автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.04, диссертация на тему:Метод расчета обделок тоннелей большого поперечного сечения, сооружаемых при поэтапном раскрытии сечения

> С О

(

, V На правах рукописи

V ч. РРБ ' ОД

19 ИЮН 2000

РОСТОВЦЕВ Игорь Евгеньевич

МЕТОД РАСЧЕТА ОБДЕЛОК ТОННЕЛЕЙ БОЛЬШОГО ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ, СООРУЖАЕМЫХ ПРИ ПОЭТАПНОМ РАСКРЫТИИ СЕЧЕНИЯ

Специальность 05.15.04. - Строительство шахт и подземных сооружений

Автореферат диссертации на соискашге ученой степени кандидата техшгческих наук

Тула 2000

Работа выполнена в Тульском государственном университете.

Научный руководитель - док. техн. наук, доц. ТулГУ

И.И. Савин

Официальные онпоненты: - док. техн. наук, проф. МГГУ

Б.И. Федунец,

- канд. техн. наук, доц. ТулГУ C.B. Анциферов.

Ведущее предприятие ОАО «Це1Гтртоннельстрон».

Защита диссертации состоится «2/ » 2000 г. в часов на за

седании диссертационного совета Д 063.47.01 Тульского государствешюго уни верситета по адресу: 300600, г. Тула, пр. Ленина, 92, корпус б, аудитория 216.

С диссертацией можно ознакомтъся в библиотеке Тульского государст венного университета.

Автореферат разослан ОЬ 2000 г.

Ученый секретарь диссертащюнного совета, канд. техн. наук, доц.

- 'M. Пискунов

Hw-om-oa.i.,0

£ У-1 О - ОБЩАЯ ХЛРАКТЕК1СТ11КА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время отсутствуют аналитические методы ;чета тоннельных обделок, учитывающие в полной мере такой технологический етор стротельства горш>к выработок как поэтапность раскрыли их сечений, лько с помощью шюленных методов возможно мэдетрованпе псотагаюго раскры-I крупных подземных сооружений, однаю, ш-за сложности данных методов их шенение затруднено, поэтому известны только единичные исследования. К ним юсятся исследования, выполненные М Баудецдистелом (Германия) результаты юрых использованы в диссертации Однако, следует заметить, тгго существующие годы не уплывают дополшггельные пршружеши возведенных ранее элементов {елки, появляющиеся при дальнейшем раскрыл эт сечения тоннеля.

Разработка метода расчета обделок тоннелей болылого поперечного сечения, ружаемых при поэтапном раскрыла! сечения, является актуальной задачей.

Цель работы заключается в разработке метода расчета монолитных бетонных *елок тоннелей большого поперечного сечения, сооружаемых при поэталтм рас->пш! сече1пи и возведении обделки на действие собственного веса горных пород , » позволит принять обосшвагаюе решение на зтапе проектирования подземных >ружешп"ш повысить надежность обделки.

Идея работы заключается в сведении объемной задачи, характерной для слу-[ поэтапного раскрыли сечегаи тоннеля, к нескольким пгошы задачам, соответ-ующпм определенным этапам раскрыли сечения выработки, с учетом дополии-ыюш пригружения возведенных ранее элементов обделки, вызванною увеличени-сечения тоннеля.

Методы исследований. Работа является теорелиесной. В ней использованы цествующие решения задач теории упругости и методы магемалнеской стати ел г-Проведена серит вычислительных экспериментов.

Научные гюлоиишп, разработаипье лично соискателей! и их швшт:

1. Раработан метод расчета обделок тоннелей большого поперечного сечет и учетом поэтапности раскрытия сечешш и ползучести массива горных пород.

Напряженное состояние обделки тоннеля определяется путам суммирования наггр жений в элементах обделки, определенных на каждом этапе строительства Быработк что позволит учесть дотюлшгтельные пригружеши элементов обделки на разных ст днях строительства подземного сооружения.

2. Установлены корреляционные зависимости коэффициешов сочетания в личин суммируемых напряжений в элементах обделки на к ала ом этапе раскрыл сечения тоннеля, от отношения расстояния от забоя до места установки обделки приведенному радиусу выработки, дающие возможность опредетгть компонент напряженною состояния обделки тоннеля на каядом этапе раскрыли его сечения.

3. Установлены зависимости компонентов налряженшго состояния обдеш тоннеля от геометрических характеристик элементов сечения вырйЗотки, позвоил щне установить наиболее благоприятный режим нагружения обделки путем подбо] рациональных параметров разшиных элементов сечения выработки.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечив ется совпадении! результатов расчета с данными натурных измерений (огличш пределах 10 %).

Научное значение днссертациошюй работы состоит в разработке математич ской модели взаимодействия обделок тоннелей большого поперечного сечения, с оружаемых при поэтапном раскрытии сечения, с окружающим массивом горных п род; в установлении зависимости коэффициентов сочетания величии суммируем! напряжений в элементах обделки на каждом этапе раскрытия сечения тоннеля от о ношения расстояния от забоя выработки до места установки постоянной обделки приведенному радиусу выработки; в установлении зависимости значений: комгоне тов напряженного состояния обделки от геометрических характеристик элемент сечеши тоннеля.

Практическое значение работы заключается в разработке метода расчета о делок тоннелей большого поперечного сечеши, сооружаемых способом нижнего з тупа на действие собственного веса горных пород.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доклад вались на заседании Секции проектнрованш ¡[расчетаконструкций подземных со-

ужений тоннелшой ассоциации Pocant (г. Тула, 1998-1999 гг.), на второй Всерос-íckoíí конференции «Проблемы разработан месторождений минерального сырья хийскон Федерпцшю (г. Тула, 1999 г.), на конвенциях профессорско-зтодавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 1996-X) гг.).

Шйтшсиши. ГЬ теле диахртнциошюй ргботы опубликовано шссть статей.

Сгругаура и объем работы, Диссертационная работа оосгоит из введения, мрех глав, заключения, изложенных на 145 листах машинописного текста, вкшо 129 рисунков, 6 таблиц, спиооклпсра^рыиз 97ншые1юва1пй.

ОСНОВНОЕ СОДЕГЖЧНПЕ РАБОТЫ

Анагап опыта строительства тоннелей больпюго гоперечного сечения гоказьь гг, что около 70 % всех крупных выработок строится с использованием поэтагаюго жрыпга сечения, in mix около 85 % сооружаются при гомсщи устушюго способа, 5о на сто оагззеразрабатьюаетсякакой-либо комбинированный способ с привлече-!м элементов способов опертого аводаи опорного длра С^еди всех видов уступно-сгособа наиболее распространен способ нижнего уступа.

В современной праклже проектирования: подземных сооружений можно вы-ппъ дза направления развили методов расчета тоннельных обдегок. Во-первых, i методы расчета на заданную нагрузку. Наиболее распространенным расчетным годом данного направления является метод Бсярова-Мзтэри, также в этой области ютали С.В. Бугаева, ИЛ. Бурдзгла, С.С. Давьщов, Г.Г. Зурабов, С.А Срлов и др.

В настоящее время при проясшрсоашш подземных конструкций широко притоки методы расчета, основанные на современных представлениях механики ремных сооружений о взшпюдействни обделки и массива город как элементов той деформируемой системы. Зненнтсшын вклад в развил re методов расчета и )ледегпп горных выработок; опюсящихся к данному направлению, внесли . Амуащ С.В. Анциферов, НС. Булычев, ДМ Голицинааш, Р.А Дунасвааш,

Ж.С. Ержанов, Б.А. Картозш, Д.Н. Киласония, А.С. Саммаль, Б.И. Федунец, Н.Б Фотиева, Н.С. Четыркин, М.Н. Шупликидр.

Задаче учета в процессе расчета тоннельных обделок такого техшлопшескоп фактора строительства годземных сооружений, как поэтапное раскрытие их сечений посвящены работы Н.С. Четыркина. Он исследовал напряженное состояние обдели свода камерных выработок большого гоперечного сеченш, сооружаемых в нескольв этапоЕ.

В основу предлагаемого метода расчета гошжен метод расчета обделок тон нелей некрупного очертания, разработашшй Н.Е ФотисвоП.

Задача расчета тоннельных обделок при поэтапном раскрытии сечеши - эт объемная задача, что обусловлено разнесением в пространстве и ео времегаг проход ческих забоеЕ и Еозведенш элемагтоЕ обделкп на различных этапах раскрьпш сече мы. Сведем объемную задачу к нескольким плоским контактным задачам теорп упругости о равновесии кольца произвольной формы, подкрепляющего отверстие весомой среде с другими деформационными характеристиками. Каждая ю данны задач б^дет соответствовать очередному этапу раскрыли сечения тоннеля. Мы лиш сделаем допущение, что на каждом этапе сооружения выработки, будь то проходк калотты, штроссы или лотка, будет еозводшься замкнутая обделка. Исследована напряженного состояши обделок тош¡елей, проведенные автором для разтгсны конфшурации обратного свода при равных прочих условхих показали, что зиаченп напряжений в стенах и своде выработки изменяются в пределах 15 %. Исходя m этс го, можно предположить, что, принятое нами допущение не будет оказывать сущей венного вшшли на формирование картины нагружешм обделки тоннеля.

Расчетная схема обделки тоннеля большого поперечного сечеши, сооружаемс го при гоэтапшм раскрытии сечения, rip не едена на рис. 1.

На каждом этапе раскрыли сечения рассматривается плоская кошактная зе дача теории упругости для кольца произвольной формы (с одшй осью симметрии подкрепляющего отверстие в линейно-деформируемой однородной изотропной сред< Кольцо S i моделирует обделку и имеет деформационные характеристики Ei, vi (со oí ветстъеню модуль упругости икоэффициент Пуассона). Среда S0 моделирует масси пород и имеет характеристики Eq, v0 (соответственно модуль общейдефорыащш i

сечения, сооружаемого при поэтапном раскрытии сечення с окружающим

массивом горных пород

.."р.____

А-А

-Ч"——"--У"-1

Б-Б

В-В

Рис. 1.

коэффициент Пуассона). Кольцо Б! работает совместно со средой Эа, т.е. Еекгоры ш пряжений н смещений на линии Ц непрерывны.

Среда имеет начальное напряженное состояние, которое в общем случае хараь тернзуется главными напряжениями И] п N2, направленными под произвольным углоз О к вертикали. Наклонное положение осей главных напряжений может вызываться дев ствием тектонических сит в массиве или влиянием наклонного напластования горны пород.

Формирование нагрузки на обделку тоннеля при поэтапном раскрытии сечсин имеет ряд существенных особешюстей. При трехстадгашой проходке на первой стади: форюфование нагрузки на обделку свода происходит, как и для случая сплсшног забоя. Раскрытие ппроссы вызывает дополюгтельное прпгруженне обделки свода ] свою очередь раскрытие лотковой части тоннеля вызывает дополнительное пригруже тше обделки боков тоннеля и еще одно пригружение свода.

Для прояснения картшш формирования нагружения обделки тоннеля при пс этапном раскрытии его сечения необходимо определить коэффициенты сочетания суд: мируемых напряжегап! в элементах сечения обдзлкн (коррекпфующне шюжнтели) дл каждого этапа раскрытия сечения.

Для определения указанных коэффициентов воспользуемся результатами исслс дований М. Баудендистела, который проаналнз1фовал перемещегащ точек породног контура то1шеля в его призабойной зоне.

В результате анализа его исследований были получены корреляциошгые завис! мости коэффициентов сочетания величин сума.шруемых напряжешй в элементах ос делки на каждом этапе раскрытая сечешш тоннеля (коррекпфуклцих множителей), о отношения расстояния от забоя до места Еозведення обделки к прпведешюму радиус тоннеля. Влияние отставания возведения обделки от забоя на первом этапе раскрыта сечения па формирование нагрузки на обделку калсггты при раскрыла! сводовой част тоннеля учитывается с помощью следующего коэффициента

Влияние отставший; возведения обделки от забоя на втором этане раскрыли тения ira формирование нагрузкп на обделку тоннеля прп раскрыли нпроссы учи-вается с помощью следующего коэффициента

ч • -у

Влияние отставания возведения обделки от забоя на третьем этапе раскрьгпга тения на формирование нагрузки на обделку тоннеля при раскрьгпш лоткоеой час-выработки учтпывается с помощью коэффициента

гсь , 13 - расстояния от забоя до места возведения обделки при проходке соот-гетвегаю калотты, шгроссы и лотка;

г2> т3 - приведенные радиусы тоннеля соответственно па первом, втором и третьем шах раскрытая сечеши.

При деухстаднйлой проходке корреклгрующпе множители для калотты оп-делятотся по формуле (1). Влияние отставшщя возведения обделки от забоя на грмпровагаш нагрузкп на бока тоннеля на втором этапе раскрьпия сечения в случае ухстаднйной проходки определяется исходя из следующего соотношения

При определении напряжений и усилий в обделке свода на первом этапе

жительства тоннеля (раскрытие калотты) процесс расчета идет согласно методу счета обделок тоннелей некрупного поперечного очертания, разработанного Н. Фолгевой.

Отлтгчле появ1пся на втором этапе строительства (раскрытие ппроссы п лот-вой части выработки). Здесь напряжения и усилия в своде тогателя будут определяя, исходя из следующих вьтражегай:

( 1 Л

(2)

(3)

внеш , ,внеш * Л внеш вяеш \ • , \

СТ -Men ai + [a02i "С enJa2 V)

внут _ внут * ( внут внутЛ * ¡0\

СУе "СТви Oti+^<Je2i "СТви Ja2 v>>

М =Мца1+(м21_М nlotz (9)

N = N11 а!+(N2i _ Nu) а*2 N

где арП. tfen, oenBK™, aeniIlyT, Мц, Nu -напряжения н усилия, действующие в обделке калогш на первом этапе раскрытия сечешм тоннеля, рассчитанные прп значешш а,*=1;

а,* - коэффициент сочеталня величин суммируемых налряжешш в элементах сечения обделки (корректирующий множитель), принятый в расчете при раскрытии калотты; оР21, хрз21, ов21втш, ай1['нут, М21, N21 - напряжения и усилия, действующие в обделке 1салотты при раскрытии штроссы, рассчитанные при значении а2'=1; сь* - коэффициент сочетшшя величин суммируемых налряжешш в элементах сечения обделки (коррекпфующпй шюжитсль), принятый в расчете прп раскрытии штроссы.

В качестве примера применения рассматриваемого метода расчета обделок тоннелей большого поперечного сечения, сооружаемых при поэтапном раскрытии сечения, произведем расчет обделки однопутного железнодорожного тоннеля, пройденного способом нижнего уступа б два этапа

Расчет производился при следующих исходных данных:

- окружающий массив пород имеет следующие характеристики: модуль общей деформации Eo^lTOOO MI 1а и коэффициент Пуассона v0=0,36;

- обделка тоннеля бозеодится из моношгаюго бетона имеющего следующие деформационные характеристики: модуль деформации Ei=24000 МПа и коэффшщент Пуассона V[=0,23;

- объемный вес пород 26 кН/м3;

- отставание возведения обделки от забоя тоннеля прп проходке калотты и ипроссы составляют соответсгвешю 0,6 и 3,8 м.

Расчет обделки тоннеля проводнлея в два этапа:

1) определение налряжешш и усилил в своде тоннеля на первом этапе его строительства (раскрытие калотты);

2) определение напряжений и усилий в обделке тоннеля после раскрытия зоссы, с учетом того, что проходка штроссы оказывает дополнительное пригруже-: на ранее возведенную обделку калотгы.

Эпюры продольных сил и изгибающих моментоз в обделке тоннеля на раз-:ных этапах раскрытия сечешга приведены на рис. 2.

Вязкоупругое деформфование массива горных пород (ползучесть) моделпру-я при помощи метода переменных модулей, согласно которому деформационные актеристики пород представляются как функции времени.

В свою очередь помимо введения в расчет временных значений модуля упру-ти и коэффициента Пуассона пород, фактор ползучести необходимо учесть при >сделении корректирующего множителя.

а,* - величина корректирующего множителя, принятого в расчете; О - величина коррекларующего множителя, учитывающего ползучесть горных юд;

) - временной коэффициент, характеризующий ползучесть горных пород.

^ - время установки обделки;

момент времени, в котором будут определяться напряжения и усилий, действую-е в сечениях обделки; > - параметры ползучести.

Ниже в качестве примера приводятся результаты расчета обделки тоннеля 1ЫНОГО поперечного сечения с учетом ползучести массива горных пород.

- массив горных пород имеет следующие деформационные характеристики: зуль общей деформации Ео=5000 МПаи коэффициент Пуассона \'а=0,31;

- деформационные характеристики матфиала обделки: модуль общей дефор-цш Е1=20000 МПаи коэффициент Пуассона \'1=0,2;

- породы имеют следующие характфистикн ползучести: а=0,72б, о=0,0094;

- удельный вес горных пород 26 кН/м3;

- глубина заложения тоннеля 100 м;

(П)

(12)

Эгасры продольных сил и пзпгбаклщх моментов, дейстпуюшлх в сечениях обделки на разных этапах

раскрытия сечения тоннеля

Р1ГС.2

__ТТПТГТГТ-Т^-» ТГТТТ-ПИТ.П,' ТГ>ЧР-"*^!аТППГ

- выработка проводилась в два этапа сшсобоы нижнего уступа;

- отставание возведения обделки от забоя тоннеля при раскрытии калотты и россы составляют со ответ ств енто 9 и 12 м.

Эпюры продольных а л и гашбаюнпк моментов приведены на рис. 3.

С целью установления зависимости компонентов напряженного состояния обпей от геометрических характеристик элементов сечения выработки были проведе-мшговарпангные расчеты обделки тоннеля, пройденного в два этапа с различны-значениями высоты часпг сечет га выработки, раскрываемой на первом этапе. ;пгель рассшпыЕался при высоте данной части 4, 5, 6 и 7 м. На основании ш лучен-х результатов можно сделать вывод, что три увеличении высоты растут расчетные чешет напряжений и усилий в еечешпх обделки. На рис. 4. приведены эпюры уси-I в обделке тоннеля пройденного в два этапа при различной высоте части сеченш работки, раскрываемой на первом этапе строительства тоннеля, при отношении Ео=1,25.

Анализ зависимостей напряженного состоянш обделки тоннеля, сооружасмо-при поэтагаюм раскрыли сечения от геометрических параметров элементов сече-[ выработки, от способа сооружения тоннеля, от деформационных характеристик гериала обделки и массива горных город позволяет рационально годобрагь тип и {струилпо обделки и повысить ее надежность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представлешгая диссертационная работа является научным трудом, в котором ;ержится разработка метода расчета обделок тоннелей большого поперечного сече-I, сооружаемых при поэтапном раскрытии сечения. Метод основан на сведении >емюй задачи, характерной для гоэглпного раскрыли сечения к нескольким пло-м задачам, что дает возможность суммировать напряжения в обдеже тоннеля на хдом этапе раскрыли сечешп. В результате этого появилась возможность учета в щессе расчета разшгчных техтюлопмеских факторов сооружения выработки, что тводтгг к повышению надежности обделки.

Основные результаты работы пвыеоды заключаются в следующем:

Эпюры продольных сил н изгибающих мзмешов, действующих в обделке тоннеля на различных этапах раскрыли его сечения, рассчитанные с

а Чг]1

учетом ползучести кюссива горных псрод

ал

о,4-20'7

-444,3

Рис. 3.

- зпюрл уаший, действующие в обделке калетты через сутки после установки обделки;

- эпюры усилий, действующие в обделкв калопы через 30 суток после установки обделки;

- эпюры уаший, действующие в обделке калопы через 60 суток после установки обделки;

- огтторы усилий, действующие в обделке калопы чепез 100 ечток после установки облелки.

-51,5 *

- эпюры усилий, действующие в обделке та теля через сутки после установки обделки шгроссы;

- зпюры усилий, действующие в обделке тоннеля через 30 суток после установки ооделки пгтроссьг,

- эпюры уаший, действующие в обделке тоннеля через 60 суток после установки обделки пггроссы;

- ятгоры уаший, действующие в обделке та п геля

Эпюры продольных сил и изгибающих моментов рассчитанные при различной высоте калотты

Pire. 4.

.......... - эторы усилий; при высоте калотты 4 м;

■......... - эпюры усилий при высоте калотты 5 м;

.... — - эпюры усилий при высоте калотты б м; ....... - эпюры усилий при высоте калотты 7 м.

1. Разработан метод расчета шнолтных бетонных обделж тоннелей болыло-гоперечного сечешгз, сооружаемых уступным способом с учетом поэтапности расти сечения и голзучесш массива горных пород.

2. Получены выражения дш определяли ксоффяоцгапов сочетания величин дпруемых напряжений в элемаггах обделки на каждом этапе раскрьпия сечеши неля (корржпгругшдк мюжшелей), что дает возможность про1свеети расчет ,елкп тоннеля большого поперечного сечения, сооруженного при поэтапгюм рао-гпги сечения. с учетом дополнительных прнгрулсалй элемапов обделки на раз: этапах строительства выработки.

3. Устансвлетшт зависимости компонентов папряжегагого состояния обделки неля от геометрических характеристик элементов сечения выработки, позволяю-з устаювшъ ншйолее благоприятный редким нагружали обделки путем подбора ионатьткраагероврахлггаакэлагатовсе'гстпивьргботк!!.

4. Исследовано влияние деформационных характеристик массива горных породт материала обделки па налряжешгое состояние подземной конструкции при поэтапном ее раскрытии, что дает возможность уточнить картину формирования нагружешш подземной конструкции.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Ростовцев И.Е. Расчет обделки тоннеля большого поперечного сечения при поэтапном раскрыпш сечения// Проблемы развития транспортных и инженерных коммутш каций. - 1999. - № 4. - С. 8-11.

2. Ростовцев И.Е. Расчет обделки тожеля большого поперечного сечения при поэтагаюм раскрыпш ссчення// Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов: Сб. науч. тр./ТулГУ. - Тула, 2000. - С. 105-109.

3. Ростовцев И.Е. Расчет обделки железнодорожного тошшля, пройдешгого в два этапа / ТулГУ. - Тула, 1999. - 7 с.-Деп. в ВИНИТИ 12.10.99. № 3042-В99.

4. Ростовцев И.Е., Савин Н.И. Особенности формировашш нагрузки на обделку тоннеля большого поперечного сечения при поэтагаюм раскрытии сечеш!я//Материалы 2-ой Всероссийской конференщш «Проблемы разработки месторождешй шшералыюго сырья Российской Федерацию), Тула, 1-2 февраля 1999 г.: Тез. докл. -Тула, 1999. - 79 с.

5. Савнн И.И., Ростовцев И.Е. Особешюсти форшгроваши нагрузки на обделку тотюля большого поперечного сечения при поэтагаюм раскрьгпт его ссче-1шя//Проблеш.1 развития транспортных и инженерных коммутгикаций. - 1999. - № 3. - С 7-9.

6. Савин И.И., Ростовцев И.Е. Формирование нагрузки ira обделку тоннеля, пройденного при поэтапном раскрыпш его сечышя/ ТулГУ. - Тула 1999. - 8 с. - Деп. в ВИНИТИ 9.08.99. № 2595-В99.

Пописано в печать 18 05 00 Формат бумаги 60x84 1/16 Бумага типографская № 2 Офсетная печать. Уел печ л. 1,0 Усл.кр - отт. 1,0 Уч издл0,9 Тираж 80 экз Заказ 740

Тульский государственный университет. 300600, Тула, просп Ленина, 92, Подразделение оперативной полиграфии Тульского государственного университета, 300600, Тула, ул Болдина, 151

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА.

1.1. Тоннели большого поперечного сечения.

1.2. Конструкции обделок тоннелей большого поперечного сечения.

1.3. Анализ существующих методов расчета тоннельных обделок.

В настоящее время во всем мире наблюдается рост масштабов строительства подземных сооружений. И в первую очередь это касается развития подземного пространства городов. Данная тенденция обуславливается рядом причин, а в основном хронической нехваткой земли под застройку в черте города, вследствие этого небывалый рост цен на землю. Все это приводит к тому, что под землю убирают автостоянки, гостиницы, некоторые производственные сооружения, хранилища различного назначения, автомобильные и железнодорожные пути в черте города, рекреационные центры и многое другое [52, 53, 60, 62]. Яркими примерами, иллюстрирующими данное явление, могут стать нашумевшее строительство рекреационного центра на Манежной площади в Москве; строительство ряда крупных транспортных тоннелей, которые должны быть включены в состав московской кольцевой дороги; введение в эксплуатацию железнодорожного тоннеля под Ла-Маншем, соединяющего Великобританию и Францию; а также весьма интересен опыт японских строителей, построивших целый подземный жилой квартал в Токио и ряд других не менее интересных случаев [10, 12, 30, 42, 43, 46, 48, 58, 59].

Проанализировав выше перечисленные подземные комплексы можно сделать вывод, что в настоящее время вырос объем работ по строительству подземных сооружений большого поперечного сечения. Кроме того, в условиях нарастающего энергетического кризиса, растет интерес к строительству гидроэлектростанций, как к наиболее экологически чистым, на сегодняшнее время, источникам энергии. В комплексах подземных ГЭС и ГАЭС также значительную часть занимают выработки большого поперечного сечения.

Практически для всех существующих методов расчета тоннельных обделок характерна тенденция рассмотрения подземного сооружения сразу на все сечение, что, прежде всего, обусловлено тем фактором, что расчет обделки выработки, сооружаемой при поэтапном раскрытии ее сечения, является объемной задачей, т.к. забои тоннеля и места возведения обделки разнесены в пространстве и во времени. Решение же объемной задачи не представляется возможным. Только с помощью метода конечных элементов возможно моделирование поэтапного раскрытия крупных подземных сооружений, однако, oneрации с объемными моделями являются весьма сложными, поэтому известны только единичные исследования. На сегодняшний день отсутствуют аналитические методы расчета тоннельных обделок, которые бы в полной мере учитывали бы все особенности поэтапного раскрытия сечения рассматриваемых выработок.

Учет поэтапности в расчетных методах позволяет учесть дополнительные нагрузки, которые воздействуют на ранее возведенную обделку при дальнейшем раскрытии сечения тоннеля. Это в свою очередь позволяет повысить надежность обделки подземного сооружения, избежать перерасхода крепежного материала. В соответствии с выше изложенным разработка метода расчета обделок тоннелей большого поперечного сечения, является актуальной задачей.

Цель работы заключается в разработке метода расчета монолитных бетонных обделок тоннелей большого поперечного сечения, с учетом поэтапности раскрытия сечения и при поэтапном возведении обделки на действие собственного веса горных пород. Все это дает возможность принять обоснованное решение на этапе проектирования подземных сооружений и повысить надежность обделки.

Идея работы заключается в сведении решения объемной задачи, характеризующей поэтапность раскрытия сечения тоннеля, к последовательному решению нескольких плоских задач. Причем каждая задача соответствует определенному этапу раскрытия сечения выработки, и каждое решение учитывает пригружение возведенных ранее элементов обделки тоннеля.

Методы исследований. Работа является теоретической. В ней использованы существующие решения задач теории упругости и методы математической статистики. Проведена серия вычислительных экспериментов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать метод расчета обделок тоннелей большого поперечного сечения с учетом поэтапности раскрытия сечения и ползучести массива горных пород.

2. Установить корреляционные зависимости коэффициентов сочетания величин суммируемых напряжений в элементах обделки на каждом этапе раскрытия сечения тоннеля, от отношения расстояния от забоя до места установки обделки к приведенному радиусу выработки, дающие возможность определить компоненты напряженного состояния обделки тоннеля на каждом этапе раскрытия его сечения.

3. Установить зависимости компонентов напряженного состояния обделки тоннеля от соотношения геометрических характеристик элементов сечения выработки, позволяющие установить наиболее благоприятный режим на-гружения обделки путем подбора наиболее рациональных размеров различных элементов сечения выработки.

Основные результаты работы и выводы заключаются в следующем:

1. Разработан метод расчета монолитных бетонных обделок тоннелей большого поперечного сечения, сооружаемых способом нижнего уступа с учетом ползучести массива горных пород

2. Установлены корреляционные зависимости коэффициентов сочетания величин суммируемых напряжений в элементах обделки на каждом этапе раскрытия сечения тоннеля, от отношения расстояния от забоя до места установки обделки к приведенному радиусу выработки, дающие возможность производить расчеты обделки тоннеля на каждом этапе раскрытия его сечения.

3. Установлены зависимости компонентов напряженного состояния обделки тоннеля от геометрических характеристик элементов сечения выработки, позволяющие установить наиболее благоприятный режим нагружения обделки путем подбора наиболее рациональных размеров различных элементов сечения выработки.

4. Исследовано влияние деформационных характеристик массива горных пород и материала обделки на напряженное состояние подземной конструкции при поэтапном ее раскрытии.

5. Исследовано влияние изменения величины радиуса обратного свода тоннеля на напряженное состояние свода подземной конструкции.

Таким образом, имеется возможность существенно повысить эксплутационную надежность подземных сооружений большого поперечного сечения благодаря учету изменений нагрузок и усилий, действующих на обделку, во время раскрытия различных этапов сечения выработки.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Ростовцев И.Е. Расчет обделки тоннеля большого поперечного сечения при поэтапном раскрытии сечения// Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций. - 1999. - № 4. - С. 8-11.

2. Ростовцев И.Е. Расчет обделки тоннеля большого поперечного сечения при поэтапном раскрытии сечения// Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов: Сб. науч. тр./ТулГУ. - Тула, 2000. - С. 105-109.

3. Ростовцев И.Е. Расчет обделки железнодорожного тоннеля, пройденного в два этапа / ТулГУ. - Тула, 1999. - 7 с. - Деп. в ВИНИТИ 12.10.99. № 3042-В99.

4. Ростовцев И.Е., Савин И.И. Особенности формирования нагрузки на обделку тоннеля большого поперечного сечения при поэтапном раскрытии сечения//Материалы 2-ой Всероссийской конференции «Проблемы разработки месторождений минерального сырья Российской Федерации», Тула, 1-2 февраля 1999 г.: Тез. докл. - Тула, 1999. - 79 с.

5. Савин И.И., Ростовцев И.Е. Особенности формирования нагрузки на обделку тоннеля большого поперечного сечения при поэтапном раскрытии его сече ния//Проблемы развития транспортных и инженерных ком муникаций. - 1999. - № 3. - С. 7-9.

6. Савин И.И., Ростовцев И.Е. Формирование нагруз ки на обделку тоннеля, пройденного при поэтапном рас крытии его сечения / ТулГУ. - Тула. 1999. - 8 с. Деп. в ВИНИТИ 9.08.99. № 2595-В99.

131

127 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертационная работа является научным трудом, в котором содержится разработка метода расчета обделок тоннелей большого поперечного сечения, сооружаемых при поэтапном раскрытии сечения. Метод основан на сведении решения объемной задачи, характерной для поэтапного раскрытия сечения к последовательному решению нескольких плоских, что дает возможность суммировать напряжения в обделке тоннеля на каждом этапе раскрытия сечения. В результате чего появилась возможность учета в процессе расчета различных технологических факторов сооружения выработки, что приводит к повышению надежность обделки.

1. Амусин В.З., Фадеев A.B. Метод конечных элементов при решении задач горной геомеханики. М. : Недра, 1975. - 220с.

2. Анциферов C.B., Петренко А.К. Влияние последовательности сооружения тоннелей трехсводчатой станции пилонного типа на напряженное состояние обделки/ /Механика подземных сооружений: Сб. науч. тр./ТГТУ Тула, 1994 - С.61-70.

3. Анциферов C.B. Разработка метода расчета многослойных обделок взаимовлияющих параллельных круговых тоннелей, сооружаемых в сейсмических районах: Дис. . канд. техн. наук/ТулГУ. 192 с.

4. Апенькин Б.А., Шашаенков JI.M. Проведение выработок большого сечения в сложных горногеологических условиях//Подземное и шахтное строительство. 1992. - №1. - С.27-28.

5. Афанасова О.В. Разработка методов определения напряженного состояния массива вокруг выработок и расчета обделок туннелей, пересекаемых по диаметру границей раздела пород с разными деформационными характеристиками: Дис. . канд. техн. наук/ТулГУ. -211 с.

6. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкция крепей. Учебник для вузов. М. : Недра, 1984 . - 415с.

7. Баклашов И.В., Тимофеев О.В. Конструкция и расчет крепей и обделок. М. : Недра, 1979. - 263с.

8. Баранова В.И., Петренко А.К., Порошина C.B., Пудовеева В. П. Результаты обработки данных натурных измерений давления на обделку тоннеля в процессе поэтапного возведения//Механика подземных сооружений: Сб. науч. тр./ТулПИ. Тула - 1985 - с.87-93.

9. Басовская A.M., Басовский А.Е. Расчет подземных сооружений как поливариантных систем. М. : Недра, 1975. - 184с.

10. Бацетти Р., Бертоккини И.Р. Строительство гидротехнических тоннелей в г. Харлан//Забой. 1992. - №6-8. - С.55-57.

11. Безродный К.П. Новые эффективные конструкции железнодорожных тоннелей и технологии их возведения в сложных горно-геологических условиях: Автореф. дис. . канд. тех. наук. М., 1991. - 63с.

12. Бородин В.И. Новое в отечественном и зарубежном подземном строительстве. М.: Информационно-издательский центр «ТИМР», 1995. - 120с.

13. Булычев Н.С., Амусин Б.З., Оловянный А.Г. Расчет крепи капитальных горных выработок. М. : Недра. - 1974. - 320с.

14. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений в примерах и задачах: Учебное пособие для вузов. М. : Недра, 1989. - 270с.

15. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений : Учеб. для вузов. М.: Недра, 1991. 382с.: ил.

16. Булычев Н.С. О новых методах расчета крепи капитальных горных выработок // Шахтное строительство. 1985. - №2. - С.2-3.

17. Булычев Н.С. Расчет многослойных обделок горных транспортных тоннелей на сейсмическое воздействия

18. Сейсмостойкость транспортных сооружений. М. : Наука, 1980. - с.66-74.

19. Булычев Н.С., Фотиева H.H. Основные вопросы механики подземных сооружений//Подземное и транспортное строительство. 1991. - №1. - С.8-11.

20. Булычев Н.С., Фотиева H.H., Стрельцов Е.В. Проектирование и расчет крепи капитальных выработок. М. : Недра, 1986. - 288с.

21. Власов С.Н. и др. Аварийные ситуации при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей и метрополитенов / С.Н. Власов, JI.B. Маковский. В.Е. Меркин; Тоннел. ассоц. Междунар. обществ, об-ние. -М.: Информ.-изд. центр «ТИМР», 1997. - 183с.

22. Виноградов Б.Н. Об особенностях проявления горного давления при строительстве одного железнодорожного тоннеля//Исследования по технологии сооружения горных транспортных тоннелей: Сб. науч. тр. Москва, 1980 - С.139-143.

23. Вопросы теории горного давления. Сборник переводов. М. : Госгортехиздат, 1961 - 300с.

24. Гаврилов н.В., Кочетыгов A.A. Прогнозирование устойчивости выработок большого сечения//II всесоюзная научная конференция по проблемам механики подземных сооружений, Тула, 2-4 июня 1982г.: Тез. докл. -Тула, 1982. 219с.

25. Галеркин Б.Г. Собрание сочинений. Т.1. М. : Изд-во АН СССР, 1952. - 391с.

26. Гарбер В.А. Метрополитен: Долговечность тоннельных конструкций в условиях эксплуатации и город, стр-ва. М. : Науч. исслед. центр «Тоннели и метрополитены» АО ЦНИИС, 1998. - 172с.

27. Гарбер В.А. Научные основы проектирования подземных конструкций с учетом технологии их сооружения. В 2-х ч.1. М. : Научно-издательский центр «Тоннели и метрополитены» АО ЦНИИС, 1996. - 17 6с.

28. Гарбер В.А. Научные основы проектирования тоннельных конструкций с учетом технологии их сооружения. В 2-х кн., ч. II. М. : Научно-издательский центр «Тоннели и метрополитены» АО ЦНИИС, 1996. -225с.

29. Гидротехнические сооружения. Справочник проектировщика / Под общ. ред. Недриги В.П. М. : Строй-издат. 1983. - 544с.

30. Гуртовик Ф.И., Золотов О.Н., Куперман В.Л., Мостков В.М., Осадчий Л.Г. Оценка современного состояния строящегося подземного машинного зала Рогунской ГЭС//Гидротехническое строительство. 1992. №3. - С.22-26.

31. Давыдов С.С. Основные принципы расчета подземных сооружений по предельному состоянию//Известия АН СССР. ОТН 1954. - №6. - С.154-162.

32. Демешко Е.А., Косицын С.В., Слемзин А.Е. Пространственный расчет конструкции колонной станции метрополитена глубокого заложения//Подземное и шахтное строительство. 1992. - № 11. - С.25-27.

33. Ержанов Ж.С. Айталиев Ш.М. . Алексеева J1.A. Динамика тоннелей и подземных трубопроводов. Алма-Ата: Наука, 1989. - 240с.

34. Золотов О.Н., Илюшин В.Ф., Количко A.B. Новые конструктивные решения крепей крупных камерных выработок/ /Гидротехническое строительство. 1990. - №4. - С.16-20.

35. Золотов О.Н., Невский И.Е. Моделирование контактного взаимодействия массива и обделки в стержневых расчетных схемах туннельных выработок// Гидротехническое строительство. 1991. - №5. - С.15-19.

36. Зурабов Г.Г., Бугаева O.E. Гидротехнические туннели гидроэлектрических станций. JI. : Государственное энергетическое издательство, 1962. - 720с.

37. Капунова H.A. Разработка метода расчета обделок туннелей на давление раствора, нагнетаемого в массив при цементации пород: Дис. . канд. техн. наук./ТулГу. 197 с.

38. Картозия Б.А., Борисов В.Н. Инженерные задачи механики подземных сооружений. М. : Изд-во Моск. гос. горного ун-та, 1997. - 177с.

39. Киласония Д.Н. Об исследовании сейсмической устойчивости гидротехнических сооружений// Исследования по вопросам гидравлических сооружений и водного хозяйства. 1984. - С.43-45

40. Киласония Д.Н. определение статического и сейсмического напряженно-деформированного состояния свода подземного машзала Худонской ГЭС // Экспло-инф. Информэнерго: Сер. Сооружение гидроэлектростанций. -1984. Вып.9. - С15-17.

41. Копьшов С.И. Разработка метода расчета многослойных обделок взаимовлияющих параллельных гидротехнических туннелей: Дис. канд. техн. наук/ТулГУ. -154 с.

42. Корте-Суалон Р. Способы производства горнопроходческих работ на строительстве подземной ГЭС на о. Сицилия//Забой. 1992. - №6-8. - С.61-62.

43. Кулагин Н.И. Пересадочные узлы на линиях метрополитена глубокого заложения: Дис. . канд. техн. наук. СПб., 1997. - 62с.

44. Курленя М.В., Миренков В.Е. Методы математического моделирования подземных сооружений/Отв. ред. В.Н. Опарин; Рос. АН, Сиб. отд-ние, Ин-т горн. дела. Новосибирск: Наука. Сиб. изд. фирма, 1994. - 186с.

45. Курленя М.В., Миренков В.Е. Методы расчета подземных сооружений. Новосибирск: Наука, 1986. 232с.

46. Ледяев А.П. Автотранспортные тоннели в дельте реки Невы: Автореф. дис. . канд. техн. наук. СПб., 1996. - 49с.

47. Либерман Ю.М. Напряженное состояние монолитной бетонной крепи // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1971. - №3. - С.

48. Маковский Л.В., Меркин В.Е., Мостков В.М. Опыт строительства крупнейших подводных тоннелей// Подземное пространство мира. 1995. - №5. - С.13-17.

49. Маковский Л.В. Особенности расчета конструкций подземных сооружений с учетом карстовых деформации/Метро. 1992. - №2. - С.47-48.

50. Мелентьев П.В. Приближенные вычисления. М. : Физматгиз, 1962. - 57 0с.

51. Мельников JI.A. Сооружение выработок большого сечения в крепких породах. М.: Недра, 1974. - 176с.

52. Меркин В.Е. Метрополитен в аспекте комплексного использования подземного пространства городов //Подземное пространство мира. 1995. - №5. -С.48 - 52.

53. Меркин В.Е., Маковский JI.B. Прогрессивный опыт и тенденции развития современного тоннелестроения. М. : «ТИМР», 1997. - 191с.

54. Метод граничных интегральных уравнений в задачах динимики упругих многосвязных тел / Ш.М. Айта-лиев, JI.A. Алексеева, Ш.А. Дильдабаев, Н.Б. Жанбырба-ев; Отв. ред. П.И. Перлин. Алма-Ата: Гылым, 1997. -227с.

55. Мостков В.М. Подземные сооружения большого поперечного сечения. М. : Недра, 1974 - 320с.

56. Мостков В.М., Резников P.A. Оценка устойчивости крупных подземных сооружений в скальных породах// Проблемы механики подземных сооружений. Материалы Всесоюзной научной конференции. Ленинград. - 1979. - С.66-68.

57. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математическое теории упругости. М. : Наука, 1966. -810с.

58. Назарбегов В.Е. Исследование развития нагрузки и деформации контура в процессе строительства машинного зала Ингури ГЭС//11 всесоюзная научная конференция по проблемам механики подземных сооружений, Тула, 2-4 июня 1982г.: Тез. докл. Тула, 1982. -219с.

59. Насонов И.Д., Шепелев Н.П. Особенности проектирования, строительства и эксплуатации городских подземных сооружений//Подземное и шахтное строительство. 1992. - №1. - С.8-11

60. Петренко Е.В., Петренко И. В. Закономерности освоения подземного пространства//Подземное пространство мира. 1995. - №4. - С.69-74.

61. Основания, фундаменты и подземные сооружения/Под ред. Сорочана Е.А. и Трофименкова Ю.Г. М. : Стройиздат, 1985. - 480с.

62. Петренко Е.В., Петренко И.Е. Стратегия освоения подземного пространства//Подземное пространство мира. 1994. - №3. - С.18-24.

63. Подземные гидротехнические сооружения: Учеб для вузов/Под ред. В.М. Мосткова. М. : Высш. шк. 1986. - 464с.

64. Подземные сооружения гидроэлектростан ций/B.JI. Купреман, В.М. Мостков, И.Ф. Илюшин, Г.Я Гевирц; Под ред. B.JI. Купермана. М. : Энергоатомиз дат, 1996. - 315с.

65. Попов B.JI. Проектирование подземных сооруже ний в системе деривационных ГЭС. Тула: Изд-во ТПИ 1973. - 220с.

66. Рева В.Н. и др. Поддержание горных выработок/В.Н. Рева, О.И. Мельников, В.А. Райский. М. : Недра. 1995. - 255с.

67. Родин И.В. Снимаемая нагрузка и горное давление. М. : Госгортехиздат, 1960. - 374с.

68. Руководство по проектированию гидротехнических туннелей./Всесоюэ. проект.-изыскат. ин-т "Гидро-проект" им. С.Я. Жука. М. : Стройиздат, 1982. 287с.

69. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепи. М. : Стройиздат, 1983. - 273с.

70. Руппенейт К.В. Некоторые вопросы механики горных пород. М. : Углетехиздат, 1954. - 425с.

71. Саммаль А. С. расчет многослойных подземных конструкций некругового поперечного сечения, в том числе —сооружаемых в сейсмических районах: Дис. канд. техн. наук/ТулГУ. 288 с.

72. Сильвестров С.Н., Безродный К.П. О взаимодействии конструкции односводчатых станций метрополитена глубокого заложения с окружающим породным массивом. //Проблемы механики подземных сооружений. Материалы

73. Всесоюзной научной конференции. Ленинград. - 1979.- С.135-137.

74. СНиП 2.03.01-84. Бетонные и железобетонные конструкции/Минстрой России. М. : ГУ ЦПП, 1989. 77с.

75. СНиП 11-40-80. Метрополитены/Госстой СССР. -М. : Стройиздат, 1981. 32с.

76. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздейст-вия/Госстой СССР. М. : Стройиздат, 1988. - 7с.

77. СНиП 32-04-97. Тоннели железнодорожные и автодорожные/Госстрой России. М.:ГУП ЦПП Госстроя России, 1997. - 20с.7 9. Справочник инженера-тоннельщика.

78. Г.М.Богомолов, Д.Н. Голицынский, С.Н. Сеславинский и др. / Под ред. В.Е. Меркина, С.Н. Власова, О.Н. Макарова. М.: Транспорт, 1993. - 380с.

79. Строительство подземных сооружений : Справочное пособие. / М.Н. Щуплик, Я.М. Месхидзе, Н.О. Королев и др. / Под ред. М.Н. Щуплика. М. : Недра, 1990.- 384с.

80. Сушков Ю.В., Коростелев С. п. Полуаналитический метод конечных элементов в решении задач механики подземных сооружений//Механика подземных сооружений: Сб. науч. тр./ТулГУ. Тула, 1991. - С.119-126.

81. Технология строительства подземных сооружений : Стр-во горизонт, и наклон, выработок / И.Д. Насонов, В.И. Ресин, М.В. Щуплик, В.А. Федюкин. 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Изд-во Акад. горн, наук, 1998. - 310с.

82. Тоннели и метрополитены. В. П. Волков, С.Н. Наумов, А.Н. Пирожков, В.Г. Храпов. М. : Транспорт, 1975. - 552с.

83. Фадеев A.B. Метод конечных элементов в геомеханике. М.: Недра, 1987. - 220с.

84. Фокин В.А. Развитие методов интерпретации результатов натурных наблюдений за состоянием прикон-турного породного массива при возведении большепролетных подземных сооружений//Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций. 1999. - №3. -С.3-6.

85. Фотиева H.H., Гарайчук В.Г. Оценка устойчивости пород в окрестности выработок и расчет обделок туннелей Рогунской ГЭС//Гидротехническое строительство. 1978. - №5. - С.15-17.

86. Фотиева H.H. Расчет обделок строительного тоннеля II яруса Рогунской ГЭС на сейсмические возде-ствия // Гидротехническое строительство. 1976. №9. - с.25-29.

87. Фотиева H.H. Расчет обделок тоннелей некруглого поперечного сечения. М.: Стройиздат, 1974. -240с.

88. Фролов Ю.С., Иванес Т.В. Механика подземных сооружений. СПб.: ПГУПС, 1997. - 101с.

89. Чеботаев В.В. Исследования нагрузок на обделку железнодорожного тоннеля.//Исследования по технологии сооружения горных транспортных тоннелей: Сб. науч. тр. Москва, 1980 - С.126-138.

90. Четыркин Н.С. Исследование напряженного состояния обделок подземных сооружений большого сечения при их поэтапном возведении: Дис. канд. техн. наук/НИИ оснований и подземных сооружений. 189 с.

91. Чурадзе Т.К. К решению пространственной задачи механики подземных сооружений вариационным методом. // Подземное и шахтное строительство. 1991. -№3. - С.14-16.

92. Штумпф Г.Г. Геомеханика. Кемерово: Изд-во КузГТУ, 1995. - 95с.

93. Штумпф Г.Г. Механика подземных сооружений и конструкция крепей. —Кемерово: Изд-во КузГТУ, 1997. 110с.

94. Штумпф Г.Г., Шаламанов В.А. выбор и расчет крепей и обделок подземных сооружений с применением ЭВМ. Кемерово: Изд-во КузГТУ. 1998. - 144с.

95. Экспертиза. Анализ обрушений транспортных тоннелей при строительстве железнодорожной линии Ид-жеван Раздан. Отчет независимого центра технической экспертизы «Intex». - Ереван: Гитутюн, 1998. - 296с.

96. Baudendistel M. Zum entwurfvon tunnel mit grogem ausbruchquerschnitt. // Rock mechanicks. 1979. - №5. - p.75-100.