,5 м).

• Положение скважин для компенсационного нагнетания относительно вертикальной оси - отношение а/Ь, где а и Ь - расстояния от скважины компенсационного нагнетания до фундамента здания и свода будущего тоннеля соответственно (0,25, 0,50 и 0,75).

Размер буровых скважин был принят по опыту проведения компенсационного нагнетания при строительстве участка Лефортовского тоннеля под зданием Алексеевского училища и составил 0,1 м. В качестве постоянной нагрузки от здания была принята распределенная нагрузка в 25 кН/м2.

Во второй серии численных экспериментов определяли зависимость подъема фундамента здания от следующих факторов.

• Положение скважин для компенсационного нагнетания относительно вертикальной оси - а/Ь (0,25, 0,5 и 0,75).

• Относительная глубина заложения будущего тоннеля - отношение НЮ, где Н - расстояние от низа фундамента здания до свода будущего тоннеля, О - диаметр будущего тоннеля (1,82, 1,33 и 1,05).

• Увеличение объема подачи строительного раствора в скважину компенсационного нагнетания по сравнению с первоначальным объемом этой скважины - п (110,115,120 и 125%).

Таким образом, для первой серии численных экспериментов было запланировано 18 серий расчета, для второй - 36.

Для продолжения дальнейших теоретических исследований работы системы «тоннель-укрепление-массив» была выявлена необходимость в использовании данных, полученных в экспериментальных лабораторных и натурных условиях:

• модуль деформации подаваемого под давлением строительного раствора до и после набора им проектной прочности;

• плотность раствора для компенсационного нагнетания;

• влияние параметров раствора компенсационного нагнетания на форму и размеры формирующейся в грунте укрепленной области.

В третьей главе приведен анализ экспериментальных исследований компенсационного нагнетания с целью получения данных, необходимых для продолжения теоретических исследований.

Использование экспериментальных исследований технологии компенсационного нагнетания позволяет избежать трудностей дальнейших теоретических исследований и получить необходимые для этого данные. Поскольку подобные исследования в России не производились, были использованы результаты экспериментов, выполненных за рубежом. В ходе этих исследований оценивалось влияние состава строительного раствора и давления нагнетания на форму, размеры и характеристики грунтоцементной области, образующейся в грунте при компенсационном нагнетании.

Для испытаний использовался цилиндрический металлический стенд диаметром 0,9 м и высотой 1,0 м, заполненный природным кварцевым песком (рис. 2).

В верхней части контейнера расположена пластина из поливи-нилхлорида (ПВХ), которая герметично соединена с этим контейнером с помощью резинового уплотняющего кольца. Инъекционное сопло на стенде соответствует системе для компенсационного нагнетания в натурных условиях.

Для контроля хода проведения экспериментов в контейнере были установлены датчики порового давления и общих напряжений. В процессе испытаний постоянно измерялось увеличение в объеме грунта в контейнере вследствие инъекции раствора и дренажа воды, содержащейся в порах песка. После проведения каждого эксперимента инъецированный раствор в течение четырех дней набирал прочность, после чего окружающий его песок промывался, и становилась видна форма грунтоцементной укрепленной области.

Проведенные экспериментальные исследования можно условно разделить на четыре серии:

• сценка влияния водоцементного отношения (В/Ц) на формирование в грунте укрепленной области;

• определение влияния свойств раствора компенсационного нагнетания (вязкость, проницаемость, наличие добавок) на формирование и характеристики укрепленной области;

• исследование давления нагнетания на характеристики укрепленной грунтоцементной области;

• определение влияния содержания цемента в строительном растворе на давление компенсационного нагнетания и форму грунтоцементной укрепленной области.

В результате обработки и анализа результатов лабораторных исследований компенсационного нагнетания был подобран оптимальный состав инъекционного строительного раствора, использованный для дальнейших численных исследований:

• модуль деформации в процессе выполнения компенсационного нагнетания составляет 8-10 МПа, после набора раствором проектной прочности увеличивается до 20-30 МПа.

• для формирования более широких укрепленных областей принят раствор с повышенным содержанием цемента, плотность которого составила 20-25 кН/м3.

В четвертой главе диссертации сравниваются результаты теоретических и экспериментальных исследований, исследуется НДС

системы «тоннель-укрепление-массив» с учетом результатов экспериментальных исследований, разрабатывается методика определения параметров компенсационного нагнетания в тоннелестроении.

По результатам проведенных тестовых расчетов было выявлено, что теоретические исследования метода компенсационного нагнетания, выполненные с применением расчетного комплекса «PLAXIS 3D TUNNEL 2», имеют хорошую сходимость с результатами экспериментальных исследований в натурных условиях. В качестве натурных исследований был рассмотрен пример применения компенсационного нагнетания при ликвидации деформаций 10-ти этажного здания в городе Тайбэй (Тайвань). Разработанная объемная конечно-элементная модель позволяет с достаточной для практических целей точностью оценивать НДС системы «мзссив-тоннель-укрепление» и прогнозировать ограничение осадок зданий и сооружений путем применения компенсационного нагнетания.

Начатые в главе 2 теоретические исследования были продолжены с учетом данных, полученных при анализе экспериментальных исследований компенсационного нагнетания (глава 3).

В первой серии численных экспериментов исследуется влияние шага скважин компенсационного нагнетания (Д) и их положения относительно вертикальной оси на образование пластических зон в целике между скважинами. Было произведено 18 серий численных экспериментов. Верхние 2 м фунта заменены эквивалентной равномерно распределенной нафузкой. Тоннель, находящийся значительно ниже, не вошел в расчетную схему, так как не оказывает влияния на шаг скважин компенсационного нагнетания. Математическая модель для этой серии численных экспериментов приведена на рис. 3. Основным критерием определения шага скважин компенсационного нагнетания послужило образование пластических зон в фунтовом массиве между инъекционными скважинами, по которым оценивалось их влияние друг на друга. При 100-процентном заполнении целика пластическими зонами происходит наибольшее влияние скважин компенсационного нагнетания друг на друга и, в результате инъекций в них строительного раствора, образуется однородная фунтоцементная укрепленная область.

В результате произведенных исследований была получена зависимость однородности грунтоцементной области (s, %) от шага скважин компенсационного нагнетания (а, м):

в = -73,66а2 + 75,89а + 81,36. (1)

Из графика на рис. 4 видно, что при Д =0,5-0,7 однородность грунтоцементной области составляет 100%. При шаге 0,9 м однородность этой области снижается на 10, при 1,1 м - на 20, при 1,3 м - на 50 и при 1,5 м - на 70%.

Таким образом, необходимый для перекрытия зон образования полостей разрыва (цементных линз) и уплотнения грунта шаг скважин для компенсационного нагнетания диаметром 0,1 м, должен быть не более 0,7 м.

Рис. 3. Расчетная схема для первой серии численных экспериментов: 1 и 2 - нагрузка от здания и вышележащих слоев грунта соответственно; 3 - инъекционная скважина

О о -I-1-1——1-1-1-т-1-1-1-1

0.5 0,6 0,7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Шаг скважця, м Рис. 4. Зависимость однородности плиты от шага скважин

Во второй серии численных экспериментов на пространственной математической модели (рис. 5) было произведено 36 серий численных экспериментов. В табл. 1 приведены варьируемые параметры модели МК'Э. В качестве исследуемого признака рассматривали поднятие фундамента здания в результате применения компенсационного нагнетания.

Рис. 5. Расчетная схема для второй серии численных экспериментов

Таблица 1

N8 варианта а/Ь Н/О п Поднятие фундамента, мм № варианта а/Ь Н/О п Поднятие фундамента, мм

1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

1 0,25 1,05 110 9 19 ! 0,50 1,05 120 19

2 0,25 1,33 110 10 20 0,50 Г 1,33 120 20

3 0,25 1,82 110 11 21 0,50 1,82 120 22

4 0,25 1,05 115 14 22 0,50 1,05 125 24

5 0,25 1,33 115 16 23 0,50 1,33 125 25

6 0,25 1,82 115 18 24 0,50 1,82 125 27

7 0,25 1,05 120 18 25 0,75 1,05 ! 110 8

8 0,25 1,33 120 19 26 0,75 1,33 110 9

9 0,25 1,82 120 22 27 0,75 1.82 110 11

10 0,25 1,05 125 24 28 0,75 1,05 115 13

11 0,25 1,33 125 25 29 0,75 1,33 115 14

12 0,25 1,82 125 28 30 0,75 1,82 115 14

13 0.50 1,05 110 8 31 0,75 1,05 120 18

14 0,50 1,33 110 9 32 0,75 1,33 120 19

15 0,50 1,82 110 10 33 0,75 1,82 120 20

16 0,50 1,05 115 14 34 0,75 1,05 125 23

17 0,50 1,33 115 15 35 0,75 1,33 125 24

Г 18 0,50 1,82 115 15 36 0,75 1,82 125 26

Для определения шкальных значений технологических вариантов применили метод отнесения каждого варианта к одной из категорий на основе создаваемого ими эффекта - поднятия фундамента. Результаты численного моделирования исследованных 36 вариантов инженерных решений были проранжированы в порядке уменьшения по величине создаваемого ими поднятая фундамента (рис. 6). Каждому из вариантов была присвоена категория по 36-бальной шкале. Это позволило построить диаграмму зависимости поднятия фундамента от категории варианта инженерного решения (a/b, H/D, процентного увеличения подачи объема строительного раствора в скважину компенсационного нагнетания).

Результаты численных расчетов закономерно и достаточно плотно легли на сглаживающую линейную зависимость (2), аппроксимация в этом случае составила 0,99

t = 0,58р + 27,9, (2)

где t - поднятие фундамента, мм; р - категория варианта инженерного решения, балл.

В связи с этим можно сделать вывод о том, что результаты экспериментов можно аппроксимировать единой зависимостью.

я И «S

¿rfijM и wLL г { 1 '!

1 i 11

<i \ Ад \ r> 4 г А Д ki МЖ i л н ^ L Ф V" V4 I

\ r N \ к г rV -1 А А

т ик А 1/ л Л Т /VV о

л ш т 3 ' Ii* Ml- т |Т 1 V: тг г{ у iijf

У и r|

г !

| I

„ ! |

1 j ; j 1

- I 1 1 I 1

| : I

1 -4-

4 £ 8 10 12 Ы 16 18 20 22 24 26 2S 30 32 3-1 36

Категория варианта технологического решения р, балл

• Поднятие при 125% 0 Поднятие при 120%

в Поднятие при 116% О Поднятие при 110%

• Поднятие фундамента Увеличение скважины нэ 125%

"Увеличение скважины на 120% ■—О—Увеличение скважины на 115%

"Увеличение скважины на 110% Д э/Ь=0,5

Д а/Ь=0.25 Д а/Ь=0,?5

НГО=1,33 ж Н®=1,05

D Н/0=1,82 ■ ......"Линейный (Поднятие фундамента)

Рис. 6. Диаграмма зависимости поднятия фундамента I от категории варианта

технологического решения р

В диссертационной работе также получена зависимость поднятия фундамента здания (1, мм) от увеличения объема подачи строительного раствора в скважину компенсационного нажетания (п, %), приведенная на рис. 7:

*= 1,04л -105,55.

(3)

80 у 70 60 • 50 " -10 • 30 -20 10

110 115 120 125 130 135 140 1-15 150 155 160 165 1"0 1"5 Увеличение объема подачи строительного раствора п, %

Рис, 7. Подъем фундамента в зависимости от увеличения в объеме подачи строительного раствора

Построены номограммы, позволяющие оценить зависимость вертикальных перемещений фундамента здания от величины относительной глубины заложения будущего тоннеля (H/D), различного положения скважин компенсационного нагнетания и процентного увеличения объема этих скважин в результате нагнетания в них строительного раствора. Примеры диаграмм приведены на рис. 8.

35

г s

$ о

X

£ X

S

с

-1-1-1-1-1-I-

1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 2.20 2.40 Относительная глубина заложения тоннеля H/D

Рис. 8. Зависимость вертикальных перемещений фундамента здания от H/D при а/Ь=0,25

На основе проведенных в рамках диссертации исследований разработаны практические рекомендации по определению эффективных параметров компенсационного нагнетания в тоннелестроении.

Работы, связанные с компенсационным нагнетанием в тоннелестроении, предлагается выполнять в следующей последовательности.

' 1. Анализ данных инженерно-геологических изысканий, проводимых в месте предполагаемого применения технологии компенсационного нагнетания. Обследование конструкций защищаемых от недопустимых деформаций зданий и сооружений, в том числе фиксация имеющихся дефектов в их основных несущих конструкциях (трещины, сколы, коррозия арматуры и бетона, разрушение материала конструкций и др.).

По полученным данным делается вывод о возможности проведения дальнейшего компенсационного нагнетания по фильтрационной схеме. Основным критерием служит наличие песчаного грунта в зоне предполагаемого компенсационного нагнетания (зона между низом защищаемого сооружения и верхом строящегося тоннеля), а также наличие под защищаемым сооружением прочных подстилающих грунтов., обеспечивающих работу фундамента этого сооружения в процессе компенсационного нагнетания по принципу «плоского домкрата». При отсутствии такого слоя следует выполнить укрепление фундамента защищаемого от осадок сооружения.

2. Определение шага скважин компенсационного нагнетания в продольном (относительно оси будущего тоннеля) направлении для существующих инженерно-геологических условий.

Основным определяющим критерием служит перекрытие зон образования полостей разрыва (цементных линз) и уплотнение грунта. Для этой оценки предлагается создание плоской расчетной модели в программном комплексе на основе МКЭ («Р1_АХ1в 20 V. 8.5»). При проектировании расстояние между инъекторами должно приниматься в зависимости от конкретных инженерно-геологических условий в пределах 0,5-1,0 м.

3. Разработка расчетной модели системы, включающей в себя грунтовый массив, зону компенсационного нагнетания, строящийся тоннель и защищаемое сооружение. Непрерывно меняющиеся в процессе компенсационного нагнетания и проходки тоннеля НДС могут быть оценены проведением пространственного расчета с учетом геометрической и физической нелинейности, анизотропности, начального НДС фунтового массива. Стадийность технологии компенсационного нагнетания и строительства тоннеля учитывается путем решения пошаговой задачи. Расчет изменения НДС грунтово-

го массива рекомендуется выполнять путем математического моделирования численными методами с использованием нелинейной механики сплошной среды (PLAXIS 3D TUNNEL 2).

4. Выбор рационального положения скважин компенсационного нагнетания относительно вертикальной оси.

При относительной глубине заложения будущего тоннеля H/D=1...1,40 величина поднятия получившей осадки конструкции практически не зависит от положения скважин для компенсационного нагнетания относительно вертикальной оси (разница в значениях подъема получившей осадки конструкции при различных объемах нагнетания строительного раствора составляет менее 2 мм). При относительной глубине заложения будущего тоннеля Н/Т)>1,40 для достижения большего эффекта поднятия получившей осадки конструкции необходимо, чтобы скважины для компенсационного нагнетания находились как можно ближе к фундаменту этой конструкции (а/Ь=0,25...0,50, где а и b - расстояния от скважины компенсационного нагнетания до фундамента конструкции и свода будущего тоннеля соответственно).

5. Выбор длины инъекционной скважины исходя из условия перекрытия ею зоны изменения НДС фунтового массива. Для защиты существующей конструкции от проходки тоннеля основными критериями являются диаметр и глубина заложения будущего тоннеля, его расположение относительно защищаемого сооружения. Длина инъекционной скважины должна назначаться с учетом перекрытия на 1,52,0 м призмы обрушения, образующейся при строительстве тоннеля.

6. Подбор состава строительного раствора для компенсационного нагнетания производится в зависимости от конкретных инженерно-геологических условий. В первом приближении возможно принять строительный раствор с модулем деформации в процессе выполнения инъекции 8-10 МПа. После набора им проектной прочности модуль деформации увеличивается до 20-30 МПа. Плотность этого раствора с учетом повышенного содержания цемента может быть принята равной 20-25 кН/м3.

7. В расчетах с использованием программных комплексов на основе МКЭ инъектирование цементного раствора на стадии компенсационного нагнетания задается с помощью опции объемной деформации в грунтовых кластерах. Величина объемного расширения (в процентах) назначается таким образом, чтобы были скомпенсированы осадки защищаемой конструкции. Таким образом, может быть получен необходимый для этого объем строительного раствора.

При выполнении работ по компенсационному нагнетанию необходимо производить непрерывный мониторинг НДС защищаемых объектов, контролировать их реакцию на инъекции строительных растворов, вести научное сопровождение.

Заключение

Основные научные и практические результаты, выводы и рекомендации, полученные соискателем, заключаются в следующем.

1. Выполненные в рамках диссертационной работы теоретические исследования с учетом результатов экспериментальных данных позволили установить закономерности в формировании НДС системы «грунт-тоннель-сооружение». Результаты исследований дали возможность:

• научно обосновать целесообразность и эффективность применения технологии компенсационного нагнетания;

• разработать практические рекомендации конструктивно-технологического и расчетного характера, направленные на повышение эффективности применения данной технологии в тоннелестроении;

2. Анализ экспериментальных исследований компенсационного нагнетания позволил установить следующее.

• Модуль деформации строительного раствора в процессе компенсационного нагнетания составляет 8-10 МПа. После набора раствором проектной прочности его модуль деформации увеличивается до 20-30 МПа.

• В том случае, когда технология компенсационного нагнетания применяется для исключения деформаций фундамента и требуется формирование более широких укрепленных областей, необходим раствор с повышенным содержанием цемента плотностью 20-25 кН/м3.

3. Теоретические исследования технологии компенсационного нагнетания, выполненные с применением программных комплексов «PLAXIS 2D v. 8.5» и «PLAXIS 3D TUNNEL 2», показали хорошую сходимость с результатами экспериментальных данных, полученных в результате мониторинга при проведении работ по компенсационному нагнетанию. Таким образом, разработанные в этих программных комплексах конечно-элементные модели позволяют с достаточной для практических целей точностью оценивать НДС системы «массив-тоннель-укрепление» и прогнозировать ограничение осадок зданий и сооружений методом компенсационного нагнетания.

4. Проведенные на пространственных моделях исследования НДС системы «массив-тоннель-укрепление» позволили оценить влия-

ние отдельных параметров (шаг скважин, относительная глубина заложения будущего тоннеля, увеличение объема подачи строительного раствора в скважину компенсационного нагнетания) на поднятие фундамента здания. Проанализировано 2 серии численных экспериментов. Для первой серии экспериментов произведено 18 расчетов, для второй -126.

5. Методами тренд-анализа выявлены зависимости изменения положения фундамента здания для выбранных вариантов инженерных решений. Было выявлено, что при относительной глубине заложения будущего тоннеля НЮ=1...1,40 поднятие получившего осадки здания практически не зависит от положения скважин для компенсационного нагнетания относительно вертикальной оси. При относительной глубине заложения будущего тоннеля НЮ>1,40 для достижения большего эффекта поднятия фундамента здания необходимо, чтобы скважины для компенсационного нагнетания находились как можно ближе к этому фундаменту (а/Ь=0,25...0,50).

6. Разработана методика определения основных параметров компенсационного нагнетания в тоннелестроении на основе статических расчетов системы «тоннель-укрепление-массив», выполняемых численными методами. Данная методика дает практические рекомендации инженерам-проектировщикам по определению эффективных параметров компенсационного нагнетания.

7. Проведенные расчеты технико-экономическим показателям (по стоимости материалов, работ, оборудования и техники) показали, что применение компенсационного нагнетания является более эффективным по сравнению с химическим закреплением - на 25-30%, замораживанием - на 35-40%, цементацией - на 30-35%. При этом, когда идет речь о памятниках архитектуры, к которым предъявляются особые требования по сохранности, компенсационное нагнетание является единственно возможным решением, позволяя достичь их равномерного поднятия и избежать возникновения крена.

8. Результаты диссертационной работы применяются в учебном процессе на кафедре мостов и транспортных тоннелей Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). Отдельные результаты диссертации использованы при проектировании ООО «ЗЕГЕ С.О. «ЗЭСТ» нулевого цикла здания над тоннелями метрополитена в районе станции «Проспект Вернадского» в Москве;

9. Дальнейшие исследования должны быть направлены на изучение компенсационного нагнетания по уплотняющей и кливаж-

ной схемам, реализуемым в зернистых фунтах с низкой степенью проницаемости и глинах соответственно. Полученные данные могут быть использованы при разработке нормативных документов по компенсационному нагнетанию в отечественном тоннелестроении.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 7 научных статьях:

1. Маковский, Л.В. Исследование деформированного состояния грунтового массива и поверхности земли, вызванного щитовой проходкой тоннеля I Л.В. Маковский, В.В. Кравченко II Исследования автодорожных и городских мостов и тоннелей: сб. науч. тр. - М.: МАДИ (ГТУ), 2008.-С.4-13.

2. Маковский, Л.В. Применение компенсационного нагнетания при строительстве подземных сооружений в сложных градостроительных условиях / Л.В. Маковский, В.В. Кравченко // Транспортное тоннелестроение. Современный опыт и перспективные разработки: сб. науч. тр. - М.: ЦНИИС, 2008. - С.112-120.

3. Кравченко, В.В. Исследование укрепления грунтового массива при строительстве тоннелей закрытым способом методом компенсационного нагнетания / В.В. Кравченко // Исследования автодорожных и городских мостов и тоннелей: сб. науч. тр. - М.: МАДИ (ГТУ), 2009.- С.20-28.

4. Маковский, Л.В. Определение параметров компенсационного нагнетания при строительстве тоннелей в сложных градостроительных условиях / Л.В. Маковский, В.В. Кравченко // Проектирование автомобильных дорог: сб. науч. тр. - М.: МАДИ (ГТУ), 2009. -С.119-124.

5. Кравченко, В.В. Параметры компенсационного нагнетания при сооружении тоннелей: анализ экспериментальных исследований / В.В. Кравченко // Транспортное строительство, № 11. - М., 2009.- С.18-20.

6. Кравченко, В.В. Анализ исследований компенсационного нагнетания в тоннелестроении / Кравченко В.В. // Наука и техника в дорожной отрасли, № 1. - М., 2010. - С. 12-14.

7. Маковский, Л.В. Установление эффективных технологических параметров компенсационного нагнетания в тоннелестроении / Л.В. Маковский, В.В. Кравченко // Вестник МАДИ (ГТУ), выпуск 2 (21). - М.: МАДИ (ГТУ), 2010. - С. 24-29.

Подписано в печать 12 ноября 2010 г Формат 60x84x16 Усл.печ.л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 46

ТЕХПОЛИГРАФЦЕНТР Россия, 125319 , г. Москва, ул. Усиевича, д. 8 а. Тел.: 8-916-191-08-51 Тел./факс (499) 152-17-71

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО ОПЫТА ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА КОМПЕНСАЦИОННОГО НАГНЕТАНИЯ В

ТОННЕЛЕСТРОЕНИИ.

1.1 Общие сведения.

1.2 Область применения и технология работ при компенсационном нагнетании.

1.3 Практический опыт применения метода компенсационного нагнетания. Электронные средства мониторинга и измерений.

Выводы. Задачи исследований.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ СИСТЕМЫ «ТОННЕЛЬ-УКРЕПЛЕНИЕ-МАССИВ».

2.1 Общие положения.

2.2 Разработка математической модели для расчета системы, «тоннель-укрепление-массив».

2.3 Применение программного комплекса «РЬАХЗБ» для< построения расчетных моделей».

2.4 Планирование численного эксперимента.

2.5 Исследование НДС системы «тоннель-укрепление-массив» для' первой и второй серии численных экспериментов.

Выводы.

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕХНОЛОГИИ КОМПЕНСАЦИОННОГО НАГНЕТАНИЯ.

3.1 Общие положения.

3.2 Экспериментальные исследования в лабораторных условиях.

3.3 Экспериментальные исследования метода компенсационного нагнетания^ выполненные в натурных условиях.

Выводы.

ГЛАВА 4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ СИСТЕМЫ «ТОННЕЛЬ-УКРЕПЛЕНИЕ-МАССИВ»,С УЧЕТОМ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1 Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований.

4.2 Исследование НДС системы «тоннель-укрепление-массив» для первой серии численных экспериментов.

4.3 Исследование НДС системы «тоннель-укрепление-массив» для второй серии численных экспериментов.

4.4 Статистическая обработка результатов второй серии численных экспериментов.

4.5 Основные положения методики определения эффективных параметров компенсационного нагнетания в тоннелестроении.

Выводы.

При сооружении тоннелей закрытыми способами под застроенной городской территорией одной из наиболее актуальных и сложных проблем является предотвращение недопустимых осадок грунтового массива и поверхности земли. В подобных случаях требуется проведение специальных работ, таких как крепление лба забоя, установка опережающей крепи из анкеров или нагелей, устройство экрана из труб, физико-химическое укрепление грунтового массива, усиление конструкций расположенных по трассе тоннеля зданий или их фундаментов, физико-химическое укрепление грунтов основания [39-41].

В последние годы в зарубежной практике тоннелестроения все более широкое применение находит технология укрепления грунтового массива методом компенсационного нагнетания. Инъекции строительных растворов производят синхронно с процессами горнопроходческих работ на основании показаний системы подземных и наземных датчиков, чтобы не допустить развития проседания или деформирования сооружений сверх допускаемого предела.

В нашей стране технология компенсационного нагнетания в тоннелестроении впервые была применена в 2003 г. в Москве при строительстве Лефортовского тоннеля под зданием Алексеевского военного училища. В результате применения компенсационного нагнетания это здание было защищено от критических деформаций, вызванных строительством тоннеля [39-41].

Принцип компенсационного нагнетания был успешно применен НПО «Космос» при сооружении Алабяно-Балтийского тоннеля под действующими тоннелями метрополитена в 2008-2010 г., а также ЗАО «Триада-холдинг» при реконструкции здания Государственного Академического Большого театра в 2005-2009 г.

В настоящее время существует ряд проблем по применению компенсационного нагнетания в отечественной практике тоннелестроения. Имеется ряд вопросов, касающихся назначения эффективных параметров компенсационного нагнетания: шаг скважин для инъекций строительного раствора, положение этих скважин относительно вертикальной оси, объем подачи строительного раствора в скважину компенсационного нагнетания, необходимый для «поднятия» сооружения.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ определяется увеличением объемов подземного строительства в сложных градостроительных и инженерно-геологических условиях, требующих применения специальных мер по улучшению физико-механических свойств грунтов основания и минимизации нарушений зданий и сооружений. Среди таких мер особое место занимает укрепление грунтового массива методом компенсационного нагнетания. Высокая эффективность этой технологии, подтвержденная практикой зарубежного строительства, способствует расширению сферы ее применения в крупных городах России. Однако вопросы по применению данной технологии вг отечественной практике тоннелестроения изучены недостаточно, теоретические и экспериментальные исследования не проводились. В связи с этим, в настоящее время такие исследования являются весьма актуальными.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИИ

Цель диссертации — установление эффективных технологических параметров компенсационного нагнетания. Для этого должны быть определены: размеры зоны нагнетания, положение этой зоны относительно вертикальной оси тоннеля, шаг инъекционных скважин, давление нагнетания; состав строительного раствора, величина объемного расширения скважины компенсационного нагнетания, необходимая для «поднятия» сооружения и др.

В соответствии с поставленной целью определены задачи исследований: анализ существующего опыта применения метода компенсационного нагнетания; разработка пространственных конечно-элементных моделей системы, включающей в себя грунтовый массив, зону компенсационного нагнетания, строящийся тоннель и защищаемое сооружение (в дальнейшем, «тоннель-укрепление-массив»); проведение численных экспериментов для выявления НДС системы «тоннель-укрепление-массив»; обработка и анализ экспериментальных исследований; учет результатов экспериментальных исследований для корректировки теоретических исследований; разработка методики определения основных параметров компенсационного нагнетания.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Методы исследований предусматривают комплексный подход, включающий научный анализ, обоснование и обобщение материалов по вопросам применения технологии компенсационного нагнетания в тоннелестроении с целью снижения осадок зданий и сооружений

В теоретических исследованиях использовано математическое моделирование на основе метода конечных элементов (МКЭ). Разработаны численные плоские и пространственные конечно-элементные модели для расчета системы «тоннель-укрепление-массив».

Выполнен анализ данных лабораторных исследований компенсационного нагнетания, полученных в Технологическом Университете (Delft University of Technology), Делфт, Нидерланды, в Кембриджском университете (Cambridge University), Кембридж, Англия, в Университете La Sapienza (La Sapienza University of Rome), Рим, Италия, в Роял Хасконинг (Royal Haskoning), Неймеген, Голландия.

В диссертационной работе проанализированы данные натурных исследований компенсационного нагнетания в процессе проходки участка Лефортовского тоннеля под зданием Алексеевского военного училища в Москве и при ликвидации,деформаций 10-ти этажного здания, расположенного в центре города Тайбэй (Тайвань). Также были рассмотрены примеры применения компенсационного нагнетания НПО «Космос» при сооружении Алабяно-Балтийского тоннеля под действующими тоннелями метрополитена и автотранспортными тоннелями в районе станции метро «Сокол» в 2008-2010 г., а также ЗАО «Триада-холдинг» при реконструкции здания Государственного Академического Большого театра в 2005-2009 г.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ заключается в следующем:

- Проанализированы данные теоретических и экспериментальных исследований компенсационного нагнетания.

- Впервые разработаны численные плоские и пространственные конечно-элементные модели для расчета системы «тоннель-укрепление-массив».

- Проведены теоретические исследования НДС системы «тоннель-укрепление-массив»

- Обобщены результаты экспериментальных зарубежных исследований. Полученные данные были использованы для корректировки' теоретических исследований.

- Впервые в Российской Федерации разработана1 методика определения основных параметров компенсационного нагнетания в тоннелестроении.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ заключается в разработке методик:

- определения-основных параметров компенсационного нагнетания;

- расчета системы «тоннель-укрепление-массив»;

- теоретических исследований метода компенсационного нагнетания.

ДОСТОВЕРНОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ОБОСНОВАНА:

- учетом требований, действующих нормативных документов;

- строгостью применяемых методов теоретических и экспериментальных исследований;

- использованием передовых методических разработок, ведущих отечественных и иностранных компаний в рассматриваемой, области;

- тестовыми расчетами НДС системы «тоннель-укрепление-массив», подтвержденными практикой строительства;

- хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ! Результаты работы нашли применение при проектировании! ООО «ЗЕГЕ С.О. «ЗЭСТ» нулевого цикла здания над тоннелями метрополитена в районе станции «Проспект Вернадского» в

Москве, а также в учебном процессе кафедры мостов и транспортных тоннелей Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ) (Приложение I).

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты исследований и основные научные положения диссертационной работы доложены:

- на 67-ой научно-методической и научно-исследовательской конференции Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ), 2008 г.;

- на заседании секции «Метро и тоннелестроение, освоение подземного пространства» Ученого Совета ЦНИИС, 2009 г. (Приложение I);

- на 68-ой научно-методической и научно-исследовательской конференции Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ), 2010 г.;

ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 8 научных статьях (4 из которых в соавторстве):

1. Маковский, Л.В. Исследование деформированного состояния грунтового массива и поверхности земли, вызванного щитовой проходкой тоннеля / Л.В. Маковский, В.В. Кравченко // Исследования автодорожных и городских мостов и тоннелей: сб. науч. тр. — М.: МАДИ (ГТУ), 2008. — С.4-13.

2. Маковский, Л.В. Применение компенсационного нагнетания при строительстве подземных сооружений в сложных градостроительных условиях / Л.В. Маковский, В.В. Кравченко // Транспортное тоннелестроение. Современный опыт и перспективные разработки: сб. науч. тр. — М.: ЦНИИС, 2008.-С.112-120.

3. Кравченко, В.В. Исследование укрепления грунтового массива при строительстве тоннелей закрытым способом методом компенсационного нагнетания /В.В. Кравченко // Исследования автодорожных и городских мостов и тоннелей: сб. науч. тр. - М.: МАДИ (ГТУ), 2009. - С.20-28.

4. Маковский, Л.В. Определение параметров компенсационного нагнетания при строительстве тоннелей в сложных градостроительных условиях / Л.В. Маковский, В.В. Кравченко // Проектирование автомобильных дорог: сб. науч. тр. - М.: МАДИ (ГТУ), 2009. - С.119-124.

5. Кравченко, В.В. Параметры компенсационного нагнетания при сооружении тоннелей: анализ экспериментальных исследований / В.В. Кравченко // Транспортное строительство, №11. — М., 2009. — С. 18-20.

6. Кравченко, В.В. Анализ исследований компенсационного нагнетания в тоннелестроении / Кравченко В.В. // Наука и техника в дорожной отрасли, № 1.-М., 2010.- С. 12-14.

7. Маковский, Л.В. Установление эффективных технологических параметров компенсационного нагнетания в тоннелестроении / Л.В. Маковский, В.В. Кравченко // Вестник МАДИ (ГТУ), выпуск 2 (21). - М.: МАДИ (ГТУ), 2010.-С. 24-29.

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и четырех приложений. Полный объем работы составляет 143 страницы, включая 84 иллюстрации и 20 таблиц. Список литературы включает 96 наименований, в том числе 26 иностранных.

Выводы

1. Сравнение результатов мониторинга НДС в процессе проведения работ по компенсационному нагнетанию в г. Тайбэй (северная часть Тайваня) показало хорошую сходимость с теоретическими исследованиями, выполненными в рамках диссертации с применением комплекса программ «PLAXIS 3D TUNNEL 2». Аппроксимация между их значениями составляет 0,97. Таким образом, разработанная объемная конечно-элементная модель позволяет с достаточной для практических целей точностью оценивать НДС системы «тоннель-укрепление-массив» и прогнозировать локализацию осадок зданий и сооружений путем применения технологии компенсационного нагнетания.

2. Разработаны плоские и пространственные модели МКЭ, реализуемые программными комплексами «PLAXIS 2D v. 8.5» и «PLAXIS 3D TUNNEL 2» соответственно. Данные модели ориентированы на решение упруго-пластических задач системы «тоннель-укрепление-массив» при проходке тоннеля с применением технологии компенсационного нагнетания в случае возникновения недопустимых деформаций находящихся в зоне влияния строительства тоннеля зданий. Работоспособность» и эффективность этих моделей подтверждена серией тестовых расчетов.

3. Проведенные численные исследования НДС системы «тоннель-укрепление-массив» позволили оценить в вариантах инженерных решений влияние отдельных факторов (шаг скважин компенсационного нагнетания, положение этих скважин относительно вертикальной оси, относительная глубина заложения будущего тоннеля, увеличение объема подачи строительного раствора в скважину компенсационного нагнетания) на поднятие здания, получившего осадки вследствие проходки тоннеля.

4. Произведено две серии численных экспериментов (18 и 126 соответственно). В первой серии численных экспериментов факторами варьирования послужили: шаг скважин компенсационного нагнетания (1,5-0,5 м) и их положение относительно вертикальной оси (0,25-0,75). Во второй серии численных экспериментов варьировались положение скважин для компенсационного нагнетания относительно вертикальной оси (0,25-0,75), относительная глубина заложения будущего тоннеля (1,82-1,05) и увеличение объема подачи строительного раствора в скважину компенсационного нагнетания по сравнению с первоначальным объемом этой скважины (110-175%).

5. Методами тренд-анализа получены данные, позволяющие оценить реакцию фундамента здания на инъекции строительного раствора в грунт для выбранных вариантов инженерных решений. Построенные диаграммы позволяют спрогнозировать поднятие фундамента при различных инженерных параметрах технологии компенсационного нагнетания, таких как: диаметр проектируемого тоннеля, глубина его заложения, увеличение объема подачи строительного раствора в скважину компенсационного нагнетания, положение этой скважины в горизонте грунтового массива. Получена зависимость поднятия фундамента здания от увеличения объема подачи строительного раствора в скважину компенсационного нагнетания.

6. Полученные результаты теоретических исследований позволяют выбрать вариант для предварительного инженерного решения, который подлежит уточнению при дальнейшем детальном проектировании.

7. Разработана методика определения основных параметров компенсационного нагнетания в тоннелестроении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время в нашей стране и за рубежом накоплен богатый опыт применения технологии компенсационного нагнетания для защиты попадающих в зону влияния строящихся тоннелей зданий и сооружений. Этот эффективный способ укрепления грунтового массива не требует вскрытия дневной поверхности, все работы выполняются с поверхности земли или из удаленных от защищаемых сооружений шахтных стволов.

В нашей стране и за рубежом накоплен богатый опыт применения электронных средств мониторинга и измерений в режиме реального времени, которые применяются при компенсационном нагнетании. Примером такого электронного мониторинга служит успешно примененная в 2003 г. в Москве при строительстве участка Лефортовского тоннеля система из трех теодолитов «CYCLOPS». Другим примером системы мониторинга служит предложенная компанией «Эд. Цюблин АГ» система компании «Soilexperts», для контроля и управления процессом компенсационного нагнетания компанией разработан комплекс программ «SOFIA».

Однако вопросы по применению данной технологии в отечественной практике тоннелестроения изучены недостаточно, теоретические и экспериментальные исследования не проводились. Имеется ряд проблем, касающихся научного обоснования оптимальных конструктивно-технологических параметров при проектировании укрепления грунтового массива методом компенсационного нагнетания.

В диссертационной работе обобщены результаты экспериментальных исследований компенсационного нагнетания крупнейших зарубежных университетов Англии, Нидерландов и Италии. Выполненные с учетом этих результатов теоретические исследования позволили установить некоторые закономерности в формировании напряженно-деформированного состояния (НДС) системы, включающей грунтовый массив, зону компенсационного нагнетания, строящийся тоннель и защищаемое сооружение на всех этапах строительства тоннеля. Проведенные исследования также позволили разработать практические рекомендации конструктивно-технологического и расчетного характера, направленные на повышение эффективности применения технологии компенсационного нагнетания в тоннелестроении.

Основные научные и практические результаты, выводы и рекомендации, полученные соискателем, заключаются в следующем.

1. Выполненные в рамках диссертационной работы теоретические исследования с учетом результатов экспериментальных данных позволили установить закономерности в формировании НДС системы «тоннель-укрепление-массив». Результаты исследований дали возможность:

- научно обосновать целесообразность и эффективность применения технологии компенсационного нагнетания;

- разработать практические рекомендации конструктивно-технологического и расчетного характера, направленные на повышение эффективности применения данной технологии в тоннелестроении;

2. Анализ экспериментальных исследований компенсационного нагнетания позволил установить следующее.

- Модуль деформации строительного раствора в ¡процессе компенсационного нагнетания составляет 8-10 МПа. После набора раствором проектной прочности его модуль деформации увеличивается до 20-30 МПа.

- В том случае, когда технология компенсационного нагнетания применяется для исключения деформаций фундамента и требуется формирование более широких укрепленных областей, необходим раствор с повышенным содержанием цемента (удельный вес составляет

20-25 кН/м3).

3. Теоретические исследования* технологии компенсационного нагнетания, выполненные с применением программных комплексов «PLAXIS 2D1 v. 8.5» и «PLAXIS 3D TUNNEL 2», показали хорошую сходимость с результатами экспериментальных данных, полученных в результате мониторинга при проведении работ по компенсационному нагнетанию. Таким образом, разработанные в этих программных комплексах конечно-элементные модели позволяют с достаточной для практических целей точностью оценивать НДС системы «тоннель-укрепление-массив» и прогнозировать ограничение осадок зданий и сооружений методом компенсационного нагнетания.

4. Проведенные на пространственных моделях исследования НДС системы «тоннель-укрепление-массив» позволили оценить влияние отдельных параметров (шаг скважин, относительная глубина заложения будущего тоннеля, увеличение объема подачи строительного раствора в скважину компенсационного нагнетания) на поднятие фундамента здания. Проанализировано 2 серии численных экспериментов. Для первой серии экспериментов произведено 18 расчетов, для второй -126.

5. Методами тренд-анализа выявлены зависимости изменения положения фундамента здания для« выбранных вариантов инженерных решений. Было выявлено, что при относительной глубине заложения1 будущего тоннеля Н/Г)=1.1,40 поднятие получившего осадки здания^ практически не зависит от положения скважин для компенсационного нагнетания относительно вертикальной оси. При относительной! глубине заложения будущего.тоннеля»НЮ>1,40т для* достижения? большего эффекта поднятия фундамента здания необходимо, чтобы скважины дляг компенсационного нагнетания находились как можно ближе к этому фундаменту (а/Ь=0,25. .0,50).

6. Разработана-методика определения основных параметров компенсационного нагнетания в,тоннелестроении на основе статических расчетов системы «тоннель-укрепление-массив», выполняемых численными методами. Данная методика дает практические рекомендации инженерам-проектировщикам по определению эффективных параметров компенсационного нагнетания.

7. Проведенные расчеты технико-экономическим показателям (по стоимости материалов, работ, оборудования и техники) показали, что применение компенсационного нагнетания является более эффективным по сравнению с химическим закреплением — на 25-30%, замораживанием — на 35-40%, цементацией - на 30-35%. При этом, когда идет речь о памятниках архитектуры, к которым предъявляются особые требования по сохранности, компенсационное нагнетание является единственно возможным решением, позволяя достичь их равномерного поднятия и избежать возникновениякрена.

8. Результаты диссертационной работы применяются в учебном процессе на кафедре мостов и транспортных тоннелей Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). Отдельные результаты диссертации использованы при проектировании ООО «ЗЕГЕ С.О. «ЗЭСТ» нулевого цикла здания над тоннелями метрополитена в районе станции «Проспект Вернадского» в Москве;

9. Дальнейшие исследования должны быть направлены на изучение компенсационного нагнетания по уплотняющей и кливажной схемам, реализуемым в зернистых грунтах с низкой степенью проницаемости и глинах соответственно. Полученные данные могут быть использованы при разработке нормативных документов по компенсационному нагнетанию в отечественном тоннелестроении.

1. ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация. Дата введения 1996-02-20.-М.: Госстандарт России: Изд-во стандартов, 1997.

2. ГОСТ 27751-88*. Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения по расчету. — Дата введения 2004-04-24. — М.: Госстандарт России: Изд-во стандартов, 2003.

3. Московские городские строительные нормы. Основания, фундаменты и подземные сооружения МГСН 2.07-01. — Дата введения 2003-04-22. — М.: ГУЛ НИАЦ, 2003.

4. Руководство пользователя. PLAXIS 3D TUNEL ver. 2. — Нидерланды: Plaxis b.v., 2004.

5. Патент РФ № 2291253 (2007.01.10). Способ защиты существующих зданий, сооружений и подземных коммуникаций в зоне влияния строительства.

6. Справочник по механике и динамике грунтов / Швец В.Б. и др.; под ред. В.Б. Швеца—Киев: Буддвельник, 1987.—232с.

7. СТО 36-554501-007-2006. Проектирование и устройство вертикального геотехнического барьера методом компенсационного нагнетания. — Дата введения 2006-11-03 / Госстрой России. М.: ФГУП НИЦ «Строительство», 2006.

8. СП 52-101-2003. Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры. Дата введения 2003-12-25 / Госстрой России. — М.: ГУП ЦПП, 2004.

9. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия. — Дата введения 1987-01-01 / Госстрой России. -М.: ГУП ЦПП, 2003.

10. СНиП 2.02.02-85*. Основания- гидротехнических сооружений. -Дата введения 1987-01-01 / Госстрой СССР.-Ш: ЦИТПГосстроя СССР, 1988.

11. СНиП 2.06.09-84*. Туннели гидротехнические. — Дата введения 1985-07-01 / Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985.

12. СНиП 32-04-97*. Тоннели железнодорожные и автодорожные. Дата введения 1998-01-01 / Госстрой России.-М.: - ГУЛ ЦПП, 1998.

13. Адлер, Ю.П. Введение в планирование эксперимента. / Ю.П. Адлер. — М.: Металлургия, 1968. 155 с.

14. Амусин, Б.З. Метод конечных элементов при решении задач горной геомеханики / Б.З. Амусин, А.Б. Фадеев. — М.: Недра, 1975.

15. Антонов, A.B. Планирование эксперимента: учеб. пособие для вузов / A.B. Антонов, В.А. Чепуренко. — Обнинск: ИАТЭ, 1999. 100 с.

16. Асатурян, В.И. Теория планирования эксперимента: учеб. пособие для вузов / В.И. Асатурян. — М.: Радио и связь, 1983. — 248 с.

17. Ашмарин, И.П. Быстрые методы статистической обработки и планирование экспериментов / И.П. Ашмарин, H.H. Васильев, В.А. Амбросов. — Ленинград: Издательство Ленинградского университета, 1971, 78с.

18. Барбакадзе, В.Ш. Расчет и проектирование строительных конструкций и сооружений в деформированных средах / В.Ш. Барбакадзе, С. Мураками. — М.: Стройиздат, 1989. 472с.

19. Безродный, К.П. Исследование напряженно-деформированного состояния подземных объектов Санкт-петербургского метрополитена / К.П. Безродный // Журнал Метроинвест, № 3. М., 2006. — С. 9-11.

20. Боровиков, В.П. Популярное введение в программу Statistica. / В.П. Боровиков. — М.: КомпьютерПресс, 1998.

21. Бройд, И.И. Струйная геотехнология / И.И. Бройд. — М.: ABC, 2004.

22. Бройд, И.И. Нетрадиционные гидравлические прикладные задачи и технологии: научное издание / И.И. Бройд — М.: ABC, 2008.

23. Булычев, Н.С. Механика подземных сооружений в примерах и задачах / Н.С. Булычев. М.: Недра, 1989. - 272с.

24. Булычев, Н.С. Механика подземных сооружений / Н.С. Булычев. — М.: Недра, 1994.-384с.

25. Волков, A.M. Решение практических задач геологии на ЭВМ / A.M. Волков. М.: Недра, 1980.

26. Воробьев, JI.A. Рационализация статических расчетов тоннельных обделок / JI.A. Воробьев. — М.: Транспорт, 1984, с.64-78.

27. Галлагер, Р. Метод конечных элементов. Основы. / Р. Галлагер. — М.: МИР, 1984.

28. Гарбер, В.А. Метрополитен. Долговечность конструкции в условиях эксплуатации и городского строительства / В.А. Гарбер. — М.: НИЦ ТМ ОАО ЦНИИС, 1998. 172с.

29. Гарбер, В.А. Научные основы проектирования тоннельных конструкций с учётом технологии их сооружения / В.А. Гарбер. — М.: НИЦ ТМ ОАО ЦНИИС, 1996.-370с.

30. Главатских, В.А. Строительство Метрополитенов: учеб. пособие для вузов железнодорожного транспорта / В.А. Главатских, B.C. Молчанов. М.: Маршрут, 2006. - С.550-555.

31. Голицынский, Д.М. Строительство тоннелей и метрополитенов / Д.М. Голицынский, Ю.С. Фролов, Н.И. Кулагин. М.: Транспорт, 1989.

32. Дмитриев, Н.В. Струйная технология сооружения противофильтраци-онных завес / Н.В. Дмитриев, А.В. Попов, Л.И. Малышев // Гидротехническое строительство, № 3. -М.: 1980. — С. 5-9.

33. Жан-Луи Валет. Компенсационное нагнетание: технология в реальном времени / Жан-Луи Валет // Метро и тоннели, № 4. — М., 2002. — С. 16-19.

34. Зенкевич, О. Метод конечных элементов и теории сооружений и в механике сплошных сред / О. Зенкевич, И. Чанг. — М.: Недра, 1974.f

35. Зерцалов, М.Г. Научное обоснование проектов подземных сооружений на современном этапе / М.Г. Зерцалов, С.А. Юфин // Гидротехническое строительство, № 11. М., 2000. - С.17-21.

36. Кузнецов, Г.Н. Методы и средства решения задач горной геомеханики / Г.Н. Кузнецов, К.А. Ардашев, H.A. Филатов. — М.: Недра, 1987. 248с.

37. Маковский, JI.B. Городские подземные транспортные сооружения: учеб. пособие для вузов / JI.B. Маковский. — М.: Стройиздат, 1985.

38. Маковский, JI.B. Ограничение осадок поверхности земли путем компенсационного нагнетания при строительстве тоннелей закрытым способом / JI.B. Маковский, C.B. Чеботарев // Транспорт, наука, техника, управление, № 2. -М., 2000 С. 44-47.

39. Маковский, JI.B. Современные технологии проходки и сложных инженерно-геологических условиях / JI.B. Маковский // Метро и тоннели, № 5. — М., 2002.— С.21-23,

40. Маковский, JI.B. Определение параметров компенсационного нагнетания при строительстве тоннелей в сложных градостроительных условиях /

41. Л.В. Маковский, В.В. Кравченко // Проектирование автомобильных дорог: сб. науч. тр. М.: МАДИ (ГТУ), 2009. - С. 119-124.

42. Маковский, Л.В. Струйная цементация грунтов при строительстве транспортных тоннелей и метрополитенов / Л.В. Маковский, В.Е. Меркин // Информационный обзор, № 1. М., 1994 - С. 8-14.

43. Меркин, В.Е. Вклад науки в отечественное метростроение / В.Е. Меркин // Метроетрой, № 3. -М., 1991. С. 24-26.

44. Меркин, В.Е. О нормативном обеспечении проектирования городских автотранспортных тоннелей. Тоннели XXI века / В.Е. Меркин, Б.Н. Виноградов, Л.В. Маковский // Дороги России XXI века, № 2. М., 2007. - С. 14-19

45. Меркин, В.Е. Прогрессивный опыт и тенденции развития современного тоннелестроения / В.Е. Меркин, Л.В. Маковский. — М.: ТИМР, 1997. — 192с.

46. Меркин, В.Е. К выбору варианта исполнения автодорожного тоннеля в районе Лефортово / В.Е. Меркин, Л.В. Маковский, С.Ф. Панкина // Подземное пространство Мира, № 4. — М., 1996. — С.11-14.

47. Мэйр, Р. Технология компенсирующего инъецирования растворов в грунт / Р. Мэйр, Д. Хайт // Дайджест зарубежной информации, № 2. — М., 1995. — С.43-52.

48. Насонов, И.Д. Моделирование горных процессов: учеб. пособие для вузов / И.Д. Насонов. — М., Недра, 1978.

49. Насонов, И.Д. Лабораторный практикум по моделированию и специальным способам строительства подземных сооружений и шахт: учеб. пособие для вузов / И.Д. Насонов, М.Н. Шуплик, И.О. Королев. — М., Недра, 1992.

50. Плоскостные и объемные расчеты по методу конечных элементов в строительстве тоннелей. Перевод с немецкого. — М., 1986, 10 с (ВЦП № М-06874).

51. Рашендорфер, Ю. Компенсационное нагнетание как способ обеспечения устойчивости зданий и сооружений при проходке тоннелей / Ю. Рашендорфер, В.Н. Жуков, К. Майер // Метро и тоннели, № 4. М., 2008. - С.26-28.

52. Решетников, М.Т. Планирование эксперимента и статистическая обработка данных: учеб. пособие для вузов / М.Т. Решетников — Томск: Томский гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники, 2000. — 231 с.

53. Румшиский, Л:3. Математическая обработка результатов эксперимента / Л.З. Румшиский. -М: Наука, 1971. 192с.

54. Саргсян, А.Е. Строительная механика / А.Е. Саргсян, А.Т. Демченко, Н.В. Дворянчиков. — М.: Высшая школа, 2000: — 416с.

55. Смолдырев, А.Е. Технологическая схема компенсационного нагнетания твердеющих смесей в грунты при. строительстве тоннеля в Лефортово. / А.Е. Смолдырев // Основания, фундаменты и механика грунтов, № 1. — М., 2000. -С.21-22.

56. Соколовский, В.В. Теория пластичности. / В.В. Соколовский. — М.: Высшая школа, 1969. Изд. 3. — 608с.

57. Фадеев, А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике / А.Б. Фадеев. — М.: Недра, 1987.-224с.

58. Храпов, В.Г. Тоннели и метрополитены / В.Г. Храпов, Е.А. Демешко, С.Н. Наумов. — М.: Транспорт, 1989:

59. Чеботаев, В.В. Расчеты деформации земной поверхности и оснований инженерных сооружений при строительстве тоннелей / В.В. Чеботаев,

60. Е.В. Щекудов // Труды Международной научно-практической конференции "Тоннельное строительство России и стран СНГ в начале века: опыт и перспективы". М., 2002. - С. 379-381.

61. Шапошников, Н.Н. Предельный переход для дискретной модели плоской задачи теории упругости / Н.Н. Шапошников // Труды Моск. ин-та инж. транспорта. — М., 1964.

62. Шилин, А.А. Ремонт строительных конструкций с помощью инъецирования / А.А. Шилин. М.: МГГУ, 2009.

63. Шилин, А.А. Кирпичные и каменные конструкции. Повреждения и ремонт / А.А. Шилин. М.: МГТУ, 2009.

64. Шилин, А.А. Методы контроля качества материалов и строительных конструкций. Лабораторный практикум / А.А. Шилин. — М.: МГТУ, 2009 .

65. Юфин, С.А. Расчет подземных сооружений на ЭВМ метолом конечных элементов / С.А. Юфин. — М.: МИСИ им. Куйбышева, 1980. — 77с.

66. Bezuijen, A. Compensation grouting in sand, fractures and compaction / A. Bezuijen, F. van Tol. // Proceedings of the 14th European Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. — Rotterdam, 2007. — pp. 1257-1262.

67. Bezuijen, A. Laboratory tests, compaction or compensation grouting / Bezuijen, R. Kleinlugtenbelt, A.F. van Tol. // Physical Modelling in Geotechnics, № 6. -London, 2006. pp. 1245-1251.

68. Burland, J.B. Building response to tunneling. Case studies from construction of the jubilee line extension / J.B. Burland, J.R. Standing, F.M. Jardine. — London, 2001.-pp. 134-145.

69. Clarke J. Manheim by-pass connection / J. Clarke // World Tunnelling, 1991. -pp. 315-317.

70. Dimitrios, K. Tunelling and tunnel mechanics / K. Dimitrios. — London, 2005.-Pp. 159-168,354.

71. ITA-AITES World Tunnel Congress. Prague, Czech Republic, 5-10 May 2007.- pp. 395-401.

72. Jacobs P. Non-destructive monitoring of interactive physical and biological deteriorations of building stones by computerized X-ray tomography / P. Jacobs, E. Sevens, B. Vossaert. Rotterdam, 2007. - pp. 3171 -3174.

73. Kaushish, S. P. Tunnelling Asia '2000 / S. P. Kaushish, T. Ramamurthy. -New Delhi, 2000. pp. 500-501.

74. Knitsch, H. Visualization of relevant data for compensation grouting / H. Knitsch // Tunnel, № 3. 2008. - pp. 38-45.

75. Kojma, Y. Deformation of tunnel lining due to ground surface loading and unloading above the tunnel / Y. Kojma, K. Yashiro // Quarterly Report of Railway Technical Research Institute, № 2. 2005. - pp. 143-146.

76. Patricia, J. Construction in cities / J. Patricia, A. Lancaster, S. Edward — London, 2001. pp. 7-19.

77. Paul, G.M. Engineering geology and the environment / G.M. Paul, G.C. Koukis, G.C. Tsiambaos & G.C. Stournaras. — Netherlands, Lisse, 2001. — pp. 3170-3174.

78. Schweiger, H.F. Reduction of settlements by compensation grouting — Numerical studies and experience from Lisbon underground / H.F. Schweiger, E. Falk // Tunnels and Metropolises. — Balkema, Rotterdam, 1998. — pp.1047-1052.

79. Telford, T. Model specification for tunneling / T. Telford. — London, 1997. — pp. 111-112.

80. Telford, T. Specification for tunneling / T. Telford. London, 2000. - pp. 113-115.

81. Telford, T. Sprayed concrete linings (NATM) for tunnels in soft ground / T. Telford. London, 2004. - Pp. 10-12.

82. Telford, T. Tunnel lining design guide / T. Telford. London, 2004. - pp. 112,118-120.

83. Tunnel, 2008, № 3. -pp.38-45.

84. Tunnels and Tunneling, 1998, № 3. pp.35-38.

85. William P. Soil mechanics / P. William. Netherlands, London, 2004. - pp. 638-652.

86. Wong L.W. Fracture grouting for correcting building settlement / L.W. Wong, H.T. Chen. // Proceedings of the second international symposium on structures and civil engineering. — London, 1997. pp. 459-465

87. Wood, A.M. Tunnelling / A.M. Wood. London, 2001. - pp. 165-166.

88. Woodward J. An introduction to geotechnical processes / Woodward J.London, 2005. pp. 75-78.