автореферат диссертации по строительству, 05.23.18, диссертация на тему:Обоснование и разработка параметров гидпропригруза забоя при проходке тоннелей механизированными щитами

.Государственный комитет Российской Федерации , по высшему образованию

Л1осковский государственный горный университет

На правах рукописи

ГОЛУБОВ Алексей Викторович

УДК 622:624.191.6(043.3)

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПАРАМЕТРОВ ' ГИДРОПРИГРУЗА ЗАБОЯ ПРИ ПРОХОДКЕ ТОННЕЛЕЙ МЕХАНИЗИРОВАННЫМИ ЩИТАМИ

Специальность 05.23.18 — «Подземное строительство»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1993

Работа выполнена в Московском государственном горном университете.

Научный руководитель докт. техн. наук, проф. ФЕДУНЕЦ Б. И.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. МЕРКИН В. Е., канд. техн. наук ВЛАСОВ С. Н.

Ведущее.предприятие — Специальное конструкторско-тех-нологнческое бюро по метро- и тоннелестроению «Тоннель-метрострой».

Защита диссертации состоится « 28 »декабря 1993 г.

в .7.3. час. на заседании специализированного совета Д-053.12.11 в Московском государственном горном университете по адресу: 117935, Москва, В-49, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского горного университета.

Автореферат разослан « »НОйЪрЯ 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета

докт. техн. наук, проф. ШУПЛИК М. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В настоящее время строительство тоннелей в г родах страны в сложных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях осуществляется в основном с применением специальных способов: водопо-нижение, замораживание, тампонаж и т.д. Несмотря на большой накопленный опыт, эти методы не всегда применимы в условиях плотной городской застройки, они нарушают естественное состояние грунтового массива и вредно влияют на экологическую обстановку в целом. Существующая технология строительства тоннелей с применением специальных способов не обеспечивает также >вксоких темпов производства работ.

За рубежом в аналогичных условиях обычно применяются высокопроизводительные механизированные проходческие щиты с пригрузом забоя, применение которых позволяет снизить сроки строительства, повысить безопасность ведения работ и увеличить .производительность труда проходчиков.

Наиболее распространенным типом щитов для проходки в неустойчивых обводненных грунтах являются щиты с гидропригрузом забоя. Анализ зарубежного опыта строительства тоннелей такими щитами и опыт применения щита фирмы "Wayss und Freitag" при строительстве участка Люблинской линии Московского метрополитена выявил необходимость обоснования и разработки параметров пригруза забоя, что позволит использовать их в дальнейшем для проектируемых отечественных комплексов.

В связи с этим разработка параметров пригруза забоя при строительстве тоннелей щитами с гидропригрузом забоя является актуальной научной и практической задачей.

Цель диссертационной работы заключается в обосновании и разработке параметров гидропригруза забоя при строительстве тоннелей механизированными щитами, позволяющих снизить сроки строительства, повысить безопасность проходки и снизить деформации земной поверхности.

Основная идея работы заключается в дальнейшем совершенствова--ши способа строительства тоннелей механизированными щитами с гид-эопригрузом забоя за счет установления новых закономерностей пове-

- г -

дения грунтового массива в различных технологических режимах проходки.

Методы исследований. Для решения поставленных в диссертационной, работе задач использован комплекс методов: физическое моделирование. аналитические методы, натурные измерения, метод сопоставительного анализа результатов, полученных на основе предлагаемой и известных теоретических методик с экспериментальными данными.

Основные"научные положения, выносимые на защиту :

1. Процесс нарушения статической устойчивости забоя, закрепленного гидропригрузом, может начинаться как сверху так и снизу,что позволяет описать его двумя соответствующими расчетными схемами.

2. Установлены аналитические зависимости, позволяющие рассчитать значение необходимого для поддержания статической устойчивости забоя давления пригруза* в зависимости от инженерно-геологических условий , глубины заложения трассы, диаметра щита.

3. Для обеспечения безосадочной проходки тоннелей механизированными щитами при определении давления пригруза необходимо учитывать давление рабочего органа щита на забой путем введения.в расчетные формулы дополнительной'составляющей, зависящей от конструкции ротора, давления пригрузочной жидкости, сцепления грунта, толщины срезаемой стружки.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- удовлетворительной сходимостью (расхождение не более 10%) расчетных значений давления пригруза с фактическими значениями, принятыми в натурных условиях:

- положительными результатами проверки методики для щита "Wayss und Freitag", работающего на Мосметрострое,и использованием данных большого производственного опыта строительства тоннелей щитами с гидропригрузом забоя за рубежом.

Научное значение работы заключается в установлении зависимостей требуемого для поддержания устойчивости забоя давления пригруза от инженерно-геологических условий строительства, конструкции щитового агрегата, особенностей технологии проходки.

Практическое значение работы состоит в разработке обобщенной методики расчета давления пригруза, реализующей эту методику программы для IBM PC. позволяющей рассчитывать давление пригруза для механизированных щитов с гидропригрузом забоя в различных инженер-

но-геологических условиях строительства.

Реализация результатов работы.

Результаты диссертационной работы включены в "Руководство по назначению давления пригруза забоя на щите проходческого комплекса фирмы "Wayss und Fraltag", разработанного в ЦНИИСе с участием автора. и внедрены на строительстве участка Люблинской линии Московского метрополитена.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах и совещаниях НТС Мосметростроя и на кафедре строительства подземных сооружений и шахт Московского государственного горного университета.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 2 научные работы.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 139 страницах текста, содержит 27 рисунков, 6 фотографий, список литературы из 92 наименований и 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ отечественного и зарубежного опыта строительства тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях показал, что применение проходческих комплексов с гидропригрузом забоя является одним из наиболее эффективных и перспективных в современном тоннелестроении. Высокая скорость и надежность,- развитая технология, отсутствие значительных осадок поверхности, минимальное отрицательное воздействие на окружающую среду и т.д. обуславливают преимущества таких щитов перед традиционными специальными способами в неустойчивых обводненных грунтах.Тем не менее, несмотря на все преимущества, строительство тоннелей этим способом в отечественном тоннелестрострое-нии только начинается.

Особенностью геологических условий г.Москвы является наличие вблизи от поверхности большой толщи (до 25 м) водонасыщенных неустойчивых пород, в которых рационально применять щиты с гидропригрузом забоя. Аналогичные инженерно-геологические условия нередко встречаются и в других городах России, где строятся или будут стро-

иться метрополитены (Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Омск, Новосибирск и другие).

Ведущими в .области строительства тоннелей щитами с гидроприг-рузом забоя являются фирмы Германии: "Wayss und Freitag", "Bade und Teelen", "Philipp Holzmann", японские компании "Мицубиси", "Хитачи", "Исеки" и другие.

В нашей стране вопросы щитовой проходки тоннелей с пригрузом забоя исследовали В.М.Ауэрбах, С.Н.Власов, Л.А.Воробьев. Э.А.Гарш-тейн. Е.А.Демешко, В.Л.Маковский, Э.А.Малоян, В.Е.Меркин. В.П.Суве-ров, Н. Г.Туренский. В. А. Ходош, В. В. Чеботаев и другие.

Анализ существующих теоретических исследований в области выбора рациональных технологических параметров проходки показал:

-исследования в области выбора оптимального давления пригруза недостаточно учитывают реальные условия деформаций забоя при потере устойчивости;

-нормативные и рекомендательные материалы различных фирм опираются на принятые системы нормативов, которые отличаются от отечественных;

-исследованные модели предназначены для работы на щитах определенной конструкции либо в определенных геологических условиях;

-разработанные модели недостаточно отражают технологию строительства и не учитывают влияние рабочего органа щита' на устойчивость забоя.

В связи с вышеизложенным необходимо проведение дальнейших исследований, направленных на разработку параметров пригруза забоя адекватно отражающих инженерно-геологические условия строительства, технические характеристики щита и особенности технологического цикла работ.

Исходя из оценки современного состояния комплекса вопросов, связанных с проходкой тоннелей щитами с гидропригрузом забоя в сложных инженерно-геологических условиях, задачами настоящей работы являются:

-выбор и обоснование расчетных схем для определения статической устойчивости забоя, закрепленного гидропригрузом;

-расчет статической устойчивости забоя в различных грунтовых

условиях;

- разработка программы расчета статической устойчивости забоя

на ЭВМ;

-учет влияния рабочего органа щита и технологии работ на выбор давления пригруза.

Лабораторные исследования статической устойчивости забоя щита проводились путем изучения на физических моделях механизма деформаций забоя, закрепленного воздушным пригрузом, вплоть до его разрушения. Исследования были проведены при участии автора в лаборатории Горного давления ЦНИИСа под руководством В. В. Чеботаева.

Экспериментальная установка позволяла установить зависимость деформаций забоя от давления пригруза на разных глубинах заложения трассы и при разных характеристиках песка в моделируемом массиве. Опыты проводились с сухим и водонасыщенкым песком, характеристики которого были известны. Модели не отвечали критерию подобия Ньютона для эквивалентных материалов, так как задачей исследований являлось только выявление характерных особенностей процесса формирования давления грунта на забой и механизма потери забоем устойчивости, определяющих выбор расчетных схем. Поэтому данная физическая модель рассматривалась как натурная система, на основе поведения которой были обоснованы и выбраны расчетные схемы.

Исследование поведения модели дало возможность описать характер взаимодействия забойного пригруза с массивом пород жестко-пластической моделью, в качестве которой предложено использовать модель Янсена. как наиболее обобщенную. Анализ расчетных формул для определения напряжений в грунтовом массиве для этой модели позволяет рассматривать модель сводообразования профессора М. М.Протодьяконова как частный случай модели Янсена.

Выбор расчетных схем для определения.требуемого давления пригруза диктуется соображениями учета реальных условий деформаций при потере забоем устойчивости. Как показали эксперименты на физических моделях и натурные исследования, характер разрушения забоя при различных глубинах заложения тоннеля и различных физических характеристиках грунта может значительно отличаться. С теоретической точки зрения, если рассматривать пригруз забоя как временную крепь, возможны три случая поверхностей скольжения и эпюр давления:

1) крепь смещается поворотом относительно подошвы ;

2) крепь смещается поворотом относительно верха ;

3) крепь смещается параллельно своему положению.

Случай 3 не получил экспериментального подтверждения, поэтому в качестве исследуемых взяты случаи 1 и 2.

Для решения' задачи предложено использовать соответствующие данным условиям деформации модели механики грунтов. Выбор величины давления пригруза должен быть произведен по наибольшему из двух значений с соответствующим инженерно-геологическим условиям коэффициентом запаса. Для определенности обе расчетные схемы соответствуют случаю пневмопригруза, т.е. технологическому режиму, при котором рабочая жидкость замещена воздухом. При этом давление пригруза можно заменить равнодействующей силой, приложенной по оси щита.

Расчетная схема 1 (рис.1) соответствует случаю, когда забой начинает терять устойчивость сверху. Такие условия деформаций характерны в основном на неглубоком заложении трассы тоннеля. Для такой расчетной схемы применима теория Кулона расчета подпорных стен.

Давление забойного пригруза как активное давление грунта можно определить по формуле:

4) Ц2 (<*'-%)-Ч 1)

(1)

где - угол внутреннего трения грунта в забое щита, град.; С - сцепление грунта в забое щита, кН/к£

объемный вес грунта в забое щита С учетом взвешивающего действия воды, кНЛ?; ]} - диаметр щита . м; 1Л/- гидростатическое 'давление, кПа; ¿- вертикальное давление в грунте на уровне верха щита, рассчитываемое по модели Янсена, кН/м? Значение гидростатического давления принимается на уровне низа

щита.

Расчетная схема 2 (рис.2) соответствует случаю, когда потеря устойчивости первоначально наблюдается снизу забоя.

Условия деформации забоя, положенные в основу этой расчетной схемы, в большей степени соответствуют реальной картине потери забоем устойчивости.

Согласно теории Терцаги, • который рассматривал аналогичную расчетную схему для расчета котлованов, удовлетворительным приближением к фактической форме естественной поверхности скольжения мо-

/Л/ -V/* ЧЧЧ л".» Ч.Ч». /л» ЧЫ. ЛУ ЧЦ. АУ ЛУ ччч л*

г - угв

I \ I \

Р Егр V

р - 'да&ление пригру$а

давление грунта. V/ -гидростатическое даЗлеиие

Рис. {. Расчетная схема I

'm /<v iv- w. ■>■>> s// vu

--------------УГВ

\

H

I ^ , \

Pue. 2. Расчетная схема 2.

жет служить отрезок логарифмической спирали. Таких спиралей можно провести бесконечно много.

Давление забойного пригруза в этом случае определяется как максимальное из всех, рассчитанных по формуле:

где ¿tiCL4> ta\ й - расстояния, соответствующие данной поверхности скольжения, м; G- собственный погонный вес призмы обрушения, кН/м Q -сила реакции вдоль поверхности скольжения.кН.

Для решения задачи нами разработана программа для IBM PC,позволяющая определять величину давления пригруза, необходимого для поддержания статической устойчивости забоя в зависимости от характеристик грунта над шелыгой свода, характеристик грунта в забое щита, диаметра щита, глубины заложения тоннеля, гидростатического давления в забое

Анализ результатов расчета позволил установить следующее:

- характер зависимостей по схемам 1 и 2 аналогичен и соответствует физическому смыслу задачи;

- значение давления пригруза может быть больше как по схеме 1, так и по схеме 2. в зависимости от значений влияющих на нее факторов;

- в несвязном грунте (С=0) при значении угла внутреннего трения грунта в забое менее 32°давление пригруза больше по схеме 1, а в противном случае-по схеме 2 ;

- сравнение результатов расчета по схе'мам 1 и 2 с результатом, полученным по методике "Wayss und Freitag" , являющейся, по-сущест-ву, синтезом практического опыта,и результатами натурных исследований позцоляет обосновать вводимые в дальнейшем в расчетные формулы коэффициенты запаса;

- сцепление грунта в пределах забоя оказывает большее влияние на давление пригруза по схеме 2. чем по схеме 1 при </> >29";

- значение удельного веса грунта в забое не оказывает существенного влияния на давление пригруза как при расчетах по схеме 1. так и при расчетах по схеме 2 ;

- при диаметре щита менее 5 м схема 2 дает большие значения

давлений пригруза. чем схема 1 .при прочих равных условиях :

- величина объемного веса грунта над забоем влияет на давление пригруза больше, чем величина объемного веса грунта в забое ;

- при увеличении глубины заложения трассы тоннеля значения давления пригруза растут быстрее по схеме 2. чем по схеме 1:

- гидростатическая составляющая входит в давление пригруза полностью.

Объектом для натурных исследований являлся переходной участок Люблинской линии Московского метрополитена, где был использован щитовой проходческий комплекс фирмы "Wayss und Freitag".

Натурные исследования проводились по следующим направлениям:

- измерения гидростатического давления при помощи гидронаблюдательных станций в тоннеле ;

- измерения уровня воды в гидронаблюдательных скважинах ;

- наблюдения за состоянием забоя во время кессонных работ.

На рис. 3 приведена диаграмма фактического давления пригруза в воздушной подушке щитовой камеры по левому перегонному тоннелю. На той же диаграмме приведены минимальные давления пригруза по проектным и фактическим уровням грунтовых вод.

Анализ результатов исследований позволил сделать выводы:

1. Показания манометров измерительных станций в тоннеле хорошо коррелируют с показаниями близлежащих гидронаблюдательных скважин. Разница данных -не превышает 1м водяного столба.

2. Колебания уровня грунтовых вод по данным наблюдений за уровнем воды в скважинах и давлением по манометрам достигают величины 0.6м водяного столба.

3. Наиболее сложными с точки зрения устойчивости забоя являются участки неглубокого заложения (10-12 метров) и участки проходки в глинистом грунтовом массиве. Р первом случае был зафиксирован вывал. который привел к осадкам поверхности, во втором наблюдались систематические вывалы в забое.

Для сопоставления результатов расчета давления пригруза по предлагаемой и существующим методикам с данными натурных исследований были рассмотрены 4 характерных участка трассы тоннеля с конкретными геологическими и гидрогеологическими условиями и проведена сравнительная оценка давления пригруза в каждом случае (табл.1).

зоо-

250-2DO tSO

m 50

Л*

«гд tfc

4 д л

АО to <20 <60 100 240 280 320 360 400 y^y4е колец

--фактическое дабление npuspt/за

---давление, рас считанное по ерактмескону уробню грунтоВых 5од

--давление, рассчитанное по проектному уро&ню гручтоВых £од

д гидронаЪЬюдат&льные с/<3ажины

* измерительные Станции 6 тоннеле

Рис.3. Давление пригруза пр>и проходке левого перегонного тоннеля

i

в

Для условий участка 1 ( заложение лотка тоннеля z=15m, массив осушен водопонижением. W =0, в забое песок коричневый, пылеватый, с тонкими прослоями суглинка, tf =35"; С=0 :^=18 кН/М1) наименьшее значение получено по методике "Wayss und Freitag" . Назначение давления пригруза по этой методике привело к обрушению в забое и осадке поверхности. Методика ЦНИИС и предлагаемая методика дают близкие значения, подтверждаемые результатами натурных испытаний.

Для условий участка 2, который был представлен легкими желто-серыми. мелкопесчаными, текучей консистенции супесями ,^=19,4кН/м'; <Р=27°; С=0, при заложении лотка тоннеля z=26m и давлении грунтовых вод W = 110 kila, наименьшее значение давления пригруза получено по методике "Wayss und Freitag". Предлагаемая методика в этих условиях дает значение больше на 5%. Успешная проходка тоннеля метрополитена щитом с гидропригрузом забоя в г.Лион (Франция), где в аналогичных инженерно-геологических условиях было выбрано давление пригруза 170 кПа. подтверждает предлагаемую методику.

Таблица 1

Результаты расчета давления пригруза по различным методикам

1 1 N 1 Давление пневмопригруза (кПа) I

I участка Методика 1 Методика| Предлагаемая 1 Фактическое |

ЦНИИС "Wayss | методика значение. I

• und | принятое при I

Freitag"! проходке лево-!

го перегон- I

ного тоннеля I

1 1 97 69 I 105 110 |

1 2 193 158 I 165 200 I

1 3 217 215 I 220 230 I

1 4 1 253 265 I i 278 260 I I

Для условий 3-го участка (заложение лотка тоннеля z=35m. дав-' ление грунтовых вод W =180 кПа, в забое песок средней крупности ¿"=19кН/м', </?=35! С=0. на расстоянии 0,5-1м над шелыгой свода залегает супесь, описанная выше) все методики дают приемлемые зна-• чения. подтверждающиеся положительными результатами проходки.

Для условий участка 4 (заложение лотка тоннеля г=42м. давление грунтовых вод W =230 кПа, в забое глина серая сланцеватая, слюдистая. твердой консистенции. JM8,2кН/м! у>=20*. С=20кН/м? выше залегает песок, характеристики которого приведены в описании участка 3). фактическое значение давления пригруза. выбранное по методике ЦНИИСа и "Wayss und Freitag" не обеспечивало в полной мере устойчивость забоя. Согласно предлагаемой методике давление пригруза следует повысить до 280 кПа.

В работе также рассмотрены вопросы влияния технологии работ и конструкции щитовсго комплекса на величину давления пригруза. Показано. что устойчивость забоя во время проходки сохраняется при равенстве объема разработанной породы и обьема удаленной породы .которое достигается для щитов без планшайбы при давлении гидропригру-за равном статическому грунтовому давлению на забой.

Показано, что давление пригруза со, стороны щита во время проходки для щитов с планшайбой является суммой давления пригрузоч-ной жидкости (гидравлического) и давления рабочего органа (механического).

Р"" = Я + Рм (3)

Давление рабочего органа в несвязных грунтах увеличивается при увеличении давления суспензии и увеличении толщины стружки. Значение давления планшайбы для связных грунтов не зависит от давления суспензии, а определяется значением сцепления грунта и толщиноС стружки.

Для получения зависимость*! давления рабочего органа щита от рассмотренных параметров нами разработана программа для IBM PC, позволяющая получать численные значения 'давлений ротора. Получены экспериментальные зависимости для данного щита при фиксированных остальных параметрах, влияющих на давление ротора.

Разработанная программа позволяет получать экспериментальные зависимости для любых других конкретных условий проходки на основа-'

нии данных натурных измерений.

В технологическом цикле проходки важное место занимают кессонные работы. Получены зависимости давления пригруза от уровня приг-рузочной жидкости в рабочей камере щита типа "Wayss und Freitag".

где Р -давление воздуха во время кессонных работ, кПа ;

11 -высота уровня пригрузочной жидкости от лотка щита, м.; у -плотность пригрузочной жидкости, кг/м'

Разработанная методика определения необходимого для поддержания устойчивости забоя давления пригруза является неотъемлемой составной частью технологии безопасной проходки тоннелей щитами с гид-ропригрузом забоя, поэтому экономический эффект от внедрения технологии (1456.56 тыс. руб. в год на один щит в ценах 1989 года) может быть получен при условии соблюдения положений предлагаемой методики расчета давления пригруза.

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научно-технической задачи по разработке параметров пригруза забоя при строительстве тоннелей механизированными щитами с учетом инженерно-геологических условий работ и технологии строительства, что позволяет снизить сроки строительства и обеспечить безаварийную и безосадочную проходку тоннелей.

Основные выводы, научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Статическая устойчивость забоя щита, закрепленного гидро-пригрузом (пневмопригрузом), может быть описана двумя основными расчетными схемами, которые отражают реальные условия деформаций забоя в процессе его разрушения. Расчетная схема 1 соответствует случаю, когда забой начинает терять устойчивость сверху. Расчетная схема 2 составлена для случая, когда потеря устойчивости первоначально наблюдается снизу забоя.

2. Давление пригруза для конкретных инженерно-геологических

>

(4)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

условий рекомендуется определять в соответствии с расчетными схемами по полученным аналитическим зависимостям, которые учитывают основные влияющие на него факторы: глубину заложения трассы; характеристики грунта в забое и над забоем; уровень грунтовых вод над тоннелем; диаметр проходческого щита.

3. Разработанная программа расчета для IBM PC. позволяет получать численные значения необходимого давления пригруза в конкретных условиях.

4. Для безаварийной и безосадочной проходки необходим обязательный учет давления рабочего органа щита по установленным в работе экспериментальным зависимостям.

5. Установлены зависимости давления пригруза от уровня пригру-зочной жидкости в рабочей камере щита. •

6. Разработана обобщенная методика расчета давления пригруза для комплексов с гидропригрузом забоя, которая может быть использо-■ вана в практике строительства тоннелей проектируемыми отечественными комплексами.

7. Результаты диссертационной работы включены в "Руководство по назначению давления пригруза забоя на щите проходческого комплекса- фирмы "Wayss und Freitag", разработа»ного в ЦНИИСе с участием автора, и внедрены на строительстве участка Люблинской линии Московского метрополитена.

8. Разработанная методика позволяет.реализовать экономический эффект от внедрения технологии проходки тоннелей метрополитена щитами с гидропригрузом забоя, который составляет 1456.56 тыс. руб. в год на один щит в ценах 1989. гбда.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Голубов A.B. Моделирование статической устойчивости забоя щита// Комплексное освоение подземного пространства крупных городов-: Сб. научных трудов /. - М.: Г 1991.'- с. 74-80.

Голубов А.В. Расчет статической устойчивости забоя щита с пригрузом// Комплексное освоение подзейного пространства крупных городов: Сб. научных трудов /. - М.: МГИ, 1993. - с. 69-74.

//

/