автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Напряженно-деформированное состояние системы "конструкция тоннеля - грунтовый массив" при строительстве тоннелей мелкого заложения полуоткрытым способом

На правах рукописи

ЗИБОРОВ Максим Андреевич

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ СИСТЕМЫ «КОНСТРУКЦИЯ ТОННЕЛЯ - ГРУНТОВЫЙ МАССИВ» ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ТОННЕЛЕЙ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ ПОЛУОТКРЫТЫМ СПОСОБОМ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

904604182

Москва 2010

004604102

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

Меркин Валерий Евсеевич

кандидат технических наук, Четыркин Николай Сергеевич

Ведущая организация:

ГУП «Мосинжпроект»

Защита диссертации состоится 17 июня 2010 года в 10 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 «Л » 2010 года.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, профессор

Борисюк Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы.

Актуальность диссертационной работы обусловлена расширением масштабов использования подземного пространства для решения городских транспортных проблем, а также необходимостью подземного строительства в условиях высокоинтенсивного уличного движения.

В настоящее время при строительстве городских тоннелей мелкого заложения применяют преимущественно открытый способ работ, вызывающий серьезные нарушения поверхностных условий. С целью минимизации этих нарушений в практике тоннелестроения находят применение различные модификации полуоткрытого способа: траншейный, «кернтнерский», «зиллертальский», «рамной крепи». Благодаря определенной последовательности работ полуоткрытый способ позволяет вести строительство подземного сооружения с меньшим по сравнению с открытым способом перерывом движения на поверхности земли. Эффективность полуоткрытого способа подтверждается успешным опытом его применения во многих городах Европы, Северной Америки и Японии. Однако некоторые вопросы, касающиеся взаимодействия грунтового массива с конструкцией тоннеля на всех этапах строительства с учетом пространственной работы строящегося сооружения, изучены недостаточно. В связи с этим возникает необходимость проведения научных исследований.

Цель и задачи диссертации.

Целью диссертационной работы является исследование закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) системы «конструкция тоннеля - грунтовый массив» на различных этапах строительства тоннеля полуоткрытым способом с учетом конструктивно-технологических особенностей и инженерно-геологических условий.

В соответствии с поставленной целью определены задачи исследований:

• анализ технических решений, используемых при строительстве тоннелей мелкого заложения полуоткрытым способом;

• разработка пространственных конечно-элементных моделей системы «конструкция тоннеля - грунтовый массив» для различных модификаций полуоткрытого способа с учетом технологии строительства;

• проведение численных экспериментов на разработанных для выявления НДС системы «конструкция тоннеля - грунтовый массив» в процессе строительства и эксплуатации тоннеля;

• установление зависимостей, характеризующих изменение выбранных параметров НДС системы «конструкция тоннеля -грунтовый массив» в зависимости от варьируемых факторов;

• разработка рекомендаций по применению различных типов конструкций автотранспортных тоннелей мелкого заложения, сооружаемых полуоткрытым способом.

Методика исследований.

В основу исследований заложен комплексный подход к решению поставленной задачи, включающий научный анализ и обобщение материалов по применению полуоткрытого способа строительства тоннелей мелкого заложения. При этом все этапы строительства рассматриваются во взаимной связи.

Для проведения теоретических исследований НДС бинарной системы «конструкция тоннеля - грунтовый массив» использован метод конечных элементов (МКЭ), реализованный в программных комплексах PLAXIS и PLAXIS 3D TUNNEL. Для обработки результатов исследований применялись методы математической статистики.

Научная новизна работы:

• впервые в РФ разработаны пространственные конечно-элементные модели применительно к рассматриваемым в работе модификациям полуоткрытого способа работ с учетом технологии строительства автотранспортных тоннелей мелкого заложения;

• проведены исследования методом математического моделирования, по результатам которых выявлены закономерности в изменении параметров НДС системы «конструкция тоннеля -грунтовый массив»;

•проведен сравнительный анализ деформаций поверхности земли и усилий в элементах конструкции тоннелей для различных технологий полуоткрытого способа работ;

•определена рациональная область применения разновидностей полуоткрытого способа работ.

Практическая ценность работы:

• методика и результаты математического моделирования системы «конструкция тоннеля - грунтовый массив» на разработанных конечно-элементных моделях;

• прогнозирование деформаций поверхности земли и усилий в конструкциях тоннелей с учетом технологии их строительства;

• рациональная область применения различных модификаций полуоткрытого способа строительства автотранспортных тоннелей мелкого заложения в соответствии с конкретными градостроительными и инженерно-геологическими условиями.

Достоверность полученных результатов обоснована:

• строгостью исходных предпосылок применяемых методов исследований;

• соблюдением требований действующих нормативных документов;

•использованием методических разработок ведущих отечественных и иностранных компаний в рассматриваемой области;

• результатами тестовых расчетов.

Реализация результатов.

Результаты работы нашли применение:

• при разработке вариантов проектных решений по строительству подземных сооружений мелкого заложения в ООО «ЗЕГЕ С.О. «ЗЭСТ»;

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

Апробация работы.

Результаты работы были доложены на ежегодных научно-технических конференциях Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ) в 2008, 2009 и 2010 гг. и в филиале ОАО ЦНИИС НИЦ «Тоннели и метрополитены» в 2010г.

На защиту выносятся:

• результаты анализа отечественного и зарубежного опыта применения полуоткрытого способа строительства тоннелей мелкого заложения;

• пространственная конечно-элементная модель системы «конструкция тоннеля - грунтовый массив», реализованная с использованием программного комплекса «PLAXIS 3D TUNNEL»;

• результаты численного эксперимента системы «конструкция тоннеля - грунтовый массив»;

•рациональная область применения различных технологий полуоткрытого способа строительства тоннелей мелкого заложения, определенная на основе анализа результатов численного эксперимента.

Публикации.

По результатам исследования опубликованы четыре печатные работы в профильных изданиях, в том числе одна в журнале, находящемся в списке ВАК РФ, в которых отражены все основные положения диссертационной работы.

Структура и объем работы.

Диссертация содержит 117 стр., 57 иллюстраций, 11 таблиц и включает введение, 3 главы, заключение, список литературы из 97 наименований и приложение.

Диссертационная работа выполнена на кафедре мостов и транспортных тоннелей Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается выбранная тема диссертации, формулируются цель и задачи работы, ее научная новизна и практическая значимость.

В первой главе содержится анализ различных модификаций полуоткрытого способа строительства тоннелей мелкого заложения (траншейный, «кернтнерский», «зиллертальский», «рамной крепи»), которые отличаются как по технологии возведения стен и перекрытия, так и по условиям статической работы конструкции на различных этапах строительства. Приведена последовательность этапов производства работ для каждого из методов, отмечены их

преимущества и недостатки, даны области применения и обзор методов расчета конструкций тоннелей.

Практика строительства тоннелей мелкого заложения свидетельствует о том, что полуоткрытый способ наиболее эффективен и экономичен в полускальных и мягких грунтах средней и слабой устойчивости при глубине заложения тоннеля 2... 12 м. Данный вывод был сделан на основании сравнения относительной стоимости работ открытого, закрытого и полуоткрытого способов

Рис 1. Технико-экономические показатели открытого, закрытого и полуоткрытого способов строительства: 1 - открытый способ; 2 - закрытый способ; 3 - полуоткрытый способ; 4 -

эффективная область применения полуоткрытого способа.

При увеличении глубины заложения с 2 до 9 м снижение относительной стоимости строительства тоннеля полуоткрытым способом по сравнению с открытым достигает 80%, а с 9 до 12 м -от 80 до 75%. При дальнейшем увеличении глубины заложения экономически целесообразным становится закрытый способ работ.

Сравнительный анализ стоимости строительства 1 п.м. тоннелей, сооружаемых по различным технологиям, показал, что наиболее экономичным является «зиллертальский» способ, стоимость которого на 10... 15% ниже, чем для других модификаций полуоткрытого способа.

Для расчета подземных сооружений, возводимых с помощью полуоткрытого способа, используют методы строительной механики, аналитические методы механики сплошной среды и численные методы расчета.

В настоящее время при расчете конструкций тоннелей мелкого заложения, возводимых полуоткрытым способом с использованием технологии «стена в фунте», наибольшее распространение получили достаточно простые инженерные методы расчета на заданные нагрузки с использованием аппарата строительной механики и механики грунтов. При этом вначале определяют все действующие нагрузки, а затем рассчитывают конструкцию тоннеля на эти нагрузки как стержневую систему методом сил или перемещений. При этом в первом приближении применяется метод расчленения обделки на отдельные элементы - перекрытие, стены и лоток с учетом их упругого и силового взаимодействия.

Достоинством данного метода расчета является простота, недостатком - упрощенная плоская схема, не учитывающая реального пространственного взаимодействия между грунтом и конструкцией тоннеля, при котором прочность на контакте балочного и грунтового элемента снижается по сравнению с прочностью грунта, а также учет технологии строительства.

Расчетам тоннельных конструкций на заданные нагрузки посвящены работы Антонова О.Ю., Емельянова Л.М., Бодрова Б.П., Бугаевой O.E., Виноградова Б.Н., Гарбера В.А., Давыдова С.С., Дидуха Б.И., Зурабова Г.Г., Орлова С.А., Резникова P.A., Розанова С.Н., Чеботаева В.В., Четыркина Н.С., Шапошникова H.H. и др.

Для расчета «стен в грунте» также используют аналитические методы расчета, предусматривающие решение контактной задачи механики сплошной среды. Такие задачи рассмотрены в работах Айвазова Ю.Н., Айталиева Ш.М., Баклашова И.В., Булычева Н.С., Вайнберга Д.В., Галеркина Б.Г., Демешко Е.А., Ержанова Ж.С., Либермана Ю.М., Руппенейта К.В., Фотиевой H.H. и др.

Одним из основных методов расчета прямоугольных в плане сооружений, контактирующих с грунтом, является метод проф. .Жемочкина Б.Н., в котором замкнутые в плане конструкции рассматриваются как состоящие из отдельных плоских элементов без учета их совместной работы.

При расчете в условиях плоской задачи принимается, что конструкция и основание работают в упругой стадии. Стена моделируется как полоса, контактирующая с основанием в виде двух четвертьплоскостей, смещенных относительно друг друга по

вертикали на глубину траншеи. В качестве нагрузок принимаются начальное боковое давление грунта, давление грунтовых вод, давление, вызванное поверхностной нагрузкой.

Расчет с применением методов теорий сплошной среды является трудоемким и не всегда дает результаты более близкие к практическим по сравнению с методами строительной механики, так как основан на использовании идеализированных моделей грунта. Во многих случаях более эффективными методами, позволяющими учесть взаимодействие конструкции тоннеля с грунтовым массивом, являются численные методы расчета. Среди них различают метод конечных разностей, метод конечных элементов, метод граничных элементов, метод дискретных элементов. Наиболее распространенным в настоящее время является МКЭ. Он позволяет решать сложные пространственные задачи с учетом неоднородности сложения грунтового массива и его нелинейной работы. Существует большой выбор программных комплексов, основанных на МКЭ. Среди них: «PLAXIS», «GEO», «MIDAS GTS», «NASTRAN», «COSMOS/M», «ANSYS» и др. Некоторые из этих программ, такие как «PLAXIS 3D TUNNEL», позволяют моделировать конструкции с учетом технологии их строительства. Все это и определило выбор МКЭ и программы «PLAXIS 3D TUNNEL» как инструмента для проведения эксперимента.

Вторая глава посвящена разработке пространственной конечно-элементной модели для определения напряженно -деформированного состояния (НДС) системы «конструкция тоннеля - грунтовый массив».

В России и за рубежом вопросам исследования НДС системы «конструкция тоннеля - грунтовый массив» посвящены работы Айвазова Ю.Н., Булычева Н.С., Воробьева Л.А., Гарбера В.А., Демешко Е.А., Зарецкого Ю.К., Зерцалова М.Г., Ильичева В.А., Картозии Б.А., Фотиевой H.H., Чеботаева В.В., Шапошникова H.H., Щекудова Е.В., Юфина С.А., Brinkgreve R.B.J., Geunot A., Kratch G., Mair R.J., Panet M., Peck R.B., Vermeer P.A., Wittke W. И др.

Пространственная модель системы «конструкция тоннеля -грунтовый массив» была реализована в программном комплексе «PLAXIS 3D TUNNEL», основанном на методе конечных элементов. Данный комплекс использовался в частности при проектировании

автотранспортных тоннелей на Ленинградском проспекте, второго выхода станции «Маяковская» Московского метрополитена и др.

На основе проведенного анализа современного опыта строительства тоннелей полуоткрытым способом для проведения исследований были выбраны четыре типа конструкции тоннелей, сооружаемых траншейным (рис. 2,а,в) и «зиллертальским» способом (рис. 2, б,г) с плоским и арочным перекрытием.

Тип I

Тип I

а)

г ж ж ж ж ж ж

14,0

727

1 2 3

0,8

б)

\щж ж ж ж ж ж ж щ у

14,0

1 г з

0,8

5

«а

Тип III 14,0

Тип IV

В)

0,8

Г)

Рис. 2. Исследуемые типы конструкции тоннелей мелкого заложения: 1 - 6 - сечения, в которых измерялись усилия в численном эксперименте Для описания работы грунтового массива использовалась упругопластическая модель Мора-Кулона, как наиболее апробированная для математического моделирования в области решения данной геомеханической задачи. Достоинством модели является простота, использование обычных деформационных и прочностных характеристик, применяемых в инженерных расчетных методах механики грунтов и определяемых стандартными методами при инженерно-геологических изысканиях. Конструкции тоннелей моделировались с помощью плитных элементов, взаимодействие между грунтовым массивом и обделкой - с помощью интерфейсных элементов на границе «конструкция тоннеля - грунтовый массив».

Исследования на пространственной модели проводились на примере двухполосного автодорожного тоннеля.

Для тоннелей первого и третьего типа моделировались следующие этапы строительства: 1 - устройство временного ограждения котлована; 2 - разработка котлована; 3 - устройство стены тоннеля по технологии «стена в грунте»; 4 - устройство перекрытия; 5 - обратная засыпка котлована и восстановление поверхностных условий; 6 - разработка грунтового ядра; 7 -устройство лотковой плиты. Для тоннелей второго и четвертого типа моделировались те же этапы, за исключением операций по установке и демонтажу ограждающих конструкций, которые выполняют стены тоннеля. Конечно-элементные модели для некоторых характерных этапов строительства тоннелей первого и третьего типа показаны на рис.3.

Использование разработанной модели позволяет получить значения параметров НДС системы «конструкция тоннеля -грунтовый массив» по завершению каждого этапа работ: значения полных, горизонтальных и вертикальных перемещений, эффективные и полные напряжения во всей области грунтового массива, значения изгибающих моментов, продольных и поперечных сил в элементах конструкций.

Для проверки методики определения НДС системы «конструкция тоннеля - грунтовый массив» с учетом технологии строительства был проведен тестовый расчет. Эффективность и достоверность результатов, получаемых с использованием разработанной модели, подтверждена высокой их сходимостью с данными натурных наблюдений (максимальное отклонение расчетных значений от измеренных составило 13%). Таким образом, созданная упругопластическая пространственная модель бинарной системы «конструкция тоннеля - грунтовый массив» может быть использована для проведения исследований работы обделки тоннеля во взаимодействии с грунтовым массивом на всех этапах строительства и эксплуатации сооружения.

В третьей главе диссертации исследуется НДС системы «конструкция тоннеля - грунтовый массив» на разработанных конечно-элементных моделях.

Этап 2

Устройство перекрытия

Разработка котлована

Устройство стены

Этап 4

Восстановление

поверхностных

условий

Устройство

лотковой

плиты

Разработка грунтового ядра

Этап 6 Этап 7

Рис. 3. Конечно-элементные модели для некоторых характерных этапов строительства тоннелей

В качестве факторов, влияющих на изменение НДС данной системы, были приняты:

• тип конструкции тоннеля (см. рис. 2);

• тип грунтов: несвязные грунты (пески, обозначение «НС») и связные грунты (суглинки и глины, обозначение «С»);

• относительная глубина заложения: отношение глубины заложения h к пролету тоннеля В. Для конструкций первого и второго типов данный параметр варьировался на первых пяти уровнях (0.15, 0.225, 0.30, 0.375, 0.45), для третьего и четвертого типа - на последних пяти (0.30, 0.375, 0.45, 0.525, 0.60);

• положение грунтовых вод изменялось на пяти уровнях от низа стены до верха перекрытия.

Для проведения эксперимента была разработана матрица планирования путем последовательного изменения каждого из факторов. В соответствии с данной матрицей были разработаны 72 пространственные конечно-элементные модели для четырех модификаций полуоткрытого способа в различных инженерно-геологических условиях, учитывающие технологию строительства.

В результате проведения численного эксперимента было получено пространственное НДС системы «конструкция тоннеля - грунтовый массив» в каждой расчетной точке выбранного фрагмента.

Максимальные вертикальные перемещения сконцентрированы в зоне лотковой плиты и на поверхности земли в области, лежащей за ограждением котлована. Зона максимальных горизонтальных перемещений находится на поверхности земли в месте расположения ограждающей конструкции и в узле примыкания лотковой плиты к стене тоннеля. Максимальные напряжения в грунтовом массиве сконцентрированы в области основания стены тоннеля. На рис. 4 представлены значения вертикальных перемещений поверхности земли в пяти опытах для траншейного способа работ в несвязных грунтах. Данные графики были получены для всех 72 численных экспериментов. Максимальные деформации сведены в табл. 1. Максимальное значение перемещения достигается в опыте 30 (-0,022м), который соответствует траншейному способу работ и арочному перекрытию конструкции при относительной глубине заложения 0,6. Диапазон варьирования результатов от -0,008м до -0,022м.

о К Ж и

3

о.

<1> с <о о

X

Л §

ЬЙ

к н

Оч

и

со

-0,014

10

15

40

45

50

Рис.

20 25 30 35 Расстояние от оси тоннеля, м 4. Деформации поверхности земли в зависимости от относительной глубины заложения в несвязных грунтах. Первый тип

конструкции

Таблица 1

Максимальные вертикальные дес юрмации пове рхности

Номер опыта Ушах Номер опыта Ушах Номер опыта Ушах Номер опыта Ушах

1 -0,008 19 -0,014 37 -0,013 55 -0,010

2 -0,009 20 -0,018 38 -0,013 56 -0,011

3 -0,011 21 -0,011 39 -0,014 57 -0,009

4 -0,012 22 -0,012 40 -0,014 58 -0,008

5 -0,013 23 -0,013 41 -0,010 59 -0,007

6 -0,008 24 -0,015 42 -0,010 60 -0,005

7 -0,009 25 -0,016 43 -0,009 61 -0,012

8 -0,010 26 -0,011 44 -0,008 62 -0,012

9 -0,013 27 -0,014 45 -0,010 63 -0,012

10 -0,018 28 -0,016 46 -0,010 64 -0,012

11 -0,009 29 -0,019 47 -0,010 65 -0,014

12 -0,011 30 -0,022 48 -0,010 66 -0,014

. 13 -0,014 31 -0,014 49 -0,015 67 -0,012

14 -0,016 32 -0,015 50 -0,014 68 -0,011

15 -0,017 33 -0,017 51 -0,012 69 -0,011

16 -0,009 34 -0,019 52 -0,011 70 -0,011

17 -0,010 35 -0,021 53 -0,011 71 -0,011

18 -0,012 36 -0,011 54 -0,010 72 -0,011

Для оценки состояния грунтового массива была определена несущая способность грунтового основания под стенами тоннеля. Полученное в ходе каждого расчета максимальное полное напряжение в основании стены тоннеля сравнивалось с расчетным сопротивлением грунта на сжатие.

Также в ходе расчета были получены значения изгибающих моментов и продольных сил в шести выбранных сечениях во всех 72 опытах (см. рис. 2).

Так как анализ изменения усилий в 6 сечениях конструкции чрезвычайно трудоемок, был проведен корреляционный анализ изменения значений усилий в указанных сечениях в ходе проведения серии экспериментов. Он показал, что существует связь между изменениями усилий в точках 1,2,3,4,5 и 6 между собой. Поэтому для анализа напряженного состояния конструкции был выбран коэффициент запаса прочности Кп (отношение несущей способности сечения к действующим в нем усилиям) для сечения в узле сопряжения перекрытия и стены тоннеля.

Таким образом, для оценки изменения НДС системы «конструкция тоннеля - грунтовый массив» были выбраны следующие параметры: максимальные деформации поверхности земли утах в области, лежащей за пределами ограждения котлована, и коэффициент запаса прочности Кп-

Поскольку величины утах и Кп были получены в результате численного эксперимента, в процессе проведения исследования была установлена количественная зависимость данных величин от отдельных факторов путем аппроксимации результатов во всей рассматриваемой области определения. Для этого использовался метод тренд-анализа, позволяющий аппроксимировать полученные значения математическими функциями. Полученные графики имеют удовлетворительную сходимость с экспериментальными данными, что подтверждается значениями коэффициентов детерминации Я2 = 0,92...0,99. (рис. 5,6).

Анализ графиков позволяет сделать вывод о том, что при использовании «зиллертальской» технологии, предусматривающей использование стен тоннелей в качестве ограждающих конструкций, в несвязных грунтах максимальная деформация грунтового массива увеличивается по сравнению с траншейным способом на 25...35% в конструкциях с плоским перекрытием и на 20...30% - с арочным.

-0,006 5 -0,008 -

<и

1 -0,010 г

I -0,012

а,

С -0,014

<о

1 -0,016

а -0,018 о.

в -0,020

-0,022

\

14

ч

\

ч

♦ 1 тип о 2 тип

А 3 ТИП

— 4 тип

—Линейный (1 тип)

— Полиномиальный (2 тип)

— Полиномиальный (3 тип)

— Полиномиальный (4 тип)

И/В

0,1 0,2 0,3 0,4 Тип 1 - у, = -0,0168х - 0,0056 ^ = 0,99

„2

0,5 0,6 0,7

Тип 3 - Уз = -0,01 27уС - 0,0059х - 0,008

Тип 2 - у2 = 0,0333х' - 0,0483х - 0,0024 Р2 = 0,99

Я" = 0,99

Тип 4 - у4 = -0,0254х2 - 0,0011х - 0,0113 Н2 = 0,99

Рис. 5. Зависимость максимальной деформации грунтового массива от относительной глубины заложения в несвязных грунтах

1,60

♦ К(1тип) ■ К(2п'п) а К(Зтип)

— К(4тип)

— Полиномиальный (К(1тип))

— Полиномиальный (К(2тип)) —Линейный (К(3тип))

— Полиномиальный (К(4тип))

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Тип 1 - у, = -0.7869Х2 + 0,2862х + 1,2951 Тип 3 - у3 = -0,6833х + 1,762 В2 = 0,9823 Я2 = 0,9911

Тип 2 - у2 = -19,679х3 + 15,632х2 - Тип 4 - у4 = -20,845х3 + 28,168Х2 -

-3,7936х +1,6239 ^ = 0,9946 -12,07х + 3,1572 Р?2 = 0,9998

Рис. 6. Зависимость коэффициента запаса прочности в узле примыкания перекрытия к стене тоннеля от относительной глубины заложения в несвязных грунтах

В связных грунтах максимальная осадка при «зиллертальском» способе увеличивается по сравнению с траншейным на 10... 15% в конструкциях с плоским перекрытием и уменьшается на 25...35% при арочном перекрытии.

Применение стен, доходящих до поверхности земли, в несвязных грунтах не влияет на коэффициент запаса прочности в узле примыкания перекрытия к стене тоннеля в конструкциях с плоским перекрытием. При этом применение арочного перекрытия увеличивает значение данного коэффициента в конструкции со стенами, доходящими до поверхности земли, на 15% при значениях относительной глубины заложения больших 0,45.

В связных грунтах применение стен, доходящих до поверхности земли, не влияет на коэффициент запаса прочности.

В связных и несвязных грунтах применение стен, доходящих до поверхности земли, при изменении положения уровня грунтовых вод не оказывает существенного влияния на коэффициент запаса прочности в конструкциях с плоским и арочным перекрытием (разница составляет менее 10%).

По результатам проведенных исследований установлена целесообразная область применения различных модификаций полуоткрытого способа работ и соответствующих им конструкций тоннельных обделок из условия минимизации деформаций грунтового массива и поверхности земли и обеспечения максимального коэффициента запаса прочности элементов конструкции.

С точки зрения обеспечения допустимых деформаций в несвязных грунтах при относительной глубине заложения 0,15...0,6 целесообразно традиционную технологию строительства тоннелей мелкого заложения полуоткрытым способом. В связных грунтах независимо от положения уровня грунтовых вод при относительной глубине заложения 0,15...0,45 целесообразно использовать «зиллертальский» способ с плоским перекрытием, при 0,3...0,6 - с арочным перекрытием.

Из условия обеспечения максимального коэффициента запаса прочности в несвязных грунтах независимо от положения уровня грунтовых вод при относительной глубине заложения 0,15... 0,45 целесообразно применять как траншейный способ, так и технологию, предусматривающую возведение стен до поверхности земли. При относительной глубине заложения 0,45...0,6 целесообразно применять

конструкции с арочным перекрытием и со стенами, доходящими до поверхности земли. В связных грунтах независимо от положения уровня грунтовых вод при относительной глубине заложения 0,15...0,45 можно использовать как траншейный способ, так и технологию, предусматривающую устройство стен до поверхности земли; при относительной глубине заложения 0,3...0,6 - также оба типа конструкции с арочными перекрытиями.

Заключение

Основные научные и практические результаты, выводы и рекомендации, полученные соискателем, заключаются в следующем.

1. Современный мировой опыт применения различных модификаций полуоткрытого способа строительства городских тоннелей мелкого заложения показал эффективность его использования вследствие быстрого восстановления поверхностных условий. Анализ конструктивно-технологических . решений и технико-экономических показателей строительства тоннелей мелкого заложения полуоткрытым способом свидетельствует о том, что его применение наиболее эффективно и экономично в полускальных и мягких грунтах средней и слабой устойчивости при глубине заложения тоннеля 2... 12 м. Так, при увеличении глубины заложения с 2 до 9 м снижение относительной стоимости строительства тоннеля полуоткрытым способом по сравнению с открытым достигает 80%, а с 9 до 12 м - от 80 до 75%. Сравнительный анализ стоимости строительства 1 п.м. тоннелей, сооружаемых по различным технологиям, показал, что наиболее экономичным является «зиллертальский» метод, стоимость которого на 10... 15% ниже, чем для других модификаций полуоткрытого способа.

2. Для обоснования рациональных геометрических и конструктивно-технологических параметров различных модификаций полуоткрытого способа выполнены исследования пространственного напряженно-деформированного состояния бинарной системы «конструкция тоннеля -грунтовый массив» на всех стадиях производства работ. Для расчета данной системы в диссертации использован метод конечных элементов, реализованный в программном комплексе «PLAXIS 3D TUNNEL», что позволило выполнить пространственные расчеты с учетом технологии строительства.

3. На разработанной автором диссертации пространственной конечно-элементной модели системы «конструкция тоннеля - грунтовый массив» были проведены 72 серии численных экспериментов применительно к различным модификациям полуоткрытого способа. При этом варьировались такие факторы как относительная глубина заложения тоннеля, положение уровня грунтовых вод, инженерно-геологические условия, тип конструкции тоннеля и технологическая последовательность строительства.

4. В результате анализа данных численных экспериментов было установлено, что наибольшие деформации грунтового массива возникают в области, прилегающей к ограждению котлована или к стене тоннеля, доходящей до поверхности земли. Поэтому в качестве определяющих параметров деформированного состояния системы были выбраны максимальные значения вертикальных деформаций поверхности земли в указанной области. Изменения значений усилий в конструкциях тоннелей фиксировались в шести сечениях. Для оценки работы конструкции тоннеля был принят коэффициент запаса прочности (отношение несущей способности сечения к действующим в нем усилиям), рассчитанный для соответствующего сечения.

5. Обработка результатов исследований методами математической статистики позволила получить численные и графические зависимости, дающие возможность оценить для различных модификаций полуоткрытого способа влияние относительной глубины заложения и инженерно-геологических условий на возможные деформации грунтового массива и на значения коэффициента запаса прочности в выбранном сечении. Данные зависимости показывают, что применение «зиллертальского» способа в несвязных грунтах приводит к увеличению максимальной деформации грунтового массива по сравнению с траншейным способом на 25...35% в конструкциях с плоским перекрытием и на 20...30% - с арочным. В связных грунтах максимальная осадка при «зиллертальском» способе увеличивается по сравнению с траншейным на 10... 15% в конструкциях с плоским перекрытием и уменьшается на 25...35% при арочном перекрытии.

6. При повышении уровня грунтовых вод от низа стены до верха перекрытия тоннеля в несвязных грунтах деформация поверхности земли при «зиллертальском» способе снижается на 30%, при траншейном - на 40%. В связных грунтах изменение данного фактора не оказывает

существенного влияния на максимальные деформации грунтового массива.

7. Применение стен, доходящих до поверхности земли, в несвязных грунтах увеличивает значение коэффициента запаса прочности в узле примыкания перекрытия к стене тоннеля на 15% по сравнению с траншейным способом при значениях относительной глубины заложения больших 0,45. В связных грунтах применение стен, доходящих до поверхности земли, не влияет на коэффициент запаса прочности. В связных и несвязных грунтах применение стен, доходящих до поверхности земли, при повышении уровня грунтовых вод от низа стены до верха перекрытия не оказывает существенного влияния на коэффициент запаса прочности в конструкциях с плоским и арочным перекрытием (разница составляет менее 10%).

8. На основе данных проведенных исследований установлена целесообразная область применения каждой из модификаций полуоткрытого способа работ в зависимости от инженерно-геологических условий и относительной глубины заложения тоннеля h/B (где h - глубина заложения, В - ширина тоннеля). Траншейный способ с плоским перекрытием наиболее эффективен в связных и несвязных грунтах при h/B=0,15...0,45, с арочным - в несвязных грунтах при h/B=0,3...0,6 и в связных грунтах при h/B=0,3...0,45. Целесообразная область применения «зиллертальского» способа с плоским перекрытием - связные грунты при h/B=0,15...0,45, несвязные - при h/B=0,3...0,45; с арочным перекрытием -связные и несвязные грунты при h/B=0,3...0,6.

Полученные в результате проведенных исследований выводы и рекомендации призваны расширить масштабы применения полуоткрытых способов работ в тоннелестроении и использовать полученные зависимости при принятии научно обоснованных конструктивных и технологических решений в процессе проектирования и строительства городских тоннелей мелкого заложения.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 4 научных статьях:

1. Зиборов, М.А. Особенности строительства тоннелей мелкого заложения полуоткрытым способом. / М.А. Зиборов // Исследования автодорожных и городских мостов и тоннелей: сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). -М„ 2008. - С. 75-79.

2. Зиборов, М.А. Напряженно-деформированное состояние системы «обделка-грунт» в различных модификациях полуоткрытого способа строительства тоннелей мелкого заложения. / М.А. Зиборов Н Исследования автодорожных и городских мостов и тоннелей: сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). - М„ 2009. - С. 80-86.

3. Зиборов, М.А. Исследование напряженно-деформированного состояния системы «конструкция тоннеля - грунтовый массив». / М.А. Зиборов //Транспортное строительство, №11. - М., 2009. - С. 20-22.

4. Зиборов, М.А. Исследование напряженно-деформированного состояния системы «конструкция тоннеля - грунтовый массив» с учетом технологии производства работ. / М.А. Зиборов II Наука и техника в дорожной отрасли, №1. - М., 2010. - С. 9-11.

к исполнению 13/05/2010 Исполнено 13/05/2010

Заказ № 1218 Тираж 100 экз.

ООО «СМСА» ИНН 7725533680 Москва, 2й Кожевнический пер., 12 +7(495)604-41-54 www.cherrypie.ru

Введение.

Глава 1. Современные тенденции развития полуоткрытого способа работ в тоннелестроении и методы расчета конструкций.

1.1 Общие сведения.

1.2 Разновидности полуоткрытого способа. Конструктивно-технологические решения.

1.3 Методы расчета конструкций тоннелей при полуоткрытом способе работ

1.3.1 Методы строительной механики.

1.3.2 Аналитические методы механики сплошной среды.

1.3.3 Численные методы расчета.

1.4. Выводы по главе. Задачи исследований.

Глава 2. Создание пространственной конечно-элементной модели системы «конструкция тоннеля - грунтовый массив» с учетом технологии строительства

2.1. Общие положения.

2.2. Применение программного комплекса «PLAXIS 3D TUNNEL» в геотехнических расчетах.

2.3. Моделирование системы «конструкция тоннеля - грунтовый массив» с учетом технологии строительства.

2.3.1.Определение размеров расчетного фрагмента грунтового массива.

2.3.2. Модель грунтового массива.

2.3.3. Модель конструкции тоннеля.

2.4. Разработка пространственной модели для расчета системы «конструкция тоннеля — грунтовый массив» с учетом технологии строительства.

2.5. Тестовый расчет.

2.6. Выводы по главе.

Глава 3. Исследование напряженно-деформированного состояния системы «конструкция тоннеля - грунтовый массив» на пространственной конечноэлементной модели.

3.1. Общие положения.

3.2. Планирование численного эксперимента.

3.3. Матрица планирования численного эксперимента.

3.4. Результаты численного эксперимента.

3.5. Выбор параметров оценки изменения напряженно-деформируемого состояния системы «конструкция тоннеля — грунтовый массив».

3.6. Анализ напряженно-деформированного состояния системы «конструкция тоннеля — грунтовый массив» по результатам численного эксперимента.

3.6. Выводы по главе.

В последнее десятилетие крупнейшие города Российской, Федерации проходят новый этап развития транспортной системы. Рост темпов урбанизации, увеличение объемов жилищного и коммунального строительства, резкий рост числа автомобилей (за последние 10 лет только в Москве парк автомобилей увеличился в 4 раза и составил более 3 млн. ед.) обусловливают необходимость быстрого развития дорожно-транспортной сети, возведения новых транспортных сооружений, в том числе автотранспортных тоннелей[33,39].

Необходимость строительства тоннелей в городах чаще всего возникает в связи с реконструкцией существующих и созданием новых скоростных дорог и магистралей непрерывного движения. При этом пропускная способность обычного перекрестка, на котором пересекаются транспортные потоки высокой интенсивности, становится недостаточной и приводит к заторам и ухудшению экологической обстановки.

При строительстве тоннелей и других подземных транспортных сооружений мелкого заложения во многих случаях применяют открытые или полуоткрытые способы, работ, предусматривающие полное или частичное вскрытие земной поверхности [36].

Строительство тоннелей мелкого заложения в условиях плотной городской застройки и высокоинтенсивного дорожного движения открытым способом связано с необходимостью изменения организации движения транспорта и пешеходов в районе строительства, закрытием пересекаемых магистралей и другими нарушениями поверхностных условий.

С целью минимизации этих нарушений в практике тоннелестроения находят применение различные модификации полуоткрытого способа, предусматривающие, в первую очередь, возведение конструкций по технологии «стена в грунте» или из буровых свай, на которые опирают перекрытие тоннеля. После обратной засыпки перекрытия восстанавливают поверхностные условия; а затем закрытым способом разрабатывают грунтовое ядро и возводят лотковую плиту [34].

С помощью полуоткрытого способа построены многочисленные транспортные тоннели^ мелкого заложения, в. крупнейших городах Европы, Америки и Японии. Например, в Москве таким способом построены автотранспортные тоннели на Проспекте Мира, на Ленинском проспекте, многофункциональные подземные комплексы на Манежной площади и Софийской набережной и др.[29;89].

Применение полуоткрытых способов в стесненных градостроительных и транспортных условиях сопряжено, с целым рядом конструктивных и технологических проблем. Имеется в виду выбор рациональных конструкций: тоннелей и технологической* последовательности их возведения, а также методов их расчета на различных этапах строительства и* эксплуатации1 с учетом конкретных инженерно-геологических и гидрогеологических условий. Для* этого необходимо5 проведение теоретических и экспериментальных исследований, взаимодействия конструкций^ тонне ля с окружающим грунтовым массивом. По результатам исследований должны быть разработаны рекомендации практического характера для использования- в процессе проектированиятоннелей.

Актуальность работы.

Актуальность диссертационной работы обусловлена расширением масштабов использования подземного пространства для; решения городских транспортных проблем, а также необходимостью подземного строительства в условиях высокоинтенсивного уличного движения:

Применение полуоткрытого способа работ позволяет вести строительство подземного сооружения с меньшим, по сравнению с открытым способом, перерывом движения на поверхности земли, и в-некоторых случаях позволяет избежать, необходимости устройства и демонтажа ограждающих конструкций за счет включения последних в состав постоянной, конструкции1 тоннеля. Однако некоторые вопросы, касающиеся взаимодействия грунтового массива,с конструкцией тоннеля на всех этапах строительства с учетом пространственной работы строящегося» сооружения изучены недостаточно. В связи с этим возникает необходимость проведения научных исследований.

Цель и задачи диссертации.

Целью диссертационной работы является исследование закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) системы «конструкция тоннеля - грунтовый массив»1 на различных этапах строительства тоннеля полуоткрытым способом с учетом конструктивно-технологических особенностей и инженерно-геологических условий.

В соответствии с поставленной целью определены задачи исследований:

• анализ технических решений, используемых при строительстве тоннелей мелкого заложения полуоткрытым способом;

• разработка пространственных конечно-элементных моделей системы «конструкция тоннеля - грунтовый массив» для различных модификаций полуоткрытого способа с учетом технологии строительства;

• проведение численных экспериментов на. разработанных моделях для выявления. НДС системы «конструкция тоннеля — грунтовый массив» на этапах строительства и эксплуатации тоннеля;

• установление зависимостей, характеризующих, изменение выбранных параметров НДС системы «конструкция тоннеля - грунтовый массив» в. зависимости от варьируемых факторов;

• разработка рекомендаций по применению, различных типов конструкций автотранспортных тоннелей мелкого заложения, сооружаемых полуоткрытым способом.

Под понятием «конструкция тоннеля — грунтовый массив» подразумевается бинарная система взаимодействия тоннельной обделки с окружающим грунтом.

Методика исследований.

В основу исследований заложен комплексный подход к решению поставленной задачи, включающий научный, анализ и обобщение материалов по применению полуоткрытого способа строительства, тоннелей мелкого заложения. При этом все этапы строительства рассматриваются во взаимной связи.

Для проведения теоретических исследований НДС бинарной системы «конструкция тоннеля - грунтовый массив» использован метод конечных элементов (МКЭ), реализованный в программных комплексах PLAXIS и PLAXIS 3D TUNNEL. Для обработки результатов исследований применялись методы математической статистики.

Научная новизна работы:

• впервые в РФ разработаны пространственные конечно-элементные модели применительно к рассматриваемым в работе модификациям полуоткрытого способа работ с учетом технологии строительства автотранспортных тоннелей мелкого заложения;

• проведены теоретические исследования методом математического моделирования, по результатам которых выявлены закономерности в изменении параметров' НДС системы «конструкция тоннеля - грунтовый массив»;

• проведен сравнительный анализ деформаций поверхности земли и усилий в элементах конструкции тоннелей для различных технологий полуоткрытого способа работ;

• определена рациональная* область применения разновидностей полуоткрытого способа работ.

Практическая ценность работы:

• методика и результаты математического моделирования системы «конструкция тоннеля - грунтовый массив» на разработанных конечно-элементных моделях;

• прогнозирование деформаций поверхности земли и усилий в конструкциях тоннелей с учетом технологии их строительства;

• рациональная область применения различных модификаций полуоткрытого способа строительства автотранспортных тоннелей мелкого заложения в соответствии с конкретными градостроительными и инженерно-геологическими условиями.

Достоверность полученных результатов обоснована:

• строгостью исходных предпосылок применяемых методов исследований;

• соблюдением требований действующих нормативных документов;

• использованием методических разработок ведущих отечественных и иностранных компаний в рассматриваемой области;

• результатами тестовых расчетов.

На защиту выносятся:

• результаты анализа отечественного и зарубежного опыта применения полуоткрытого способа строительства тоннелей мелкого заложения;

• пространственная конечно-элементная модель системы «конструкция» тоннеля - грунтовый массив», реализованная с использованием программного комплекса «PLAXIS 3D TUNNEL»;

• результаты численного эксперимента системы «конструкция тоннеля -грунтовый массив»;

• рациональная область применения различных технологий полуоткрытого способа строительства тоннелей-* мелкого заложения, определенная на основе анализа результатов численного эксперимента.

Реализация результатов

Результаты работы нашли применение:

• при разработке вариантов проектных решений по строительству подземных сооружений мелкого заложения в ООО «ЗЕГЕ С.О. «ЗЭСТ»;

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

Апробация работы.

Результаты работы были доложены на ежегодных научно-технических конференциях Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ) в 2008, 2009 и 2010 гг. и в Филиале ОАО ЦНИИС НИЦ «Тоннели и метрополитены» в 2010г. Публикации.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 4 научных статьях:

1. Зиборов М.А. Особенности строительства тоннелей мелкого заложения полуоткрытым способом. // Исследования автодорожных и городских мостов и тоннелей: сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). - 2008. - С. 75-79.

2. Зиборов М.А. Напряженно-деформированное состояние системы «обделка-грунт» в различных модификациях полуоткрытого способам строительства тоннелей мелкого заложения. // Исследования автодорожных и городских мостов и тоннелей: сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). - 2009. - С. 80-86.

3. Зиборов М.А. Исследование напряженно-деформированного состояния системы «конструкция тоннеля — грунтовый массив». // Транспортное строительство, №11.- М., 2009: - С. 20-22.

4. Зиборов М:А. Исследование напряженно-деформированного состояния системы «конструкция тоннеля - грунтовый- массив» с учетом технологии производства работ. // Наука и техника в дорожной отрасли, №1. - М., 2010.

Структура и объем работы.

Диссертация содержит 117 стр., 57 иллюстраций, 11 таблиц и включает введение, 3 главы, заключение, список литературы из 97 наименований и приложение:

3.6. Выводы по главе

На основании анализа результатов исследований, приведенных в данной главе, можно сделать следующие выводы.

1. Выполненные исследования НДС системы «конструкция тоннеля грунтовый массив» позволили оценить для различных модификаций полуоткрытого способа влияние отдельных факторов (тип грунта, тип конструкции, технология производства работ, положение уровня грунтовых вод) на осадку поверхности грунтового массива и на усилия в конструкциях тоннелей. Обработаны методами математической статистики и

96 проанализированы 72 серии численных экспериментов, в которых варьировались относительная глубина заложения, тоннеля» (hJBm) и положение уровня грунтовых вод, а также технологии производства,работ.

2. Методом тренд-анализа; получены; зависимости; позволяющие оценить в вариантах конструктивно-технологических решений^ влияние отдельных факторов на возможные осадки поверхности земли и на. значения коэффициента запаса прочности в характерных сечениях конструкции тоннеля.

3. При, использовании технологии строительства тоннелей; предусматривающей возведение стен тоннелей в качестве ограждающих конструкций;, доходящих до поверхности земли; в несвязных грунтах максимальная; деформация грунтового массива увеличивается;.по сравнению с траншейным способом на 25.35% в конструкциях с плоским перекрытием и на.20.30% - с арочным. В-связных грунтах максимальная осадка при «зиллертальском» способе увеличивается по сравнению с траншейным, на 10:. 15% в- конструкциях с плоским перекрытием и уменьшается на 25. .35% при арочном перекрытии.

4. Форма перекрытия не влияет на деформированное состояние грунтового массива при использовании «зиллертальской» технологии. При повышении уровня, грунтовых вод от нижнего торца стены до перекрытия для, конструкций.тоннелей со^ стенами, доходящими до, поверхности земли, в несвязных грунтах максимальная деформация поверхности* земли при. траншейном способе уменьшается на 30.40%, при «зиллертальском» - на; 25%.

5. Применение стен, доходящих до поверхности земли, в несвязных грунтах не влияет на коэффициент запаса прочности в узле примыкания перекрытия^ к стене тоннеля, в, конструкциях с плоским: перекрытием: При этом применение арочного перекрытия увеличивает значение данного коэффициента в конструкции со- стенами;, доходящими; до поверхности земли, на<Л5% при; значениях относительной* глубины заложения больших

97

0,45. В связных грунтах применение стен, доходящих до поверхности земли, не влияет на данный коэффициент запаса. В связных и несвязных грунтах применение стен, доходящих до поверхности земли, при повышении уровня грунтовых вод от уровня низа стены до верха перекрытия не оказывает существенного влияния на коэффициент запаса прочности в конструкциях с плоским и арочным перекрытием (разница составляет менее 10%).

6. Для ограничений деформаций грунтового массива в несвязных грунтах при относительной глубине заложения 0,15.0,6 целесообразно традиционную технологию строительства тоннелей мелкого заложения полуоткрытым способом. В связных грунтах независимо от положения уровня грунтовых вод при относительной глубине заложения 0,15.0,45 целесообразно использовать «зиллертальский» способ с плоским перекрытием, при 0,3. .0,6 - с арочным перекрытием.

7. Для обеспечения максимального коэффициента запаса прочности в несвязных грунтах при относительной глубине заложения 0,15-0,45 целесообразно применять траншейный и «зиллертальский» способы; при 0,45-0,6 - «зиллертальский» способ с арочным перекрытием. В связных грунтах при относительной глубине заложения 0,15-0,45 целесообразно применять как траншейный способ, так и технологию, предусматривающую возведение стен до поверхности земли; при 0,3-0,6 - также оба типа конструкции с арочными перекрытиями.

Заключение

Основные научные и практические результаты, выводы, и рекомендации, полученные соискателем, заключаются в следующем.

1. Современный мировой опыт применения, различных модификаций полуоткрытого способа строительства городских тоннелей мелкого заложения' показал эффективность его использования вследствие быстрого восстановления поверхностных условиш Анализ конструктивно-технологических решений и технико-экономических показателей строительства тоннелей мелкого заложения полуоткрытым способом свидетельствует о том,, что его применение наиболее эффективно- и экономично в. полускальных и мягких грунтах средней, и, слабой, устойчивости при глубине заложения,тоннеля 2.12 м. Так, при увеличении глубины заложения с 2 до 9 м снижение относительной стоимости строительства тоннеля полуоткрытым способом по сравнению с открытым достигает 80%,. а с 9 до< 12 м. - от 80 до 75%. Сравнительный анализ, стоимости, строительства 1 п.м. тоннелей; сооружаемых по различным технологиям, показал, что наиболее экономичным является «зиллертальский» метод, стоимость которого на 10. 15% ниже,, чем* для других модификаций полуоткрытого способа.

2. Для обоснования«рациональных геометрических и конструктивно-технологических параметров! различных модификаций- полуоткрытого способа выполнены исследования пространственного напряженно-деформированного состояния бинарной системы «конструкция тоннеля — грунтовый массив» на всех стадиях производства работ. Для расчета данной' системы в диссертации использован метод конечных элементов, реализованный' в программном комплексе «PLAXIS 3D TUNNEL», что позволило выполнить, пространственные расчеты с учетом технологии строительства.

3. На разработанной автором диссертации; пространственной конечно-элементной модели системы «конструкция тоннеля — грунтовый массив»

99 были проведены 72 серии численных экспериментов применительно * к различным модификациям полуоткрытого способа. При этом варьировались такие факторы как относительная глубина заложения тоннеля, положение уровня грунтовых вод, инженерно-геологические условия, тип конструкции тоннеля и технологическая последовательность строительства.

4. В г результате анализа данных численных экспериментов было установлено, что наибольшие деформации грунтового массива возникают в области, прилегающей к ограждению котлована или к стене тоннеля, доходящей до поверхности земли. Поэтому в качестве определяющих параметров деформированного состояния системы были выбраны максимальные значения» вертикальных деформаций поверхности земли в указанной области. Изменения значений* усилий в конструкциях тоннелей фиксировались в шести сечениях. Для оценки работы конструкции тоннеля был принят коэффициент запаса прочности- (отношение несущей способности сечения к действующим в нем усилиям), рассчитанный для соответствующего сечения.

5. Обработка результатов исследований методами математической статистики позволила получить численные и графические зависимости, дающие возможность оценить для различных модификаций полуоткрытого способа влияние относительной глубины заложения и инженерно-геологических условий на возможные деформации грунтового массива и на» значения коэффициента запаса прочности в, выбранном' сечении. Данные зависимости показывают, что применение «зиллертальского» способа в несвязных грунтах приводит к- увеличению максимальной деформации грунтового массива по сравнению с траншейным способом на 25.35% в конструкциях с плоским перекрытием и на 20.30% - с арочным. В связных грунтах максимальная осадка при «зиллертальском» способе увеличивается по сравнению с траншейным на 10.15% в конструкциях с плоским перекрытием и уменьшается на 25.35% при арочном перекрытии.

6. При повышении уровня грунтовых вод от низа стены до верха перекрытия тоннеля в несвязных грунтах деформация поверхности земли при «зиллертальском» способе снижается на 30%, при траншейном - на 40%. В связных грунтах изменение данного фактора не оказывает существенного влияния на максимальные деформации грунтового массива.

7. Применение стен, доходящих до поверхности земли, в несвязных грунтах увеличивает значение коэффициента запаса прочности в узле примыкания перекрытия к стене тоннеля на 15% по сравнению с траншейным способом при значениях относительной глубины заложения больших 0,45. В связных грунтах применение стен, доходящих до поверхности земли, не влияет на коэффициент запаса прочности. В связных и несвязных грунтах применение стен; доходящих до поверхности земли, при повышении уровня грунтовых вод от низа стены до верха, перекрытия, не оказывает существенного влияния на коэффициент запаса прочности в конструкциях с плоским и арочным перекрытием (разница составляет менее. 10%).

8. На основе данных проведенных исследований установлена целесообразная область применения каждой, из модификаций полуоткрытого способа работ в зависимости от инженерно-геологических условий и относительной глубины заложения тоннеля /г/В (где h - глубина заложения; В - ширина.тоннеля). Траншейный способ с плоским перекрытием, наиболее эффективен в связных и.несвязных грунтах при h/B=0,15.0,45, с арочным -в несвязных грунтах при h/B=0,3.0,6 и в связных грунтах при h/B=0,3.0,45. Целесообразная область применения «зиллертальского» способа с плоским перекрытием - связные грунты' при h/B=0,15.0,45, несвязные - при h/B=0,3.0,45; с арочным перекрытием - связные и несвязные грунты при h/B=0,3. .0,6.

Полученные в результате проведенных исследований выводы и рекомендации призваны расширить масштабы применения полуоткрытых

101 способов работ в тоннелестроении и использовать полученные зависимости при принятии научно обоснованных конструктивных и технологических решений в процессе проектирования и строительства городских тоннелей мелкого заложения.

1. Адлер, Ю.П. Введение в эксперимент / Ю.П. Адлер. - М.: Наука, 1972.-157 с.

2. Адлер, Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский. М.: Наука, 1976. -280 с.

3. Алейников, А.В. Метод граничных элементов в контактных задачах для упругих пространственно неоднородных оснований / А.В. Алейников. — М.: АСВ, 2000 г.

4. Ашмарин, И.П. Быстрые методы статистической обработки и планирование экспериментов / И.П. Ашмарин, Н.Н. Васильев, В.А. Амбросов. — Л.: Издательство Ленинградского университета, 1971.

5. Бреббия, К. Методы граничных элементов. Пер. с англ. / К. Бреббия, Ж. Телес Ж, Л. Вроубел. М.: Мир, 1987 г.

6. Булычев, Н.С. Механика подземных сооружений в примерах и задачах / Н.С. Булычев. М.: Недра, 1989. - 272с.

7. Булычев, Н.С. Механика подземных сооружений / Н.С. Булычев -М.: Недра, 1994. 384с.

8. Вялов, С.С. Реологические основы механики грунтов / С.С. Вялов. -М., 1978.

9. Галлагер, Р. Метод конечных элементов. Основы / Р. Галлагер. М.: МИР, 1984 г.

10. Гарбер, В.А. Метрополитен. Долговечность конструкций в условиях эксплуатации и городского строительства / В.А. Гарбер. М.: НИЦ ТМ ОАО ЦНИИС, 1998.- 172 с.

11. Гарбер, В.А. Научные основы проектирования тоннельных конструкций с учетом технологии их сооружения / В.А. Гарбер. М.: НИЦ ТМ ОАО ЦНИИС, 1996. - 370 с.

12. Гарбер, В.А. Пространственное моделирование при строительстве транспортных тоннелей / В.А. Гарбер, А.А. Кашко, Д.В. Панфилов // Метро и тоннели, №5. М., 2004. - С. 46-48.

13. Гарбер, В.А. К вопросу обеспечения безопасности строительства второго выхода станции «Маяковская» Московского метрополитена / В.А. Гарбер, В.Б. Никифоров, А.А. Кашко, Д.В. Панфилов // Подземное пространство мира, №2-3. М., 2004. - С. 43-50.

14. Гельман, В.Я. Решение математических задач средствами Excel / В.Я. Гельман. СПб.: Питер, 2003. - 237 с.

15. Главатских, В.А. Строительство метрополитенов / В.А. Главатских, B.C. Молчанов. М.: Маршрут, 2006. - 680 с.

16. Голицынский, Д.М. Строительство тоннелей и метрополитенов / Д.М. Голицынский, Ю.С. Фролов, Н.И. Кулагин. -М.: Транспорт, 1989.

17. Далматов, Б.И. Механика грунтов. Часть 1. Основы геотехники / Б.И. Далматов и др. Москва - Санкт-Петербург.: АСВ, 2000. - 398с. в книге указано 8 авторов

18. Дорман, И.Я. Специальные способы работ при строительстве метрополитенов / И.Я. Дорман. Mi: Транспорт, 1981.

19. Жемочкин, Б.Н. Теория упругости / Б.Н. Жемочкин. М.: Госстройиздат, 1955.

20. Зарецкий, Ю.К. Лекции по современной механике грунтов / Ю.К. Зарецкий. Ростов: Изд. Ростовского университета, 1989.

21. Зенкеви, О. Метод конечных элементов в технике / О. Зенкевич. -М.: Мир, 1975.

22. Зенкевич, О. Метод конечных элементов в теории сооружений и механике сплошных сред / О. Зенкевич, И. Чанг. Нью-Йорк, 1967. Пер. с англ. - М.: Мир, 1974.

23. Зерцалов, М.Г. Научное обоснование проектов подземных сооружений на современном этапе / М.Г. Зерцалов, С.А. Юфин // Гидротехническое строительство, № 11. -М., 2000. С. 17-21.

24. Зубков, В:М. Подземные сооружения, возводимые способом «стена в грунте» / В.М. Зубков, Е.М. Перлей. Л.: Стройиздат, 1977.

25. Ильюшин, А.А. Механика сплошной среды / А.А. Ильюшин. М., 1990.

26. Клейн, Г.К. Строительная механика сыпучих тел / Г.К. Клейн. М.: Стройиздат, 1977.

27. Клейн, Г.К. Фундаменты городских транспортных сооружений / Г.К. Клейн, И.И. Черкасов. М.: Транспорт, 1985. - 224 с.

28. Конюхов, Д.С. Строительство городских подземных сооружений мелкого заложения / С.Д. Конюхов. М.: Архитектура-С, 2005. - 304 с.

29. Лернер, В.Г. Систематизация и совершенствование технологий строительства подземных объектов / В.Г. Лернер, Е.В. Петренко. М.: ТИМР, 2004. - 188 с.

30. Маковский, Л.В. Городские подземные транспортные сооружения. -М.: Стройиздат, 1985, 440 с.

31. Маковский, Л.В. Экономичный способ строительства тоннелей мелкого заложения / Л.В. Маковский // Метрострой, №4. М., 1989. - С. 3032.

32. Маковский, Л.В: Автотранспортные тоннели в крупных городах и мегаполисах / Л.В. Маковский, С.В. Чеботарев, Н.А. Сула. М.: ТИМР, 2004. -91с.

33. Маковский, Л.В. Инновационные конструктивно-технологические решения в транспортном строительстве / Л.В: Маковский, С.В. Чеботарев, Н.А. Сула. М.: «ИНФОРМАВТОДОР», 2005. - 104с.

34. Марголин, В.М. Устойчивость вертикальных стенок траншей под гидростатическим напором / В.М. Марголин, В.Т. Дьяконов // Основания, фундаменты и механика грунтов, №1. М., 1973. - С. 11-12

35. Меркин, В.Е. Прогрессивный опыт и тенденции развития современного тоннелестроения / В.Е. Меркин, JI.B. Маковский. М.: ТИМР, 2002.-192 с.

36. Методы и средства, повышения надежности материалов и сооружений на автомобильных дорогах / Сборник научных трудовв МАДИ (ГТУ) НИИ материалов и конструкций. М., 2000г. - 186 с.

37. Налимов, В.В. Теория эксперимента / В.В. Налимов. М.: Наука, 1971 г.-208 с.

38. Панкина, С.Ф. Третье внутригородское транспортное кольцо в Москве / С.Ф. Панкина // Транспортное строительство, №12. М., 1998. - С. 7-11

39. Потапов, В.Д. Строительная механика: в 2 кн. Кн. 1. статика упругих систем / В.Д. Потапов, А.В. Александров, С.Б. Косицын, Д.Б. Долотказин. — М.: Высшая школа, 2007.

40. Розин, JI.A. Расчет гидротехнических сооружений на ЭЦВМ. Метод конечных элементов / JI.A. Розин. JI., 1971.

41. Смирнов, А.Ф. Строительная механика. Стержневые системы / А.Ф. Смирнов и др.. М.: Стройиздат, 1981. - 512 с.

42. Смородинов, М.И. Устройство сооружений и фундаментов способом «стена в грунте» / М.И. Смородинов, Б.С. Федоров. М.: Стройиздат, 1986. - 216 с.

43. Тер-Мартиросян, З.Г. Реологические параметры грунтов и расчеты оснований сооружений / З.Г. Тер-Мартиросян. М., 1990.

44. Терцаги, К. Теория механики грунтов, пер. с нем. / К. Терцаги. М.,1961

45. Ухов, С.Б. Расчет сооружений и оснований методом конечных элементов / С.Б. Ухов. М.: МИСИ, 1973 г.

46. Ухов, С.Б. Механика грунтов, основания и фундаменты / С.Б. Ухов и др.. М.: Высшая школа, 2004.

47. Фадеев, А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике / А.Б. Фадеев. -М.: Недра, 1987.

48. Флорин, В.А. Основы механики грунтов, т. 1-2 / В.А. Флорин. JL-М., 1961.

49. Фотиева, Н.Н. Расчет обделок тоннелей некругового поперечного сечения / Н.Н. Фотиева. М.: Стройиздат, 1974. - 240 с.

50. Халафян, A.A. STATISTICA 6. Статистический анализ данных / А.А. Халафян. М.: «Бином-Пресс», 2007. - 512 с.

51. Храпов, В.Г. Тоннели и метрополитены / В.Г. Храпов, Е.А. Демешко, С.Н. Наумов. — М.: Транспорт, 1989.

52. Цытович, Н.А. Механика грунтов / Н.А. Цытович. М.: Высшая школа, 1983-286 с.

53. Чеботаев, В.В. Сооружение тоннелей под действующими магистралями с помощью защитного экрана из труб. Сборник научных трудов ЦНИИС / В.В. Чеботаев, Е.В. Щекудов. М., 2000. - С. 191-198.

54. Чигарев, А.В. ANSYS для инженеров. Справочное пособие / А.В. Чигарев. М., 2004 г.

55. Шимкович, Д.Г. Расчет конструкций в MSC/Nastran for Windows / Д.Г. Шимкович. М., 2001.

56. Щекудов, Е.В. Опыт сооружения тоннелей с применением защитного экрана из труб под действующими транспортными магистралями / Е.В. Щекудов // Исследования конструкций и материалов для метро- и тоннелестроения: Сб. науч. тр. М.: ЦНИИС, 2002. - С. 38-62.

57. Юркевич, П.Б. Мультифункциональный комплекс «Альфа-Арбат-Центр» в Москве: строительство пятиуровнего подземного паркинга / П.Б. Юркевич // Метро и тоннели, №6. М., 2002. - С. 18-21.

58. ГОСТ Р 52748-2007. Дороги автомобильные общего пользования. Нормативные нагрузки, расчетные схемы нагружения и габариты приближения. М.: Стандартинформ, 2008.

59. МГСН 5.02-99. Проектирование городских мостовых сооружений.

60. Методические рекомендации по расчету временной крепи1 тоннельных выработок. М.: ЦНИИС, 1984. - 62с.

61. СНИП 2.05.03-84* «Мосты и трубы». Введен 1986-01-01. - М.: ОАО «ЦПП», 2008. - 239 с.

62. Bartak J, Hrdina I., Romancov G., Zlaman J. Underground Space. The 4th Dimension of Metropolises. Praga, 2007.

63. BeMo 1964 to 2007: 40 Years of Innovation, Milestones inTunnelling. http://www.bemo.net/e0001 .html

64. Brinkgreve R.B.J. Beyond 2000 in computational geotechnics: 10 years of PLAXIS International. Rotterdam.; A. A. Balkema.1999.

65. Construction of Central-Wan Chai Bypass (CWB) Tunnel in Causeway Bay Typhoon Shelter (CBTS) and ex-Wan Chai Public Cargo Working Area (ex-PCWA).http://www.hyd.gov.hk/eng/major/road/projects/6579th/PublicForumPaperEng. pdf

66. Cundall P.A., Strack O.D.L. A distinct element model for granular assemblies. Geotechnique, 29: 47—65, 1979.

67. ETR Eisenbahntechnische Rdsch. 1988. - 37, №7. - S. 411-415;

68. Makovsky L., Schekudov Ye. Computer-aided simulation of the behavior of reinforced supports in transportation tunnel* engineering / Proceedings of Conference on Underground Space and Rock Mechanics. 2005. - P. 204-207

69. Mancinelli L., Gatti M., Cassani G. Numerical simulation of an excavation near buildings, www.rocksoil.com

70. Official web-site of Australian Tunneling Society, www.ats.org.au

71. Official web-site of Cross City Tunnel // www.crosscity.com.au

72. Official web-site of Dr. Zauer http://www.dr-sauer.com

73. Official web-site of Omikron Kappa http://www.omikronkappa.com

74. Official web-site of Risbein Tunnel // www.infolink.conr

75. Plaxis 3D Tunnel. Manual, http://www.plaxis.n1/shop/l/info// 3DTunnel/

76. Plaxis 8. Manual, пер. В.И. Астафьева. M.: ФАКТ, 2006.

77. Powderham F. The Observational4 Method Learning from Projects. Proceedings of the Institution of Civil Engineers, Geotechnical Engineering, Vol.115, Issue 1, January 2002.

78. Proceedings, of the Aites-ITA 2001 World Tunnel Congress. Vol. III. -Milan-Italy,2001.-P. 49-56.

79. Proceedings of the ITA World tunneling congress 2001, Milan, Italy;

80. Safe Tunneling For The City and For The Enviroment. Proceedings of the ITA World tunneling congress 2009, Budapest, Hungary.

81. Saveur J. (Re)Claiming the Underground Space. Proceedings of the ITA World tunneling congress 2003, Amsterdam, the Netherlands.

82. Tiefbau-Berufsgenossenschaft. 1985. Bd. 95. №6. S. 382-392.

83. Tunnel. 1994. - №2. P. 37-42.

84. Tunnels and tunnelling on the Channel Tunnel Rail Link // www.bnet.com; explanation-guide.info/meaning/limehouse-link-tunnel.html

85. Twine D. Cut and cover tunnels // The Arup Jornal. -2004. №1. p. 16.

86. Underground space waterproofing of Multifunctional complex "The Tsar's Garden", "World underground space", № 3, 2001, pages 11-22, TIMR, Moscow.

87. Van Langen H. and Vermeer P.A. Interface elements for singular plasticity points. Numerical Analytical Methods in Geomachanics. 1991.

88. Wittke W. Design and construction of a shallow tunnel with large span in an urban area. // Geotechnical and Geological Engineering. 1998. - №6. Pp. 127146

89. Wittke W. New design concept for underground openings in rock. In G. Gudehus (ed.) Finite Elements in Geomechanics. Chichester, New York, Brisbane, Toronto, John Wiley Sons, 1977.

90. Yukinori Koyama, Kanji Wako. Railway Technology Today. Railway Construction in Japan // Japan Railway and Transport Review. 1997. №12, P.2.

91. Zeidler G. PROFILE VOJTECH GALL, www.gzconsultants.com.