автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Минимизация деформаций грунтового массива при строительстве городских транспортных тоннелей в условиях Вьетнама

На правах рукописи

Нгуен Куанг Ван

Минимизация деформаций грунтового массива при строительстве городских транспортных тоннелей в условиях Вьетнама

(05.23.11- «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей»)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

АПР 2015

005566517

Москва 2015

005566517

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» на кафедре мостов и транспортных тоннелей.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

директор филиала ОАОЦНИИС НИЦ «Тоннели и метрополитены» Щекудов Евгений Владимирович

Официальные оппоненты доктор технических наук,

Тоннельная ассоциация России Мазеин Сергей Валерьевич

кандидат технических наук, профессор кафедры механики грунтов и геотехники ФБОУ ВПО Московский государственный строительный университет Конюхов Дмитрий Сергеевич

Ведущая организация ОАО «Мосинжпроект»

Защита диссертации состоится «16» апреля 2015г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д.212.126.02 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу: 125319, Москва, Ленинградский проспект, д.64, ауд. 42. Телефон для справок: 8-(499)-155-93-24. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу диссертационного совета. Копию отзыва просим прислать на e-mail: uchsovet@madi.ru

Авторефератразослан «$» марта 2015г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время в г. Ханое в связи с продолжающимся осложнением транспортных проблем намечается ускоренное строительство линий метрополитена, которые в условиях плотной городской застройки являются наболее эффективным средством указанных решения задач. При строительстве и эксплуатации таких объектов возникает целый ряд проблем, которые необходимо решать еще на стадии проектирования.

Проблемы проявляются в виде деформаций грунтового массива. Чрезмерные деформации могут вызвать повреждения наземных и подземных сооружений. Оценка величины деформаций в городских условиях является одной из проблем, которую надо решить при проектировании тоннеля в сложных геологических условиях Вьетнама, требующих применения специальных мер по закреплению слабоустойчивых грунтов и минимизации нарушений зданий. В последнее время для крепления грунтового массива при строительстве тоннелей применили метод опережающей крепи. Такая технология имеет высокую эффективность в практике зарубежного строительства. Однако вопросы применения указанной технологии в крупных городах Вьетнама теоретически и экспериментально не рассматривались. Взаимодействие опережащей крепи с грунтом изучены недостаточно, а нормативные документы отсутствуют. В связи с этим такие исследования являются весьма актуальными.

Вопросы прогнозирования величины деформаций грунтового массива, вызванных строительствомтранспортных тоннелей в Вьетнаме, обусловили тему проведенного исследования и стали предметом настоящей диссертационной работы. Исследования велись в двух направлениях:

- разработка прогноза деформаций при проходке тоннелей закрытым способом;

- разработка рекомендаций по ограничению деформаций за счет применения опережающей крепи.

Цель исследований Целью диссертационной работы является научное обоснование методики прогнозирования деформаций грунтового массива в условиях Вьетнама.

Для достижения поставленной цели выполнен анализ существующих методов прогнозирования деформаций грунтового массива и разработка прогнозирования деформаций земной поверхности при строительстве городских подземных сооружений горным способом в сложных геологических условиях Вьетнама.

Основная идея работы состоит в разработке методов прогноза сдвижений и деформаций в зоне строительства подземных сооружений на базе численного моделирования геомеханических процессов.

Задачи исследований

- Обобщение результатов геотехнических исследований физико-механических свойств четвертичных отложений в Вьетнаме;

- Теоретическое исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) грунтового массива во взаимодействии с тоннелем при использовании метода конечных элементов;

- Разработка геомеханической модели системы «крепь - обделка -грунт»;

- Проведение расчета ожидаемых деформаций земной поверхности при строительстве городских подземных сооружений в сложных геологических условиях;

- Обоснование аппроксимации формы кривых, описывающих осадку точек земной поверхности при проходке тоннелей в рассмотренных типах грунтов, экспоненциальной зависимостью;

Методы исследований

Исследование закономерностей напряженно-деформированного состояния «крепь - обделка - грунт» выполнено с использованием пространственных численных моделей, построенных в программном геотехническом комплексе «Р1_АХ15 ЗОТиыЫЕ1_» на основе метода конечных элементов.

Использованы методы математической статистики, тренд-анализа, нелинейного отклика и наименьших квадратов для обработки и обобщения результатов численного моделирования.

Научная новизна работы

Впервые для условий Вьетнама разработаны пространственные конечно- элементные модели применительно к рассматриваемому в работе горному способу в сочетании с технологией опережающей крепи;

Разработаны математические пространственные системы «крепь -обделка - грунт» на основе моделирования НДС на технологических этапах проходки тоннеля горным способом с опережающей контурной и забойной крепью;

Методом математического моделирования проведены теоретические исследования, по результатам которых установлены степень и характер влияния физико-механических характеристик грунта, глубины заложения тоннеля, толщины опережающей крепи, длины заходки на деформацию грунтового массива;

Выявлены параметры, оказывающие наибольшее влияние на деформацию поверхности земли при проходке тоннелей, а также закономерности изменения характера и величины деформаций грунтового массива, возникающих при проходке тоннелей;

По результатам исследования выявлена экспериментальная экспоненциальная зависимость для расчета деформаций грунтового массива;

Проведен анализ полученных расчетным путем кривых осадок поверхности земли. Показано, что в абсолютном большинстве случаев кривые осадок хорошо аппроксимируются экспоненциальной функцией;

Построена функция регрессии для значений осадок поверхности земли по методу нелинейного отклика

Разработаны практические рекомендации по определению рациональной области применения опережающей крепи и предложения по строительству городских транспортных тоннелей горным способом во Вьетнаме.

Достоверность и обоснованность подтверждены:

- строгостью исходных данных и предпосылок применяемых методов исследований с учетом требований действующих нормативных документов;

- использованием разработок передовых ведущих фирм и организаций в рассматриваемой области;

-исследованием расчетных моделей на лицензированном программном комплексе «Р1_АХ13 ЗОШ^Е!. 2.4» в филиале ОАО ЦНИИС НИЦ «Тоннели и метрополитены».

Практическое значения работы

Результаты проведенных исследований применительно к условиям сооружения транспортных тоннелей позволяют решать следующие практические задачи:

- определение основных конструктивно-технологических параметров опережающей крепи (толщина, длина, шаг заходки);

- определение величин деформаций поверхности земли позволяет назначить технические меры на охране зданий и сооружений от строящихся тоннельных сооружений, а также оценить влияние типа подкрепления, близости забоя и глубины заложения на величины деформаций грунтового массива;

- разработка практической методики расчета деформаций земной поверхности, позволяющей назначить конструктивные меры для охраны зданий и сооружений от влияния строящихся городских тоннельных сооружений;

- полученны параметры осадки длины полумульды осадок земной поверхности в процессе деформаций грунтового массива позволяют однозначно определять на поверхности, занятой городскими зданиями и сооружениями, границы зоны влияния строительства тоннеля;

- разработанные диаграммы дают возможность оценить деформации грунтового массива на стадии проектирования тоннелей.

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 метрополитена» при разработке основных конструктивно- технологических параметров опережающей крепи.

Апробация работы

Основные положения и выводы по теме диссертации прошли апробацию на секции ученого совета ОАО ЦНИИС «Метро -тоннелестроение. Освоение подземного пространства» в 2012-2014 г. и доложены на 72ой научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ в 2014 г.

На защиту выносятся:

- анализ зарубежного опыта применения опережающих крепей;

- разработка пространственной модели системы «крепь-обделка-грунт» для расчета деформаций грунтового массива;

- алгоритм расчета деформаций грунтового массива на основе пространственной постановки задачи;

- выполнение аппроксимации формы кривых, описывающих деформации земной поверхности, экспоненциальной зависимостью Гаусса;

- полученные зависимости рассматриваемых параметров от величины деформаций земной поверхности и длины полумульды;

- полученные диаграммы, которые дают возможность оценить деформации грунтового массива на стадии предварительного проектирования при строительстве тоннелей, а также функции регрессии для оценки степени сходимости с результатом эксперимента.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано четыре печатной работы в профильных изданиях, в том числе три статьи в журнале, находящемся в списке ВАК РФ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пять глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Объем работы составляет 131 страниц, включая 58 иллюстрации и 14 таблиц. Список литературы содержит 78 наименований.

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

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержитобоснование выбранной темы диссертационной работы, ее актуальность, цели и задачи, новизну и практические результаты.

Исследуется взаимодействие системы, состоящей из контурной и забойной крепи, временной (первичной) крепи, постоянно обделки и грунтового массива, в дальнейшем для кратости системы «крепь-грунтовый массив».

В первой главе рассмотрены вопросы состояния транспортной сети, условий и необходимости строительства подземных сооружений в крупнейших городах Вьетнама, проведен анализ существующих методов строительства транспортных тоннелей и показана эффективность применения опережающей крепи по технологии струйной цементации в сочетании с фиберглассовыми нагелями.

Столица Вьетнама г. Ханой - крупнейший культурный и промышленный центр государства. В настоящее время Ханой является крупным населенным центром с 8,6 млн. жителей. Вид транспорта разнообразный: велосипеды, мотоциклы, автомобили, автобусы, поезда, очень много мотороллеров. Скорость в таком потоке - не более 40км/час. И такси, и персональные машины вынуждены двигаться с малыми скоростями, определяемым потоками мотоциклов и мотороллеров. Высокие темпы экономического развития и постоянный рост благосостояния граждан привели к созданию сложной ситуации на транспортных магистралях Ханоя.

Главным недостатками транспортной сети крупных городов Вьетнама являются узкие улицы, небольшое расстояние между перекрестками, смешанное движение транспортных средств на улицах и недостаточное развитие общественного пассажирского транспорта.

Город Ханой расположен на территории, поверхность которой сложена четвертичными отложениями, включающими плейстоцен и голоцен, которые, соответственно, характерируются фазами неотекгонических движений и циклами накопления. Плейстоцен и современные отложения (голоцен) в основном состоят из аллювиальных и делювиальных отложений, озерными, болотными, морскими и их смешанными отложениями. Отложения распределены неравномерно, их мощность меняется на всей территории города.

С целью реализации генерального плана развития г. Ханоя и регулирования градостроительной деятельности Правительство Ханоя приняло решение о транспортных подземных сооружениях в одном из наиболее напряжённых транспортных узлов Ханоя транспортной развязкой с пересечением улиц в разных уровнях. Структура пространственного планирования включает центр города Ханоя и прилегающие части, располагающиеся в радиусе 30-50 км. В будущемцентр Ханоя будет развиваться к Северо-западу, Юго-западу и

Северу. При этом развитие к Северу Красной реки оказывается преимущественным.

В общем комплексе транспортных сооружений в г. Ханое очень важное место занимает постройка метрополитена и автодорожных тоннелей, играющих одну из главных ролей в пассажироперевозках в черте городов. При строительстве городских транспортных тоннелей важными требованиями являются минимизация нарушений поверхностных условий во время строительства и в процессе эксплуатации сооружений.

В Ханое центральный участок трассы метрополитена протяженностью 12 км располагается в сложных условиях городской застройки, а также в зоне с сетью подземных коммуникаций и с глубокими фундаментами отдельных зданий. Тоннели на этом участке небходимо проложить на глубине от 8 до 40 м.

При строительстве тоннелей горными способами в слабоустойчивых грунтах, чтобы предотвратить обрушение грунтов, окружающих выработку, в процессе раскрытия выработки ограниченной области под действующими магистралями и на охраняемых территориях применяют опережающие крепи в виде опережающей анкерной крепи, экранов из труб, струйной цементации, химических закрепленных грунтов, искусственного замораживания грунта, фиберглассовых стержней, или бетонных крепей.

Практика строительства тоннелей в мире показала эффективность применения опережающей крепи по технологии струйной цементации. Такая технология достаточно универсальна и может успешно использоватьсядля закрепления широкого класса грунтов - от несвязных крупнообломочных до мелкодисперсных глинистых независимо от степени их проницаемости. Она имеет существенные преимущества по сравнению с традиционными методами искусственного замораживания и химического закрепления грунтов и представляется эффективной при строительстве тоннелей различного назначения в неустойчивых грунтах

При строительстве использование опережающей крепи по технологии струйной цементации для закрепления выработки только по ее контуру не обеспечивает закрепление грутового маассива перед забоем. В инженерно-геологических условиях Вьетнама эффективно

закреплениегрунтового массивав сочетании с фибергласовыми нагелями.

Во второй главе рассмотрены причины появления деформаций грунтового массива, вызванных горной проходкой тоннелей и выполнен анализ различных методов прогнозирования деформаций в мульде сдвижения грунтового массива.

В России и за рубежом вопросами сдвижений и деформаций грунтового массива при строительстве тоннелей, занимались многие ученные: Н.С.Булычев, В.Виттке, Е.А.Демешко, М.В.Долгих, В.А.Гарбер, Ю.К.Зарецкий, С.Зенкевич, И.М.Иофис, Б.А.Картозия, И.И.Кондауров, Ю.А.Лиманов, Л.В.Маковский, В.Е.Меркин, П.И.Перлин, Л.Н.Рассказов, В.П.Самарина, А.Б.Фадеев, В.В.Чеботаев, Е.В.Щекудов, С.А.Юфин В.А.Ходош,. Исследование также вели ^.Мак, Р.В.Реек, Р.А.Х/егтеег, и ДР-

Из-за ограниченности свободной территории в городских условиях развитие транспортных систем происходитвосновном за счёт строительства подземных сооружений. Возникают деформации поверхности земли, связанные с последствиями строительства и эксплуатации тоннелей в городских условиях (рис.1). Они могут вызвать повреждения наземных и подземных сооружений.

Рис.1.Геометрия деформаций поверхности земли, вызванного

проходкой тоннеля С целью минимизации повреждений существующих зданий и фундаментов на поверхности земли необходимо прогнозировать эти эффекты и принять соответствующие меры.Р.В.Реек предложил для математического описания вертикальных и горизонтальных деформаций

земной поверхности использовать формулу Гаусса для нормального распределения (называемого кривой Гаусса) (рис.2)

х*

(1)

5Ь(*) = 1,655, ,„,.у.ехр(^) (2)

где,Битах- максимальная вертикальная деформация земной поверхности;5Л-Ш1К -максимальная горизонтальная деформация земной поверхности; х-расстояние от оси тоннеля до точки деформации;1х-параметр ширины мульды, представляющий собой стандартное отклонение функции Гаусса;е - основание натурального логарифма.

Ось тсккеля

Рис.2. Мульда деформаций земной поверхности в поперечном

направлении

При проходке тоннельных выработок особое место занимает вопрос поддержания кровли сразу после раскрытия забоя. При использовании опережающей крепи, необходимо рассмотреть особенности взаимодействия опережающей крепи с массивом (рис.3)

Рис.3. Расчетная схема опережающей крепи в грунтовом массиве

где, О", - напряжение на внешнем контуре выработки; С"з - напряжения массива в при забое фиберглассовых негелей; р- реакция к поверхности выработки.

Проф. Ф.А.Белаенко предложил уравнение совместности деформаций контура выработки и крепи. Уравнение равновесных состояний грунтового массива в виде:

8 = 5,+8р (3)

V у

Рис.4. Схема расчета деформаций грунтового массива вокруг выработки

где, 8- Полные смещения контура выработки к моменту установления статического равновесия в системе «крепь-массив»; <5"п - начальные смещения

грунтового массива; 8р - характеристика деформируемости крепи.

Состояние равновесия грунтового массива с гидростатическим распределением напряжений по контуру сечения выработки равномерным давлением р. Уравнение (3) выражается следующей формулой:

]_ + ¡и)(кук + Ех50) ~ Е г2+1.Я{\ + ц) (4)

где,у- удельный вес; к- коэффициент концентрации напряжения; 11-глубина заложения тоннеля; ц- коэффициента Пуассона; толщина опережающей крепи; Я- приведенный радиус выработки; Е- Модуль деформаций; г-радиус нейтральной оси.

Из выражения (4) заметили что, смещение грунтового массива вокруг выработки зависит от механических характеристик массива, формы и размеры поперечного сечения выработки, глубины заложения тоннеля, конструкции крепи, технологии производства работ.

В практике породный массив неоднороден, а внешние границы имеют сложные геометрические конфигурации. Расчет на основании аналитического метода по пространственной схеме сопряжен с существенными трудностями математического характера. Применение численных методов позволяет возможность реального взаимодействия конструкции тоннеля с окружающим грунтовым массивом, и также особенности технология проходки тоннелей.

Третья глава посвящена разработке методов расчета временной крепи с использованием программного комплекса «PLAXIS 3DTUNNEL» на основе метода конечно-элементного моделирования системы «крепь-обделка-грунт».

В настоящее время к численным методам относятся методы механики сплошных сред, такие как метод конечных элементов (МКЭ), метод дискретных элементов (МДЭ), метод граничных элементов (МГЭ), метод конечных разностей (МКР).Метод конечных элементов является одним из эффективных инструментов исследования влияния конструктивных, технологических и инженерно- геологических факторов на работу конструкции тоннельной обделки.

Существует ряд достаточно мощных программных комплексов, позволяющих проводить сложные геотехнические исследования на основе численных экспериментов. К их числу принадлежат, в частности, программные комплексы «PLAXIS», «Z-SOIL», «COSMOS/M», «ANSYS», «NASTRAN», в основе которых лежит МКЭ.

Рис.5. Пространственная конечно-элементная модель исследований

В работе используется «Р1АХ1Б ЗЭТШЫЕ1_»(лицензия НИЦ ТМ ОАО ЦНИИС) - мощный программный комплекс МКЭ, позволяющий выполнять на персональных компютерах. Для описания поведения грунтовых массивов чаще всего используют упругопластическую математическую модель Мора-Кулона. Конструкции тоннельной обделки и опережающей крепи моделировались с помощью плиточного и балочного элемента. Взаимодействие между грунтовым массивом и слоем опережающей крепи выполнено контактным элементом на границе «грунтовый массив - крепь».

Зона грунта, в котором расположены фиберглассовые нагели будет образовать эквивалентный грунт с модулем деформации Еэкв. Можно учитывать значение Еэкв по формуле:

Ефиб*Афиб + Егр«Ассч Ассч

(5)

где, Ефиб и Егр - соответственно модуль фиберглассовых элементов и грунта; Афиб- площадь сечения фиберглассовых нагелей; Асеч- площадь поперечного сечения тоннельной выработки.

Условия сопротивления сдвигу грунтового массива определяется по формул е\г = cr.tgcp + C (6)

г(Эе т , сг - главные напряжения грунтового массива; </>, с- угол внутреннего трения и сцепления в неподкрепленном грунте.

При армирования грунтового массива фиберглассовыми нагелями возникают растягивающие усилия, передающиеся на грунт.

ТФ = (с + a¡t)tg(p + C (7)

где главные напряжения в подкрепленном грунте

F

Нормальное напряжение о",ь определяется по формуле: сг,. =—.cosa

l.m

где, F- действующее усилие в фиберглассовой нагели;!,т- расстояние между фиберглассовыми нагелями по вертикали и горизонтали;а-угол наклона нагели к горизонту.

Рис.6. Схема взаимодействия фиберглассовых нагелей с грунтом Тогда выражение (7) имеет в следующем виде:

ТФ = + Т-^■cos + С = atgtp + С + Сф l.m

(8)

F.cosa

гд е,сф=——ig<p

l.m

В закрепленном грунте суммарное сцепление можно выразить в виде:

С' = с+сф=с+^^лв<р (9)

1.т

Выражение (9) показало, что с использованием фиберглассовых нагелей сцепление в грунте увеличивается эффективно.

В четвертой главе были проведены исследования математической пространственных моделей статической работы опережающих крепей с грунтовым массивом для расчета деформаций и определения параметров мульд деформаций земной поверхности

Для исследования НДС системы «опережающая крепь-грунтовый массив» при строительстве тоннелей, выбраны следующие шесть фактора, потенциально влияющих на модель: глубина заложения тоннеля, тип грунтов, длина заходки, длина закрепленной зоны, толщина струйной цементации и нагрузка от здания.

В качестве массива был выбран породный массив грунтов. Были рассмотрены 3 типа вмещающих грунтов: глины, суглинки, пески.

После проведения всей серии из 42 расчетов построены зависимости деформаций грунтового массива от глубины заложения тоннеля, длины заходки, толщины струйной цементации, длины закрепленного зоны и типа грунта.

Из расчетных результатов установлено, что максимальные смещения сконцентрированы в грунтовом массиве над и под выработкой. Смещение имеет наибольшее значение в шелыге свода выработки.

Рис. 7. а-деформация грунтового массива

б- мульда осадок земной поверхности

По расчетным результатам с помощью программного комплекса «PLAXIS 3D TUNNEL» определена степень влияния отдельных рассматриваемых факторов на мульды осадок поверхности земли. Для получения количественной зависимости параметров мульды осадок от отдельных факторов (при этом другие факторы не изменяются) были построены функции путем аппроксимации численных расчетных результатов методом тренд-анализа.

Рис.8. Схема структуры расчета деформациий грунтового массива на основе пространственной постановки задачи

В пятой главе показаны функции распределения осадок земной поверхности, функции регрессии в зависимости от выбираемых факторов и даны рекомендации, предложения по строительству транспортных тоннелей во Вьетнаме

Функции распределения осадок земной поверхности в поперечном сечении тоннели были получены с помощью соответствующей аппроксимации результатов из проведения численных расчетов. Установлено, что функция хорошо аппроксимируется кривой нормального распределения Гаусса (рис.9).

Рис.9. Кривые осадок земной поверхности по результатам численных расчетов

Граничный угол /3 определяется в зависимости от глубины заложения тоннеля Н, диаметра тоннеля и размера полумульды осадок поверхности земли /_ выражением:

Рис.10. Граница мульды сдвижений в грунтовых массивах

С помощью расчетного комплекса «PLAXIS 3D TUNNEL» осуществлялся расчет размера полумульды оседания L. После получения величины L определяется граничный угол /3 по формуле (10).

Размеры зон влияния при проходке тоннелей, характеризуемые длиной мульды осадок земной поверхности и граничным углом в большинстве зависят от глубины заложения и модули деформации грунтов. С увеличением глубины заложения тоннеля граничный угол уменьшается.

Для отображения комбинаций технологических решений в числовое множество моделирования использовали шкалирование - присвоение вариантам числовых значений, что рассматривалось как способ измерения вариантов. Совокупность шкальных значений вариантов образовала шкалу измерения. Для определения шкальных значений варианты проранжировали в порядке уменьшения осадки и присвоили им номера от 1 до 42. Для каждого варианта на оси категорий (оси X) было однозначно определено место. После этого построили график зависимости осадки У от категории варианта X.

f й j ¥ ijj

®-&——- -i—^J!—^ # % #—^

UJ.1

& А А А А А А & ^ & & i Ж ж *

I Н| т

' * * * * ^ ■S

/

Л & А & & Л Д М А

i ii (4 • i _ 6 ® И < * . » , » 'fs»i«l 1 =i " ® * ™ ................: S3 S8 43 'Дг

О 1 2 3 4 S 6 У 8 9 10 II 12 13 14 16 16 17 1.8 19 20 21 П 23 24 25 26 21 28 29 30 31 32 33 34 3S 36 37 38 39 40 41 42 43

Паспорт варианта технологически решения .X, балл

Ъ.....Глина

А Глубина заложения 5 м к Глубина заложения 16 м * Толщина 800 мм А длина 14 м

длина заходки 1 м

Суглинок А Глубина заложения 8 м Ф Толщина 600 мм /, длина 10 м к: длиназаходки 3 м -"Экспоненциальный

—Ф— Несся А Глубина заложат 12 м v Толшина 700 мм а длина 12 м

длина заходкя 2 м

Рис.11. Диаграмма зависимости осадки Y от паспорта варианта X

Результаты численных расчетов закономерно и достаточно плотно легли на сглаживающую экспоненциальную зависимость, коэффициент корреляции 0,98.

Показано, что план эксперимента достаточно охватил все результаты зависимостей и что вполне допустима аппроксимация единой зависимостью. Отмечено, что на диаграмме видно отклонение точек от экспоненциальной функции, что всегда является следствием дискретности исходных данных.

Анализ практики строительства транспортных тоннелей в мире показывает, что значительное повышение экономических показателей и сокращение сроков можно обеспечить в результате реализации рациональных выборов параметров опережающей крепи. В случае сооружения тоннеля в городе по условиям обеспечения безопасности основания фундаментов наземных объектов величина осадок поверхности земли не должна превышать предельные деформации основания фундаментов сооружений. В данной работе исследование взаимодействия системы «крепь - обделка - массив» выполнено с определением рациональных параметров опережающей крепи. Для удобства практического применения по результатам моделирования построена диаграмма (рис.11), которая дает возможность оценки областей взаимозаменяемости струйной цементации с различным толщинами, а также допустимые области промежуточных значений инженерно-геологических условий.

Для оценки полученных результатов потребовалось провести статистическую обработку результатов эксперимента построить функции регрессии для значения осадок земной поверхности. Эти функции позволяют оценить их адекватность с использованием программы STATISTICAL по методу нелинейного отклика. Для определения коэффициентов регрессионной модели принят метод наименьших квадратов. Уравнение регрессии записывается в виде: w = 109,1-22,96.Я-7,9.10^£+6,39.10~!.Я.£-0,001.Я.р +21,05.Я-с/+1,53.10Л£.р -1,3.10"4.Я.£.£/ + 0,43.Я2 +3,1.10~'.£2 +0,0005.р2 -100.d2 ^ 1 ^

Функция регрессии содержит совокупность рассматриваемых факторов. Сходимость функции регрессии с результатами экспериментов оценивается с помощью квадрата смешанной корреляции R2. Сопоставление значений осадки, полученных по формуле (11) с результатами численных расчетов, дает R2 = 0,98. Осадки практически совпадают.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Исследования работы струйной цементации выполнены на объемной модели. Была разработана объемная компьютерная конечно-элементная модель с использованием программного комплекса «Р1_АХ15 ЗОТ11ШЕ1_».Результаты расчетов на пространственных моделях с учетом упруго-пластических свойств грунтов позволили оценить совместную работу опережающей крепи с грунтовым массивом в процессе строительства.

2. Проведенные исследования НДС системы «крепь - обделка -грунт» позволили проанализировать влияние отдельных параметров на деформации грунтового массива. Проанализированы 42 серии численных экспериментов, в которых варьировали глубину заложения тоннеля (5, 8, 12, 16 м), толщину струйной цементации (600, 700, и 800 мм), длину закрепленной зоны фиберглассовыми элементами (10,14,18 м), длину заходки (1, 2, и 3 м), и тип грунта (песок, суглинок, глина).

3. На основе данных моделирования выявлены закономерности осадок земной поверхности и деформаций грунтового массива. Проведена оценка влияния рассматриваемых факторов на осадку земной поверхности. Анализ показал, что:

максимальная осадка поверхности земли в песках уменьшается на 31% при увеличении толщины струйной цементации от 600 до 700 мм, на 36% от 700 до 800 мм. С увеличением толщины от 600 до 800 мм осадка уменьшается на 45% в суглинках, на 63% - в глинах. Отсюда следует, что на осадку поверхности земли значительно влияет толщина струйной цементации

- при увеличении глубины заложения тоннеля от 5 м до 8 м происходит уменьшение осадок поверхности земли на 68% в песках, в суглинках на 61% , в глинах на 56 %. При увеличении этого параметра от 8 м до 12 м осадка уменьшается на 30 % для песка, для суглинки - на 26 % для глины - на 18%. От 12 м до 16м для песка - на 15%, для суглинки - на 11%, для глины - на 8%. Отсюда следует, что на осадку поверхности земли значительно влияет глубина заложения тоннеля. При глубине заложения от 5 до 8 м грунтовый массив над ним обладает незначительной несущей способностью поэтому осадка поверхности

земли проявляются быстро и величина их возрастает с уменьшением глубины заложения.

- установлено, что при увеличении длины заходки от 1 до 3 м осадка поверхности земли возрастает на 11% для песка, на 8% для суглинка, на 6% для глины. Отсюда следует, что длина заходки незначительно влияет на осадку поверхности земли. Поэтому проходку тоннелей можно выполнять с длиной заходки 3 м.

4. Выбор различных видов математических функций дает различную сходимость с экспериментальными данными, оцениваемую коэффициентом Я.2, определяемым методом наименьших квадратов. По диаграммам зависимости осадок грунтового массива от факторов следует отметить, что выбранные виды математических функций хорошо совпадают с расчетными данными.

5. На основании комплекса проведенных исследований можно сделать вывод о том что граничный угол зоны оседания земной поверхности зависит, главным образом, от глубины заложения тоннеля и модуля деформации грунтов. По результатам определения длины мульды были получены значения граничных углов мульды осадок земной поверхности и показано, что для условий Вьетнама в песках граничный угол изменяется в пределах 28°...54°, в суглинках 24...490 ,в глинах 21...43°

6. Использование метода тренд-анализа для обработки результатов численных экспериментов позволило получить диаграммы зависимости осадок грунтового массива от отдельных рассматриваемых факторов. Построены серии диаграмм, по которым при заданных значениях факторов можно найти величины осадок поверхности земли и конвергенции. Это позволяет выполнить оценку степени влияния на осадку и уточнить закономерности НДС при проходке тоннелей в условиях Вьетнама.

7. Установлено, что в любом сечении мульды осадок земной поверхности согласуется с нормальным распределением кривой Гаусса, причем величина осадок поверхности земли в центре мульды максимальна. Определена функция регрессии от совокупности параметров моделирования. Такая функция дает возможность расчета осадок поверхности земли в условиях Вьетнама.

8. В данной работе исследование взаимодействия системы «крепь -обделка - грунт» выполнено с определением рациональных параметров опережающей крепи. Для удобства практического применения по результатам моделирования построена диаграмма, которая дает возможность оценки областей взаимозаменяемости струйной цементации с различным толщинами, а также допустимые области промежуточных значений инженерно-геологических условий.

Опубликованные труды

1. Нгуен Куанг Ван. Расчет осадок грунтового массива при строительстве транспортных тоннелей //Наука и техника в дорожной отрасли № 3-2013, с.26-28

2.Щекудов Е.В., Нгуен Куанг Ван. Проблемы строительства транспортных тоннелей и метрополитенов в сложных инженерно-геологических и градостроительных условиях Вьетнама // Метро и тоннели № 2-2014, с. 21-23

3. Нгуен Куанг Ван. Взаимодействие системы «опережающая крепь -тоннель - грунтовый массив» применительно к условии Вьетнама // Транспортное строительство. № 9-2014, с.13-15

4. Нгуен Куанг Ван. Исследование осадок грунта массива при строительстве городских тоннелей // Наука и техника в дорожной отрасли № 1-2014, с. 19-21

Подписано в печать: 15.03.2015 Объём: 1,0 усл.п.л. Тираж: 100 шт. Заказ № 112 Отпечатано в типографии «Реглет» 125009, г. Москва, Страстной бульвар, д. 4 +7(495)978-43-34; www.reglet.ru