автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Методика определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона



ЩЕЛОЧКОВА Татьяна Николаевна

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТОННЕЛЬНЫХ ОБДЕЛОК ИЗ НАБРЫЗГБЕТОНА

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 9 СЕН 2010

Москва 2010

004608009

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

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Маковский Лев Вениаминович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Зерцалов Михаил Григорьевич,

Ведущая организация: Московский государственный

университет путей сообщения (МИИТ)

Защита диссертации состоится 23 сентября 2010 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.126.02 ВАК РФ при Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский проспект, 64, ауд. 42.

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

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

Автореферат разослан «13» августа 2010 года.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук,

кандидат технических наук, Кириленко Алексей Михайлович,

профессор

Борисюк Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы.

Актуальность диссертационной работы обусловлена увеличением объемов применения в отечественной практике строительства транспортных тоннелей набрызгбетона в качестве временной крепи и постоянной конструкции (обделки).

При этом возрастающие темпы транспортного строительства, требующие высоких скоростей проходки тоннелей и оптимального расходования трудовых и финансовых средств, вызывают потребность в разработке эффективных конструкций набрызгбетонных крепей (обделок), параметры которых (толщина, армирование), обеспечивая необходимую несущую способность крепи, являлись бы оптимальными. Добиться эффективных значений конструктивных параметров крепи возможно при учете в расчетах с большей точностью и достоверностью технологических особенностей сооружения тоннелей, влияющих на распределение и значения расчетных внутренних усилий в крепи.

Для решения этой задачи и разработки на его основе методики определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона возникла необходимость проведения научных исследований.

Цель и задачи диссертации.

Цель диссертационной работы заключается в создании методики определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

• выполнить анализ существующих методов расчета набрыз-гбетонной крепи;

• выполнить теоретические исследования напряженно-деформированного состояния грунтового массива в призабойной зоне тоннельной выработки, используя метод конечных элементов;

• провести экспериментальные исследования в натурных условиях деформированного состояния системы «крепь - массив»;

• выполнить численные расчеты напряженно-деформированного состояния системы «крепь - массив» для объекта экспериментальных исследований, используя установленные в

ходе теоретических исследований закономерности в поведении грунтового массива на длине призабойной зоны;

• произвести на основании сравнительного анализа данных экспериментальных исследований и соответствующих численных расчетов оценку достоверности результатов теоретических исследований;

• разработать методику определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона.

Методика исследований.

В основе методики заложен комплексный подход, включающий проведение теоретических и экспериментальных исследований.

Теоретические исследования выполнены с использованием пространственных и плоских численных моделей, построенных в программном геотехническом комплексе «PLAXIS 3D Tunnel», реализующем метод конечных элементов.

Экспериментальные исследования проведены в условиях строящегося станционного тоннеля односводчатой станции глубокого заложения «Чкаповская» Екатеринбургского метрополитена с привлечением специалистов филиала ОАО ЦНИИС «НИЦ «Тоннели и метрополитены» при участии автора диссертации. Маркшейдерские измерения на объекте исследований осуществлялись силами ООО «Метрострой-ПТС» (г.Екатеринбург).

При обработке результатов теоретических и натурных экспериментов использованы методы математической статистики.

Научная новизна работы.

• разработаны математические пространственные и плоские модели системы «крепь - массив», отражающие основные технологические этапы ведения проходческих работ применительно к транспортным тоннелям, сооружение которых осуществляется в скальных устойчивых грунтах горным способом сплошного забоя с набрызгбетонной крепью;

• проведены теоретические исследования методом математического моделирования, по результатам которых установлены степень и характер влияния основных механических характеристик грунта, размеров поперечного сечения тоннельной выработки и длины строительной заходки на напряженно-деформированное состояние грунтового массива в призабойной зоне тоннеля;

• на основании результатов теоретических исследований выявлено и подтверждено данными экспериментальных исследований, что при аналогичных параметрах сооружения тоннелей (технологии ведения проходческих работ, характеристиках набрызгбетонной крепи, величине бытовых напряжений в зоне проходки тоннельных выработок) точки на диаграмме равновесных состояний «деформации - напряжения», соответствующие моментам включения в работу набрызгбетонной крепи, лежат на одной линии, для которой автором диссертации предложено название «линия начальной разгрузки грунтового массива» («ЛНРМ»);

• по результатам теоретических исследований выявлена экспериментальная экспоненциальная зависимость для ориентировочного определения степени падения бытовых напряжений в грунтовом массиве на длине призабойной неподкрепленной зоны тоннельной выработки, проходка которой осуществляется способом сплошного забоя;

• разработана методика определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона.

Практическая ценность работы.

• установлена функциональная зависимость имеющих место в момент включения в работу набрызгбетонной крепи деформаций неподкрепленного контура тоннельной выработки и соответствующих им напряжений в окружающем грунтовом массиве на диаграмме равновесных состояний «деформации - напряжения» (ЛНРМ);

•определена экспериментальная экспоненциальная зависимость для ориентировочного определения степени падения бытовых напряжений в грунтовом массиве на длине призабойной неподкрепленной зоны тоннельной выработки, проходка которой осуществляется способом сплошного забоя;

• разработана методика определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона.

Достоверность полученных результатов обусловливается:

• строгостью исходных предпосылок применяемых методов исследований;

• учетом требований действующих нормативных документов;

• сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, подтвержденной сравнительными расчетами с данными натурных наблюдений.

Реализация результатов.

Результаты работы нашли применение:

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

• в филиале ОАО ЦНИИС «НИЦ «Тоннели и метрополитены» при проектировании конструкции и разработке проекта мониторинга первичной набрызгбетонной обделки свода станции «Чкаловская» Екатеринбургского метрополитена, а также при проведении поверочных расчетов набрызгбетонной крепи автодорожного тоннеля №1 первой очереди строительства Дублера Курортного проспекта от р.Агура до ул.Земляничная в г.Сочи.

Апробация работы.

Результаты исследований и основные научные положения диссертационной работы доложены:

• на ежегодных научно-технических конференциях Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ) №№ 67,68, проходивших в 2009 и 2010 г.г.;

• на заседании Секции НИЦ «Тоннели и метрополитены» Ученого совета ОАО ЦНИИС, 2010 г.

На защиту выносятся:

• установленные в ходе теоретических исследований закономерности изменения напряженно-деформированного состояния грунтового массива в неподкрепленной призабойной зоне в зависимости от различных значений параметров сооружения тоннеля;

• выявленная в ходе теоретических исследований зависимость имеющих место в момент включения в работу набрызгбетонной-крепи деформаций неподкрепленного контура тоннельной выработки и соответствующих им напряжений в окружающем грунтовом массиве на диаграмме равновесных состояний «деформации - напряжения» (ЛНРМ);

• результаты экспериментальных исследований деформированного состояния системы «крепь - массив», проведенных в натурных условиях;

• результаты численных расчетов напряженно-деформированного состояния системы «крепь - массив», выполненных для объекта экспериментальных исследований, используя установленные в ходе теоретических исследований закономерности в поведении грунтового массива на длине призабойной зоны;

• основные положения разработанной методики определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона.

Публикации.

По теме диссертационной работы опубликовано шесть печатных работ в профильных изданиях, в том числе одна статья в журнале, находящемся в списке ВАК РФ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Объем работы составляет 120 страниц, включая 43 иллюстрации и 8 таблиц. Список литературы содержит 118 наименований.

Автор выражает благодарность коллективу лаборатории «Горного давления и норм расчета» НИЦ «Тоннели и метрополитены» филиала ОАО ЦНИИС за помощь, оказанную при проведении экспериментальных исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование выбранной темы диссертационной работы, ее основные цели и задачи, актуальность, новизну и практические результаты внедрения работы.

Первая глава посвящена рассмотрению конструктивных особенностей набрызгбетонной крепи, применяемой в качестве несущей конструкции тоннеля, анализу происходящих в процессе сооружения тоннеля горным способом изменений напряженно-деформированного состояния (НДС) системы «крепь - массив», обзору существующих методов расчета набрызгбетонной крепи и методик учета частичной разгрузки грунтового массива в призабойной зоне тоннельной выработки при проведении расчетов НДС системы «крепь - массив».

Набрызгбетонная крепь представляет собой гибкую контурную оболочку, толщина которой изменяется от 8 - 10 до 30 - 40 см.

Крепь технологична в возведении, позволяет быстро приспосабливаться к различным инженерно-геологическим условиям на участке строительства путем изменения ее толщины, соотношения составляющих бетонную смесь компонентов, усиления фиброй (фибро-набрызгбетон), установкой металлических сеток, арок, грунтовых анкеров. Набрызгбетонная крепь за счет хорошего сцепления с грунтовой поверхностью способствует созданию эффективных условий для сохранения естественной прочности и устойчивости окружающего выработку грунтового массива и вовлечению его в совместную работу в качестве несущего элемента крепи.

Применение набрызгбетонной крепи в качестве самостоятельной несущей конструкции тоннеля возможно в устойчивых грунтах с коэффициентом крепости по М.М. Протодъяконову f = 3 - 8.

Большой вклад в разработку эффективных конструкций и методик расчета, в расширение области применения набрызгбетонной крепи в подземном строительстве внесли отечественные ученые Ш.М. Айталиев, С.А. Атманских, В.А. Борисовец, И.Л. Воллер, Л.А. Воробьев, B.C. Воронин, Д.М. Голицынский, Ж.С. Ержанов, И.Ю. Заславский, Э.В. Казакевич, Г.И. Кравченко, Б.Н. Кузин, В.Е. Меркин, В.М. Мостков, Е.В. Стрельцов, Ю.С. Фролов, В.В. Че-ботаев, Л.И. Шилкин и др.; зарубежные ученные В. Виттке, Р. Линдер, Л. Мюллер, Л. Рабцевич, Р. Роттер, Р. Шталь и др.

Важной особенностью ведения проходческих работ горным способом является неизбежное отставание возведения набрызгбетонной крепи от разработки грунта, приводящее на длине передовой неподкрепленной заходки к частичной разгрузке грунтового массива, которая заключается в изменении действующих до начала строительства бытовых напряжений в окружающем тоннельную выработку грунтовом массиве и сопровождается деформациями контура тоннельной выработки. Благодаря этому крепь тоннеля, уста-, новленная с некоторым запозданием, подвергается меньшему по сравнению с бытовым горному давлению.

Учет разгрузки массива в призабойной зоне тоннеля при проведении расчетов набрызгбетонной крепи позволяет создавать эффективные конструкции крепи, параметры которой (толщина, армирование), обеспечивая необходимую несущую способность, были бы минимально возможными.

Для расчета набрызгбетонной крепи существует большое количество различных методов, которые можно разделить на две группы: методы расчета на заданные нагрузки (т.н. инженерные методы) и методы механики сплошной среды (аналитические и численные), непосредственно учитывающие совместную работу тоннельных конструкций с окружающим грунтовым массивом.

Инженерные методы опираются на законы строительной механики, согласно которым в расчетной схеме набрызгбетонная крепь рассматривается как прямоугольная пластина или балка, лежащая на опорах или грунтовом основании и загруженная заданной нагрузкой. Опоры имитируют грунтовые анкеры и металлические арки в реальной комбинированной набрызгбетонной крепи. Нагрузка на крепь складывается из веса вышележащих грунтов с учетом возможности образования над выработкой самонесущего свода.

Разработке инженерных методов расчета набрызгбетонной крепи посвящены работы LU.C. Алимова, Ш.М. Атманского, H.A. Ванина, И.Л. Воллера, Б.Н. Кузина, В.М. Мосткова, Р. Линдера, Ю.С. Фролова, Б.К. Чукана и др.

В аналитических и численных методах рассматривается контактная задача двух сред «крепь - массив», главная особенность которой заключается в том, что нагрузки, представляющие собой давление грунта на обделку тоннеля, не задаются в качестве исходных данных, а определяются в процессе расчета.

Большой вклад в развитие аналитических методов расчета набрызгбетонной крепи внесли отечественные ученые И.В. Баклашов, Н.С. Булычев, К.С. Ержанов, Б.Н. Картозия, К.В. Руппенейт, Г.Н. Савин, H.H. Фотиева. Из зарубежной практики широко известны работы Шмида, Шульца и Дуддека, Эрдманна.

Численным методам расчета крепи тоннелей посвящены работы Ю.Н. Айвазова, Б.З. Амусина, П.А. Вермеера, В. Виттке, O.K. Зенкевича, М.Г. Зерцалова, Б.Г. Галеркина, А.Б. Фадеева, В.В. Чеботаева, H.H. Шапошникова, С.А. Юфина и др.

На современном этапе развития методов расчета учесть с достаточной степенью достоверности величину частичной разгрузки грунтового массива в призабойной зоне тоннеля позволяют пространственные численные модели, в которых разгрузка массива учитывается автоматически при задании в моделях этапов проходки

тоннеля, включающих продвижение забоя на длину очередной строительной заходки и устройство крепи на длине предыдущей. Но, несмотря на это, в настоящее время для практических целей на этапе проектирования прибегают в основном к плоским расчетным схемам, в которых разгрузка грунтового массива в призабойной зоне тоннеля учитывается в исходных параметрах расчета.

Обзор современного состояния вопроса показал, что назначение степени разгрузки грунтового массива при проведении расчетов плоских численных моделей системы «крепь - массив», как правило, носит эмпирический характер из-за отсутствия рекомендаций по выбору ее величины для многих частных значений технологических параметров сооружения тоннелей.

В связи с этим возникает необходимость в проведении научных исследований НДС грунтового массива в призабойной зоне тоннеля и разработке на их основе методики определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона.

Вторая глава содержит методику и результаты проведенных теоретических исследований влияния параметров сооружения тоннеля на НДС грунтового массива в призабойной зоне.

В процессе проведения исследований рассматривался случай сооружения тоннеля способом сплошного забоя с замкнутой на-брызгбетонной крепью в однородных скальных устойчивых грунтах с коэффициентом крепости по М.М. Протодъяконову f = 6 - 8. В качестве инструмента исследований использовался программный геотехнический комплекс «PLAXIS 3D Tunnel», в котором была построена пространственная конечно-элементная модель фрагмента однородного грунтового массива, пересекаемого тоннельной выработкой. В силу симметрии поперечного сечения тоннеля относительно вертикальной оси расчетная модель была построена только для одной половины сечения тоннеля (рис. 1).

Для моделирования грунтового массива использована упруго-пластическая модель Мора-Кулона, крепи - упругая модель.

Этапы расчета пространственной модели соответствовали фактическим этапам проходки тоннеля. На каждом этапе моделировалось раскрытие сечения тоннельной выработки на длину очередной строительной заходки и установка замкнутой набрызгбетонной крепи на длине предыдущей.

а)

б)

набрызгбетонная крепь, Ь=0,3 м

Рис. 1. Пространственная конечно-элементная модель исследований (а) и поперечное сечение тоннеля (б)

В ходе проведения исследований предстояло определить степень и характер влияния отдельных механических характеристик грунта (угла внутреннего трения, сцепления, модуля упругости и коэффициента Пуассона), размеров поперечного сечения тоннельной выработки и длины строительной заходки на НДС грунтового массива в призабойной зоне тоннеля.

Для этого были проведены серии расчетов, в каждой из которых при 3-4 различных значениях принятого к рассмотрению в данной серии параметра выполнялся расчет на пространственной модели. При этом прочие параметры оставались неизменными. В общей сложности было выполнено 11 серий, включающих 47 расчетов на пространственной модели.

В результате расчетов были получены значения вертикальных составляющих НДС грунтового массива (деформации иу, напряжения Су) на каждом этапе расчета в шелыге свода контрольного сечения тоннеля, расположенного вне зоны влияния граничных условий модели.

Анализ результатов проведенных серий расчетов на пространственной модели показал следующее.

Наиболее значимой механической характеристикой грунта, определяющей НДС грунтового массива в призабойной зоне тоннельной выработки среди рассмотренных характеристик грунта (угла

внутреннего трения, сцепления, модуля упругости и коэффициента Пуассона) является модуль упругости.

Анализ кривых разгрузки грунтового массива на сводной диаграмме равновесных состояний массива «деформации - напряжения», построенной по результатам серии расчетов, в которой варьировалось значение модуля упругости грунта £ (линии 1 на рис.2), показал, что точки, соответствующие моментам включения в работу набрызгбетонной крепи в контрольном сечении тоннельной выработки, лежат на одной линии, для обозначения которой автором диссертации предлагается название «линия начальной разгрузки грунтового массива», сокращено «ЛНРМ» (линия 2 на рис.2).

Оу, кПа

цу, мм

Е1 > Ег > Ез > Е4 > Еь

Рис. 2. Сводная диаграмма равновесных состояний грунтового массива: 1,3- линии разгрузки массива при раскрытии сечения тоннеля в пространственной и плоской моделях (обрываются в момент установки набрызгбетонной крепи в сечении выработки); 2, 4 -ЛНРМ, найденные по результатам расчета пространственной и плоской моделей

В практических целях ЛНРМ может быть использована для определения деформаций контура тоннельной выработки и соответствующих им напряжений в окружающем грунтовом массиве, имеющих место в момент включения в работу набрызгбетонной крепи тоннеля, параметры сооружения которого аналогичны параметрам, для которых была найдена ЛНРМ.

Сравнение двух ЛНРМ, найденных по результатам расчетов пространственной и аналогичной плоской модели, показало, что в связи с невозможностью учесть в расчетах последней перераспределение начального поля напряжений в грунтовом массиве, расположенном впереди забоя тоннеля, соответствующая ей ЛНРМ имеет более высокие значения по оси «напряжения» (линии 3,4 на рис.2).

Также в ходе исследований было установлено, что размеры поперечного сечения выработки, проходка которой осуществляется способом сплошного забоя, оказывают незначительное влияние (в пределах 4 %) на степень разгрузки грунтового массива в шелыге свода на длине призабойной неподкрепленной зоны.

На рис.3 приведена зависимость коэффициента начальной разгрузки грунтового массива /3 от модуля упругости грунта £ при различных размерах поперечного сечения тоннеля. Коэффициент )3 определяется по следующей формуле:

/»-- 0) «V

где <7 - напряжения, действующие в окружающем тоннельную выработку грунтовом массиве в момент включения в работу крепи, МПа;

оь - бытовые напряжения, действующие в грунтовом массиве в зоне проходки тоннельной выработки, МПа.

Увеличение или уменьшение длины строительной заходки вне зависимости от деформационных свойств грунтового массива, и в частности от значения модуля упругости грунта, приводит к прямо пропорциональному изменению степени разгрузки грунтового массива в шелыге свода тоннеля на длине призабойной неподкрепленной зоны тоннельной выработки (рис.4).

На основании обработки методами математической статистики полученных в ходе численного эксперимента соотношений между значениями коэффициента /3 и модуля упругости грунта £ при различных длинах строительной заходки I была установлена следующая экспоненциальная зависимость:

/3 = 0,988Я'0-053 х ехр [Ь х (0,059-0,0331п £)], (2)

где /3 - коэффициент начальной разгрузки фунтового массива;

Е - модуль упругости фунта, окружающего тоннельную выработку, МПа;

I. - длина строительной заходки, м.

Рис. 3. Зависимость коэффициента начальной разгрузки грунтового массива /3 от модуля упругости грунта £ при различных размерах поперечного сечения тоннеля (г- радиус свода)

Р

Рис. 4. Зависимость коэффициента начальной разгрузки грунтового массива 0 от модуля упругости грунта Е при различных длинах строительной заходки

Формула (2) может применяться для ориентировочного определения степени падения бытовых напряжений в грунтовом массиве на длине призабойной неподкрепленной зоны тоннельной выработки, проходка которой осуществляется способом сплошного забоя с замкнутой набрызгбетонной крепью.

В третьей главе приведены результаты сравнительного анализа данных экспериментальных исследований деформированного состояния набрызгбетонной обделки, проведенных в условиях строящейся станции «Чкаловская» Екатеринбургского метрополитена, и результатов численных расчетов, выполненных с учетом установленных в ходе теоретических исследований закономерностей в поведении грунтового массива на длине призабойной зоны тоннеля.

Односводчатая станция «Чкаловская» расположена на глубине порядка 27 м в вулканогенных метаморфизированных скальных грунтах, представленных преимущественно порфиритами основного состава и туфами порфиритов, коэффициент крепости которых 1 варьируется от 1 до 12. Слои скальных грунтов смяты в изоклинальные крутопадающие складки, углы падения которых составляют 60° - 80°. С поверхности скальные грунты перекрыты глинистым элювием мощностью 3-15м.

Строительство станции «Чкаловская» осуществляется горным способом с применением тоннелепроходческого комбайна. Последовательность работ в сечении станционного тоннеля представлена на рис. 5.

Исследования проводились в период 2008 - 2009 г.г. в процессе проходки калоттной части станционного тоннеля на первичной набрызгбетонной обделке (этапы V, VI на рис.5) и заключались в систематическом измерении деформаций контура свода станционного тоннеля. Маркшейдерские измерения проводил ООО «Метро-строй-ПТС» (г.Екатеринбург).

По мере раскрытия калотты тоннеля через каждые 4 - 5 м назначались контрольные сечения, в которых на решетчатых металлических арках, входящих в состав набрызгбетонной обделки, равномерно размещали 7-9 реперов для фиксирования в них значений вертикальных смещений контура крепи. Измерения осуществлялись посредством нивелира, точность которого составляла ±1 мм.

Рис. 5. Поперечное сечение станции «Чкаловская»: 1 - контрольно-измерительные точки (реперы); 1-Х - этапы работ по сооружению станционного тоннеля

Общее число контрольных сечений, выбранных для проведения исследований, вдоль станционного тоннеля составило 27. В начальный период проходческих работ измерения осуществлялись ежедневно, в дальнейшем по мере накопления данных, учитывая интенсивность нарастания и постепенное затухание смещений, режим измерений в сечениях корректировался. Так, уже после раскрытия примерно 25 м длины калотты станционного тоннеля измерения проводились только два раза в неделю.

Параллельно для условий имеющихся пяти геологических разрезов, пересекающих станционный тоннель примерно с одинаковым шагом, в программном комплексе «PLAXIS 3D Tunnel» были выполнены расчеты НДС системы «крепь - массив», цель которых была определить деформации набрызгбетонного свода, возникающие в процессе проходки калоттной части тоннеля.

Для этого по геологическим разрезам были построены плоские конечно-элементные модели фрагментов грунтового массива, содержащих сечение станционного тоннеля. При расчете каждой модели учитывалась своя величина частичной разгрузки грунтового массива, имеющей место при раскрытии сечения калотты станционного тоннеля.

Разгрузка массива учитывалась путем ввода в параметры процесса расчета моделей на соответствующем этапе значения коэффициента Д который определялся на основании значений координат точки пересечения ЛНРМ, характеризующей параметры конструкции и технологии сооружения станции «Чкаловская», и линий разгрузки грунтового массива, характеризующих поведение грунтового массива при раскрытии сечения калотты станционного тоннеля в рассматриваемых геологических разрезах.

В связи с этим предварительно было необходимо установить положение ЛНРМ на диаграмме равновесных состояний «деформации - напряжения». Для этого по одному из намеченных геологических разрезов дополнительно была построена пространственная конечно-элементная модель системы «крепь - массив». Расчет этапов сооружения калоттной части станционного тоннеля в пространственной постановке позволил получить координаты точек ЛНРМ по оси «деформации», на основании которых затем в ходе соответствующих расчетов аналогичной плоской модели были найдены координаты точек ЛНРМ по оси «напряжения».

В итоге, искомые значения коэффициентов j8 для параметров сооружения станции «Чкаловская» в рассматриваемых геологических разрезах составили 0,6 - 0,8.

Сравнительный анализ результатов экспериментальных исследований и численных расчетов в целом подтвердил принципиальную возможность применения в расчетах плоских конечно-элементных моделей для определения степени разгрузки грунтового массива при раскрытии сечения тоннельной выработки ЛНРМ.

Расхождения между значениями фактических и расчетных деформаций контура первичного набрызгбетонного свода станции «Чкаловская» составили 10 - 25% (рис.6), причины которых заключаются в наличии погрешностей в натурных измерениях, а также связаны с технологическими факторами.

Четвертая глава содержит описание разработанной методики определения эффективных параметров тоннельных обделок из на-брызгбетона и пример расчета одной плоской конечно-элементной модели системы «крепь - массив», выполненный согласно предлагаемой методике.

О

20 40 60 80 100 120 140 160 L, м

-10

-30

-20

Umax, MM

- фактические смещения; * - расчетные смещения.

Рис. 6. Распределение максимальных вертикальных деформаций контура набрызгбетонного свода (ufflax) по длине станционного тоннеля (L)

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования НДС системы «крепь - массив» позволили разработать методику определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона на основе численных расчетов, в которых с большей точностью и достоверностью учитывается степень разгрузки фунтового массива в призабойной зоне тоннельной выработки.

Область применения методики распространяется на тоннели, сооружение которых осуществляется способом сплошного забоя в неоднородных скальных фунтах, для которых расчет набрызгбетон-ной крепи необходимо выполнить не менее чем для трех выделенных по трассе строительства характерных геологических разрезов.

Методика может быть реализована с применением современных программных геотехнических комплексов, базирующихся на методе конечных элементов.

Основные положения методики сводятся к последовательному выполнению следующих операций.

1. Построение пространственной конечно-элементной модели фрагмента однородного фунтового массива, в котором проходит тоннельная выработка.

2. Задание этапов расчета пространственной модели, отражающих технологическую последовательность сооружения тоннеля.

3. Расчет пространственной модели при различных значениях модуля упругости грунта: исходном и 4 - 5 значениях, полученных путем умножения первого модуля, например, на коэффициенты 0,5 - 0,9, взятые с шагом 0,1.

Результатами расчетов являются значения деформаций не-подкрепленного контура тоннельной выработки на длине передовой заходки.

4. Преобразование пространственной конечно-элементной модели в плоскую путем ограничения ее длины вдоль оси, совпадающей с направлением проходки тоннеля, одним метром.

5. Задание в плоской модели этапа расчета, на котором моделируется только раскрытие сечения тоннельной выработки без установки в нем крепи.

6. Расчет плоской модели при тех же значениях модуля упругости грунта, что были использованы в расчетах пространственной модели. При этом процесс расчета плоской модели каждый раз необходимо останавливать в тот момент, когда деформации непод-крепленного контура тоннельной выработки достигают значений аналогичных деформаций, найденных по итогам расчета пространственной модели.

Результатами расчетов плоской модели являются значения напряжений в окружающем тоннель грунтовом массиве.

7. По результатам проведенных расчетов составляется уравнение ЛНРМ, характеризующей параметры конструкции и технологию сооружения рассматриваемого тоннеля. Уравнение ЛНРМ представляет собой зависимость напряжений в окружающем грунтовом массиве, действующих в момент включения в работу набрызгбетон-ной крепи, от возникающих при этом деформаций неподкрепленного контура тоннеля.

8. Построение плоских конечно-элементных моделей фрагментов грунтового массива, содержащих поперечное сечение тоннеля, по выделенным вдоль трассы строительства тоннеля характерным геологическим разрезам.

9. Задание в плоских моделях этапа расчета, на котором следует удалить область грунтового массива, заключенную внутри контура тоннеля.

10. Расчет плоских моделей. В отдельных случаях процесс расчета некоторых моделей может быть не завершен по причине обрушения грунта внутрь выработки.

11. На основании результатов расчета каждой плоской модели составляется уравнение линии разгрузки окружающего тоннельную

выработку грунтового массива, которое описывает характер изменения НДС грунтового массива при раскрытии сечения тоннеля в каждом из намеченных к расчету геологических разрезов.

12. Определение координат (деформации, напряжения) точек пересечения линий разгрузки грунтового массива с ЛНРМ, которые характеризуют степень разгрузки грунтового массива, предшествующей включению в работу набрызгбетонной крепи в сечениях тоннеля, расположенных в рассматриваемых геологических разрезах.

При этом следует учитывать, что ЛНРМ была найдена для определенного уровня бытовых напряжений, действующих в грунтовом массиве в зоне проходки тоннельной выработки. В связи с этим при вычислении координат искомых точек предварительно следует привести координаты ЛНРМ к уровню бытовых напряжений, действующих в рассматриваемом разрезе, путем пропорционального умножения их на коэффициент, равный отношению бытовых напряжений в грунтовом массиве, действующих в данном разрезе, и соответственно в массиве пространственной модели.

13. Задание в плоских конечно-элементных моделях, построенных по характерным геологическим разрезам, следующего этапа расчета, на котором моделируется устройство набрызгбетонной крепи.

14. Расчет плоских моделей с учетом найденных величин частичной разгрузки грунтового массива на этапе раскрытия сечения тоннельной выработки.

Приведенный в главе пример расчета одного сечения тоннеля, находящегося в неких инженерно-геологических условиях, дает наглядное представление («в цифрах») об особенностях и деталях предлагаемой методике.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Разработаны математические пространственные и плоские модели системы «крепь - массив», отражающие основные технологические этапы ведения проходческих работ применительно к транспортным тоннелям, сооружение которых осуществляется горным способом сплошного забоя с набрызгбетонной крепью в скальных устойчивых грунтах.

2. На основании результатов теоретических исследований установлено, что при аналогичных параметрах сооружения тоннелей (технологии ведения проходческих работ, характеристиках набрыз-гбетонной крепи, величине бытовых напряжений в зоне проходки тоннельных выработок) точки на диаграмме равновесных состояний «деформации - напряжения», соответствующие моментам включения в работу набрызгбетонной крепи, лежат на одной линии, для которой автором диссертации предложено название «линия начальной разгрузки грунтового массива» («ЛНРМ»),

3. По результатам численных экспериментов выявлена экспоненциальная зависимость для ориентировочного определения степени падения бытовых напряжений в грунтовом массиве на длине призабойной неподкрепленной зоны тоннельной выработки, проходка которой осуществляется способом сплошного забоя.

4. Проведены натурные экспериментальные исследования деформированного состояния системы «крепь - массив», сравнительный анализ данных которых с результатами соответствующих численных расчетов, выполненных с использованием установленной в ходе теоретических исследований зависимости деформаций неподкрепленного контура тоннельной выработки и напряжений в окружающем грунтовом массиве в момент включения в работу набрызгбетонной крепи (ЛНРМ на диаграмме равновесных состояний «деформации - напряжения»), подтвердил принципиальную возможность применения данной зависимости для определения степени падения бытовых напряжений в грунтовом массиве на длине призабойной зоны тоннельной выработки в расчетах, выполняемых на плоских конечно-элементных моделях.

5. Экспериментальные исследования позволили установить, что на этапе проходки калоттной части тоннельной выработки вертикальные напряжения в грунтовом массиве в области шелыги свода тоннеля при включении в работу набрызгбетонной крепи должны составлять 60 - 80% от бытовых напряжений, действующих в грунтовом массиве до начала строительства. При этом размеры поперечного сечения, инженерно-геологические условия на участке строительства, характеристики обделки и технология сооружения тоннеля должны соответствовать параметрам станции «Чкалов-ская» Екатеринбургского метрополитена.

6. На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований разработана методика определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона на основе статических расчетов системы «крепь - массив», выполняемых численными методами, в которых с большей точностью и достоверностью учитывается степень разгрузки грунтового массива в приза-бойной зоне тоннельной выработки. Область применения методики распространяется на тоннели, сооружение которых осуществляется способом сплошного забоя в неоднородных скальных грунтах.

7. Результаты работы применяются в учебном процессе на кафедре мостов и транспортных тоннелей Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). Отдельные результаты работы использованы в филиале ОАО ЦНИИС «НИЦ «Тоннели и метрополитены» при проектировании конструкции и разработке проекта мониторинга первичной на-брызгбетонной обделки свода станции «Чкаловская» Екатеринбургского метрополитена, а также при проведении поверочных расчетов набрызгбетонной крепи автодорожного тоннеля №1 первой очереди строительства Дублера Курортного проспекта от р.Агура до ул.Земляничная в г.Сочи.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 6 научных статьях:

1. Меркин В.Е., Чеботаев В.В., Щекудов Е.В., Щелочкова Т.Н. Оптимизация конструкции обделки большепролетных подземных выработок, сооружаемых по технологии НАТМ. // Транспортное тоннелестроение. Современный опыт и перспективные разработки: сб. науч. тр. ОАО ЦНИИС, вып. 248. - М„ 2008. - С.7-11.

2. Чеботаев В.В., Щелочкова Т.Н. Расчетное обоснование параметров первичной набрызг-бетонной обделки станции метрополитена. II Транспортное тоннелестроение. Современный опыт и перспективные разработки: сб. науч. тр. ОАО ЦНИИС, вып. 248. - М., 2008. - С.12-17.

3. Меркин В.Е., Чеботаев В.В., Щекудов Е.В., Гиренко И.В., Щелочкова Т.Н., Дозорец Ю.И., Смирнов В.А., Веселовский В.Н., Ляхов С.В. Эффективная конструкция односводчатой станции Екатеринбургского метрополитена с первичной обделкой из набрызг-

бетона. II Особенности освоения подземного пространства и подземной урбанизации в крупных городах мегаполисах: сб. тр. между-нар. конф. - М., 2008. -С.100-101.

4. Маковский Л.В., Щекудов Е.В., Страхов А.М., Щелочкова Т.Н. Оптимизация конструкции двухслойной обделки тоннелей. II Наука и техника в дорожной отрасли, №1. - М., 2009. - С.10-11.

5. V. Merkin, V. Chebotaev, Ye. Shchekudov, Т. Shchelochkova, Yu. Dozorets, V. Smirnov, V. Veselovsky, S. Liahov. The efficient construction of single-vault station with primary shotcrete lining used for the underground in Yekaterinburg. // Proceedings of ITA-AITES World tunnel congress 2009 and the 35th ITA-AITES General Assembly. -Budapest, Hungary, 2009. - C.112-113.

6. Щелочкова Т.Н. Исследование напряженно-деформированного состояния грунтового массива в призабойной зоне тоннеля, сооружаемого горным способом. II Транспортное строительство, № 3. - М„ 2010. - С. 10-12.

Подписано в печать 17.08.2010 г. Формат 60x90 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,44. Заказ 1185. Тираж 120 экз.

Отпечатано ЗАО «Экон-Информ» 129329, Москва, ул. Ивовая 2. Тел. (499) 180-9305

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА НАБРЫЗГБЕТОННОЙ КРЕПИ В ТОННЕЛЕСТРОЕНИИ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Общие положения.

1.2 Конструктивные особенности набрызгбетонной крепи.

1.3 Напряжено-деформированное состояние (НДС) системы «крепь -массив» в процессе сооружения тоннеля.

1.4 Методы расчета набрызгбетонной крепи.

1.5 Методики учета частичной разгрузки грунтового массива в призабойной зоне тоннельной выработки при проведении расчетов

НДС системы «крепь - массив».

1.6 Выводы по главе.

1.7 Постановка задач исследования.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ СООРУЖЕНИЯ ТОННЕЛЯ НА НДС ГРУНТОВОГО МАССИВА В ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЕ.

2.1 Общие положения.

2.2 Пространственная конечно-элементная модель исследований.

2.3 Методика проведения численных экспериментов на пространственной конечно-элементной модели.

2.4 Влияние основных механических характеристик грунта.

2.5 Плоская конечно-элементная модель исследований.

2.6 Влияние размеров поперечного сечения тоннеля.

2.7 Влияние длины строительной заходки.

2.8 Выводы по главе.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ НАБРЫЗГБЕТОННОЙ КРЕПИ.

3.1 Цель проведения экспериментальных исследований.

3.2 Описание объекта исследований.

3.3 Методика проведения натурных измерений деформаций крепи тоннеля.

3.4 Расчет деформаций набрызгбетонной крепи тоннеля-объекта экспериментальных исследований.

3.5 Сравнительный анализ данных экспериментальных исследований и результатов расчетов.

3.6 Выводы по главе.

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТОННЕЛЬНЫХ ОБДЕЛОК ИЗ НАБРЫЗГБЕТОНА.

4.1 Основные положения методики.

4.2 Пример расчета набрызгбетонной крепи согласно разработанной методике.

4.3 Выводы по главе.

В настоящее время в отечественной практике строительства транспортных тоннелей наблюдается рост объемов применения набрызгбетона в качестве временной крепи и постоянной конструкции (обделки).

Так, за последние десятилетия на набрызгбетонной крепи были пройдены подходная выработка и перегонный тоннель между станциями «Киевская» — «Парк Победы» Московского метрополитена (1993г.), калоттная часть станции «Геологическая» Екатеринбургского метрополитен (1998г.), в настоящее время ведется сооружение автодорожного тоннеля в г.Уфе, калоттной части станции «Чкаловская» Екатеринбургского метрополитена и ряда автодорожных тоннелей, расположенных вблизи г. Сочи [1, 10, 20, 51, 63, 65, 77].

Современные темпы транспортного строительства, требующие высоких скоростей проходки тоннелей и оптимального расходования трудовых и финансовых средств, вызывают потребность в разработке эффективных конструкций набрызгбетонных крепей (обделок), параметры которых (толщины, армирования), обеспечивая необходимую несущую способность крепи, являлись бы оптимальными. Добиться эффективных значений конструктивных параметров крепи возможно при учете в расчетах с большей точностью и достоверностью технологических особенностей сооружения тоннелей, влияющих на распределение и значения расчетных внутренних усилий в крепи.

Так, важной особенностью ведения проходческих работ горным способом является неизбежное отставание возведения набрызгбетонной крепи от разработки грунта, приводящее на длине передовой неподкрепленной заходки к частичной разгрузке грунтового массива. Разгрузка массива заключается в изменении бытовых напряжений в грунтовом массиве, действующих до начала строительства в зоне тоннеля, и сопровождается деформациями контура тоннельной выработки. Благодаря этому крепь тоннеля, установленная с некоторым запозданием, подвергается меньшему по сравнению с бытовым горному давлению.

На современном этапе развития методов расчета учесть с достаточной степенью достоверности величину частичной разгрузки грунтового массива в призабойной зоне тоннельной выработки позволяют пространственные численные модели, в которых разгрузка массива учитывается автоматически при задании этапов расчета, включающих продвижение забоя на длину очередной строительной заходки и устройство крепи на длине предыдущей. Но, несмотря на это, в настоящее время для практических целей на стадии проектирования прибегают в основном к плоским расчетным схемам, в которых частичная разгрузка грунтового массива в призабойной зоне тоннельной выработки учитывается в исходных параметрах процесса расчета.

Обзор современного состояния вопроса показал, что назначение степени разгрузки грунтового массива при проведении расчетов плоских численных моделей системы «крепь - массив», как правило, носит эмпирический характер из-за отсутствия рекомендаций по выбору ее величины для многих частных значений технологических параметров сооружения тоннелей.

В связи с этим возникает необходимость в проведении научных исследований напряженно-деформированного состояния грунтового массива в призабойной зоне тоннельной выработки и разработке на их основе методики определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона.

Актуальность темы.

Актуальность диссертационной работы обусловлена увеличением объемов применения в отечественной практике строительства транспортных тоннелей набрызгбетона в качестве временной крепи и постоянной конструкции (обделки).

При этом возрастающие темпы транспортного строительства, требующие высоких скоростей проходки тоннелей и оптимального расходования трудовых и финансовых средств, вызывают потребность в разработке эффективных конструкций набрызгбетонных крепей (обделок), параметры которых (толщина, армирование), обеспечивая необходимую несущую способность крепи, являлись бы оптимальными. Добиться эффективных значений конструктивных параметров крепи возможно при учете в расчетах с большей точностью и достоверностью технологических особенностей сооружения тоннелей, влияющих на распределение и значения расчетных внутренних усилий в крепи.

Для решения этой задачи и разработки на его основе методики определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона возникла необходимость проведения научных исследований.

Цель и задачи диссертации.

Цель диссертационной работы заключается в создании методики определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона

Для достижения цели диссертации необходимо решить следующие задачи:

- выполнить анализ существующих методов расчета набрызгбетонной крепи;

- выполнить теоретические исследования напряженно-деформированного состояния грунтового массива в призабойной зоне тоннельной выработки, используя метод конечных элементов;

- провести экспериментальные исследования в натурных условиях деформированного состояния системы «крепь — массив»;

- выполнить численные расчеты напряженно-деформированного состояния системы «крепь — массив» для объекта экспериментальных исследований, используя установленные в ходе теоретических исследований закономерности в поведении грунтового массива на длине призабойной зоны;

- произвести на основании сравнительного анализа данных экспериментальных исследований и соответствующих численных расчетов оценку достоверности результатов теоретических исследований;

- разработать методику определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона*.

Методика исследований.

В основе методики заложен комплексный подход, включающий проведение теоретических и экспериментальных исследований.

Теоретические исследования выполнены с использованием пространственных и плоских численных моделей, построенных в программном геотехническом комплексе «PLAXIS 3D Tunnel», реализующем метод конечных элементов.

Экспериментальные исследования проведены в условиях строящегося станционного тоннеля односводчатой станции глубокого заложения «Чкаловская» Екатеринбургского метрополитена с привлечением специалистов филиала ОАО ЦНИИС «НИЦ «Тоннели и метрополитены» при участии автора диссертации. Маркшейдерские измерения на объекте исследований осуществлялись силами ООО «Метрострой-ПТС» (г.Екатеринбург).

При обработке результатов теоретических и натурных экспериментов использованы методы математической статистики.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработаны математические пространственные и плоские модели системы «крепь — массив», отражающие основные технологические этапы ведения проходческих работ применительно к транспортным тоннелям, сооружение которых осуществляется в скальных устойчивых грунтах горным способом сплошного забоя с набрызгбетонной крепью;

- проведены теоретические исследования методом математического моделирования, по результатам которых установлены степень и характер влияния основных механических характеристик грунта, размеров поперечного сечения тоннельной выработки и длины строительной заходки на напряженно-деформированное состояние грунтового массива в призабойной зоне тоннеля;

- на основании результатов теоретических исследований выявлено и подтверждено данными экспериментальных исследований, что при аналогичных параметрах сооружения тоннелей (технологии ведения проходческих работ, характеристиках набрызгбетонной крепи, величине бытовых напряжений в зоне проходки тоннельных выработок) точки на диаграмме равновесных состояний «деформации — напряжения», соответствующие моментам включения в работу набрызгбетонной крепи, лежат на одной линии, для которой автором диссертации предложено название «линия начальной разгрузки грунтового массива» («JIHPM»);

- по результатам теоретических исследований выявлена экспериментальная экспоненциальная зависимость для ориентировочного определения степени падения бытовых напряжений в грунтовом массиве на длине призабойной неподкрепленной зоны тоннельной выработки, проходка которой осуществляется способом сплошного забоя;

- разработана методика определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона.

Практическую ценность работы составляют:

- установлена функциональная зависимость имеющих место в момент включения в работу набрызгбетонной крепи деформаций неподкрепленного контура тоннельной выработки и соответствующих им напряжений в окружающем грунтовом массиве на диаграмме равновесных состояний «деформации — напряжения» (JIHPM);

- определена экспериментальная экспоненциальная зависимость для ориентировочного определения степени падения бытовых напряжений в грунтовом массиве на длине призабойной неподкрепленной зоны тоннельной выработки, проходка которой осуществляется способом сплошного забоя;

- разработана методика определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона.

Достоверность полученных результатов обусловливается:

- строгостью исходных предпосылок применяемых методов исследований;

- учетом требований действующих нормативных документов;

- сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, подтвержденной сравнительными расчетами с данными натурных наблюдений.

Реализация результатов.

Результаты работы нашли применение:

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

- в ОАО ЦНИИС «НИЦ «Тоннели и метрополитены» при проектировании конструкции и разработке проекта мониторинга первичной набрызгбетонной обделки свода станции «Чкаловская» Екатеринбургского метрополитена, а также при проведении поверочных расчетов набрызгбетонной крепи автодорожного тоннеля №1 первой очереди строительства Дублера Курортного проспекта от р.Агура до ул.Земляничная в г.Сочи.

Апробация работы.

Результаты исследований и основные научные положения диссертационной работы доложены:

- на ежегодных научно-технических конференциях Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ) №№ 67, 68, проходивших в 2009 и 2010 г.г.;

- на заседании Секции НИЦ «Тоннели и метрополитены» Ученого совета ОАО ЦНИИС, 2010 г.

Публикации.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в шести печатных работах:

1. Меркин В.Е., Чеботаев В.В., Щекудов Е.В., Щелочкова Т.Н. Оптимизация конструкции обделки большепролетных подземных выработок, сооружаемых по технологии НАТМ. // Транспортное тон-нелестроение. Современный опыт и перспективные разработки: сб. науч. тр. ОАО ЦНИИС, вып. 248. - М., 2008. - С.7-11.

2. Чеботаев В.В., Щелочкова Т.Н. Расчетное обоснование па-раметров первичной набрызг-бетонной обделки станции метрополи-тена. // Транспортное тоннелестроение. Современный опыт и пер-спективные разработки: сб. науч. тр. ОАО ЦНИИС, вып. 248. - М., 2008. - С.12-17.

3. Меркин В.Е., Чеботаев В.В., Щекудов Е.В., Гиренко И.В., Щелочкова Т.Н., Дозорец Ю.И., Смирнов В.А., Веселовский В.Н., Ляхов С.В. Эффективная конструкция односводчатой станции Екатеринбургского метрополитена с первичной обделкой из набрызг-бетона. // Особенности освоения подземного пространства и подземной урбанизации в крупных городах мегаполисах: сб. тр. междунар. конф. - М:, 2008. - С.100-101.

4. Маковский Л.В., Щекудов Е.В., Страхов. A.M., Щелочкова Т.Н. Оптимизация конструкции двухслойной обделки тоннелей. // Наука и техника в дорожной отрасли, № 1. — М., 2009. — С. 10-11.

5. V. Merkin, V. Chebotaev, Ye. Shchekudov, Т. Shchelochkova, Yu. Dozorets, V. Smirnov, V. Veselovsky, S. Liahov. The efficient construction of single-vault station with primary shotcrete lining used for the underground in Yekaterinburg. // Proceedings of ITA-AITES World tunnel congress 2009 and the 35th ITA-AITES General Assembly. - Budapest, Hungary, 2009. - C.l 12-113.

6. Щелочкова Т.Н. Исследование напряженно-деформированного состояния грунтового массива в призабойной зоне тоннеля, сооружаемого горным способом: // Транспортное строительство, № 3. — М., 2010. — С. 10-12.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Объем работы составляет 120 страниц, включая 43 иллюстрации и 8 таблиц. Список литературы содержит 118 наименований.

7. Результаты работы применяются в учебном процессе на кафедре мостов и транспортных тоннелей Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). Отдельные результаты работы использованы в филиале ОАО ЦНИИС «НИЦ «Тоннели и метрополитены» при проектировании конструкции и разработке проекта мониторинга первичной набрызгбетонной обделки свода станции «Чкаловская» Екатеринбургского метрополитена, а также при проведении поверочных расчетов набрызгбетонной крепи автодорожного тоннеля №1 первой очереди строительства Дублера Курортного проспекта от p.Aiypa до ул.Земляничная в г.Сочи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертационной работе представлены данные и результаты теоретических и экспериментальных исследований, позволивших разработать методику определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона на основе статических расчетов системы «крепь — массив», выполняемых численными методами.

Теоретические исследования проведены с использованием пространственной и плоской конечно-элементных моделей, построенных в программном геотехническом комплексе «PLAXIS 3D Tunnel», реализующем метод конечных элементов. В ходе исследований были установлены степень и характер влияния параметров сооружения тоннеля (основных механических характеристик грунта, размеров поперечного сечения тоннельной выработки и длины строительной заходки) на напряженно-деформированное состояние грунтового массива в призабойной зоне тоннельной выработки.

Экспериментальные исследования выполнены в натурных условиях строительства односводчатой станции глубокого заложения «Чкаловская» Екатеринбургского метрополитена путем маркшейдерских измерений вертикальных смещений контура набрызгбетонного свода станционного тоннеля в процессе проходки его калоттной части. Эксперименты в основном подтвердили достоверность результатов теоретических исследований.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Разработаны математические пространственные и плоские модели системы «крепь — массив», отражающие основные технологические этапы ведения проходческих работ применительно к транспортным тоннелям, сооружение которых осуществляется горным способом сплошного забоя с набрызгбетонной крепью в скальных устойчивых грунтах.

2. На основании результатов теоретических исследований установлено, что при аналогичных параметрах сооружения' тоннелей (технологии ведения проходческих работ, характеристиках набрызгбетонной крепи, величине бытовых напряжений в зоне проходки тоннельных выработок) точки на диаграмме равновесных состояний «деформации — напряжения», соответствующие моментам включения в работу набрызгбетонной крепи, лежат на одной линии, для которой автором диссертации предложено название «линия начальной разгрузки грунтового массива» («ЛНРМ»).

3. По результатам численных экспериментов выявлена экспоненциальная зависимость для ориентировочного определения степени падения бытовых напряжений в грунтовом массиве на длине призабойной неподкрепленной зоны тоннельной выработки, проходка которой осуществляется способом сплошного забоя.

4. Проведены натурные экспериментальные исследования деформированного состояния системы «крепь — массив», сравнительный анализ данных которых с результатами соответствующих численных расчетов, выполненных с использованием установленной в ходе теоретических исследований зависимости деформаций неподкрепленного контура тоннельной выработки и напряжений в окружающем грунтовом массиве в момент включения в работу набрызгбетонной крепи (ЛНРМ на диаграмме равновесных состояний «деформации — напряжения»), подтвердил принципиальную возможность применения данной зависимости для определения степени падения бытовых напряжений в грунтовом массиве на длине призабойной зоны тоннельной выработки в расчетах, выполняемых на плоских конечно-элементных моделях.

5. Экспериментальные исследования позволили установить, что на этапе проходки калоттной части тоннельной выработки вертикальные напряжения в грунтовом массиве в области шелыги свода тоннеля при включении в работу набрызгбетонной крепи должны составлять 60 — 80% от бытовых напряжений, действующих в грунтовом массиве до начала строительства. При этом размеры поперечного сечения, инженерно-геологические условия на участке строительства, характеристики обделки и технология сооружения тоннеля должны соответствовать параметрам станции «Чкаловская» Екатеринбургского метрополитена.

6. На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований разработана методика определения эффективных параметров тоннельных обделок из набрызгбетона на основе статических расчетов системы «крепь - массив», выполняемых численными методами, в которых с большей точностью и достоверностью учитывается степень разгрузки грунтового массива в призабойной зоне тоннельной выработки. Область применения методики распространяется на тоннели, сооружение которых осуществляется способом сплошного забоя в неоднородных скальных грунтах.

1. Абрамчук В.П., Педчик А.Ю., Баранов Н.В., Бочаров В.Ф. Строительство автодорожного тоннеля в г.Уфе. // Метро и тоннели. — 2003. — №6.-С. 6-8.

2. Алексеев С. И. Механика грунтов: учеб. пособие для студентов вузов. -СПб.: Петербургский государственный университет путей сообщения, 2007. -111 с.

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

4. Амусин Б.З. Учет влияния торца при расчете нагрузок на крепь протяженных выработок и камер // Шахтное строительство. — 1979. — № 12. — С. 15-18.

5. Арутюнов B.C., Гиренко И.В., Рзянский Д.Б., Курисько А.С. Набрызгбетон для тоннелей. // Транспортное строительство. — 1986. — №4. — С. 24-26.

6. Баклашов И.В. Механические процессы в породных массивах / Баклашов И.В., Картозия Б.А. — М.: Недра, 1986.

7. Балсон Ф.С. Заглубленные сооружения: статическая и динамическая прочность. М.: Стройиздат, 1991. - 240 с.

8. Бикинеев М.Г. Новоавстрийский метод: методика определения параметров временного крепления при строительстве гидротехнических тоннелей // Метро и тоннели. 2001. - №5. - С. 15-17.

9. Болдырев Г.Г. Определение деформационных характеристик грунтов в полевых и лабораторных условиях / Болдырев Г.Г., Гордеев А.В., Арефьев Д.В. ООО «НПП Геотек». - 8 с.

10. Бочаров С.В. НАТМ. Опыт применения в Москве // Метро и тоннели. -2003.-№5. с. 24-26.

11. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений: учеб. для вузов. -2-е изд., М.: Недра, 1994. - 382 с.

12. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений в примерах и задачах. М.: Недра, 1989.-270 с.

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

14. Виттке В. Механика скальных пород / пер. с нем. — М.: Недра, 1990.

15. Власов С.Н. Аварийные ситуации при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей и метрополитенов / Власов С.Н., Маковский Л.В., Меркин В.Е. М, 2000.

16. Власов С.Н., Меркин В.Е. Совершенствование технологии сооружения горных тоннелей // Метрострой. — 1978. №8. - С.1-3.

17. Влох Н.П. Измерение напряжений в массиве крепких горных пород / Влох Н.П., Сашурин А.Д. М.: Недра, 1970.

18. Волкова С.В. Руководство по строительству тоннелей новоавстрийским способом. Фирма «Тогисима» / пер. с яп. — М.: 1983. 33 с.

19. Временные технические условия по проектированию и строительству перегонного тоннеля НАТМ / Меркин В.Е, Чеботаев В.В., Гиренко И.В. и др. -М.: НИЦ ТМ ОАО ЦНИИС, 1998. 9 с.

20. ВСН 129-90. Крепление выработок набрызг-бетоном и анкерами при строительстве транспортных тоннелей и метрополитенов. Нормы проектирования и производства работ, Минтрансстрой СССР. С. 108.

21. Гайдадин А.Н. Применение средств ЭВМ при обработке активного эксперимента / Гайдадин А.Н., Ефремова С.А. Волгоград, 2008. 16 с.

22. Гарбер В.А. Научные основы проектирования тоннельных конструкций с учетом технологии их сооружения. М.: НИЦ ТМ ОАО ЦНИИС, 1996.

23. Гарбер В.А. Тоннели и метрополитены: наука, проектирование, строительство, эксплуатация. — М., 2008. — 167 с.

24. Геракович Д. Новый австрийский метод сооружения туннелей // Izgradnja. 1981. - №10. - С. 23-35.

25. Главатских В.А. Строительство метрополитенов: учеб. пособие для вузов железнодорожного транспорта / Главатских В.А., Молчанов B.C.; под ред. Главатских В.А. — М.: Маршрут, 2006. — 680 с.

26. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М, 2008.-480 с.

27. Голицынский Д.М., Иванес Т.В. К вопросу расчета набрызгбетонных обделок // Сборник трудов ЛИИЖТ. Л., 1977. - Вып. 419.

28. Голицынский Д.М., Маренный Я.И. Набрызгбетон в транспортном строительстве. — М.: Транспорт, 1993. — 152 с.

29. Голицынский Д.М. Научные основы проектирования и возведения набрызгбетонных обделок транспортных тоннелей в слабоустойчивых грунтах: дис. . д-ра техн. наук. — Ленинград, 1983. — 450 с.

30. Голубов А., Чеботаев В., Карамышев М. Новоавстрийский способ сооружения тоннелей. — 1989. — №4. — С. 26-30:

31. ГОСТ 10180-90. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам. — М., 1991.

32. ГОСТ 12248-96. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. М., 1996.

33. ГОСТ 20276-99. Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости. — М., 1999.

34. ГОСТ 24026-80. Исследовательские испытания. Планирование эксперимента. Термины и определения. — М., 1981.

35. ГОСТ 24451-80. Тоннели автодорожные. Габариты приближения строений и оборудования. Госстрой СССР. — М., 1982.

36. ГОСТ 25100-95. Грунты (классификация). М., 1995.

37. Давыдов A.B. Два подхода к расчету тоннельных обделок, алгоритмы программ, исследования работы обделок в упругой, упруго-пластической и упруго-вязкой среде: дис. . канд. техн. наук. — М., 2004. 186 с.

38. Давыдов С.С. Расчет и проектирование подземных конструкций. М.: Стройиздат, 1950.-376 с.

39. Ержанов К.С. Конструирование и расчет набрызгбетонной крепи / Ержанов К.С., Айталиев Ш.М., Шилкин П.И. — М.: Недра, 1971. 176 с.

40. Заславский И.Ю., Киндур В.П. Механизм взаимодействия набрызгбетонной крепи с массивом горных пород // Межвузовский сборник. Вып. 5. Л.: ЛГИ, 1978. - С. 93-95.

41. Заславский Ю.З. Набрызгбетонная крепь / Заславский Ю.З., Быков А.В., Компанец В.Ф. М.: Недра, 1986. - 198 с.

42. Заславский Ю.З. Новые виды крепи горных выработок / Заславский Ю.З., Дружко Е.Б. М.: Недра, 1989. - 256 с.

43. Зенкевич О.С. Метод конечных элементов в технике. — Мир, 1975.

44. Зерцалов М.Г. Механика грунтов (введение в механику скальных грунтов). М.: АСВ, 2006 364 с.

45. Зерцалов, М.Г., Дейнеко А.В. Инженерная классификация скальных массивов и возможности ее использования для оценки надежности и безопасности туннелей, сооружаемых ТПМК./ Гидротехническое строительство, №2, 2009.

46. Зерцалов М.Г., Конюхов Д.С. Систематизация подходов к освоению подземного пространства крупных и крупнейших городов. / Вестник МГСУ, спецвыпуск №2, 2009.

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

48. Изаксон В.Ю. Оценка устойчивости пород, обнажаемых при строительстве подземных сооружений // Межвузовский сборник. Вып. 5. JL: ЛГИ, 1978. С. 6-9.

49. Картозия Б. и др. Опыт применения набрызгбетона при строительстве Московского метрополитена // Метро. — 1992. — №2. — С. 12—14.

50. Кириленко A.M., Павлов О.Н., Шилин А.А. Прогнозирование эксплуатационных характеристик и проектирование долговечности конструкций тоннелей. / Труды международной конференции, Тула, 2000.

51. Либерман Ю.М. Давление на крепь капитальных выработок. — М.: Недра, 1969.

52. Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы теории обработки наблюдений. — 1958. 336 с.

53. Маковский Л.В. Городские подземные транспортные сооружения: учеб. пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. — М., 1985. — 439 с.

54. Маковский Л.В. Перспективы развития транспортного тоннелестроения.-М.: Транспорт, 1991.

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

56. Маковский Л.В., Лушников А.А. Тоннельные обделки из набрызгбетона с решетчатыми арками // Транспортное строительство. — 1985. -№3.-С. 55-56.

57. Маковский Л.В. Экономичный способ строительства тоннелей мелкого заложения // Метрострой. 1998. - № 4. — С. 30-32.

58. Маслов Н.Н. Основы механики грунтов и инженерной геологии. М.: Автотрансиздат, 1961.

59. Меркин В.Е., Зерцалов М.Г., Устинов Д.В., Щекудов Е.В. Исследование влияния строительства объектов городской инфраструктуры насооружения метрополитена на математических моделях. / Метро и тоннели, №2, 2009.

60. Методические рекомендации по методам исследований скальных пород и массивов. СК МОМСП. 1984.

61. Метрострой-ПТС Электронный ресурс. — Электрон, дан. — [Екатеринбург, 2007]. Режим доступа: http://metropts.ru/presscentre/news, свободный.

62. Миллерман А.С. Экспериментально-аналитический метод определения рациональных параметров крепления при строительстве транспортных тоннелей: дис. . канд. техн. наук. М., 1993. - 165 с.

63. Мостков В.М. Подземные сооружения большого поперечного сечения. Изд-е 2, перераб. и доп. — М.: Недра, 1974. — 320 с.

64. Методические рекомендации по расчету временной крепи тоннельных выработок. М.: ЦНИИС, 1984. - 62 с.

65. Мостков В.М. Применение набрызгбетона при проведении горных выработок / Мостков В.М., Воллер И.Л. М.: Наука, 1968.

66. Мюллер Л. Инженерная геология. Механика скальных процессов. — М.: МИР, 1971.-255 с.

67. Мюллер X. Новый способ поддержания подземных горных выработок // Глюкауф. 1971. - №25.

68. Научно-техническое сопровождение работ по проектированию и строительству станции метрополитена «Чкаловская» в г. Екатеринбург. Этап 4- расчеты арочно-набрызгбетонной обделки станции. Науч.-техн. отчет ЦНИИС, ТМ-07-7077 / Чеботаев и др. 2007.

69. Покровский Н.М. Сооружение и реконструкция горных выработок. Ч. I. — М.: Госгортехиздат, 1962.

70. Проект конструкции временного крепления свода станции «Геологическая» метрополитена г. Екатеринбурга: науч.-техн. отчет ЦНИИС, ТМ -96-4-294 / Чеботаев В.В. и др. 1996. - 70 с.

71. Проходка туннеля с арочной крепью и выдвижными подхватами // Гражданское строительство. — 1964. — №2.

72. Ржевский В.В. Основы физики горных пород / Ржевский В.В., Новик Г.Я. -М.: Недра, 1973. 286 с.

73. Ростовцев И.Е. Метод расчета обделок тоннелей большого поперечного сечения, сооружаемых при поэтапном раскрытии сечения : дис. . канд. техн. наук. Тула, 2000. - 140 с.

74. Руководство пользователя. Plaxis 3D Tunnel / под. ред. Р.Б.Дж. Бринкгреве и др.; пер. с англ. компании «НИП-Информатика». СПб., 2002.

75. Руппенейт К.В. Введение в механику горных пород / Руппенейт К.В., Либерман Ю.М. -М.: Госгортехиздат, 1960. — 356 с.

76. Руппенейт К.В. Деформируемость массивов трещиноватых горных пород. М.: Недра, 1975.

77. Сатклифф Г.М., Мак-Клур. Применение набрызгбетона взамен металлической арочной крепи при сооружении туннелей // Гражданское строительство. — 1969. — №11. — С. 11-17.

78. Славин Б.Е. О горном давлении при сооружении тоннелей в трещиноватых скальных породах // Метрострой. — 1966. — №3.

79. Смирнов В.А. Отчет по определению модуля деформаций пород на ст. Чкаловская I линии метрополитена в г. Екатеринбурге / Смирнов В.А., Строев Ю.М. Екатеринбург: ООО «Метрострой-ПТС», 2007. - 31 с.

80. СНиП 2.03.01-84*. Бетонные и железобетонные конструкции. — М.: Стройиздат, 1984.

81. СНиП 32-03-2003. Метрополитены. -М.: Стройиздат, 2004.

82. СНиП 32-04-97. Тоннели железнодорожные и автодорожные. М.: Стройиздат, 1997.

83. СНиП И-94-80, Ч. II. Подземные горные выработки. Нормы проектирования. -М.: Стройиздат, 1982.

84. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. — М.: Недра, 1987.-221 с.

85. Фотиева Н.Н. Расчет обделок тоннелей некруглого поперечного сечения. — М.: Стройиздат, 1974. — 240 с.

86. Чеботаев В.В., Лыткин В.А., Фотиева Н.Н., Тарасенко Е.Н. Определение нагрузок на крепь по измеренным деформациям // Устойчивость и крепление горных выработок. Вып. 2.— Л.: ЛГИ, 1976. С. 108-114.

87. Чеботаев В.В. Исследование деформативности массива горных пород применительно к расчетам тоннельных конструкций метрополитенов глубокого заложения: автореферат дис. . канд. техн. наук. М., 1969. - 17 с.

88. Четыркин Н.С., Зведенюк Б.Н, Силкин А.С., Шемардов А.П., Чеботаев В.В., Воробьев J1.A. Мониторинг напряженно-деформированного состояния тоннельных конструкций. // Метро и тоннели. 2003. - №5. С. 24-26.

89. Шмидт А. Расчет двухслойных облицовок тоннелей, с учетом связи между набрызгбетонном и литым бетоном. — Bauingenieur, 1986. Т. 61. — № 2. -С. 63-72.

90. Юфин С.А. Механические процессы в природных массивах и взаимодействие их с подземными сооружениями: автореферат дис. . д-ра техн. наук. — М., 1991.-36 с.

91. Barton N. The main causes of the Pinheiros cavern collapse. ITA-AITES World tunnel congress 2009 and the 35th ITA-AITES General Assembly. -Budapest, 2009.

92. Bezuijen A. Calculation Models based on Monitoring during Tunnel Construction. ITA-AITES World tunnel congress 2006 and the 32th ITA-AITES General Assembly "Safety in the underground space" / Bezuijen A., Talmon A. -Seoul, 2006.

93. Braun W.M. Application of the NATM in deep tunnels and difficult rock conditions. Tunnels & Tunneling, 1980/3. - P. 17-20

94. Brown E.T. Putting the NATM into perspective / special issue. — Tunnels & Tunneling, 1990/9. P. 9-13.

95. David M. P. Finite Element Analysis in Geotechnical Engineering: Theory and Application.Thomas Telford Ltd / David M. P., Zdravkovic L. — 2001. — 500 p.

96. Fiumara С. Settlements control in driving a shallow tunnel. ITA-AITES World tunnel congress 2006 and the 32th ITA-AITES General Assembly "Safety in the underground space" / Fiumara C., Pizzarotti E. M., Verzani L. P. Seoul, 2006.

97. Golser J. Another view of the NATM. Tunnels & Tunneling, 1979/3.1. P. 41

98. Karaku§ M. An insight into the New Austrian Tunnelling Method (NATM) / Karaku§ M., Fowell RJ. ROCKMEC'2004-Vnth Regional Rock Mechanics Symposium, 2004. Sivas, Tiirkiye.

99. Lunardi P. The design and construction of tunnels using the approach based on the analysis of controlled deformation in rocks and soils. // T&T International special supplement in conjunction with Rocksoil spa. May, 2000. — 30 p.

100. Moller S. Basic Understanding of Constitutive Models in PLAXIS. Plaxis Users Meeting. St. Petersburg, 2008. 25 p.

101. Moller S. C. Tunnel induced settlements and structural forces in lining. -Stuttgart: 2006.- 174 p.

102. Myers K. The collapse of NATM tunnels at Heathrow Airport. HSE BOOKS. 2000- 110 c.

103. Powell D., Clayton C. SQL tunnelling in stiff clays: recent experience and future needs. Tunel. Keynote lectures. ITA-AITES WTC. Prague, 2007. P. 33-50.

104. Rabcewicz L.Y. The New Austrian Tunnelling Method. Water Power. 1964/11. P. 453-457 (Part 1); 1964/12. P. 511-515 (Part 2), 1965/1. P. 19-24 (Part 3).

105. Schikora K., Fink T. Berechnungsmethoden moderner bergmannischer Bauweisen beim U-Bahn-Bau. Bauingenieur, 57. 1982. - P. 193-198.

106. Sprayed concrete for primary tunnel lining. ITA-AITES World tunnel congress 2007 and the 33th ITA-AITES General Assembly / Polak P., Cyron D., Vlasimsky J., Mika V. Prague, 2007.

107. Stability analysis of tunnels an approach using random set theory. ITA-AITES World tunnel congress 2009 and the 35th ITA-AITES General Assembly / Pottler R., Marcher Т., Nasekhian A., Schweiger H.F. - Budapest, 2009.

108. Training lectures on engineering geology and NATM tunneling. Geoconsult / Tekfen Impresit J.V. Vol. 1,2.- 1994. - 495 p.

109. Wittke W. New Austrian Tunneling Method (NATM) — Stability Analysis and Desing / Wittke W., Pierau В., Erichsen C. Aachen (Germany): 2002. - 424 p.