автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Методика определения усилия лобового сопротивления при сооружении тоннелей способом продавливания

Мосолов Георгий Владимирович

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСИЛИЯ ЛОБОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРИ СООРУЖЕНИИ ТОННЕЛЕЙ СПОСОБОМ ПРОДАВЛИВАНИЯ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 О МАЙ 2013 005060303

005060303

Мосолов Георгий Владимирович

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСИЛИЯ ЛОБОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРИ СООРУЖЕНИИ ТОННЕЛЕЙ СПОСОБОМ ПРОДАВЛИВАНИЯ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в ОАО «Научно-исследовательский институт транспортного строительства» (ОАО ЦНИИС)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

|_Демешко Евгений Андреевич

Официальные оппоненты: Дорман Игорь Яковлевич

доктор технических наук, ОАО «Метрогипротранс», вице-президент по научной работе

Мазеин Сергей Валерьевич

кандидат технических наук, Тоннельная ассоциация России, начальник научно-технического отдела

Ведущее предприятие: ОАО «Моеннжпроект», г. Москва

Защита состоится «Сй» (МО(м51 2013 г. в (0_\СЭв ауд. №42 на заседании диссертационного совета Д 212.126.02 ВАК Министерства образования и науки РФ при Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский проспект, дом 64, ауд. 42.

Справки по тел./факс +74991559324.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ.

Ваши отзывы на автореферат в количестве двух экземпляров, заверенные печатью, просим направлять в диссертационный совет университета.

Автореферат разослан «1о» 2013 г.

г?

Н.В. Борисюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В последние годы со значительным ростом грузоперевозок остро встаёт вопрос повышения пропускной способности магистралей, особенно в местах их пересечения. Традиционные методы сооружения подземных проездов или пешеходных переходов под насыпями существующих дорог связаны с частичным перерывом движения по ним и, следовательно, с экономическими потерями и высокой трудоемкостью работ. Наиболее эффективным методом пересечения транспортных магистралей в этих условиях является строительство транспортных тоннелей способом продавливания, позволяющим вести работы без прекращения движения по существующей магистрали.

Одним из важнейших параметров, от которого зависят условия проектирования тоннеля, сооружаемого способом продавливания является лобовое усилие продавливания ножевой части тоннеля.

Зарубежными проектными организациями накоплен большой опыт проектирования тоннелей, сооружаемых способом продавливания крупногабаритных секций. Это позволило им разработать свои методики расчета усилий продавливания. Описание данных методик является элементами интеллектуальной собственности фирмы-проектировщика, поэтому проведение их анализа не представляется возможным.

На данный момент существующая в нашей стране расчётно-теоретическая методика определения компоненты полного усилия продавливания - лобового сопротивления - это расчет по удельным сопротивлениям внедрения в грунт ножевых элементов, полученным на основе опытных работ. При этом методе расчета имеют место эмпирические данные, влияющие на конечные результаты лобовых сопротивлений. Данный подход может приводить к недостоверным прогнозам требуемого усилия.

Поэтому разработка методики по определению усилия продавливания, базирующейся на фундаментальных теориях взаимодействия грунтовой среды, сооружений и строительного оборудования является актуальной научной задачей.

Цель и задачи диссертации.

Цель работы - разработать методику определения величины лобового усилия продавливания для тоннеля из крупногабаритных секций прямоугольного сечения.

Основные задачи диссертации:

- провести экспериментально-теоретические исследования предельно-напряженного состояния грунта при продавливании ножевой части тоннеля;

- разработать методику расчета лобовых усилий продавливания секции для тоннеля прямоугольного очертания;

- провести натурные исследования параметров усилия при строительстве тоннельного перехода способом продавливания и выполнить сравнительный анализ полученных натурных параметров с расчетными;

- разработать алгоритм расчета лобовых усилий продавливания тоннеля и дать рекомендации по их определению.

Методика исследований.

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

В теоретических исследованиях использовано решение плоской задачи предельного равновесия сыпучей среды. Экспериментальные исследования выполнены в производственных условиях.

С применением разработанной методики выполнены расчеты для натурной секции тоннеля. Результаты проведенных расчетов сопоставлялись с натурными данными.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработаны расчетные модели продавливания в грунт клиновидных элементов ножевой части продавливаемого тоннеля прямоугольного очертания на основе строгих теорий механики грунтов;

- предложены критерии для определения существования стадий предельно-напряженного состояния грунта при внедрении в него вертикальных клиновых элементов;

- разработана методика расчета лобового усилия продавливания крупногабаритной секции прямоугольного очертания;

- выявлены особенности взаимодействия грунтовой среды и элементов ножевой части и установлены зависимости лобового усилия продавливания для ножевой части автодорожного тоннеля от основных влияющих факторов: угла внутреннего трения грунта, сцепления грунта и толщины секции.

Практическую значимость работы составляют:

- аналитические решения расчета усилия внедрения клиновидных элементов ножевой части в грунт в условиях трехмерного объемного сдвига;

-алгоритм расчета, позволяющий быстро и эффективно выполнять многовариантные расчеты усилий продавливания прямоугольных секций тоннеля;

- номограмма, позволяющая оценить величину лобового усилия в зависимости от основных влияющих факторов на этапе предпроектной подготовки.

Достоверность полученных результатов определяется:

- строгостью исходных предпосылок применяемых методов исследований;

- высокой сходимостью результатов расчетов по разработанным математическим моделям с натурными исследованиями технологических параметров тоннеля, сооружаемого способом продавливания.

Реализация результатов.

Результаты работы использованы ОАО «Мосинжпроект» при проектировании конструкций ножевой части и домкратной установки по строительству транспортного тоннеля под железнодорожными путями Курского направления МЖД, сооружаемого закрытым способом методом продавливания.

Апробация работы.

Результаты исследований и основные научные положения диссертационной работы доложены на заседаниях секции «Метро и тоннелестроение, освоение подземного пространства» Ученого совета ОАО ЦНИИС, 2007-2012 гг.

Публикации.

Результаты диссертационного исследования полностью изложены в 4 работах, опубликованных автором, в том числе 1 в журнале «Транспортное строительство», рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Основной текст изложен на 136 страницах, содержит 11 таблиц, 59 рисунков. Ссылки даны на 97 источников.

В память научному руководителю д.т.н., проф. Е.А. Демешко.

Автор выражает благодарность коллективам лаборатории «Горного давления и норм расчета» НИЦ «Тоннели и метрополитены» филиала ОАО ЦНИИС и мастерской №7 ОАО «Мосинжпроект» за помощь при проведении исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе даётся обзор вариантов сооружения тоннелей способом продавливания, рассмотрен отечественный и мировой опыт сооружения тоннелей методом продавливания, рассмотрены основные расчетные методики определения усилий продавливания.

В случаях пересечения железнодорожных и автодорожных магистралей, рек, каналов, насыпей технически целесообразным и экономически эффективным является применение способа продавливания тоннелей. Основной отличительной особенностью способа по сравнению с щитовым является задавливание обделки непосредственно из стартового котлована с помощью домкратных групп.

Способ продавливания имеет ряд особенностей, таких как возможность ведения работ без нарушения движения транспортных средств по пересекаемой магистрали, исключение перекладок подземных коммуникаций, сведение к минимуму сдвижений и деформаций грунтового массива и поверхности, снижение трудоемкости тоннелестроительных работ, сокращение сроков

строительства на участке продавливания.

Вопросы сооружения тоннелей специальными способами, в том числе способом продавливания рассматриваются в работах Васюкова П.А., Голицынского Д.М., Гарбера В.А., Демешко Е.А., Дормана И.Я., Кривенко A.A., Кривошеина A.M., Маковского JI.B., Меркина В.Е., Самойлова В.П., Цытовича Н.А; за рубежом в работах D. Allenby, J.W.T. Ropkins, C.W. Daugherty, J. Leeney, P. Van Dijk.

При проектировании тоннелей методом продавливания всегда встаёт задача определения усилий сопротивления продавливанию, которые необходимы для последующего выбора технологической схемы проходки тоннеля, механических устройств и их проектирования.

Определению усилий сопротивления продавливанию, в том числе при щитовой проходке посвящены работы Алексеева A.B., Демешко Е.А., Лушникова A.B., Маковского JI.B., Мазеина C.B., Самойлова В.П., F.X. Borghi,

D. Bennet, W. Broere, P. Coller, D. Frost, К. Staheli.

При проектировании ножевой части тоннеля, сооружаемого методом продавливания, основным расчётным параметром является лобовое усилие продавливания.

При внедрении ножевой части головной секции тоннеля в грунтовый массив возникает лобовое сопротивление, сопровождаемое сдвигом части грунта в забое в сторону внутреннего пространства секции.

В существующей практике проектирования методики определения лобовых усилий внедрения ножевой части тоннельных секций можно разделить на 3 вида: аналоговая методика, экспериментальная методика и расчетно-теоретическая методика.

Аналоговая и экспериментальная методики носят ориентировочный характер и могут приводить к недостоверным результатам усилий, в силу невозможности учета взаимодействия множества факторов (таких как плотность грунта, сцепление, угол внутреннего трения, толщина секции), влияющих на конечный результат.

В расчётно-теоретической методике можно выделить два варианта расчета:

1. Расчёт по удельным сопротивлениям внедрения в грунт ножевых элементов, полученным на основе опытных работ Беккер Д.И., Васюкова П.А., Демешко

E.А., Малого И.М., Малояна Э.А., Самойлова В.П.;

2. Расчёт, базирующийся на фундаментальных теориях статической работы грунтовой среды и сооружений.

В варианте расчета по удельным сопротивлениям участвуют эмпирические данные, игнорирующие многие факторы, влияющие на конечные результаты лобовых сопротивлений, поэтому при расчете могут иметь место значительные

погрешности результатов.

В варианте расчета, базирующимся на фундаментальных теориях статической работы грунтовой среды и сооружений результаты подтверждаются как обобщёнными теориями механики грунтов, так и экспериментальными исследованиями поведения грунтов под воздействием внешней нагрузки.

Теория предельного равновесия грунта, предусматривающая в каждой точке зоны сдвига грунта образование элементарных площадок, на которых выполняется условие предельного равновесия и образующих поверхности скольжения и их сетки была развита Соколовским В.В., а некоторые частные задачи были решены Березанцевым В.Г., Голушкевичем С.С., Клейном Г.К.

Развитию теории предельно-напряженного состояния (ПНС) также посвящены работы Ивлева Д.Д., Кондратьева Д.С., Хаар А., Карман Т.

В области тоннелестроения исследованиями предельного состояния грунтов занимались Гарбер В.А., Демешко Е.А., Самойлов В.П., Цытович H.A.

Из существующих расчетно-теоретических методик определения лобового усилия продавливания, основанных на теории предельного равновесия грунта можно выделить следующие:

- методика расчета для нахождения лобового усилия при вертикальном продавливании шахтных стволов кругового очертания (Самойлов В.П., Гарбер В.А.)

- методика определения лобового усилия внедрения ножевого кольца в грунт при щитовой проходке тоннеля (Демешко Е.А.).

Данные методики разработаны для тоннелей и шахт кругового очертания и неприменимы для расчета внедрения прямоугольной ножевой части, ввиду особого распределения предельно-напряженного состояния в грунте при внедрении прямоугольной секции.

Анализ состояния вопроса сооружения тоннелей способом продавливания показал, что для разработки методики расчета лобовых усилий необходимо провести исследования предельно-напряженного состояния массива грунта в забое при продавливании ножевой части тоннельной секции.

На основе проведенного аналитического обзора были определены цель и задачи настоящего исследования.

Во второй главе представлены аналитические решения и расчетно-теоретическая методика для определения лобового усилия внедрения клиновидных элементов ножевой части (НЧ) в грунт.

Особенностью процесса внедрения в грунт ножевых элементов головной части продавливаемых секций является принудительный сдвиг грунтовых масс, что описывается в механике грунтов пластическим напряженным состоянием

(теорией предельного равновесия сыпучей среды).

В этом виде напряжённо-деформируемого состояния грунтов необходимое решение может быть найдено в зависимости от граничных условий для трёх основных задач: плоской, осесимметричной и пространственной.

К настоящему времени теоретическое решение разработано В.В. Соколовским в общем виде для плоской задачи предельного равновесия сыпучей среды и В.Г. Березанцевым для осесимметричной. Практические решения получены конечно-разностным методом. Что касается пространственной задачи теории предельного равновесия, то она требует для своего замкнутого решения дополнительные уравнения связи.

Для обеспечения замкнутости системы при разработке методики расчета лобового усилия продавливают применялось решение плоской задачи предельного равновесия отдельно для элементов, находящихся в горизонтальной и вертикальной плоскости.

Таким образом, для элементов вертикальной плоскости рассматривались задачи отдельно для козырька и лотка ножевой части, а для элементов горизонтальной плоскости - задачи для боковых стен ножевой части.

При расчете усилия козырька ножевой части применялась плоская задача предельного равновесия. На основе теории Соколовского В.В. определяются области предельного равновесия грунта - минимальная, максимальная и переходная (рис. 1). Границы области зависят от физико-механических характеристик грунта, от угла заострения козырька и от глубины его внедрения. Откосный забой заменяется распределенным боковым давлением Р (рис. 1), нарастающим с увеличением глубины.

Усилие внедрения козырька ножевой части определяется по формуле:

Я, =д-эт{а + 8)-ОА-Вш

нар

,где

g = [(r-OD-tg2 (45° - <р / 2) + Я) / (1 ■- sin $?)] • [sin(A + 5) / sin Д] • exp(2¿r,a • tgcp) - H

)

H — с ■ ctg<p

- всестороннее нормальное растягивающее напряжение, У - плотность грунта, кН/м3; (р — угол внутреннего трения грунта, град; А = arcsin(sin 81 sin ф)

- вспомогательный угол, необходимый для дальнейших вычислений, град;

8 - угол трения пары «сталь-грунт», град;

О — угол раствора переходной области, рад (рис.1);

Внар - наружная ширина секции.

Рис. 1. Расчетная схема для козырька ножевой части 1к - длина клипа; I - текущая глубина внедрения киша; /( - угол раствора пассивной области; р - угол раствора активной области; в - угол раствора переходной области; Р -пригрузка от откосного забоя; /Зз -угол наклона забоя, го, О - начальный и конечный радиус переходной области, ак - угол заострения козырька ножевой части, I - толщина секции Цветовые обозначения: СЗ . 0бласть максимальных напряжений по В.В. Соколовскому (пассивная область О С О);

- переходная область (ОВС); СЗ - область минимальных напряжений по В.В. Соколовскому (активная область ОАВ);

В ходе предварительных расчетов установлено, что влияние лотка ножевой части на общее усилие продавливания около 15%. Для вычисления усилия, ввиду его малого влияния, применялся метод сдвига грунта по граничной круглоцилиндрической поверхности, широко применяемый в практике проектирования для расчета реальных задач устойчивости сооружений и грунтовых массивов.

Усилие внедрения лотка ножевой части определяется по формуле: 11, = д-вт(а + Я)ОА-Внартяе

01 - сдвигающая равнодействующая сила предельного давления по контактной плоскости НЧ лотка, кН;

ОА - контактная плоскость ножевой части лотка и грунта, м;

СС - угол заострения клиновидного элемента лотка, град.

Основной компонентой лобового усилия продавливания является усилие внедрения вертикальных элементов (боковых стен) ножевой части.

Для нахождения усилия внедрения вертикальных элементов откосный забой делится на расчетные слои грунта, в которых рассматриваются только горизонтальные предельные напряжения. Собственный вес учитывается в горизонтальных направлениях в соответствии с удельным сцеплением, как элемент касательных напряжений по границе слоев. Это позволяет рассматривать задачу в такой постановке, как для невесомой среды, решение для которой существует.

При разбиении откосного забоя на горизонтальные слои, каждый слой получает свои собственные граничные условия, в виду непрерывного изменения глубины внедрения. Изменение граничных условий в расчетных схемах слоев приводит по всей высоте забоя (от козырька к лотку) к одной из трех стадий (рис. 2) развития зон выпирания грунта (областей предельного напряженного состояния грунта).

В предельном состоянии в грунтовом массиве образуется зона сдвига, состоящая из трех областей ПНС (рис. 2). Сдвиг грунта осуществляется от активной области к пассивной при минимальном превышении предельных тангенциальных напряжений со стороны грунтового массива, действующих вдоль граничной линии скольжения. ■

Для определения существования одной из трех стадий были предложены критерии, позволяющие выбрать необходимый вариант решения для каждого слоя.

Критическая глубина внедрения является основным параметром, который определяет возникновение стадии для каждого расчетного слоя грунта. Она находится по формуле:

= В • сова / 2 • (1 / (зт2// • ехр {-вpaдígф) / cos.fi ■ 5т( л-2ц - /?)) + эта)

,где

В— ширина секции НЧ, м;

а — угол заострения клина НЧ, град;

Ф - угол внутреннего трения грунта, град; угол трения пары «сталь-грунт», град;

ц - л IА - (р 12 _ уГ0Л раств0ра области минимальных напряжений, град (область АОВ, рис. 2),

В = л / 2 - и- (агсвтГвт 8 / эт т) + 8) / 2 ,

^ г у / ' - угол раствора области

максимальных напряжений, град (область ОС(3, рис. 2),

6 = л 12 + а - {л I А- (р 12}- л 12- ц- (агсвт^т 8 / бш ф) + 8) / 2

угол раствора переходной области ПНС, град (область ОВС, рис. 2).

1 стадия (рис. 2а) образуется при начальном внедрении боковых клиновидных элементов в грунт и длится до достижения критической глубины 1кр. Данную схему образования линий скольжения принято называть стандартной моделью.

2 стадия (рис. 26) образуется при превышении глубиной внедрения клина критической глубины 1кр. Для данной стадии характерно полное наложение пассивных областей предельно-напряженного состояния и частичное наложение переходных областей. Здесь можно видеть существование стандартной модели и дополнительных новых переходных областей ПНС.

3 стадия (рис. 2в) образуется, когда прямолинейная граница забоя совместно с пассивной областью ПНС перемещается от наклонных граней НЧ во внутреннее пространство секции. Оно ограничено параллельными гранями стен. Внутри секции ширина забоя не меняется. Особенностью данной стадии является перелом контактного профиля в активной области ПНС и, как следствие, образование дополнительных переходных и формирование новых промежуточных областей.

Следует отметить, что в основе построения кривых скольжения, пересекающих продольную ось НЧ, положено граничное условие: все кривые линии скольжения на оси пересекают её под углом ^ / 2 - // уем самьш удовлетворяется правило статики сооружения для плоских задач.

Усилие внедрения боковых стен для I стадии будет равно: R's,. = Ча ■ОА ■ sin(a + 8) ■ На, где Ч„ = с ■ ctg(p{(sm(A + 8) / (1 - sin ф) ■ sin Д) • ехр(26> • tan <р)~ 1) - распределенная нагрузка на плоскость клина, кН/м; Нсл - высота расчетной ступени, м; ОА — контактная плоскость ножевой части и грунта, м;

Усилие внедрения боковых стен для II стадии будет равно:

R"Г,е. = (яa -OA + (qa+qa)-(ОАОА) /2)• sin(a + S)-Ha, где qa = с ■ ctg<p((sin(A + <У) / (1 - sin <р) • sin Д) • ехр(2(6> + в2) • tan <р) -1) qa = с ■ ctg<p((sin(A + 8) / (1 - sin ср) ■ sin Д) ■ ехр(2 • (6> + въ + <94) • tan <р) -1)

01, 02, 0з, 04 - углы раствора переходной и дополнительной области, град; ОА - контактная плоскость ножевой части и грунта на длине действия стандартной модели (линия Оа на рис.2б)

ОА' - контактная плоскость ножевой части и грунта (линия ОА на рис.2б) Усилие внедрения боковых стен для III стадии будет равно: R"'б,. = (1a OA + qu ■ OU) • sin(or + S)-Hai, где qa = с ■ ctgcp{(sin(A + 8) / (1 - sin <p) ■ sin Д) ■ exp(2(<9, + в2 + <93) • tan <p) -1) qu = с ■ ctg<p((sin(A + 8) / (1 - sin (p) ■ sin Д) ■ exp(26,2 • tan (p) -1)

ОА - контактная плоскость клиновой ножевой части и грунта, м;

011 - контактная плоскость внутренней части секции (линия ОсОк на рис.2в).

С помощью решений для плоской задачи предельного равновесия грунтовой среды получена эпюра распределения напряжений на поверхности клина для каждого расчетного элемента конструкции НЧ, а соответственно и критическое усилие, при котором произойдет потеря устойчивости грунтового массива в забое и продвижение НЧ.

В ходе теоретических исследований установлено, что в случае взаимодействия областей предельного состояния сопротивление внедрению может значительно возрастать из-за повышения коэффициента сжатия поперечного сечения НЧ. Для учета возможного повышения усилий вводится коэффициент повышения сопротивлений:

К5 = (Ь + 1)/Ь, где

Ь - номинальный пролет ячейки НЧ, / - длина взаимодействия областей. При отсутствии взаимодействия, коэффициент К, = 1.

Расчет усилия внедрения боковых стен выполняется послойным суммированием найденных значений усилия для каждой стадии ПНС:

Разработанная методика (рис.3) применима к ножевой части прямоугольного сечения для тоннеля, сооружаемого в неводонасыщенных насыпях. Ножевая часть предусматривает открытый наклонный забой (с углом наклона 03=0^-45° и более) с его разработкой на всю высоту.

Третья глава посвящена натурным исследованиям развития общего усилия продавливания на строительстве транспортного тоннеля под ж/д путями Курского направления МЖД.

Данные для анализа усилий были взяты со строящегося автотранспортного тоннеля на пересечении Варшавского шоссе с ж/д путями Курского направления. Он состоит из шести железобетонных секций в виде двух соседних рядов по три секции с четырьмя полосами движения по 3,75 м в ряду. Ряды смещены относительно друг друга на примерно половину секции. Таким образом, конструкция подземного автотранспортного перехода представляет собой двухочковый тоннель коробчатого сечения протяженностью от портала до портала 121,74 м.

По проекту между секциями устраивались кассеты с домкратами. Всего установлено три группы домкратов между секциями и задней упорной стенкой. Общее их число составило 145 шт.

Продавливание производилось поэтапно по принципу червячной передачи усилий, т.е. первая секция отталкивалась с упором во вторую, вторая - в третью, а третья - в упорную стенку. Длина рабочих заходок составила 80 см.

Примечание: I - текущая глубина внедрения клина, |кр - критическая глубина внедреню 1к-длина клина,

и - текущее значение захода забоя в секцию, 1)ч> - критическое значение захода забоя

Рис. 3 Алгоритм расчета лобового сопротивления внедрению для прямоугольного тоннеля, сооружаемого методом продавливания

Грунт в забое разрабатывался экскаватором «обратная лопата» сверху вниз под углом 55°. По трассе продавливания грунт был сложен из напластований различного возраста и состава с различными физико-механическими характеристиками. В виду необходимости продавливания в одном направлении трех секций, трасса продавливания разделена на три участка с длиной каждого равной длине секций (3x30 м), по геологическим условиям заметно отличающихся друг от друга. Для продавливания секций тоннеля использовалось 32 щитовых гидравлических домкрата с грузоподъемностью 3500 кН, ходом штока - 1000 мм и диаметром штока - 300 мм. Домкраты были собраны в пакеты и установлены между секциями.

Так как рабочая заходка составила 80 см, а общая длина продавливания составила 121,74 м, то в течение проходки тоннеля было зарегистрировано 152 общих показания манометра.

По полученным данным были построены графики изменения полного усилия продавливания для каждой домкратной группы, работающей при задавливании секций и ножевой части в грунт.

Исходя из анализа графика, выделено два основных режима работы ножевой части:

- режим начального внедрения ножевой части (постепенное внедрение ножевой части в насыпь, режим А на рис. 5);

- режим основной работы ножевой части (циклическое повторение основных этапов работы с величиной усилия продавливания, зависящего от грунтовых условий, режимы Б-1, Б-2, Б-3 на рис.5).

График усилий, полученных при режиме В (выход ножевой части) имеет характерный спад, что является следствием снижения лобового сопротивления.

Максимальное усилие, зафиксированное при проведении натурных наблюдений, развивалось при продавливании 3-й секции и равнялось 97870 кН.

В четвертой главе представлены результаты сравнительного анализа полученных натурных данных с расчетными, и результаты численного эксперимента, выполненного по разработанной методике.

При расчете усилий лобового сопротивления для условий тоннеля под ж/д путями Курского направления МЖД по разработанной методике трасса продавливания условно разделена на три участка с длиной каждого равной длине секций. Для учета характеристик различных слоев грунта в расчетах использован метод средневзвешенных значений грунтов в зависимости от их комбинаций в толще грунта. Расчеты выполнялись отдельно для всех трех секций.

Учитывая, что сопротивление трению с достаточной достоверностью может быть определено по «Рекомендациям по производству работ при строительстве тоннелей метрополитенов методом продавливания», можно определить соотношение в распределении общего усилия, приходящегося на преодоление сопротивления трению и лобовые сопротивления, принимая во внимание фактические условия ведения работ (малый объем нагнетания, простои между нагнетанием и продвижением секции).

Суммарное усилие

домкратов, кН

Длина

Рис. 4 Общий график изменения полного усилия продавливания проходки, м

Полученные расчетные значения усилий для фактических условий приведены в таблице 1.

Максимальные расчетные и фактические усилия _Таблица 1

№ участка продавли вания Общие усилия продавливания (по данным измерений), кН Усилия сопротивления трению (по рекомендациям ), кН Лобовые усилия (по данным измерений), кН Лобовые усилия(по разраб. методике), кН Разница расчет, лобовых усилий и натурных, %

1 84329 56719 27610 34401 19

2 90156 57317 32839 38747 15

3 97872 58223 39649 44080 10

В ходе сравнительного анализа установлено, что максимальная разница между расчетными и фактическими усилиями составила 19 % (для первого участка продавливания, режим Б-1, рисунок 4), что показывает достаточную сходимость результатов для натурного эксперимента.

Для определения зависимостей и взаимного влияния основных факторов (угол внутреннего трения грунта, сцепление грунта, толщина секции) на усилие лобового сопротивления был поставлен численный эксперимент для параметров сооружения автотранспортного тоннеля длиной до 300 м для категорий дорог I и II в соответствии с ГОСТ 24451-80.

Для выявления основных влияющих факторов на лобовое усилие продавливания были проведены серии расчетов, в результате которых установлено следующее:

— при изменении плотности грунта на 2 кН/м3 лобовое усилие продавливания изменяется в пределах 3% (рис.5а), что является допустимой погрешностью, поэтому при проведении расчетов было принято постоянное значение плотности грунта — 18 кН/м3;

— при постоянной толщине секции оптимальный угол заострения клиновидных элементов НЧ, при котором обеспечивается минимальное лобовое усилие при различных значениях сцепления грунта — 35° (рис 56).

Предполагается, что сооружение тоннеля производится с использованием тиксотропной рубашки, представляющей собой раствор бентонитовой глины, закачиваемой между контуром породного отверстия и верхней поверхностью ножевой части секции. Поэтому для расчета угол трения пары «сталь-грунт» заменяется углом трения «сталь-бентонит-грунт» и равен 8°.

Таким образом, при проведении численного эксперимента были рассмотрены три фактора, влияющих на значение лобового усилия: угол внутреннего трения грунта, сцепление грунта и толщина секции. Выбранные диапазоны значений основных влияющих факторов обосновываются возможными значениями принятого для проведения эксперимента типа грунтов (пески, супеси).

Следует отметить, что данный численный эксперимент рассчитывался исходя из следующих предпосылок:

— рассматривается ножевая часть (НЧ) с клиновыми профилями в горизонтальном сечении, симметрично расположенными относительно

продольной оси секции;

- основная расчетная схема для боковых стен включает НЧ с двумя клиновидными элементами без вертикальных перегородок;

— сооружение тоннеля проводится в слабоустойчивых грунтах (пески, супеси) с разработкой откосного забоя на всю высоту.

а) Р, кН

б) Р, кН

?огаю 18СОО ЗЙООО

:исюо 12000 10000 6000 60СЮ 4000 2(500 •

їбСяЮ »«я»

IX"»

»хто г і»*» амо

•£-1 $И=18

1Я.5 19 19,5 20 гол

'-^•і'^О фи-18 —г—с.=1

у, кН/м3

с, кН

17.5 18

Рис. 5 Зависимость лобового усилия от а) плотности грунта, б) угла заострения клиновидных элементов НЧ

В ходе расчетов лобового усилия продавливания было просчитано 54 варианта сочетания параметров для сооружения автомобильного тоннеля с внутренними размерами - 10x5,4 м.

Цель численного эксперимента сводится к установке зависимости значения лобового усилия продавливания от грунтовых (угол внутреннего трения и сцепление) и от технологических условий (толщина секции).

Для выявления искомой зависимости был применен тренд-анализ.

Полученные значения лобовых усилий были отсортированы в порядке убывания и, по получившемуся числовому массиву, была построена зависимость значения лобового усилия от вариантов сочетания влияющих факторов. Для графического отображения влияющих факторов, соответствующих своему значению лобового усилия, каждому фактору (С, (р, 0 присвоено графическое обозначение, в зависимости от сочетания, принятого в расчете.

Аппроксимация полученных значений лобового усилия выполнена по логарифмической кривой (у=-222311п(х)+91611; Я2=0,99). Значение достоверности аппроксимации Ы2=0,99 показывает, что результаты расчета достаточно плотно легли на сглаживающую кривую, а незначительное отклонение точек можно рассматривать как случайное.

С помощью построенной номограммы (рисунок 5) в первом приближении можно оценить значение лобового усилия продавливания секции при заданных параметрах грунта и секции. Однако данные результаты следует использовать как ориентировочные и подлежащие уточнению при дальнейшем проектировании.

Проведенный численный эксперимент позволил выявить зависимости лобового усилия продавливания от основных влияющих факторов и при их различных сочетаниях.

230000 220000 210000 200000 190000 18СЮ00 ^ 170ЕЮ0 160000

к

І иоаоо

га

¡° 140000 § вдов

| ш®

= іїоооо ® ..........

| юоаоо

5 90000

I 80000

о 70(100 ю

^ боооо

50000 40000 30000 20000 10000 о

у ••• ~22231!п{х) + 91611

1=0,55

1=0,45

Варнакгы решений сочетания параметров X

X толщина секции 1=0,55 м ♦ угол внутр. трен, грунта ф=40° © угол внутр. трен, грунта ф=25' □ сцепление грунта С=50 кН

▲ . толщина секции ^0,45 м угол внутр. трен, грунта ф=34° » угол внутр. трен, грунта ф=22° -Ь сцепление грунта С=25 кН

■ - толщина секций Ы),35 м угол внутр. трен, грунта ф=28° Ж угол внутр. трен, грунта ф-18° А сцепление грунта С=1 кН

Рис. 6 Номограмма зависимости влияюших папаметюов

лобового усилия продавливания

от вариантов сочетания основных

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. Разработана математическая модель взаимодействия элементов ножевой части прямоугольной крупноразмерной железобетонной секции, учитывающая физико-механические свойства грунтов напластований и особенности работы грунта в пластической стадии деформации.

2. Впервые получены аналитические решения для расчета усилия внедрения клиновидных элементов ножевой части в грунт в условиях трехмерного объемного сдвига методом дробления наклонного забоя на плоские сечения и применением к ним плоской задачи предельного равновесия сыпучей среды.

3. Предложены критерии существования стадий предельно-напряженного состояния грунта, определяющие вариант расчета при внедрении в грунт вертикальных клиновидных элементов в горизонтальном направлении.

4. На основании полученных конечных решений для элементов ножевой части разработана методика расчета лобового усилия внедрения прямоугольной крупноразмерной секции тоннеля, учитывающая характер работы грунтового массива в упруго-пластической стадии.

5. Разработан алгоритм расчета, позволяющий быстро и эффективно выполнять многовариантные расчеты лобовых усилий продавливания прямоугольных крупноразмерных секций тоннеля.

6. Выполнен сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований. Удовлетворительное согласование с данными натурных измерений (81-90%) свидетельствует о достоверности принятых предпосылок и возможности использования разработанной методики в научных и практических целях.

7. На основании численного эксперимента, выполненного с использованием разработанной методики, установлены зависимости лобового усилия продавливания для ножевой части автодорожного тоннеля от основных влияющих факторов: угла внутреннего трения грунта, сцепления грунта и толщины секции.

8. Построена номограмма, с помощью которой можно предварительно оценить значение лобового усилия продавливания секции при заданных параметрах грунта и секции на этапе предпроектной оценки строительства.

9. Результаты диссертационной работы использованы ОАО «Мосинжпроект» при разработке проектной документации на сооружение тоннеля методом продавливания на пересечении Варшавского шоссе с ж.д. путями Курского направления.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Мосолов, Г.В. Исследования взаимодействия головной секции и грунтового массива при производстве работ по продавливанию тоннелей / Г.В. Мосолов // Транспортное строительство. - 2012. - №6, с. 12-15. — ISSN 01 314300

2. Мосолов, Г.В. Натурные и теоретические исследования взаимодействия головной секции и грунтового массива при производстве работ по продавливанию тоннелей / Г.В. Мосолов // Научно-техническое сопровождение проектирования и строительства тоннелей и метрополитенов в сложных инженерно-геологических и градостроительных условиях: сб.науч.тр. / -М.: ОАО ЦНИИС, 2012. - №264. -С. 89-97.

3. Мосолов, Г.В. Демешко, Е.А. Анализ современного состояния сооружения тоннелей способом продавливания / Г.В. Мосолов // Транспортное тоннелестроение. Современный опыт и перспективные разработки: сб.науч.тр. / -М.: ОАО ЦНИИС, 2008. - №248. -С. 30-42.

4. Мосолов, Г.В. Демешко, Е.А. Теоретические исследования взаимодействия головной секции и грунтового массива при производстве работ по продавливанию тоннелей / Г.В. Мосолов // Проблемы надежности и эффективности тоннельных конструкций: сб.науч.тр. / -М.: ОАО ЦНИИС, 2009. -№254.-С. 30-38.

Подписано в печать 17.05.2013. Формат 60 х 84 '/,<,. Объем 1,5 п.л. Тираж 100 экз. Заказ 5.

Отпечатано в типографии ОАО ЦНИИС.

129329, Москва, Кольская 1 Тел.: 8-499-180-94-65

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА (ОАО ЦНИИС)

На правах рукописи

04201357642

Мосолов Георгий Владимирович

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСИЛИЯ ЛОБОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРИ СООРУЖЕНИИ ТОННЕЛЕЙ СПОСОБОМ ПРОДАВЛИВАНИЯ

Специальность 05.23 Л1 — "Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей"

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

д.т.н., профессор [Демешко Е.А.

Москва - 2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................5

ГЛАВА I. ОБЗОР И АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ СООРУЖЕНИЯ ТОННЕЛЕЙ СПОСОБОМ ПРОДАВЛИВАНИЯ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ........................................................9

1.1 Основные особенности способа, область его применения.........................9

1.2 Классификация вариантов сооружения тоннелей продавливанием........11

1.3 Отечественный и мировой опыт строительства тоннелей способом продавливания............................................................................................................16

1.4 Существующие методики для определения усилия продавливания.......25

1.5 Цели и задачи диссертационных исследований........................................31

ГЛАВА II. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

ГОЛОВНОЙ СЕКЦИИ ПРОДАВЛИВАЕМОГО ТОННЕЛЯ И ГРУНТОВОГО МАССИВА С РАЗРАБОТКОЙ ПАКЕТА ПРОГРАММ ПО РАСЧЕТУ ПРЕДЕЛЬНОГО УСИЛИЯ ВНЕДРЕНИЯ НОЖЕВОЙ ЧАСТИ В ОТКОСНЫЙ

ЗАБОЙ........................................................................................................................33

2.1 Конструкция головной продавливаемой секции.......................................33

2.2 Исходные предпосылки к расчету лобового сопротивления ножевой части ...................................................................................................................36

2.3 Определение усилия внедрения козырька ножевой части продавливаемой секции............................................................................................38

2.3.1 Определение параметров зон предельного напряжённого состояния ....38

2.3.1.1 Определение значения усилия внедрения козырька ножевой части 40

2.4 Определение усилия внедрения лотка ножевой части продавливаемой секции в грунт при откосном забое.........................................................................41

2.4.1 Обоснование расчетной схемы....................................................................41

2.4.2 Расчетная схема.............................................................................................41

2.4.3 Определение области сдвига грунта...........................................................42

2.4.4 Определение геометрических и физических параметров области сдвига..44

2.4.5 Определение значений и направлений действия сил, приложенных к области сдвига............................................................................................................47

2.4.6 Построение многоугольника сил и определение (графически и аналитически) усилия Rtt внедрения лотка секции в грунт.....................................50

2.5 Определение усилия внедрения вертикальных элементов ножевой части продавливаемой секции..................................................................................52

2.5.1 Основные положения....................................................................................52

2.5.1.1 Области предельного напряженного состояния при изменении

глубины внедрения головной части секции в грунт..............................................53

2.5.2 Расчет значений критериев, определяющих стадии развития предельных напряженных состояний для вертикальных элементов ножевой части ...................................................................................................................62

2.5.2.1 Стадия IПНС..........................................................................................62

2.5.2.2 Стадия II ПНС.........................................................................................63

2.5.2.3 Стадия III ПНС........................................................................................65

2.5.3 Расчет усилия внедрения вертикальных элементов ножевой части продавливаемой секции в плоской постановке задачи..........................................66

2.5.3.1 Стадия I ПНС..........................................................................................66

2.5.3.2 Стадия II ПНС.........................................................................................67

2.5.3.3 Стадия Illa ПНС......................................................................................74

2.5.3.4 Стадия III6 ПНС......................................................................................76

2.5.4 Расчет усилия внедрения вертикальных элементов в пространственной постановке задачи.....................................................................86

2.6 Алгоритм разработанной методики............................................................88

2.7 Выводы по главе............................................................................................90

ГЛАВА III. НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ИХ ПАРАМЕТРОВ НА СТРОИТЕЛЬСТВЕ ТРАНСПОРТНОГО ТОННЕЛЯ ПОД ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫМИ ПУТЯМИ КУРСКОГО НАПРАВЛЕНИЯ МЖД, СООРУЖАЕМОГО ЗАКРЫТЫМ СПОСОБОМ МЕТОДОМ ПРОДАВЛИВАНИЯ....................................................92

3.1 Общие данные строительства. Конструктивные особенности тоннельного перехода и продавливаемых секций.................................................92

3.2 Исследование усилий домкратной установки и характера разработки забоя ...................................................................................................................96

3.3 Анализ полученных результатов...............................................................106

3.4 Выводы по главе..........................................................................................109

ГЛАВА IV. РАСЧЕТ УСИЛИЯ ПРОДАВЛИВАНИЯ ПО РАЗРАБОТАННОЙ МЕТОДИКЕ И СРАВНЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ ДАННЫХ С НАТУРНЫМИ. 111

4.1 Принятые исходные данные для тестового расчета...........................111

4.2 Результаты тестового расчета.................................................................121

4.3 Сравнительный анализ натурных и расчетных данных.....................111

4.3.1 Принятые в расчете исходные данные..................................................111

4.3.2 Расчет усилий продавливания для натурной секции тоннеля..........112

4.3.2.1 Определение сопротивления трению грунта.....................................112

4.3.2.2 Определение лобового сопротивления грунта..................................113

4.3.3 Сравнительный анализ полученных результатов................................119

4.4 Выводы по главе........................................................................................125

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................126

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................128

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы со значительным ростом грузоперевозок остро встаёт вопрос повышения пропускной способности магистралей, особенно в местах их пересечения с существующими магистралями (ж.д.- и автодороги). Традиционные методы сооружения проездов или пешеходных переходов под насыпями существующих дорог связаны с частичным перерывом движения по ним, либо с высокой стоимостью работ. Одним из наиболее прогрессивных методов пересечения транспортных магистралей является строительство транспортных тоннелей через насыпи дорог методом продавливания. Ключевыми задачами при строительстве тоннелей методом продавливания являются скорость проходки тоннеля, его пропускная способность и экономическая эффективность строительства, решить которые позволяет применение способа продавливания крупногабаритных секций.

Актуальность работы.

В последние годы со значительным ростом грузоперевозок остро встаёт вопрос повышения пропускной способности магистралей, особенно в местах их пересечения. Традиционные методы сооружения подземных проездов или пешеходных переходов под насыпями существующих дорог связаны с частичным перерывом движения по ним и, следовательно, с экономическими потерями и высокой стоимостью работ. Наиболее эффективным методом пересечения транспортных магистралей в этих условиях является строительство транспортных тоннелей способом продавливания, позволяющим вести работы без прекращения движения по существующей магистрали.

Одним из важнейших параметров, от которого зависят условия проектирования тоннеля, сооружаемого способом продавливания является лобовое усилие продавливания ножевой части тоннеля.

Зарубежными проектными организациями накоплен большой опыт проектирования тоннелей, сооружаемых способом продавливания крупногабаритных

секций. Это позволило им разработать свои методики расчета усилий продав-ливания. Описание данных методик является элементами интеллектуальной собственности фирмы-проектировщика, поэтому проведение их анализа не представляется возможным.

На данный момент существующая в нашей стране расчётно-теоретическая методика определения компоненты полного усилия продавливания - лобового сопротивления - это расчет по удельным сопротивлениям внедрения в грунт ножевых элементов, полученным на основе опытных работ. При этом методе расчета имеют место эмпирические данные, влияющие на конечные результаты лобовых сопротивлений. Данный подход может приводить к недостоверным прогнозам требуемого усилия.

Поэтому разработка методики по определению усилия продавливания, базирующейся на фундаментальных теориях взаимодействия грунтовой среды, сооружений и строительного оборудования является актуальной научной задачей.

Цель работы - разработать методику определения величины лобового усилия продавливания для тоннеля из крупногабаритных секций прямоугольного сечения, сооружаемого способом продавливания.

Для достижения обозначенной цели были поставлены и решены следующие основные задачи:

- провести экспериментально-теоретические исследования предельно-напряженного состояния грунта при продавливании ножевой части тоннеля;

- разработать методику расчета лобовых усилий продавливания секции для тоннеля прямоугольного очертания;

- провести натурные исследования параметров усилия при строительстве тоннельного перехода способом продавливания и выполнить сравнительный анализ полученных натурных параметров с расчетными;

- разработать алгоритм расчета лобовых усилий продавливания тоннеля и дать рекомендации по их определению.

Методика исследований.

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

В теоретических исследованиях использовано решение плоской задачи предельного равновесия сыпучей среды. Экспериментальные исследования выполнены в производственных условиях.

С применением разработанной методики выполнены расчеты для натурной секции тоннеля. Результаты проведенных расчетов сопоставлялись с натурными данными.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработаны расчетные модели продавливания в грунт клиновидных элементов ножевой части продавливаемого тоннеля прямоугольного очертания на основе строгих теорий механики грунтов;

- предложены критерии для определения существования стадий предельно-напряженного состояния грунта при внедрении в него вертикальных клиновых элементов;

- разработана методика расчета лобового усилия продавливания крупногабаритной секции прямоугольного очертания;

- установлены зависимости лобового усилия продавливания для ножевой части автодорожного тоннеля от основных влияющих факторов: угла внутреннего трения грунта, сцепления грунта и толщины секции.

Практическую значимость работы составляют:

- аналитические решения расчета усилия внедрения клиновидных элементов ножевой части в грунт в условиях трехмерного объемного сдвига;

- алгоритм расчета и комплекс компьютерных программ, позволяющие быстро и эффективно выполнять многовариантные расчеты усилий продавливания прямоугольных секций тоннеля;

- номограмма, позволяющая оценить величину лобового усилия в зависимости от основных влияющих факторов на этапе предпроектной подготовки.

Достоверность полученных результатов определяется:

- строгостью исходных предпосылок применяемых методов исследований;

- высокой сходимостью результатов расчетов по разработанным математическим моделям с натурными исследованиями технологических параметров тоннеля, сооружаемого способом продавливания.

Апробация работы.

Результаты исследований и основные научные положения диссертационной работы доложены на заседаниях секции "Метро и тоннелестроение, освоение подземного пространства" Ученого совета ОАО ЦНИИС, 2007-2012 гг.

Реализация результатов. Результаты работы использованы ОАО «Мо-синжпроект» при проектировании конструкций ножевой части и домкратной установки по строительству транспортного тоннеля под железнодорожными путями Курского направления МЖД, сооружаемого закрытым способом методом продавливания.

Публикации.

Результаты диссертационного исследования полностью изложены в 4 работах, опубликованных автором, в том числе 1 в журнале "Транспортное строительство", рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Основной текст изложен на 136 страницах, содержит 11 таблиц, 59 рисунков. Ссылки даны на 97 источников.

В память научному руководителю д.т.н., проф. Е.А. Демешко.

Автор выражает благодарность коллективам лаборатории «Горного давления и норм расчета» НИЦ «Тоннели и метрополитены» филиала ОАО ЦНИИС и мастерской №7 ОАО «Мосинжпроект» за помощь при проведении исследований.

ГЛАВА I. ОБЗОР И АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ СООРУЖЕНИЯ ТОННЕЛЕЙ СПОСОБОМ ПРОДАВЛИВАНИЯ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Основные особенности способа, область его применения

Во многих случаях тоннели метрополитенов, городские автотранспортные и пешеходные тоннели залегают на небольшой глубине от земной поверхности и проходят в слабых грунтах под существующими зданиями, пересекают железнодорожные и автодорожные магистрали, реки, каналы, насыпи, дамбы и т.п. Для сооружения тоннелей открытым способом на участке пересечения таких препятствий необходимы сложные ограждающие конструкции. Эти работы нарушают движение транспорта по пересекаемой магистрали, а строительство ведут поэтапно с переустройством подземных коммуникаций. Иногда открытым способом пересечь преграду практически невозможно, а использование щитового способа проходки экономически не выгодно из-за сравнительно коротких участков пересечений и сопряжено с осадками поверхности [50, 53]. В таких случаях технически целесообразным и экономически эффективным может оказаться применение способа продавливания тоннелей (рисунок 1.1). Сущность способа очень близко подходит к щитовому способу проходки тоннелей, однако основной отличительной особенностью является задавливание обделки непосредственно из стартового котлована [27, 79].

Кроме этого способ продавливания имеет ряд дополнительных особенностей:

■ возможность ведения работ без нарушения движения транспортных средств по пересекаемой магистрали;

■ исключение перекладок подземных коммуникаций;

■ сведение к минимуму сдвижений и деформаций грунтового массива и поверхности земли;

■ снижение стоимости и трудоемкости тоннелестроительных работ;

■ сокращение сроков строительства на участке продавливания.

Рисунок 1.1 - Схема продавливания пешеходного тоннеля:

1 - ножевая секция; 2 - горизонтальные полки; 3 - продавливаемая обделка; 4 - контактный провод; 5 - кран; 6 - секция обделки; 7 - распределительная рама; 8 - домкратная установка; 9 - опорная стена; 10 - забойный котлован.

В силу указанных выше преимуществ, способ продавливания наиболее эффективен при проходке перегонных тоннелей метрополитена мелкого заложения, а также пешеходных и транспортных тоннелей под железнодорожными путями, автомобильными дорогами, коммуникациями и другими инженерными сооружениями в целях уменьшения возможных деформаций поверхности, обеспечения сохранности и нормального функционирования подземных и наземных сооружений [76].

Отсюда можно сделать вывод, что основной областью применения данного способа по грунтовым условиям являются насыпи, сложенные уплотненными и осушенными песчаными, супесчаными и глинистыми грунтами. Возможно продавливание и через слабые водонасыщенные грунты, осушенные водопони-жением или искусственно закрепленные.

1.2 Классификация вариантов сооружения тоннелей продавливанием

В зависимости от конкретных условий строительства могут быть реализованы разнообразные конструктивно-технологические схемы проходки тоннелей (рисунок 1.3).

Выбор схемы продавливания осуществляется предварительной оценкой: инженерно-геологических условий по трассе проектируемого тоннеля, будущего назначения тоннеля, финансовых возможностей Заказчика и допускаемых осадок поверхности [52].

3

Рисунок 1.2 — Схема продавливания крупногабаритных секций: 1-ножевая часть; 2-секция тоннеля; 3-железнодорожные пути; 4-ж/б упор; 5-домкратная группа; 6-ж/б блоки

Одной из основных схем является продавливание крупногабаритных секций (рисунок 1.2). Секции тоннеля изготавливают непосредственно рядом с местом продавливания в котловане на заранее устроенном основании. Учитывая большую массу таких секций, домкраты упирают только в их днище.

Оснащенные ножевой частью тоннельные секции продавливают в грунт за один прием. Поскольку ход домкратов значительно меньше длины продавливания, для передачи усилий на секцию используют постепенно наращиваемые коробчатые блоки [9, 13, 41, 42, 91, 92].

К недостаткам продавливания крупногабаритных секций можно отнести ограничение длин