автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Механические процессы в породных массивах и взаимодействие их с подземными сооружениями

9 Ь 1 1 9 #

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО НАРОДНОМУ ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ЮФИН СЕРГЕЙ АНДРЕЕВИЧ

УДК 622.281 : 624.12: 518.5

МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОРОДНЫХ МАССИВАХ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИХ С ПОДЗЕМНЫМИ СООРУЖЕНИЯМИ

Специальность 05.15.11 —«Физические процессы горного производства»

Авторе ф ер ат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

МОСКВА 1991

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени инженерно-строительном институте им. В. В. Куйбышева.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор доктор технических наук

Норель Б. К-Шафаренко Е. М.

Баклашов И. В.

доктор технических наук

Ведущая организация: Горный институт Кольского Научного центра АН СССР.

Защита состоится «13» декабря 1991 г. в 15.00 час. на заседании специализированного совета Д.053.12.06 при Московском ордена Трудового Красного Знамени горном институте по адресу: 117935, ГСП, Москва, В-49, Ленинский проспект, д. 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан: « » ноября 1991 г.

Ученый секретарь специализированного совета,

доктор технических паук, профессор Новик Г. Я.

ГС;' ■ >

N • \ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

•т^Лкт^ильность работы. Основными условиями, обеспечивающими ■ЭЗвдй^ подземных горных работ, являются коренное улучшение :х инженерной подготовки, повышение качества и надежности зыскапип, разработка технологии и конструкций, обеспечивающих высокие темпы и безопасность ведения работ, снижение их 1атериалоемкости и стоимости.

Наряду с нарастающими объемами подземной добычи лолез-ых ископаемых расширяется строительство транспортных и ком-анальных туннелей, ведется урбанизация подземного прострапст-а городов. Увеличивается число подземных сооружении па объек-ах гидроэнергетики, появляются перспективы строительства поденных атомных электростанций, при этом сечения камерных вы-|аботок достигают 1500 м2 при высоте до 70 м и длине до 300 м.

Качественные оценки устойчивости конструктивных элементов ооружепий и систем разработки и их подчиненность общим вопро-ам организации технологических схем очистной выемки в настоящее время должны уступить строгому количественному анализу олей напряжений в зоне очистных работ па всех этапах выемки увязке с последовательностью и способами горнопроходческих абот и параметрами применяемых конструкций крепи. В этой свя-и особую актуальность приобретает повышение достоверности сследований и расширение представлений о закономерностях азвития механических процессов в массивах горных пород при их заимодействии с подземными сооружениями.

Такая задача может быть эффективно решена методами мате-[атического моделирования па ЭВМ в сопоставлении с данными атурных наблюдений в горных выработках, с анализом и обобще-ием выявленных закономерностей. Инструментом исследовании последующего обоснования проектных решений по конкретным бъектам должен служить комплекс теоретических, методических, лгоритмических разработок и программных средств, обеспечи-ающих требуемую достоверность и эффективность постановки и ешения задач горной геомеханики.

Исследования проводились в соответствии с планом научных сследований АН СССР на 1986—1990 гг. по проблеме 3.2.1.2.— Исследование закономерностей проявления горного давления и движения горных пород и массивов» в рамках решения научной адачи «Совершенствование,., методов расчета напряжепно-дефор-шрованного состояния массива для определения несущей способ-ости и устойчивости элементов систем разработки месторождений о фактору горного давления», темой 0.74.03/06.03.И, утвержден-ой ГКНТ СССР и АН СССР па 1986—1990 гг. «Разработать и иедрить конструкции, методы проектирования и строительства одземпых гидротехнических и энергетических сооружений с уче-

том влияния нарушенных (трещиноватых и обводненных) горны пород, включая зоны пересечения разломов», а также государс: венной программой 0.55.08 ГКНТ СССР за 1986—1990 гг. задаш ем 03.01.Н1 — «...усовершенствовать методы исследований и ра: работать рекомендации по проектированию подземных сооруж( ний гидроузлов на основе использования современной вычислител! нон техники».

Целью работы является создание теоретических, алгоритмичс ских и методических разработок и программных средств, обеспеч1 вающих возможность тщательного анализа особенностей всех х; рактерных этапов существования системы «горная выработка -крепь — массив» и, как следствие, повышение надежности и эконс мичности подземных сооружений за счет более полного использс вания несущих свойств массива на основе развития модельны представлений о процессах взаимодействия массивов горных пс род различной структуры с подземными сооружениями.

Основная идея работы заключается в установлении закономе! ностей развития механических процессов в массивах горных поро н ходе разработки выработок, возведения крепи и последующе эксплуатации для выявления факторов, оказывающих наибольше влияние на проектное решение и требующих детального и достс верного изучения при проектировании конкретных объектов.

Методы исследований. Выполненный комплекс исследовани включает численное моделирование на ЭВМ методом конечны элементов в сравнении с натурными исследованиями для отдел! пых объектов и научное обобщение полученных результатов.

Объекты исследований — массивы горных пород и взаимодейа вующие с ними подземные сооружения, образующие единую сист* му «горная выработка — крепь — массив».

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Характер взаимодействия массивов горных пород с подзеА' ными сооружениями определяется рядом факторов, из которы наибольшее значение имеют:

— соотношение размеров выработок и основных структурны пеодиородностей массива;

— параметры крепи и объем вовлекаемых в работу пород;

•— взаимная последовательность работ по проходке и крешк пию выработок и сроки ввода крепи в работу;

— естественное напряженное состояние массива и деформг циошгые свойства слагающих пород;

.— рельеф местности для подземных сооружений неглубоког заложения;

— спектральный состав, направление и интенсивность динам ческого воздействия.

Обоснование проектных решении должно проводиться с учетом ¡се.х перечисленных факторов с выделением наиболее важных в саждом отдельном конкретном случае.

2. Обосновывающие расчеты обделок напорных подземных во-|,оводов па участках локального понижения рельефа, а также при [астом чередовании переслаивающихся пород с различными деформационными свойствами при направлении продольной оси соо->уженин вкрест напластованию, должны проводиться в трехмерной объемной) постановке. Экономичное решение при этом достигался за счет учета перераспределения усилии в конструкции в про-юлыюм направлении и реального напряженного состояния рас-■матриваемого участка массива.

3. При расположении оси туннеля вдоль напластования учет реальной структуры массива необходим при соотношении толщины !ласта породы И к диаметру туннеля О в диапазоне 30 ;>//;>-0,250 1ри толщине пласта Я^30 проектирование конструкции должно рсуществляться как для однородного массива, а наличие топких фослоек с #^0,25 О может не учитываться.

4. Допустимые размеры целиков в группе параллельных выра-)оток в значительной мере определяются очередностью разработ-;и и установки крепи и в меньшей степени — деформационными и [рочпостпыми характеристиками пород. Л\ипималы1ые размеры [еликов в группе параллельных круппопролетных выработок мо-ут быть обоснованы при выборе оптимальной последовательно-:ти раскрытия сечении выработок и при применении глубокой аи-;ерной крепи; опережающая установка анкерной крепи при этом |беспечивает более высокую надежность сооружения, равномерно [ередавая в глубь массива усилия и ограничивая возможность под-шжек массива и отдельных блоков по трещинам.

5. При волновых динамических воздействиях в жестких бетон-!ььх или железобетонных конструкциях сводов камерных вырабо-ок отмечаются концентрации напряжений тем больше, чем выше различие в акустических жесткостях обделки и прилегающего 1ассива горных пород. Наибольший уровень напряжений в конструкциях и на контурах выработок отмечается при длине волны еисмического воздействия, соизмеримой с .характерными размера-ш сооружения. При неглубоком заложении выработок необходимо читывать воздействие отраженной от поверхности земли волны, 'становлено, что топкие гибкие конструкции и, особенно, анкерпо-абрызг-бетопиая крепь, обладают повышенной сейсмостойкостью.

Обоснованнность и достоверность основных научных положений, (ыводов и рекомендаций обеспечивается:

— корректностью постановки теоретических задач, решением естовых примеров и сопоставлением получаемых результатов с ;аииыми, полученными для тех же условии апробированными и [ризнанными программными средствами;

— сходимостью результатов численного моделирования с да? ными натурных исследований в выработках машинного зала Иг гури ГЭС, в опытной штольне и борту туннеля Зеленчукской ГЭС а также станции метрополитена в г. Атланта (США), при этом рас хождение не превышает 15% при среднем квадратичном отклош нии 5% в экспериментальных данных;

— положительными результатами промышленного внедрени методик, программных средств, рекомендаций и выводов, нолучег пых в диссертационной работе.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Установлен ряд новых качественных и количественных закс померпостей процессов взаимодействия массивов горных пород подземных сооружений:

— при опережающей проходку и последовательной установи предварительно напряженной анкерной крепи;

— при проходке параллельных крупнопролетных выработок;

— для напорных туннелей неглубокого заложения в условия гористого рельефа;

— для напорпых туннелей и шахт в неоднородных массива горных пород;

— при волновых сейсмических воздействиях с различным спектрами и направлениями подхода к подземному сооружении:

2. Создан комплекс теоретических, методических и алгоритми ческих разработок и программных средств, обеспечивающий пеоС ходимую точность и достоверность расчетов подземных сооруже пин, проектируемых для сложных инженерно-геологических услс вий с учетом технологической последовательности проходчески работ и возможных комбинаций статических и динамических во-действий. Отличительной особенностью разработанного пакет прикладных программ (ППП) «Статас» являются эффективна формализация наиболее распространенных деформационных моде лен горных пород и трещин в рамках метода конечных элементе (МКЭ), расширенная база МКЭ, включающая специальные изопа ра,метрические дискретные элементы для моделирования трещи горных пород, контактов и швов в конструкциях сооружений, кс нечно-элемептпан модель квазисплошиого пелинейно-деформируе мого трещиноватого скального массива и анкерной крепи; ускорег нын алгоритм метода начальных напряжений (МНН) для расчет напряженного состояния нелинейно-деформируемых сред, эконс мичный алгоритм расчета подземных сооружений с учетом поэтаг пого ведения проходческих работ и установки крепи, осповапиы на частичной перестройке матрицы жесткости системы элемента!

3. Предложена и апробирована па практике методика построс ния расчетных схем МКЭ с использованием элементов различны порядков, обеспечивающая высокое качество результатов при учс

е особенностей строения массива, конструкции сооружения и тех-юлогическон последовательности ведения работ.

4. Предложен новый численно-экспериментальный метод определения расчетных параметров массивов горных пород для обоспо-1ания проектных решений по подземным сооружениям.

Личный вклад автора состоит в непосредственном участии в ис-ледованпях конкретных объектов, разработке концепции форми-ювания программных средств, построении алгоритмов и соответ-твугощих программных модулей, создании методики расчета поденных сооружении в рамках МК.Э, установлении закономерностей ¡заимодействия подземных сооружений с массивами горных пород, I теоретическом обобщении и обосновании всех защищаемых но-южений.

Научное значение работы состоит в более глубоком познании механических процессов в массивах горных пород при строительстве и эксплуатации подземных сооружений, вносящем вклад в [зучепие физических процессов горного производства, а также в озданни эффективного расчетного аппарата, обеспечивающего возможность углубленного изучения закономерностей взаимодействии ■истемы «горная выработка — крепь — массив», в том числе в пер-•пективе, в рамках комбинации серий прямых п обратных расче-

"ОВ.

Практическая ценность. Созданный комплекс теоретических, методических и алгоритмических разработок и программных :редств и выявленные закономерности взаимоЛействия массивов ^орпых пород и подземных сооружений позволяют получить существенный технико-экономический эффект за счет повышения на-1ежности сооружений при обосновании экономичных проектных >ешений, а также сокращения средств и времени при проектирова-ши.

Реализация работы. Внедрение результатов исследований осу-цествлялось при проектировании подземных сооружении Ингур-:кой, Худонской, Зеленчукской и Ирганайской ГЭС, Днестровской "АЭС и гидроузла Терн в Индии, туннелей технического водоснабжения и обводнения рек г. Харькова, туннелей Арпа—Севан и Во-эотап—Севан.

Отдельные положения работы включены в нормативный документ «Руководство по проектированию гидротехнических тунпе-гей» (М.: Стройиздат, 1982). Созданные программные средства трошли эксперитизу на новизну и включены в Государственный })онд алгоритмов и программ СССР.

ППП «Статас» использовался при решении прикладных задач га Ткибули-Шаорском угольном месторождении и на апатито-не-|1елиновых месторождениях Кольского полуострова.

Научные положения работы использованы при написании учеб-шка «Подземные гидротехнические сооружения» (М.: Высшая

школа, 1986), в методических указаниях по курсу «Подземные гидротехнические сооружения», в методических разработках МГИ по курсу «Физика горных пород» (раздел «Горное давление»). Программные средства широко используются в курсовом и дипломном проектировании в МИСИ им. В. В. Куйбышева.

Суммарный экономический эффект, подтвержденный в.установленном порядке и приходящийся на долю автора диссертации составляет около 800 тыс. рублей, ожидаемый — более 0,5 млн. рублей.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы апробированы на 107-ом годичном собрании американского Института инженеров-механиков, на XX Национальном симпозиуме США по механике скальных пород, на VI и VII Международных конгрессах по механике скальных пород, на международных и всесоюзных конференциях, симпозиумах, семинарах и научно-технических совещаниях.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 52 печатные работы. Основные положения выполненных автором исследований изложены в 39 печатных работах, опубликованных в издательствах, включенных в списки, утвержденные ВАК СССР, включая один учебник.

Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 489 страниц состоит из введения, 4 глав, заключения и списка использованных источников из 396 наименований. Основное содержание изложено на 329 страницах машинописного текста, работа включает 19 таблиц и 170 рисунков.

Работа выполнена в Московском инженерно-строительном институте им. В. В. Куйбышева в период с 1974 гг. по 1991гг. Отдельные научные результаты получены автором во время работы в Колорадском университете в г. Боулдер (США), Техническом университете г. Брио (ЧСФР) и в Институте механики грунтов, скальных пород, транспортного и водного строительства Рейн-Вестфальского технического университета в г. Ахен (ФРГ).

Автор навсегда сохранит светлую память о Виссарионе Сардио-новиче Эристове—большом ученом и человеке, во многом определившем направленность этой работы; выражает искреннюю признательность профессору, доктору геолого-минералогических наук С. Н. Чернышеву, профессорам, докторам технических наук В. М. Мосткову, В. Г. Орехову, С. Б. Ухову, доктору физико-математических наук А. И. Савичу и доктору технических наук 10. А. Фишману за многолетнюю поддержку и ценные советы при выполнении работы; профессорам Ф. Эзе (США), И. Кратохвилу (ЧСФР) и В. Виттке (ФРГ), обеспечившим возможность выполнения исследований, послуживших эталонами при создании программных средств и благодарит кандидатов технических наук О. К- Посгольскую, В. В. Санчугова, И. Р. Швачко и инженера В. И. Титкова за помощь в работе.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Процессы развития деформаций в массивах горных пород в ус-овиях практического осуществления технологических процессов азработки выработок и в период эксплуатации сооружений в коечном счете определяют принципиальную возможность реализа-ии проекта конкретного объекта. Эффективное управление этими роцессами может быть осуществлено за счет научного обоспова-ия оптимальной последовательности разработки и крепления вы-аботок и назначения параметров крепи в зависимости от реаль-ых инженерно-геологических условии.

Технический прогресс во всех отраслях подземного строитель- . гва неотделим от имен С. С. Давыдова, М. И. Дапдурова, . Н. Динпика, Г. А. Крупепнпкова, Ю. А. Лиманова, В. Л. Маков-кого, Л. Н. Насонова, В, Л. Николаи, А. Н. Пассека, М. М. Про-эдьякоиова, В. Д. Слесарева, А. М. 'Герпигорева, П. М. Цимбаре-пча, Л. Д. Шевякова и других выдающихся русских и советских чеиых.

Резкое увеличение объемов и темпов подземных работ в конце 0-х годов нашего столетия положило начало современному этапу строительстве подземных сооружений. Этот период характернзу-гся началом широкого распространения новых методов проходки конструкций крепи, формированием принципов проектирования, :пованных па глубоком анализе опыта строительства и эксплуа-щии горных выработок. Решающее значение приобретает наибо-ге полное использование несущей способности массива горных эрод. Эта концепция отражена в основных принципах так пазы-земого нового австрийского метода проходки туннелей, ведущая зль в развитии и обеспечении широчайшего внедрения которого практику туннелестроения принадлежит Л. Мюллеру и Л. Рабце-щу.

Широкое распространение анкерной крепи и скоростных мето-зв проходки с одной стороны и ряд серьезных осложнений и ава-1Й па строительстве подземных сооружений с другой стороны -имулировали повышение уровня и объемов изысканий и натурах исследований, развитие современных расчетных методов, оп-^делили необходимость комплексного изучения процессов взаимо-шетвия породных массивов с подземными сооружениями.

Наиболее четко эти тенденции прослеживаются в подземном [ергетическом и транспортном строительстве, где длительные сро-I эксплуатации сооружений накладывают особые требования к : надежности. Кроме того, подавляющее большинство подземных дротехнических сооружений можно считать уникальными, т. к. 1же близкие по форме и размерам сооружения располагаются в 1зных инженерно-геологических условиях, на разных глубинах ■ дневной поверхности и т. д. Существенным является и то об-

стоятельство, что строительство подземных гидроэлектростанцш" вынужденно распространяется в районах со сложными инженерно-геологическими условиями и, часто, с высокой сейсмичностью, : поперечные размеры выработок, диктуемые параметрами устапав ливаемого оборудования, неуклонно росли, достигнув к 1974 г. ре кордной площади сечения— 1490 м2 па ГАЭС Вальдек-П в ФРГ Дальнейший рост размеров выработок подземных энергетически) сооружпий связывается со строительством подземных АЭС.

Большой вклад в исследования геомеханических процессов I напряженного состояния скальных массивов внесли труды акаде мика Е. И. Шемякина, И. Т. Айтматова, И. В. Баклашова, Н.С.Бу лычева, Ю. А. Векслера, Н. П. Блоха, А. П. Дмитриева, М. А. Ио фиса, Б. А. Картозия, Э. В. Каспарьяпа, Г. А. Каткова, С. В. Куз пецова, Г. А. Маркова, А. И. Савича, Р. Л. Салганика, Д. Д. Са пегипа, В. Я. Степанова, И. А. Турчанинова, С. Б. Ухова, В. С. Ям щикова, а также Л. Мюллера, Ч. Джегера, Ф. Эзе, Н. Хаста I многих других. Вопросы реологии массивов рассматривались в ра ботах Ш. А. Айталиева, И. А. Баславского, В. Г. Глушко М. Н. Гольдштейна, В. Э. Котляревского, А. М. Линькова В. А. Мизюмского, А. Г. Протосени, Б. М. Усачепко, Е. М. Шафа ренко и других авторов.

Изучению механических свойств горных пород- и массивов пос вящепы работы Я. А. Бича, А. А. Варги, П. Д. Евдокимовг Б. Д. Зеленского, Г. Я- Новика, С. А. Розы, А. И. Савичг Д. Д. Сапегина, Р. Р. Тизделя, А. Б. Фадеева, Г. Л. Фисенкс Ю; А. Фишмана, Р. А. Ширяева, В. С. Ямщикова, Н. Бартош В. Виттке, Д. Дира, М- Роша, Л. Серафима и других. Комплек вопросов, связанных с упруго-пластическим поведением массива, разрушением и структурным разуплотнением пород нашел отраже пне в работах В. Т. Глушко, Ю. 3. Заславского, В. Ю. Изаксонг М. В. Курлени, Ю. М. Либермапа, А. М. Линькова, Б. К. Норел> В. Г. Орехова, И. М. Петухова, А. Г. Протосени, К. В. Руппенейтг В. С. Сажина, К. Ковари, В. Прагера, Д. Хоббса и других авторо!

Исследования структурных пеоднородностей скальных массиво и разработки методик определения приведенных (эффективных деформагивных характеристик выполнили Ж- С. Ержанов, Б. А. Ка{ тозия, С. В. Кузнецов, В. Н. Одинцев, М. В. Рац, К. В. Руппеней-Р. Л. Салганик, М. Э. Слоним, В. А. Трофимов, Р. Гудма! Ч. С. Десаи, Г. Панде и другие авторы. Практической направле1 постью отличаются исследования свойств трещин скальных поро„ выполненные С. Н. Чернышевым. В определении расчетных вел! чип горного давления и оценках устойчивости .горных выработс - существенную роль имеют инженерные классификации массивс горных пород, разработанные Н. С. Булычевым, М. М. Протоды коновым, Д. Диром, Н. Бартоном, 3. Бенявски, М. Роша и Г. Уш

гамом. Заметную роль в прогнозировании форм и объемов вывалов породы в горных выработках играют работы К. М. Пашкина.

Исключительно разнообразные и сложные инженерно-геологические условия районов строительства подземных сооружении, конструктивные н технологические различии затрудняют выработку единого подхода к проектированию и расчету подземных сооружении.

Основой всеч применяемых методов ргючега является либо механика твердого деформируемого тела (теория упругости, пластичности и ползучести), либо аппарат строительной механики. По характеру взаимодействия конструкций и вмещающего сооружение массива горных пород методы расчета можно разделить на три группы:'

— взаимодействие не учитывается, конструкция рассчитывается на заданные нагрузки;

— нагрузка от породы разделяется па активную и пассивную (отпор), горное давление считается известным, а отпор определяется расчетом в зависимости от схем действия нагрузок и соотношений деформационных характеристик конструкций и породы;

— нагрузка па крепь от горного давления не задается, а определяется в результате решения контактной задачи о взаимодействии системы -горная выработка — крепь — массив».

Методика первой и, в значительной степени, второй группы основаны па аппарате строительной механики, трсчья группа методов расчета использует классические или численные решения механики твердого деформируемого тела;-Развитие расчетных методов в настоящее время связано с работами Б. 3. Амусина, К. А. Ардашева, И. В. Бнклашова, Н. С. Булычева, Б. А. Картозня, Н. ГГ. Фотиевой, Н. Н. Шапошникова, X. Дуддека, Г. Кастпера, Ш. Сакурлн, Р. Харта и других ученых. •

Широкое распространение высокопроизводительных ЭВМ в инженерной практике обусловило преобладающее применение численных методов, в частности, метода конечных элементов (МКЭ), метода граничных элементов (МГЭ) и их комбинации (МКГЭ). Реализуя в интегральной (МГЭ) или дифференциальной (МКЭ) форме основные зависимости механики сплошного деформируемого тела, условий на контактах сплошных блоков дискретных сред, законов теплопроводности, фильтрации н т. д., эти методы на основе геомеханической модели реального горного массива, проекта сооружения и технологических схем позволяют построить расчс-ную математическую модель, корректно представляющую реальные инженерно-геологические условия, конструктивные особенности сооружения и последовательность горнопроходческих работ, при этом расчет можно производить как па статические, так и па динамические воздействия. Введение в расчет критериев разрушения материала илн контактных зон позволяют решать задачи прочности и устойчивости сооружений и массивов. Основополагающие

работы Б. Айронса, Д. Аргирнса, С. Ахмада, Ф. де Вебеке, Ж. Га-бусси, Р. Гэллахера, Ф. С. Десаи, А. Женншека, О. Зенкевича, И. Кратохвнла, Дж. Одена, Э. Уилсона и других обеспечили нарастающее развитие как собственно МКЭ, так и различных методик его применения в решении инженерных задач. В СССР практическое применение МКЭ в задачах геомеханики нашло свое развитие благодаря работам А. Л. Гольдина, Ж. С. Ержанова, О. Н. Зо-лотова, С. В. Кузнецова, А. М. Линькова, Л. А. Розина, Р. Л. Сал-ганнка, А. Г. Угодчикова, С. Б. Ухова, А. Б. .Фадеева, Н. Н. Шапошникова и многих других исследователей.

В расчетах подземных сооружений на динамические воздействия в настоящее время применяются три основных подхода: квазистатический, с позиций линейно-спектральион теории и волновой, причем наиболее перспективно развитие и применение волнового подхода, учитывающего особенности взаимодействия волн с сооружениями сложной формы, в том числе при наличии-отражающих поверхностей, обусловленных рельефом местности и структурными неоднородностями массива.

Проведенный анализ современного уровня проектирования, строительства и исследований подземных сооружений показал, что повышение экономичности и надежности проектных решений может быть достигнуто за счет более глубокого изучения механических процессов в массивах горных пород, происходящих при проходке выработок, возведении конструкции крепи и дальнейшей эксплуатации сооружений. „. '

При этом, для каждого "характерного типа сооружений должен рассматриваться процесс взаимодействия системы «Горная выработка— крепь — массив» для всех типичных этапов существования этой системы и при всех возможных комбинациях воздействий. К геомеханическим факторам, требующим тщательного анализа при обосновании проектных решении по подземным сооружениям, следует отнести структуру массива и его трещиноватость, естественное напряженное состояние, свойства слагающих массив горных пород. К характерным особенностям конкретных сооружений, рассмотрение которых представляет наибольший научный к практический интерес, в первую очередь необходимо отнести системы круп-иопролетиых выработок, группы параллельных напорных гидротехнических туннелей и туннели неглубокого заложения. Еще недостаточно проработаны вопросы расчетного обоснования таких подземных конструкций как анкерная крепь, набрызг-бетонные покрытия и их комбинации, сборные, сборно-монолитные и комбинированные обделки туннелей. Наиболее характерные ситуации, встречающиеся при проектировании и строительстве подземных сооружений, приведены на рис. 1. Различные уровни структурных не-однородностей в анализируемой области обуславливаются рельефом местности, строением массива, его трещиноватостью и коиструк-

нвньшн и технологическими особенностями сооружения. Взаимо-ействие системы «горная выработка — крепь — массив» должно ассматрнватъся как в условиях относительно медленных (стати-сских) процессов перераспределения естественных напряжений в тетиве при проходке и креплении выработок и действии эксплуа-ационных нагрузок, так и при динамических (сснсмическнх, сей-мо-взрывпых) кратковременных воздействиях.

Комплексное решение этой важной научной проблемы может ьгть успешно достигнуто при развитии модельных представлении механических процессах в породных массивах при их взаимо-сйствии с подземными сооружениями. В качестве основы для того наиболее эффективно применение методов математического [оделирования на ЭВМ и в особенности — МКЭ. Для практической еализацни поставленных задач необходимо наличие комплекса еоретических, методических и алгоритмических разработок и рограммиых средств, обеспечивающих необходимую точность и остоверность численного моделирования процессов взаимодейст-ия массивов и сооружений с учетом всех перечисленных факторов.

Инструментом практической реализации любого численного ме-ода является пакет прикладных программ (ППП), реализующий [собходимые зависимости и вспомогательные операции на ЭВМ. Трямое использование крупных, коммерчески доступных за Рубеком конечно-элементных ППП, особенно в начальный период ра-огы, не представлялось целесообразным как из-за отсутствия в "ССР высокопроизводительных ЭВМ, так и из-за принципиальных граничений в дальнейшем развитии возможностей этих программ-ых средств без авторского сопровождения.

Самостоятельная разработка развитого пакета прикладных рограмм в сравнении с адаптацией известных программных редств и методик, имеет ряд неоспоримых преимуществ, к основ-ым из которых относятся доказанная в каждом конкретном слу-ае достоверность результатов, неограниченность расширения до-тигнутых возможностей и свобода разработчиков в распрострапе-ни созданных средств. Следовательно, создание аппарата матема-ического моделирования и. сопутствующего методического обсспе-ения, становится самостоятельной целью, без достижения которой ешепие поставленных задач в полной мере не представляется воз-южпнм.

При постановке задачи математического моделирования систе-!ы «горная - выработка — крепь — массив» в рамках МКЭ возни-:ает необходимость в пределах одной расчетной схемы представать с одной стороны достаточно тонкие элементы крепей с их онструктивными и технологическими особенностями, а с другой— пачительные по объему участки массива горных пород, вмещаю-дего сооружение, со своими структурными пеоднородпостями и, озможно, рельефом дневной поверхности при неглубоком заложе-

шш выработок. Одновременно, необходим учет нелинейного харак тера деформирования горных пород и конструкционных матерна лов, что, в рамках известных деформационных теории, требует кор ректного определения величии напряжении в значительном числ> расчетных точек. Дополнительные ограничении на параметры рас четных схем накладывает необходимость учета динамических воз действии при волновой постановке задачи.

В этих условиях главной проблемой становится не только соз дание теоретического, алгоритмического и программною аппарата обеспечивающего решение поставленной задачи, по н оитнмизаци; решения по затратам ресурсов ЭВМ, т. к. возможна ситуация, пр! которой именно необходимый объем ресурсов ЭВМ может опреде лять (по доступности пли стоимости) возможность выполпепш конкретного расчета.

Оптимизация решения по затратам ресурсов ЭВМ может быт? при реализации МКЭ выполнена на четырех уровнях:

— при подготовке исходной информации, ее вводе, редактировании и анализе;

— на элементном уровне, т. е. при формировании зависимостег для калшэго элемента расчетной схемы — матриц жесткости, век торов, сил, напряжений и т. д.;

— на уровне системы элементов, т. е. при сборке и решении основной системы уравнении, а также при организации всего процесса вычислений в серии последовательных расчетов;

— при интерпретации полученных результатов (селективный вывод данных, графический вывод результатов и т. д.).

Последовательное выполнение требований рационального использования ресурсов ЭВМ'определило основные характеристики крупного ППП «Статас», реализующего МКЭ и являющегося программной основой -исследований, представленных в настоящей работе. Обладая значительной универсальностью, ППП «Статас» ' имеет ряд особенностей, ориентированных специально па решение задач горной геомехаиики, а именно:

— расширенную библиотеку элементов (до 36 типов элементов) ;

— набор моделей среды, наиболее распространенных в механике грунтов и механике скальных пород;

— программу учета поэтапности возведения сооружения;

— разнообразные модели нарушении сплошности расчетной области (трещины в массиве горных пород, швы в конструкциях, контакты между породой и сооружением);

— ускоренный алгоритм решения нелинейных задач с контролируемой точностью вычислений;

— возможность последовательного расчёта задач с изменяемыми правыми частями разрешающих уравнений (нагрузками) без

• перестройки общей матрицы жесткости системы;

— решение задач динамики в волновой постановке (упругая адача);

— программная оптимизация затрат ресурсов ЭВМ па конкрет-уго задачу;

— генерация расчетных схем;

— формирование каталога задачи, обеспечивающего текущую «формацию о состоянии каждого расчетного массива (время соз-ания, количество редакции, время последней редакции, время по-тедней проверки и т. д.);

— максимальное разделение ввода, генерации и анализа мас-!1пов исходной информации, значительно упрощающее подготовку адачн;

— тщательный анализ исходной информации при вводе и вза-мпая проверка массивов после окончания ввода; результат ана-нза фиксируется в каталоге и начать расчетный прогон при несвершенном анализе или наличии ошибок невозможно. Анализу однергаются псе теоретически возможные ошибочные ситуации и се ошибки в подготовке информации, истрепавшиеся хоть один аз за 15 лет разработки и экенлутацин 111111 <-,Статас». Высокая ффектнвпость расчетной части ГП1Г1 достигнута методичным иск-ючешгем операций над нулевыми членами .матриц, четкой орга-изацией памяти и обращений к устройствам прямого доступа при еалпзацин алгоритма метода Гаусса.

ПГ1П «Статас» ориентирован на применение крупных ЭВМ; ходноп язык—ФОРТРАН. Возможна эксплуатация этого ППП на [ЭВМ AT-38G, АТ-486 и других, при этом обеспечивается неполь-эвание системных графических пакетов программ при наличии эответствующей периферии. Параметры расчетных схем (число зловых точек, тины и число элементов) ограничиваются лишь до-гупными ресурсами ЭВМ.

Перечисленные возможности ППП «Стлтас» обеспечивают ре-[ение задач математического моделирования широкого класса си-гем типа «сооружение — основание», «сооружение — массив вмещающих горных пород». Вспомогательные программные средства бесисчивают анализ полученных результатов в соответствии с дей-гвующпмн нормативными документами — расчет сечений бетонных железобетонных конструкций по предельным состояниям, подбор рматуры и т. д.

Массив горных пород в общем случае рассматривается как не-днородпая несплошная нелинейно-деформируемая анизотропная рода. Конструкционные материалы могут наделяться комбнниро-анпыми свойствами — например, нелинейно-деформируемый бетон упругой арматурой и т. д.

При создании ППП «Статас» сформированы и реализованы в лгоритмах, программных модулях и методических инструктивных атериалах положения, отличающие это программное средство от

других разработок и обеспечивающее перечисленные выше функ циональные возможности. Суть проделанной автором работы I этом направлении состоит в следующем.

Построение библиотеки элементов Г1ПП основано на том по ложении, что корректное представление конструктивных особенно стен туннельных обделок и других типов крепи подземных соору жепий при одновременном учете строения массива горных поро; па достаточном для соблюдения граничных условий иротялчешп и выполнении требований точности в определении расчетных зна чений напряжений При реализации М1\Э может быть достнгпутс либо при использовании в расчетной схеме большого числа про стейших элементов, либо применением специальных типов эле ментов, обеспечивающих необходимую точность вычисления папря жений в произвольных точках в пределах элемента достаточш большого объема. Принятый в ППП «Статас» принцип построешн расчетных схем основан на применении элементов высоких поряд ков (под порядком элемента в соответствии с общепринятой тер минологией подразумевается порядок функций, аппроксимирующи: геометрическую форму и распределение основных неизвестных 1 пределах элемента) в зонах ожидаемых значительных градиепто] напряжений с переходом на элементы первого порядка к грапиш расчетной области. Такой подход дает возможность достаточш точного определения напряжений, что особенно важно при нелн ценной постановке задачи.

Явное моделирование нарушений сплошности расчетной обла сти (трещины, швы, контактные зоны) осуществляется примепенп ем контакт-элементов оригинальной разработки, по постанови; сходной с контакт-элементами, предложенными Ж- Габусси, Э. Уил соном и Дж. Айзенбергом. Эти элементы используют отпоситель ные, а не абсолютные перемещения в качестве основных пеизвест пых, что обеспечивает безусловную устойчивость численного ре шения.

Для моделирования анкерной крепи реализовано два подхода Глубокие анкеры представляются длинными одномерными элемеи тами, при этом их пересечение с контакт-элементами в расчетпо: схеме реализовано специально разработанными безразмерным кои такт-элемептом-связкой.

Систематическая крепь из обычных инъецируемых анкеро! рассматривается в рамках композитной квазисплошной упруго-вя; ко-пластнческой модели среды. Суть этой модели заключается следующем. Она обобщает свойства сплошных блоков породь множественных систем трещин и регулярной анкерной крепи. Пр этом при формировании матрицы жесткости элемента расчетпо схемы по стандартной процедуре:

где Э — матрица жесткости элемента; В — матрица производных функций формы; и — геометрический объем элемента; для матрицы деформационных параметров среды О полагаем:

и (2)

I =1 ' '

где — матрица деформационных прааметров трещиноватой среды, определяемая как:

1 1 ш 1

07' = Ом1 4- 2 (3>

/ = 1

при том, что — матрица параметров сплошных блоков породы —содержит параметры г'-ой системы трещин; —матрица

к

деформационных свойств /-ой системы крепи; + ^ — 1 —

I -1 4

соответствующие весовые коэффициенты.

В результате в пределах каждого элемента расчетной схемы МКЭ могут быть рассмотрены как ослабления в виде т систем трещин, так и усиления в виде к систем крепи. Крепь при этом равномерно распределена по объему элемента и деформируется совместно с другими составляющими композита, что с достаточной точностью соответствует схемам крепи с регулярной установкой инъецируемых (железобетонных) анкеров. Аналогично может моделироваться и железобетонная конструкция обделки. Основным преимуществом такой композитной модели является то, что для каждого составляющего ее материала возможно применение различных законов деформирования, т. е. эта модель, являясь по сути интегральной при формировании матриц жесткости, становится дифференциальной при расчете напряжений в общем процессе решения нелинейной задачи. Графическое представление основных типов элементов, входящих в библиотеку ППП «Статас», приведено на рис. 2.

Эффективность алгоритмов элементной части ППП обеспечивается такой организацией процесса вычислений, при которой основная часть параметров, определяющих свойства элементов (функции формы и их производные, константы численного интегрирования и т. д.) вычисляются однократно при загрузке ППП на данный тип ЭВМ, после чего все затраты времени в этой части расчета при любом числе элементов сколь угодно высокого порядка сводятся к времени считывания двух одномерных массивов с магнитного носителя.

Последовательность раскрытия сечения выработок в расчетах в статической постановке моделируется по в достаточной мере стандартной в МКЭ методике удаления группы элементов, пред-

сгавляющах в расчетной схеме соответствующий ярус пли этап. Неизбежные значительные затраты ресурсов ЭВМ при использовании метода переменной жесткости в этом процессе сокращаются специальной организацией памяти п структуры матрицы жесткости системы элементов. В основе этого процесса лежит такая перенумерация узловых точек расчетной схемы, при которой изменяемая часть матрицы жесткости системы элементов расположена вблизи ее середины. Это дает возможность на каждом этапе расчета изменять лишь узкую полосу членов матрицы жесткости, соответствующую удаляемой группе элементов без перестройки всей матрицы и вектора нагрузок.

Последовательность процесса вычислении определяется управляющими параметрами каталога задачи.

Общее решение нелинейной задачи в 11ПП-«Статас» достигается специально разработанным ускоренным алгоритмом метода начальных напряжений. В результате- анализа процесса сходимости метода начальных напряжении и известных процедур, направленных на ускорение этого процесса, показано, что выбор постоянного коэффициента ускорения, как это рекомедуется большинством авторов, или вектора таких коэффициентов не является оптимальным решением, более того, в отдельных случаях введение ускоряющей процедуры может нарушить процесс сходимости.

Предложено, следуя в основном логике известной работы Маяка и Зенкевича (1972 г.), определять значения ускоряющего коэффициента для каждого тага пагружепня и для каждой итерации. Последовательность действии при этом следующая.

В случае упруго-пластического деформирования материала соотношения между приращениями напряжений и деформации для

п-го шага пагружепня записываются в виде:

= (4>

где индексы соотлествеино обозначают: с — упругий; р — пластичный, ер — упруго-пластичный; матрица О определяет соотношения

{ф'ы. "

Определяем разницу напряжений:

141» = - = 1-ЧЛ - 1Лз")й (5)

и получаем величину коррекции нагружепия для /г-го шага:

= —.К- ВТ(|-Ь(7Л — \^с)п)11г> . (б)

Для итерационного процесса в пределах каждого шага цагру-женпя п на итерации ш разницу между двумя последующими итерациями определяем как:

{Лн}™"1 (7)

и основное уравнение МКЭ в приращениях может быть записано в форме:

su«j;?=>Zj;r\ го=1.2.... (8)

здесь S — матрица жесткости, А / — силы, соответствующие /2-ому шагу пагружения. Все рассуждения ведутся па уровне одного элемента. Вводимый коэффициент ускорения может быть вычислен по формуле:

{Лй}?)

tn_ %п -

(9)

где дополнительная коррекция:

{AÄj-sr'sX-'sr'Uz!;?-1; (Ю)

введя обозначение:

. 1 при Л > О, (И)

Л-{а)1 Б, {£>}

где А — модуль упрочнения; [а]—дР[д Р — критерий пластического течения; \Ь} —определяет вектор, нормальный к поверхности пластического потенциала в при текущем уровне пагружения, можно показать, что:

Ор=ЦПе, Ь^Я(12)

В работе доказано, что предлагаемый ускоренный алгоритм безусловно сходится во всех тех случаях, когда сходйтся исходный алгоритм метода начальных напряжений. Реальный выигрыш во времени определяется характером деформирования моделируемой, среды. Имея в виду, что па каждом шаге вычислений используется

лишь обратная упругая матрица жесткости системы Б7 \ можно сделать вывод о том, что как и стандартны^ метод начальных напряжений, этот алгоритм допускает использование не только ассоциированного "закона пластического течения (Р=С), но и не ограничивает возможности реализации неассоциированного (Рф С) закона.

В ППП «Статас» рассмотренный алгоритм используется как для областей, представляемых «сплошными» элементами, так и для нарушений" сплошности, моделируемых специальными контакт-элементами. Это в значительной степени повышает эффективность вычислений и облегчает контроль сходимости решения.

В случае разупрочняющейся среды (Л<;0 в (11)) для ускорения процесса сходимости решения применяется комбипиро-

ванный алгоритм, использующий в рамках рассмотренного алгоритма принципы вязкопластического метода (ВПМ, Д. Нейлор, Дж. Панде, 1981 г.). ВПМ дает возможность использовать фиктивный шаг по времени в качестве дополнительной меры обеспечения сходимости решения; в то же время обеспечивается прямая реализация упруго-вязко-пластической модели при известных реологических свойствах породы.

Достоверность численных результатов, получаемых при практическом применении ППП «Статас», обеспечивается:

— тщательной отладкой, программных модулей;

— анализом численных решений задач, имеющих в теории упругости и пластичности точные решения;

— сравнением расчетных данных с результатами экспериментальных лабораторных и натурных исследований;

— сравнением получаемых решений с результатами, полученными известными и широко апробированными программными средствами.

В значительной степени для подтверждения достоверности решений, получаемых ППП «Статас», использованы результаты научной работы автора в высших учебных заведениях США, ЧСФР и ФРГ. На всех характерных этапах развития ППП «Статас» выполнялись расчеты, по постановке совпадающие с ранее выполненными с использованием таких программных средств как ППП FEST03 (ФРГ) или «АА» фирмы Agbabian Associates (США). Различие в результатах незначительно и может быть отнесено на счет технических характеристик применяемых ЭВМ и других подходов к построению расчетных алгоритмов.

Для обоснования выбора расчетных деформационных моделей пород массива и конструкционных материалов и уточнения определяющих параметров этих моделей предложена и реализована расчетно-экспериментальная методика. Эта методика опирается па возможность при реализации МКЭ дифференцированной оценки свойств отдельных элементов исходной геомеханической модели н рассматриваемого сооружения с последующим интегральным анализом всего физического процесса взаимодействия сооружения и массива в пределах одной расчетной схемы. Последовательность действий при этом следующая:

— для исследуемого массива или Материала конструкции определяются деформационные свойства;

— проводимый натурный или лабораторный эксперимент должен обеспечивать уровень напряжений в исследуемом материале, аналогичный ожидаемому при осуществлении проекта;

— масштаб опыта, особенно в случае трещиноватых сред, должен соответствовать размерам проектируемого объекта;

— по условиям эксперимента строится его математическая модель, расчетное поведение которой приводится в соответствии

Рис. I. Характерные случаи проектирования

подземных сооружений.

а) система выработок в неоднородном массиве;

б) гидротехнический туннель неглубокого заложения;

в), г) туннель и шахта в слоистом массиве;

д) поэтапно раэт-чбатыЕае&'ая выработка в трещиноватом массиве скальных пород.

Рис. 2.

Основные типы элементов библиотеки ППП "Статас а) трехмерные; б) плоские; в) одномерные; г) контакт-элементы.

[О. 3.

Характерные сдвиговые параметры естественной трещины в скальном массиве (а) и схема дкяатентной трещина (б).

метрополитена (а) и осадки шелнги свода (б). ' - натурше дачные- Z - б - расчёт MKS; Z ~ "Статас" с учётом покрытия i— набрнзг-бетпка и дклатаисии трепли; 3 - "Статас" без учёта покрытия иг> нг/бри'зг-бетона, но с учётом дилатакеии трицян; 4 - то же, что 3, но Ji'.Cbt.T; 5,6- соответственно "Стагас;| к JKCölt без учёта дилатансии ..rc-,;":i и тскрктид набрнэг-бетсном.

Рис. 5. Взаимное распрложение выработок машинного и трансформаторного зала ГХ Тори..

I. 2, 3, А, В, С - расчётные этапы разраб :ки.

Рис. 6 . Огибащие эпюры максимальных сжимающих

напряжений над выработкой машинного зала.

• 5 Л 3 2 1

О

%

5 А 3

г 1

о

1

5.

V б

/ / /

А < £ / £ .8

у / /

А

5 Н/2

Рис.7. Изменение максимальных (I, 3, 5, 7) и

минимальных (2, 4, 6» 8) напряжений в обделке туннеля, пересекающего пласт более жес..:ой (а) и более мягкой (б) порода. 1,2 - Е2 = ЗОхЮ3 Ш1а, Ед = бхЮ3 .МПа; 3, 4 - Е^ = ЗОхЮ3 МПа, Ед . 10хЮ3 МПа; 5, б - Е2 » 5хЮ3 Ш1а, Е3 = ЗОхЮ3 Ш!я; 7, 8 - Е2 = 10хЮ3 МПа, Е3 = ЗОхЮ3 Ш1а.

: условиями эксперимента, при этом параметры, описывающие математическую модель опыта, достоверно отражают законы деформирования исследуемой среды и могут быть с высокой степенью достоверности использованы в расчетах проектируемого сооружения.

Предлагаемая методика рассматривается как первый шаг к :озданию надежной системы обратного анализа геотехнической ситуации па строящихся подземных объектах.

Работоспособность методики проверялась по результатам лабораторных исследований на образцах модельного материала и жалыгых пород как в условиях одноосного, так и трехосного напряженного состояния. В целях практического применения использовались результаты анализа крупномасштабных натурных эпытов с установками центрального иагружения (УЦН).

Для сравнения по результатам трехосных лабораторных опытов контрольная серия расчетов была выполнена с использованием ППП РЕБТО 3 в институте, руководимом профессором В. Виттке (ФРГ).

.Программное обеспечение математического моделирования троцессов в породи],IX массивах при динамических воздействиях )азработапо па базе ППП «Статас». При этом, пптегрпрова-ше основного дифференциального уравнения движения в рамках МКЭ:

М(«) +С(и| + Б {«} + {/) = 0, (13)

г- г /->•, ' " ^Ы;

где Б, и и I — определены ранее в (7) и -(8), и, — и и1 = —

соответственно узловые значения скоростей и ускорении; М и И — соответственно матрицы масс и демпфирования системы, по-тучаемые аналогично Б сборкой соответствующих матриц элементов, осуществляется в рамках комбинированного алгоритма, ис-юльзующего в пределах одной расчетной схемы явные и неявные :хемы интегрирования.

Комбинированный алгоритм интегрирования уравнения (13) ■ переменным шагом по времени сформулирован к. т.н. В._ В. Сан-¡уговым при подготовке диссертационной работы под руководством 1втора настоящей работы. Усовершенствование данного алгоритма заключается в исключении влияния размеров элементов рас-[етной схемы па величины реальных скоростей распространения юлн и обеспечении программного задания реальных или сипте-пфоваппых динамических воздействий любой формы, не исклю-¡ая возможности расчета на единичные воздействия с последую-цей сверткой с помощью интеграла Дюамеля. Включение этих »азработок в структуру ППП «Статас» обеспечило возможность »ешения волновых задач динамики в рамках МКЭ для копкрет-

ных объектов, ограничиваясь в настоящее время двумерной постановкой задач. Это, с учетом рассмотренных выше характеристик ППП «Статас», позволяет считать, что в рамках поставленных в настоящей работе задач, возможности созданных теоретического и программного обеспечений исследований достаточны. Направлением их дальнейшего развития следует считать обеспечение обратных расчетов при анализе геотехнических ситуаций и создание программных средств для динамических волновых расчетов в трехмерной постановке с учетом специальных волновых эффектов (спиральные волны и т. д.).

Строительство крупнопролетиых горных выработок, как правило, связано с поэтапным процессом раскрытия сечения, установки и ввода в работу крепи. Последовательный анализ происходящих при этом физических процессов позволяет в достаточно полной мере определить основные закономерности взаимодействия подземных сооружений с массивом скальных пород.

Механические процессы в трещиноватых скальных массивах, вмещающих подземные сооружения камерного типа, исследовались в связи с проектированием и строительством подземных машинных залов Ингурской и Худонской ГЭС, Днестровской ГАЭС, выработок станционного узла ГЭС Тери в Индии и станций метрополитена. Комплекс исследований напряженно-деформированного состояния массива скальных пород, вмещающего выработку подземного машинного зала Ингури ГЭС, и железобетонного свода с омоноличеиными подкрановыми балками, установленного в этой выработке, проведен на кафедре производства и организации гидротехнических работ МИСИ им. В. В. Куйбышева под руководством профессора, доктора технических наук В. С. Эристова в период с 1969 по 1975 гг. Отдельные замеры в натуре проводились в 1977 г. и в начале 1978 г.

На стадии, предшествующей началу проходческих работ в выработке (1969—1971 гг.), автором настоящей работы были выполнены модельные исследования напряжепно-деформированпогс состояния анизотропного массива скальных пород в процессе разработки и возведения жесткой железобетонной крепи. Результаты этих исследований составили основу кандидатской диссертации автора; они проводились па хрупких моделях (методом «эквивалентных материалов»), методика исследований и полученные данные достаточно подробно изложены в [3, 19].

Натурные исследования непосредственно в выработке в период с середины 1972 г. по декабрь 1975 г. велись при активном участии автора настоящей работы, группой, включавшей Г. П. Анд-гуладзе, Е. И. Жохова, А. К- Третьякова, Ю. Е. Хечинова г Т. Г. Чинчараули.

Параллельно с натурными исследованиями автором настоящей работы была выполнена серия численных исследований мето-

Юм конечных элементов. Следует отметить, что подобный комп-текс исследований для крупной подземной выработки н СССР Зыл осуществлен впервые.

Выработка подземного машинного зала Иигурн ГЭС имеет ктпну 126 м, ширину 21,8 м и высот)' 52,3 м, толща скалы над нелыгой свода 80 м.

Массив, вмещающий выработку, сложен толсто-слоистыми :реднетрещиповатыми известняками. Угол падения пластов 30— 10°, породы обладают выраженной анизотропией.

Проведенные натурные исследования включали:

— определение характеристик и степени нарушения скального пассива в зоне, прилегающей к контуру выработки машинного зала;

— определение величин напряжений в массиве;

— определение напряжений в бетонном своде;

— определение смещений подкрановых балок;

— определение перемещений контура выработки.

Численные исследования проводились в упругой постановке в

,'с.товиях плоской деформации с учетом анизотропии массива, зеальной конструкции свода и поэтапности разработки выработки. Анализировалось также влияние очертания поперечного сече-шя выработки и наличия жесткой крепи на развитие процессов реформации в массиве.

Исследование напряженно-деформированного состояния тре-циноватого неоднородного массива скальных пород, вмещающего зыработку подземного машинного зала Худопп ГЭС, выполнено твтором при участии И. Р. Швачко, В. В. Сапчугова и В. И. Тит-шва.

Выработка подземного машинного зала Худопп ГЭС па р. Ин-три располагается в зоне вулканических и осадочных Пород, :реди которых можно выделить аргиллиты, туфопесчапикн, туфо-:ланцы и лавобрекчии. Несмотря па незначительное удаление ;твора Худоии ГЭС от Иигурн ГЭС, инженерно-геологические ус-товня отличаются принципиально и результаты, полученные при 1сследовапнн машинного зала Ипгурп ГЭС, непосредственно для обоснования конструкции: крепи п схемы проходки не могли быть использованы.

По условиям размещения оборудования выработка машинного зала Худоии ГЭС имеет пролет 27 Д1, высоту (включая отсасыва-ощую трубу) до 60 м и длину 100 м. Глубина заложения выработки 80—120 м. Породы обладают выраженной слоистостью при <рутом (80—85°) падении пластов. Продольная ось выработки тересекает плоскости напластования иод углом 40—45°. Массив з зоне расположения, выработки машзала характеризуется относительно высоким уровнем естественных напряжений. Специфика толя естественных напряжении такова, что вертикальная компо-

Цента Зу в 3—4 раза меньше максимальной горизонтальной составляющей и в 2—3 раза меньше минимальной компоненты, что обусловлено главным образом причинами тектонического характера. Исходная геомехапическая модель участка массива была построена отделом геофизических изысканий и исследований (ОГИИ) Гидропроекта. Непосредственно по выработке проходит зона контакта между двумя наиболее характерными типами пород, слагающих массив.

Анализ механических процессов-в массиве был проведен как для случая статических, так и динамических (сейсмических) воздействий, при этом рассматривалась крепь подсводового пространства в виде железобетонной сводовой конструкции с вертикальными омополпченными подкрановыми балками-консолями по типу,примененному на Ингури ГЭС и в виде свода,опирающегося па наклонные подкрановые балки-консоли. Основное внимание при этом уделялось исследованию напряженно-деформированного состояния конструкции свода и вмещающего массива скальных пород при сейсмических воздействиях. Анализ выполнен МКЭ е волновой постановке. Отношение акустических жесткостей свода н породы составляет р СРио Ся, = 2,9, поэтому следует ожидать, чтс уровень динамических напряжении в массиве будет существенно отличаться от напряжений в железобетонном своде машзала. Для оценки взаимного влияния свода выработки и массива исследовались незакрепленная выработка (т. е. без железобетонного свода) и выработка со сводом.

Учитывая, что для района строительства Худони ГЭС не бьи четко определен характер и возможное направление сейсмического воздействия, направление динамических воздействий, в целя> выбора наихудшего варианта, принималось под углами: 0°, 301 и 45° к горизонту.

Расчетная схема МКЭ имела 1730 узловых точек и 1683 элемента, задача решена в условиях плоской деформации. Шкалг времени представлялась в безразмерном виде:

где Н — высота выработки.

Отношение шага по безразмерному времени к шагу сетки пс пространству в элементных зонах с явной («Я») и неявной («Н»] схемами интегрирования уравнения (13) было принято равны\ 0,5; соотношение /г=Д^„/Д /я — 25.

В результате решения были получены зависимости измененш напряжений -<тх, з^ и тху во времени для различных направлешп воздействия. Наиболее сложное напряженное состояние массив; отмечено при действии волнового фронта под углом 30° к горизон ту в направлении выработки и сводовой поверхности.

В численных исследованиях в статической постановке па основании данных ОГНИ и ОСО Гидропроекта за основу принята уп-ругопластическая модель трансверсалыю-изотропной среды с критерием Кулона-Мора в форме:

р, = 44 + к - -- Кз.г +з,) +2С ?]2 §!г12 ?=0

Г 2 = 44 + (а, - Зу)2 - (а¥ + 2/?;)2 - О

^ = (15)

где С — сцепление; ф — угол внутреннего трепня; параметры со знаком » относятся к поверхностям структурных ослаблений.

Основные породы вблизи выработки машзала описывались параметрами: Ех = 3000 МПа, Е;, =4500 МПа, Я, = 1,0 МПа, С = 0,8 МПа, ср = 37,5°, С=0,15 МПа, Тр = 22°. Зона ослабленных пород над машзалом характеризовалась: Е^ = 1700 МПа, Ец = = 2500 МПа, ^ = 0,1 МПа, С=0,1 МПа, ср = 34°, 6=0,05 МПа, Ф=22°; зона более нарушенных пород: Е^ = Е [; = 1000 МПа, /^/ = 0, С = 0, ср = 30°. Для зоны контакта между туфопесчаникамн п брекчиями принималось С = 0,8 МПа, <р = 37,5°, а для контактов с ослабленной породой — С = 0,2 МПа, гц = 35°.

Расчетная схема МКЭ для серии статических исследований, по сравнению с динамическими, была усложнена для более полного учета структуры массива, конструкции крепи и этапов разработки. Она содержит 1984 элемента (1708 четырехугольных, в том числе второго порядка — 172, треугольных — 276) и 1972 узловые точки. Контакт-элементами представлены зоны контакта двух типов пород и границы зоны ослабленных пород над машинным залом. Число элементов этого типа — 231. Все численные исследования проведены в условиях плоской деформации. Толщина железобетонной конструкции в сводовой части выработки принята равной 0,8 м.

В качестве крепи в степах выработки рассматривались стержневые и прядевые напряженные анкеры, устанавливаемые совместно с железобетонными анкерами. В соответствии с принятой методикой построения расчетных схем железобетонные анкеры учитывались в расчетах в рамках квазисплошпон квазиоднородной модели (2), (3), а напрягаемые прядевые и пеипъецируемые стержневые анкеры — одномерными элементами. Для этого в стенах выработки добавлялось в расчетную схему до 88 одномерных элементов и в сводовой части до 44. Набрызг-бетонное покрытие на степах выработки моделировалось также одномерными элементами; их дополнительное число — 23. С учетом коптакт-эле-ментов максимальное расчетное число элементов составило 2370. Числа узловых точек добавление одномерных и контакт-элементов, как уже указывалось, не изменяет.

Железобетон в пределах конструкции свода, как и анкерная крепь, омоноличенная с породой, представлялась композитной моделью, при этом характер деформирования арматурной стали принимался упруго-идеалыю-пластпческим с критерием пластического течения Мизеса, а для бетона применялся критерий Друккера-Прагера.

Естественное напряженное состояние массива оценивалось по данным ОГИИ Гидропроекта. В пределах контура выработки машинного зала в нетронутом массиве расчетное значение вертикальной компоненты напряжений принималось равным ау = = —5,0 МПа, горизонтальной — о.г=—10,0 МПа.

Исследование влияния расчетных характеристик массива на оценку устойчивости горной выработки было проведено для условий серии однотипных станционных выработок системы метрополитена в г. Атланта, штат Джорджия, США. Исследования выполнены в период с октября 1976 г. по май 1977 г. совместно с проф. Ф. 93e'(F. Heuz'é) в Колорадском университете в г. Боулдер, штат Колорадо, США. Расчетные модели обоснованы результатами' лабораторных исследований. Рассматривалась горная выработка пролетом в проходке 32 м и высотой 13,5 м. Форма поперечного сечения и размеры этой выработки характерны для одиопролетпых станций метрополитена, а также для ряда горных выработок другого назначения — камер вентиляторов крупных транспортных туннелей, камер для сборки и ремонта горнопроходческого оборудования н т. д. Для группы станций метрополитена в г. Атланта глубина заложения выработок составляет 20— 60 м. Вмещающий массив скальных пород представлен доломити-знрованными известняками, он имеет блочную структуру, образованную сетью вертикальных и горизонтальных трещин с шагом 3—10 м. Блоки породы разбиты хаотичной сетью сомкнутых микротрещин, обуславливающих разуплотнение породы при разгрузке. Естественное напряженное состояние массива характеризуется относительно высокими значениями компонент вертикальных напряжений оу = 2,7—3,5 МПа и низкими значениями горизонтальных напряжении — ov = 0,25 ау ■ При наличии системы вертикальных трещин и значительном пролете выработок такое.распределение напряжений в массиве признано неблагоприятным.

Учитывая, что в данной ситуации решающее значение имеют свойства массива и, в первую очередь, трещины, были проведены детальные исследования для формирования расчетных моделей. Свойства пород изучались па стандартных • цилиндрических образцах типа NX диаметром 54 мм и длиной 108 мм (4'/т'/) в условиях трехосного напряженного состояния в камере фирмы MTS на жестком прессе.

Расчетные параметры трещин определялись в натурных условиях сдвиговыми опытами па целиках породы (Ф. Е. Эзе,

Т. Г. Барбур) и п лаборатории механики скальных пород Колорадского Университета.

Математическая модель проверялась непосредственными расчетами условии эксперимента. В описываемой серии исследований использовалась программа ,ЩС01.Т (Р. Г\тдман, Ф. П. Эзе; основа— ЯЛР) па ЭВМ СОС-ОбОО: ^

Рассматривались модели трещин с учетом и без учета дпла-танснн. Основные обозначения к принятой модели трещин ясны из рис. 3. Принятая модель трещины характеризуется уравнением:

- -/Ь + Вз-Ч-Сз3, (16)

где

A = tg о, В

3 С

2 (lg Vp - Ig <?r)

C-

2 С

P !

»я

-р—предельная сдвиговая прочность трещины; тд—остаточная сдвиговая прочность трещины; грд. — остаточный угол трения, у.) — начальный угол днлатапепн (при о=0); ?/Н-7ч!

у — мгновенный угол дплатапени, изменяющийся с <т; а, —критическая величина нормального напряжения, за которой дплатан-сия не проявляется.

Мгновенный угол днлатаисин определяется из соотношения:

-И)

d а

и равен

Y = ar ctg (А + 2В з -f ЗС з2) — oR , При а>ос предельная прочность трещины равна:

С„ + з tg ? „,

(17) (13) (19)

Численное моделирование- лабораторных сдвиговых опытов проводилось для трех вариантов расчетных параметров трещин: А — ф,, = 40°, дплатансия не учитывается. Модуль деформации породы равен 6,89-103 МПа (10° psi) ;

В — ф/;=30о+10°, дплатансия учитывается (у0=10°), Е = = 6,89-103 МПа;

С — Y,, = 30°-f-10°, дплатансия учитывается"! II = 6,89- 104 МПа.

остаточная прочность равна:

+

? сз ь Y/j.

Анализ результатов показывает, что учет дилатансии приводит к двукратному увеличению предельной сдвиговой прочности трещины (при принятых исходных данных). Кроме того, в отличие от гладкой трещины увеличение модуля деформации породы сказывается па полученных результатах.

Серия численных исследований для выработок станций метрополитена в г. Атланта выполнялась, как и в лабораторных опытах, с учетом и без учета дилатансии трещин, при этом принималось срр —40° и ф, =30о+Ю°, Е = 6,89-103 МПа, коэффициент Пуассона v = 0,22. Задача решалась в условиях плоской деформации. Последовательность раскрытия сечения принималась (рис.4) D-»C—>B->A-^F с установкой соответствующих групп анкеров па каждом этапе. Длина анкеров, обозначенных G, Н и т. д., принималась равной 13 м, начальное натяжение — 300 кН, несущая способность— 1000 кН; имелось в виду, что шаг их в направлении продольной оси выработки равен 2 м, между ними устанавливаются анкеры длиной 1,5 .м с шагом 1,2X1,2 м и контур выработки сразу после обнажения покрывается слоем пабрызг-бето-на толщиной 5 см, с последующим доведением толщины покрытия до 30 см и установкой двух слоев металлической сетки (ЗХЮО мм). Сравнение величин напряжении в массиве при использовании различных моделей трещин показало, что влияние выбора модели трещины па напряжения в «сплошных» элементах незначительно, в то время как перемещения узловых точек вблизи контура выработки различаются в 1,5—2 раза. Это объясняется накоплением подвижек «сплошных» блоков породы по трещинам.

Рассмотренная серия исследовании была повторена с ППП «Статас» па ЭВМ Honeywell-Bull 66/20 в целях сравнения результатов, получаемых принципиально различными программными средствами и для дополнительного подтверждения достоверности результатов.

Сравнение результатов двух серий численных исследований- и данных натурных наблюдений, выполненных в процессе строительства одной из станций, проведено по наиболее характерным данным — осадкам шелыги свода — на рис. 4. Подробно результаты исследований опубликованы в [27, 28, 30].

Рассмотрение результатов всех этих серий исследований позволяет сделать вывод, что структура массива скальных пород и ее представление в расчетах играет решающую роль при расчетной оценке устойчивости проектируемой выработки. Модели трещин, используемые в таких расчетах, оказывают наибольшее влияние на получаемые результаты, что выдвигает па первый план необходимость тщательного исследования свойств трещин в натуре и создания соответствующих расчетных моделей. Достигнутое хорошее совпадение результатов первых двух серий численных исследований с натурными данными, полученными в процессе

строительства реального сооружения, подтверждает достоверность результатов, полученных при использовании ППП «Статас».

К основным вопросам, возникающим в процессе проектнрова-Iия системы близко расположенных шахтных выработок большого тиаметра, относятся:

— определение минимальных допустимых размеров междушахтных целиков;

— выбор типа крепи, обоснование се конструктивных параметров и последовательности ввода в работу;

— назначение наиболее благоприятной, с точки зрения обес-течення устойчивости выработок, последовательности разработки системы шахт.

Комплекс перечисленных задач требует своего решения, в частности, при обосновании проектов гидроэлектростанций с шахт-1ым расположением машинных залов. Здесь для построенных и троектируемых объектов характерны шахты диаметром до 30 м и ■лубииой 25—70 м. Число близко расположенных шахт может )ыть значительным, например на Днестровской ГДЭС — 7.

Было проведено две серии численных исследовании иапряжеи-го-деформироваппого состояния скальных массивов при прОхотке "руппы шахт большого диаметра.

Первая серия этих исследований выполнена применительно к комплексу шахт Днестровской ГАЭС и рамках экспертизы проекта этих сооружений. В качестве исходных пепользовапы проект-1ые решения по Днестровской ГАЭС, однако задача ставилась ! более общем плане — рассмотрены альтернативные схемы креп-тения шахт, максимальная глубина проходки увеличена вдвое, 1арьнровалнсь свойства и естественное напряженное состояние тассива горных пород, размеры междушахтных целиков н взаим-1ая последовательность разработки выработок.

Массив горных пород принимался однородным грансверсалыю-[зотропным с горизонтальным расположением слоев. Свойства тассива по глубине принимались неизменными. Принятые ^счетные свойства соответствовали параметрам аргиллитов с ьтощадкп строительства Днестровской ГАЭС. Реализована упру-о-пластическая модель с критерием пластического течения Куло-1а-Мора в форме, аналогичной (15).

Вторая серия исследований проводилась автором частично в 1>РГ, во время работы автора в институте, руководимом проф. 5. Виттке, и частично — с использованием ППП «Статас». Исход-(ыми данными служили параметры массива и конструктивные >собенности шахтных машинных залов ГАЭС Айн-Сухиа в Египте. Аассив, сложенный плотными песчаниками и доломитами с отельными прослойками сланцев, рассматривался в рамках упруго-[ластической модели с критерием Хука-Брауна. Анализ возмож-[ых схем организации работ по проходке группы параллельных

однотипных выработок показал, что все они с позиций расчета могут быть сведены к двум:

— последовательная или параллельная проходка двух блнзкс расположенных шахт;

— проходка шахт через одну с последующей проходкой шахт между уже существующих выработок.

Рассматривались шахты диаметром до 28 м и глубиной дс 70 м. В качестве крепи рассматривались варианты сборно-монолитной железобетонной обделки и апкерпо-иабрызг-бетонная крепь, причем для последней анализировался случай последовательной, по мере проходки, установки крепи и случаи опережающей проходку установки крени. Исследования выполнялись в трехмерной постановке. Расчетная схема, представленная комбинацией 8—20-вершиппых шестигранных и призматических элементов, содержала 920 элементов и 1648 узловых точек. Основные результаты опубликованы в [25].

Проведенные исследования взаимодействия шахт большого диаметра позволили сделать следующие выводы:

— размеры междушахтных целиков имеют решающее влияние на устойчивость системы шахтных выработок большого диаметра;

— анкерная крепь с применением глубоких анкеров и покрытий из пабрызг-бетона обеспечивает передачу значительной части усилии в глубь массива и более благоприятное, по сравнению с другими решениями, напряженно-деформированное состояние массива горных пород;

— проходка близко расположенных выработок вызывает перераспределение усилий в крепи, степень этого перераспределения определяется деформационными характеристиками массива, типом крепи, схемой проходки и размерами целиков;

— опережающая установка анкерной крепи обеспечивает более благоприятное и равномерное распределение деформаций в массиве;

— при применении сборно-монолитных конструкций обделок шахт необходимо завершение всех работ по возведению обделки в одной шахте до начала проходки соседней;

— при проектировании аналогичных объектов необходимо выполнять расчеты в постановке, рассмотренной в настоящей работе, при этом значительное сокращение затрат па подобные исследования может дать прямое использование предлагаемых методики, математического обеспечения и расчетных схем. Определяющие законы деформирования пород и материалов конструкций могут быть выбраны в соответствии с реальными условиями.

Для условий строящегося в Индии гидроузла Тери на р. Бхагн-рати были проведены исследования папряжеппо-деформпровапно-го состояния массива скальных пород и крепи при проходке двух параллельных круппопролетных выработок машинного и трапс,-

форматорпого залов. Взаимное расположение и размеры поперечных сечений выработок приведены на рис. 5.

Выработки расположены в массиве филлитов, кварцевых и глинистых филлитов па глубине порядка 300 м от дневной поверхности. Уровень естественных напряжении и массиве на уровне шелы-ги свода машинного зала по данным ОГИИ Гидропроекта характеризуется следующими значениями: оу=—9,0 МПа, ол' = —6,0МПа. Расчетные прочностные и деформационные характеристики пород принимались в соответствии с данными Гидропроекта и уточнялись серией расчетов условий натурных экспериментов в соответствии с предложенной методикой.

В выработках рассматривалось три варианта крепи: жесткие железобетонные своды с анкерным креплением степ, апкерно-на-брызг-бетопная крепь по всему контуру выработок и опережающая проходку установка анкерного крепления с использованием дренажных галерей вблизи основных выработок. При моделировании поэтапного процесса разработки выработок и установки крепи реализована упруго-пластическая модель с критерием Кулона-Мора. Крупные трещины в массиве представлялись контакт-элементами, регулярная трещиповатость — квазисплоншой моделью, в рамках которой учитывалась и анкерная крепь, за исключением глубоких преднапряжениых анкеров. Сейсмостойкость сооружений анализировалась для двух полностью разработанных выработок при всех рассматриваемых типах крепи. Как в статических, так и в динамических исследованиях, использована одна и та же расчет-пая двумерная схема; полные размеры расчетной области составили примерно 2X3 км. Динамические исследования проведены в волновой постановке, при этом за расчетные воздействия принимались как акселерограммы синусоидальной формы с периодом от 0,2 до 0,6 с, так и реально зарегистрированные в районе строительства акселерограммы. Максимальная амплитуда воздействий во всех случаях принималась равной 0,33 0. Характерные огибающие эпюры напряжений в массиве для двух вариантов крепи приведены па рис. 6.

Особенности конструкций обделок и условий эксплуатации гидротехнических туннелей требуют специального подхода к исследованию процессов взаимодействия этого класса сооружений с массивами горных пород. Развитие модельных представлений об этих процессах по отношению к напорным туннелям, проходящим в неоднородных массивах, представляет особый интерес, т. к. разделение влияния различных факторов — структуры массива и свойств слагающих его пород, глубины заложения туннеля, конструктивных параметров обделки и условий ее нагружеиия и т. д.— дает возможность выработать конкретные концепции проектирования реальных объектов и определить необходимый состав

и объемы изыскании для обоснования более экономичных проектных решений.

Для изучения влияния структуры массива па напряженное состояние обделки напорного туннеля автором совместно с к. т. п. О. К. Постольской было проведено 4 серии параметрических исследований. Рассматривались случаи расположения туннеля:

— в однородном изотропном массиве с изменяющимися значениями модуля деформации от 100 до 30000 МПа и коэффициента Пуассона от 0,15 до 0,3 и обделкой переменной толщины от 0,1 до 0,5 м;

— в однородном анизотропном массиве при изменении как значений модулей деформации в горизонтальном и вертикальном направлениях, так и соотношения их значений;

— на границе двух слоев породы с различными модулями деформации;

— на пересечении с пластом породы различной толщины и жесткости (0,1г^Я/2Я2<.со, Е2/Е3=1/6, 1/3, 3, 6), рис. 1,в.

Рассмотренные схемы расположения туннеля в массиве горных пород практически исчерпывают типичные случаи при достаточно глубоком заложении туннеля и однородном напряженном состоянии массива, т. к. в этом случае угол залегания пластов породы не. меняет значений напряжений в обделке, а определяет лишь расположение точек с характерными величинами напряжений (точки А и В на рис. \,в). Полученные результаты подробно изложены в [35], а для случая пересечения туннелем пласта породы, как для наиболее характерного, приведены па рис. 7.

Дополнительно, совместно с к. г. н. Г. П. Андгуладзе, было исследовано взаимодействие обделки напорного туннеля с массивом при отличии внешнего контура конструкции от цилиндрического, что определяется технологией проходки и переборами [2].

Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы:

— существенное влияние величины модуля деформации породы на напряженное состояние обделки отмечается лишь при относительно пизких его значениях (Е^7000 МПа) и особенно в интервале от 1000 до 2500 МПа. В этом случае подтверждается вывод, сделанный ранее Ю. А. Фишмапом, о влиянии значения коэффициента упругого отпора. .Детальное исследование свойств пород при пизких значениях модулей деформации и построение достоверных деформационных моделей наряду с использованием совершенных численных методов расчета обеспечат требуемую надежность сооружений при возможно более полном использовании несущих свойств породы. При значениях модулей деформации, превышающих 7000 МПа, могут использоваться упрощенные методы расчета и объем изысканий может быть значительно сокращен;

— при отличии очертания внешнего контура обделки от кру-•ового происходит перераспределение напряжений в конструкции, тричем увеличение напряжений может достигать 120°/»;

— влияние анизотропии сказывается тем более, чем выше значения модулей деформации породы;

— в обделке туннеля, проходящего па границе двух различных типов пород, происходит «осреднение» напряжений примерно на 10—15°/о от максимальных;

— влияние величины коэффициента Пуассона на напряженное состояние обделки не превышает 0,5*°/о от максимального напряжения;

— пласт породы, отличающийся по свойствам от основного пассива, определяет напрял<еппое состояние обделки при соотношении и практически не оказывает влияния при Я/2/?2 3. При #/2/?2^0,25 отмечаются-лишь местные концент-эации напряжений в обделке в зоне, непосредственно примыкающей к пласту, при этом концентрации отмечаются как в случае слабого, так и жесткого включения. В конструкции обделки в этом случае можно рекомендовать локальное увеличение процента армирования.

Приведенные в работе графики могут рассматриваться в качестве рекомендации для назначения состава и объема изысканий по трассе проектируемых туннелей.

С учетом сформулированных положений для напорных туннелей Зелепчукскоп и Иргапайской ГЭС, проходящих в переслаи-закнцихся породах, были обоснованы экономичные конструкции эбделок: снижение толщины металла в первом случае и уменьшение процента армирования во втором.

Анализ ряда типичных ситуации для напорных туннелей неглубокого заложения показал, что корректный учет структуры массива, свойств пород и реального рельефа обеспечивает принятие экономичных решений за счет использования несущих свойств массива. Показано, что постановка исследований в трехмерной постановке, в случае пересечения туннелем понижений рельефа (рис. 1,6), принципиально меняет получаемые результаты. Такие исследования проведены для участка трассы деривационного туннеля Ингури ГЭС па пересечении с долиной р. Галь-Хумля [26]. Объемная постановка расчетных исследований необходима и для напорных шахтных водоводов, проходящих в переслаивающихся породах (рис. \,г). В этом случае учет перераспределения напряжении в обделке в продольном направлении обеспечивает снижение их уровня на локальных участках слабых пород. Практически это показано па примере шахтного водовода Зеленчукской ГЭС.

Для групп параллельных близко расположенных напорных туннелей (Зеленчукская ГЭС, Днепровская ГАЭС) показана необходимость учета последовательности ввода в работу, в особеп-

поста при ведущихся проходческих работах в параллельном туннеле.

Проведенные исследования позволили сделать вывод, что, учитывая высокую ответственность при назначении типа и параметров обделки напорных туннелей, в особенности, неглубокого заложения, для их обоснования, как это принято в мировой практике, следует тщательно исследовать структуру и напряженное состояние массива горных пород. Для окончательного принятия решения необходимо выполнить серию численных исследований, затраты на которую, при наличии развитого математического обеспечения и подготовленного персонала, незначительны. Учет реальных нелинейных деформационных свойств массива горных пород обязателен для туннелей неглубокого заложения и в случае параллельных близко расположенных туннелей.

Заключение

Диссертация является закопченным научным трудом, в котором на основании выполненных автором исследований и разработок осуществлено решение научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение и заключающейся в развитии модельных представлений о взаимодействии элементов системы «горная выработка — крепь — массив» как при статических, так и динамических воздействиях, и повышении па этой основе надежности и экономичности подземных сооружений за счет более полного использования несущих свойств массивов горных пород. Основные научные, практические результаты и выводы заключаются в следующем:

1. Создан комплекс теоретических, методических и алгоритмических разработок и программных средств, обеспечивающий необходимую точность и достоверность расчетов подземных сооружений, проектируемых для сложных" инженерно-геологических условий с учетом технологической последовательности проходческих работ и возможных комбинаций статических и динамических воздействий. Разработки объединены в крупный, промышленного уровня, пакет прикладных программ (ППП) «Статас».

2. Предложен новый численно-экспериментальный метод определения расчетных параметров массивов горных пород для обоснования проектных решений по подземным сооружениям. Метод, наряду с ППП «Статас», является основой для разработки перспективного методического и программного обеспечения серий обратных расчетов для уточнения проектных решений в процессе строительства подземных сооружений.

3. Установлено, что эффективное использование несущей способности массива при строительстве подземных сооружений может быть достигнуто вовлечением в работу возможно большего

(по отношению к размерам сооружения) объема пород. Наиболее эффективным средством вовлечения в работу является глубокая анкерная крепь, при этом опережающая проходку установка анкерной крепи создает наиболее благоприятные условия для проходки горных выработок, обеспечивая равномерную передачу усилий в глубь массива и ограничивая возможность подвижек отдельных блоков массива по трещинам.

4. При проходке системы параллельных круппопролетных выработок характер их взаимодействия с массивом, в особенности при установке глубокой анкерной крепи, соответствует случаю проходки одной выработки суммарного пролета. Целики породы между выработками при этом разгружаются, а в прикоптурной внешней зоне массива увеличиваются касательные к контурам выработок компоненты напряжений. При применении жестких бетонных или железобетонных конструкций обделок сводов камерных выработок напряженное состояние целиков менее благоприятно за счет передачи па них части усилий, которые при применении анкерной крепи перераспределяются в окружающем массиве.

5. При волновых динамических воздействиях в жестких бетонных или железобетонных конструкциях сводов камерных выработок отмечаются концентрации напряжений тем больше, чем выше различие в акустических жесткостях обделки и прилегающего массива горных пород. Наибольший уровень напряжений регистрируется в момент прихода отраженной от дневной поверхности волны. В этом отношении гибкие апкерпо-пабрызг-бетонпые конструкции обладают повышенной сейсмостойкостью.

6. Обоснование проектных решений по конструкциям обделок заглубленных напорных туннелей в массивах с относительно высокими средними значениями модуля деформации (Е>7000МПа) может производиться упрощенными расчетными методами; объем изысканий при этом может быть сокращен. Напротив, детальное исследование свойств пород при низких значениях модулей деформации, а также в случае неглубокого заложения туннелей и построение достоверных деформационных моделей, наряду с использованием совершенных численных методов, обеспечивает требуемую надежность сооружения при возможно более полном использовании несущих свойств массива.

7. Обосновывающие расчеты обделок напорных подземных водоводов па участках понижения рельефа, а также при быстром чередовании переслаивающихся пород с различными деформационными свойствами, должны проводиться в трехмерной (объемной) постановке. Экономичное решение при этом достигается за счет учета перераспределения усилий в конструкциях в продольном направлении и реального напряженного состояния" рассматриваемого участка массива.

Научные положения, вытекающие из результатов работы, сформулированы выше.

Направлением дальнейших исследований автора является создание надежных методики и математического обеспечения обратных расчетов подземных сооружений с целью повышения информативности натурных наблюдении и обеспечения оперативного конструктивного и технологического реагирования па физические процессы, происходящие в массиве горных пород.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Юф)ш С. А. Расчет напряжений и перемещении и своде подъемного машинного .»ала ГЭС и в окружающем скальном массиве с учетом поэтапности разработки.— Пиротехническое строительство. 1974, № 9, с. 16—21.

2. Андгуладзе Г. П., Юфнн С. А. Влияние фактического очертания обделок напорных гидротехнических туннелей на их статическую работу.— Гидротехническое строительство, 1974, Л» 10, с. 11—1С.

3. Юфнн С. А. Методы расчета и исследований статической работы конструкции подземных гидротехнических сооружений.—М.: Стройиздат, 1976, 49 с.

4. Жшач 10. К-, Юфин С. А. Программа решения плоской задачи теории упругости методом конечных элементов.— ГФАП СССР, П001959, 38 е.; Алгоритмы и программы, ¡977, 1(15), с. 18.

5. Жигач 10. К,., Титков В. И., Юфнн С. А. Программа расчета сооружении и конструкции на ЭВМ а условиях плоской задачи методом конечных элементов,—ГФАП СССР, П002234, 49 е.; Алгоритмы и программы, 1977, 2(16), с. 22—23.

6.'Юфин С. А., Чинчараули Т. Г. Исследование напряженного состояния скального массива при разработке подземного машинного зала Ингури ГЭС.— Гидротехническое строительство, 1978, № 2, с. 7—10.

7. Юфин С. А. Расчет подземных сооружений и трещиноватых скальных породах с учетом технологических факторов.— Труды Технического Университета г. Брно, ЧССР, 1978, вып. В80, с. 255—261.

8. Юфин С. А., Бердзенишвили Т. Л. Многоцелевое! программный комплекс для решения некоторых задач геофизики.— Сообщения АН ГССР, 1980, т. 97, № 3, с. 605—607.

9. Юфин С.' А. Расчет обделок гидротехнических туннелей.— М.: МИСИ, 1980, 58 с.

10. Юфин С. А. Расчет подземных сооружений на ЭВМ методом конечных элементов,—М.: МИСИ, 1980, 77 с.

11. Юфин С. А., Титков В. И., Постольская О. К., Бердзенишвили Т. Л. Библиотека двумерных элементов многоцелевого программного комплекса для расчета методом конечных элементов.— ГФАП СССР, П004559, 98 е.; Алгоритмы н программы, 1980, 6(38), с. 48—49!

12. Бердзенишвили Т. Л., Гелашвили Г. М„ Постольская О. К,., Юфин С. А. Алгоритмизация задач с поэтапно изменяющимися граничными условиями и геометрией расчетной области в рамках метода конечных элементов.— Сообщения АН ГССР, 1981, т. 104, № 1, с. 33—36.

13. Юфнн С. А., Постольская О. К.. Титков В. И., Швачко И. Р. Прогнозирование устойчивости выработок подземных гидротехнических сооружений в трещиноватых породах с физически-нелинейными свойствами/Проблемы механики подземных сооружении.— Тезисы докладов на И • Всесоюзной научной конференции,—Тула: 1982, с. 13—14.

14. Руководство но проектированию гидротехнических туннелей.—М.: Строй-издат, 1982, с. 116—117, 249—250,. 271—272.

15. Юфин С. A., Тптков В. И., Постольская О. К., Швачко И. Р. Схематизация трещиноватых скальных массивов н контактов сооружение—основание и рамках метода конечных элементов/Материалы конференций н совещаний по гидротехнике.— Проектирование и исследования скальных основании гидротехнических сооружении.— Л.: Энерюнздат, 1984, с. 129—133.

16. Швачко И. Р., Юфин С. А. К вопросу оптимизации расположения и определения устойчивости выработок подземных сооружении,—Энергетическое строительство, 1985, Л1> 12, с. 35—3G.

17. Постольская О. К., Швачко И. Р., Тнтков В. И., Юфин С. А. Программная основа математического моделирования сложных конструкций подземных сооружении в рамках МКЭ/Прнложение численных методов к задачам геомеханикн.— Межвузовский сборник научных трудов,—М.: МИСИ, 1986, с. 181 — 188.

18. Юфин С. А. Специальные вопросы методики и программного обеспечения расчетов подземных сооружений численными методами.— Методические разработки по курсу: «Физика горных пород», раздел: «Горное давление».— М.: МГИ, 1986, 2 с.. -

19. Мостков В. М., Орлов В. А„ Степанов П. Д., Хечшюв Ю. Е., Юфин С. А. Подземные гидротехнические сооружения.— М.: Высшая школа, 1986, 464 с.

20. Юфин С. А., Постольская О. К. Предельное состояние сборно-монолитных железобетонных обделок напорных гидротехнических туннелей в расчетах МКЭ/Материалы конференции и совещании по гидротехнике.— Предельное состояние бетонных н железобетонных конструкции энергетических сооружении.— Л.: Энергоатомпздат, 1987, с. 91—95.

21. Юфин С. А., 'Гптков В. И., Вердзешиивнли 1. Л. Оптимизация расчетных алгоритмов МКЭ при повышении порядка используемых элементов.— Сообщения АН ГССР, 1937, т. 127. М- 3, с. 521—524

22. Юфин С. А., Санчугов В. В. Влияние зоны нарушенных пород вокруг безнапорною гидротехнического туннеля па напряженное состояние обделки и горного массива при динамических воздействиях.— Энергетическое строительство, 1988, „V« 5, с. 68—70.

23. Мостков В. М., Юфин С. А. Современное сосюянне исследований при расчетах подземных гидротехнических сооружении.— Строительная механика н расчет сооружении, 1989, № 2, с. 78—79.

24. Ловчиков А. В., Калашник А. И.. Юфин С. А., Постольская О. К. Геомеханпческие особенности сооружения пологоиадающнх щелеобразных выработок в тектонически напряженном массиве/Механика подземных сооружении.— Сборник научных трудов,—Тула: ТулПИ, 1989, с. 78—84.

25. Юфин С. А. Оптимизация взаимного расположения и крепи шахтных машинных залов ГЭС и ГАЭС.— Энергетическое строительство, 199Ü, № 7, с. 49—52.

26. Юфин С. А. О минимальной глубине заложения напорных гидротехнических туннелей.— Энергетическое строительство, 1990, № 8, с. 28—30.

27. Heuzè F. Е., Yufin S. A. Finite element modeling of sequential rexcava-tion and rock reinforcement.—Ргос. 107tli AIME Annual Meeting.—'Denver, Co., 1978, p. 171-176.

28. Yufin S. A. Numerical analysis of rock structures, considering material nonlinearities.—Proc. 20ili US Symposium on Rock Mechanics.—Austin, Tx., 1979, p. 265-272.

29. Yufin S. A„ Postolskaya O. K„ Zliokhov E. I. Der Spannungszustand in Beton—und Stahlbetonauskleidungen von Druckstollen in nichtl¡near deformierten Gesteinen.—Proc. ISRM Symposium Felsinechanik: Kavernen und Druckschahte, Aachen.—A. A. Balkema: Rotterdam, 1982, s. 1281 — 1288.

30. Yufin S. A., Titkov V. I., Shvachko I. R., Antipov A. A. Stability prediction and evaluation for the system of Iarge:span caverns of underground power-plants.— Proc. isrm Symposium: Rock Mechanics: Caverns and Pressure Shafts, Aachen.—A. A. Balkema: Rotterdam, 1982, p. 1217—1227.

31. Yufin S. A. Numerical evaluation of stability factors for caverns in jointed rock.—Proc. Indo-Sovlet workshop on rock mechanics.—Central Board of Irriga tion and Power: New-Delhi, 1984, p. 77—90.

32. Yufin S. A., Titkov V. I., Postolskaya O. K„ Shvachko I. R. Some specia aspects in mathematical modeling of multi-lined pressure tunnels and shafts ir laminated semi-rock.—Proc. Indo-Soviet workshop on rock mechanics.—Centra Board of Irrigation and Power: New-Delhi, 1984. p. 91—112.

33. Cliernyshov S. N„ Yufin S. A. Joint and rock mass classification foi stability prediction of open-cut and underground openings.— Proc. Indo-Sovie workshop on rock mechanics.—Central Board of Irrigation and Power: New-Delhi 1984, p. 113-136.

34. Yufin S. A„ Postolskaya O. K., Shvachko I. R., Titkov V. I. Some aspect: of underground structure mechanics in the finite enement analysis.— Proc. Fifili Int. Conf. on Numerical Alethods in Geoniech., Nagoya.— A. A. Balkema: Rotterdam, 1985, p. 1093-1100.

35. Morozov A. S., Postolskaya O. K., Yufin S. A. Structure sensitivity tc different geologic conditions as the base to optimization of rock mechanics research set-up.— Proc. Int. Synip. on the Role of Rock Mechanics in Excavattor for Alining and Civil Works. Mex-Rock—85, Zacatecas, Mexico, 1985, p. 412—417,

36. Mostkov V. M,, Yufin S. A., Shvachko I. R. Testing and mathematical modeling of jointed rock formations as a design tool for large caverns.— Proc Int. Synip. on Engineering in Complex Rock Formations.— Science Press: Beijing. 1986, p. 535-540.

37. Yiifin S. A., Shvachko I. R., Morozov A. S., Berdzenishvili T. L„ Gelash-vili G. M., Gordeziani Z. A. Implementation of finite element model of heterogeneous anisotropic rock mass for the Tkibuli-Shaor coal deposit conditions.— Proc. Sixth Int. Congress on Rock Mechanics, Montreal.—A. A. Balkema: Rotterdam, 1987 p. 1345—1348.

38. Yufin S. A.. Titkov V. I., Morózov A. S., Berdzenishvili T. L. Several aspects of formation of structures of computer programs, selection and algorltli-mization of medium models in geomechanics.— Proc. Sixth Int. Corif. on Numerical Methods in Geoniech., Innsbruck.— A. A. Balkema: Rotterdam, 1988, p. 231-236.

39. Mostkov V. M., Yufin S. A., Postolskaya O. K. Numerical simulation ol the hydraulic tunnel lining under extremely complicateb rock conditions,—Proc. ISRM Symposium: Rock Mechanics and Power Plants, Madrid.—A. A. Balkema:, Rotterdam, 1988, v. 1, p. 367—371.

Tun. rnAportpoeKta. 3ai<. 1C38. Tup.