автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Оценка техногенных воздействий на окружающую среду при проходке тоннелей, сооружаемых щитовым способом

На правах рукописи

Аунг Мо Хейн

004605704 и/ у

ОЦЕНКА ТЕХНОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ПРИ ПРОХОДКЕ ТОННЕЛЕЙ, СООРУЖАЕМЫХ ЩИТОВЫМ СПОСОБОМ

05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 ЙЮН 2010

Москва-2010

004605704

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ) на кафедре «Подземные сооружения».

Научный руководитель: Курбацкий Евгений Николаевич,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Назаров Юрий Павлович,

доктор технических наук

Курнавин Сергей Александрович, кандидат технических наук

Ведущая организация: ГУП «МОСИНЖПРОЕКТ».

Защита состоится «30» ОЬ . 2010 г. в |5^часов в аудитории 251QÍ на заседании диссертационного ученого совета ДМ 218.005.05 при Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, Москва, ул. Образцова, д.9, стр. 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан « os 2010 г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим направлять rio адресу университета.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент

Шавыкина МБ.

Общая характеристика диссертационной работы

Во многих случаях проходка тоннелей осуществляются в непосредственной близости от существующих зданий и сооружений. Проходка тоннеля неизбежно вызывает вертикальные и горизонтальные перемещения грунта, которые могут вызвать повреждения зданий и сооружений, расположенных вблизи строящихся трасс метро.

Во многих странах строительство тоннелей вблизи сооружений, представляющих историческую ценность, контролируется сотрудниками организации Green Peace, оценивающими влияние строительства на окружающую среду.

Актуальность проблемы. В последние годы руководством правительства Мьянмы принято решение о строительстве метрополитена в столице страны в городе Янгон. В условиях существующей городской застройки возникают проблемы, связанные с защитой наземных сооружений от воздействий, возникающих как при строительстве, так и при эксплуатации тоннелей метрополитена. В городе Янгон большое количество старинных зданий, исторических памятников. Особую историческую ценность представляют пагоды (ступы), построенные в древние времена. Из-за большого количества в городе этих величественных сооружений можно без преувеличения сказать, что любая проектируемая ipacca метрополитена будет проходить лод старинными сооружениями, либо в непосредственной близости от них. Эти сооружения особенно уязвимы и не рассчитаны на техногенные воздействия, которые могут проявляться в виде осадок поверхности грунта и, следовательно, вызывать перемещения фундаментов. Другими опасными техногенными воздействиями являются колебания и вибрации, создаваемые режущими механизмами щитовых комплексов. Даже незначительные вибрации поверхности грунта могут повредить древние сооружения. При строительстве метро в городе Янгон предполагается использовать щитовой способ сооружения тоннелей.

Решение вопросов оценки техногенных воздействий на окружающую среду при проходке тоннелей щитовым способом, а именно, определение осадок поверхности грунта, а также оценка динамических воздействий рабочих механизмов щита на сооружения, находящихся в близости от строящихся линий для условий города Янгон, является необходимым и актуальным.

Цель и задачи работы:

• выполнить анализ существующих методов оценки техногенных воздействий при щитовой проходке тоннелей на здания и сооружения вблизи строящихся трасс метро,

• оценить осадки поверхности грунта при щитовой проходке тоннелей,

• оценить параметры динамических воздействий режущих механизмов щита на окружающий грунтовый массив.

Научная новизна работы. Автором предложен метод оценки осадок поверхности грунта, основанный на использовании теоремы взаимности.

Решена задача распространения волн от точечных источников различного типа в бесконечном пространстве. При решении используется интегральное преобразование Фурье, аппарат обобщённых функций и асимптотические разложения. Функции, описывающие фронты распространения волн представлены в виде трёхмерных графиков с помощью пакета Матлаб.

Получена оценка уровней колебаний поверхности грунта, создаваемых различными источниками, моделирующими процесс щитовой проходки тоннеля. Для этой цели так же используется теорема взаимности.

Достоверность результатов. Для оценки достоверности полученных результатов в качестве эталонного решения используется известное решение Лява о действии сосредоточенной силы в бесконечном пространстве.

Выполнено сравнение результатов численных расчётов величины оценки осадок дневной поверхности грунта при щитовой проходке и сравнение уровней вибраций, создаваемых при щитовой проходке на поверхности грун-

та и при нагнетании за обделки тоннеля, с известными результатами, опубликованными в технической литературе, как в РФ, так и за рубежом.

Достоверность исследований подтверждается хорошим совпадением результатов, полученных в данной работе, с теоретическими и экспериментальными данными других авторов.

Практическая значимость и реализация работы. Полученные результаты можно использовать при оценке воздействий на сооружения, расположенные вблизи трасс метро, возникающие при строительстве и эксплуатации тоннелей. Результаты работы предполагается использовать при проектирова нии и строительстве первой линии метро в городе Янгон.

Апробация работы. Основные научные результаты докладывались

1. на IX научно-практической конференции «Безопасность движения поездов», 2008 г, в Московском государственном университете пу тей сообщения (МИИТ).

2. на международной научно-технической конференции «Особенности освоения подземного пространства и подземной урбанизации в крупных городах мегаполиса» МВЦ «Крокус Экспо», павильон №3, зал 15. (Труды конференции - 11-12 ноября, 2008г, Москва).

3. на юбилейной X научно-практической конференции «Безопасность движения поездов», 2009 г, в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ).

4. на VII международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Тгапэ-МесЬ-Ап-СЬеш» - 18-19 мая, 2010 г, в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы грех печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения. Она содержит 110 страниц машинописного текста, 2

таблицы, 73 рисунка. Список использованных источников насчитывает 35 наименований.

Основное содержание диссертации Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, определена цель работы, ее научная новизна и практическая значимость.

В первой главе проанализированы существующие методы оценки осадок дневной поверхности грунта при проходке тоннелей.

Среди методов оценки осадок дневной поверхности грунта выделены следующие направления:

- эмпирические методы оценки перемещений дневной поверхности грунта, разработанные российскими и зарубежными специалистами;

- аналитические решения для оценки перемещений грунта при проходке тоннелей;

- численные методы.

Эмпирические методы широко используются на практике для оценки деформации поверхности земли, возникающие при строительстве тоннелей. Российскими учёными различных школ предложено большое количество эмпирических формул для оценки осадки поверхности грунта над тоннелями. Кратко перечислим наиболее известные и распространённые.

В первую очередь следует отметить работы ленинградских учёных Ю.А. Лиманова, М.А. Иофиса, P.A. Муллера и В.Ф. Подаква, Е.А. Артюкова. Лиманов Ю.А., (Петербургский университет путей сообщения) в 1957 году, предложил формулу для оценки осадки поверхности грунта, при выводе которой использовал результаты измерений осадки поверхности земли для инженерно-геологических условий строительства тоннелей Ленинградского метрополитена.

В Москве подобными исследованиями занимались Е.А. Демешко и В.А. Ходош. Учёные Сибири (Новосибирск) - А.К. Поправко, B.C. Молчанов и

Ю.Н. Савельев предложили формулу для определения осадок при сооружении тоннелей мелкого заложения г. Новосибирска.

Вопросами оценки осадок поверхности грунта занимались очень многие учёные различных стран. Среди эмпирических методов, разработанных зарубежными учёными, следует отметить оценку поверхности мульды осадки с использованием функцией ошибки Гаусса, которую предложил учёный Реек (1969). В основу этого метода положено равенство объема поверхностной мульды осадки грунта и объёма, заполняющего пространства, возникшее вследствие деформации обделки тоннеля. В частном случае при отсутствии крепи объем мульд равен объему вынутого грунта. Величина осадок, возникающих при проходке тоннелей, характеризуется объёмом «потерянного грунта», представляемого в процентах от полного выбранного объёма грунта.

Для заданного диаметра тоннеля D, форма и величина поперечной кри вой осадки только зависит от потери объема VL и ширины мульды /v. Пара метр ширины мульды (I) определен как расстояние точки перегиба кривой от оси тоннеля. В работе O'Reilly и New получено выражение для этих параметров для различных типов фунтов в зависимости от глубины заложения тоннеля. Эти же авторы предложили формулы для определения горизонтальных перемещений в направлении, перпендикулярном оси сооружаемого тоннеля, и формулы для определения напряжений в поверхностных слоя грунта. Английские учёные Attewell, Р. В., & Woodman в работе приводят результаты экспериментальных измерений осадок поверхности грунта при проходке в пластических глинах. Из многих теоретических и экспериментальных исследований следует, что перед забоем в поверхностных слоях грунта над строящимся тоннелем, возникают растягивающие напряжения, за забоем напряжения сжатия. Все компоненты перемещений и напряжений, зависят от двух параметров ширины мульды / и потери объема VL.

Аналитические методы. В содержательной работе сотрудника Азиатского Технологического Института Park, К.Н., (Таиланд (2005) «Analytical solutions for tunnelling-induced ground movements in clays») приводятся анали-

тические решения для оценки осадок в глинистых грунтах при проходке тоннелей. Для оценки осадок поверхности грунта для тоннелей глубокого заложения используется решение для упругого пространства. Несмотря на некоторую противоречивость такой постановки задачи - определение перемещения свободной поверхности по перемещениям бесконечного пространства, утверждается, что теоретические результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Для тоннелей мелкого заложения следует отметить аналитические решения Verruijt и Booker (1996), в которых учитывается неравномерная радиальная потеря грунта и овализация тоннельной обделки. Loganathan и Poulos (1998) предложили при определении осадок поверхности для неосушенных грунтов использовать коэффициент Пуассона, равный vu - 0.5 и коэффициент бокового давления равный единице.

Автором диссертации предложен способ определения перемещений поверхности грунта, с использованием решений Loganathan и Poulos, в которых вместо заданных смещений на границе контура, задаётся давление нагнетания за обделку.

Из учёных МИИТа следует отметить работы известного математика И.Г. Арамановича, который получил аналитическое решение о распределении напряжённо-деформированного состояния для выработки неглубокого заложения с учётом начального напряжённого состояния поверхностной нагрузки.

В последние годы широкое распространение получили численные методы. Для анализа поведения подземных сооружений и конструкций, находящихся вблизи строящейся трассы метро широкое распространение получил метод конечных элементов (МКЭ), реализованный в следующих программных комплексах: PLAXIS, MATLAB и MathCAD.

Из анализа существующих эмпирических и аналитических методов оценки осадок поверхности грунта при проходке тоннелей, можно сделать следующие выводы.

1. Эмпирические методы и аналитические решения, в которых применяются модели упругого пространства или полупространства, широко используются как в России, так и в различных странах мира для оценки осадок поверхности грунта при проходке тоннелей.

2. Эмпирические методы позволяют на предварительном этапе проектирования быстро и с достаточной точностью определять параметры мульды осадки.

3. Недостатком эмпирических методов и формул является возможность их применения только для строго определенных инженерно-геологических условий и способов сооружения тоннелей. Это обстоятельство ограничивает, а в некоторых случаях исключает возможность использования эмпирических формул для расчета параметров мульды осадки. Эти методы не позволяют принять в расчет такие факторы как механические характеристики горных пород и особенности инженерно-геологических условий строительства гон нелей.

4. Аналитические решения так же позволяют получить быстро и достаточной точностью оценки осадок поверхности грунта при проходке тоннелей щитовым способом в слабых грунтах, в тех случаях, когда пластические деформации в окрестности выработки малы.

5. Существующие аналитические решения позволяют получить информацию о распределении напряжений и перемещений грунта на разных глубинах для различных грунтов.

6. Используя существующие аналитические решения можно получить перемещения поверхности грунта и для процесса нагнетания раствора за тоннельную обделку.

Во второй главе рассмотрена оценка осадок поверхности грунта при щитовой проходке тоннелей. Чрезмерные осадки могут вызвать повреждения наземных и подземных сооружений. Оценка величины осадки поверхности грунта являются наиболее важной проблемой при проектировании тоннеля.

Причины осадок, вызванные проходческим щитом, могут быть разделены на пять категории.

1. Потеря равновесия между давлением грунта и грунтовой воды в головной части щита.

2. Перебор, проход поворотов, изменение угла наклона щита.

3. Возникновение свободного пространства за хвостовой оболочкой при движении щитовой машины и неудовлетворительное нагнетание тампонажного раствора.

4. Деформация и смещения тоннельной обделки.

5. Понижение уровня грунтовых вод.

В МИИТ-е автором диссертации разработан аналитический метод оценки осадки поверхности грунта, основанный на теореме взаимности, который можно сформулировать следующим образом.

Если постоянная сипа Г, приложенная в направлении а в некоторой точке А упругого, анизотропного, неоднородного пространства, вызывает в другой точке В в направлении р перемещение, равное и, тогда эта же сила Р, приложенная в точке В в направлении /3, вызовет в точке А в направлении а перемещение, равное и.

Для этой цели используется известные аналитические решения: перемещений точек грунта упругого полупространства при воздействии вертикальных сил.

Исходными данными для вычисления вертикальных перемещений поверхности грунта являются функции перемещении контура цилиндрической полости. Напряжения на контуре обделки определяются из решения Фламан-та.

Рис. 1. Расчетная схема для определения перемещений в цилиндрической полости при действии вертикальной силы

Нормальные напряжения в двух взаимно перпендикулярных направлениях: вдоль оси тоннеля: сг; ст,, и перпендикулярно направлению е:

1-у

Радиальные перемещения контура при действии нормальных напряжений перпендикулярно оси цилиндра при направлении 0 = 0, направленной вдоль оси т.

ост„ V

ц Е \-у

(1 + 2соз26>)

Радиальные перемещения контура при действии нормальных напряжений перпендикулярно оси цилиндра:

аау

г £( 1-У)

-—(1-2соз2в) (угол в заменяется на угол в*ж )

Радиальные перемещения контура при действии нормальных напряжений вдоль оси цилиндра:

ост. ост, у1

и, = —- V => и, = —---

Е Е 1-у

1. Средние радиальные перемещения неподкреплённой цилиндрической полости от силы, приложенной на поверхности земли определяются формулой:

Дм, = Дм, + Аи, + А и, ,

которое после подстановки выражений для средних радиальных перемещений принимает вид:

г Е и-у; Е

■2 ааМу + 2) -—г—--- или

1-У

Е(\-у)

2 аРгу(у + 2)

Аи, =-;-

г Елг2( 1-у)

2. С помощью теоремы взаимности, определяется зависимость средних перемещений от распределённой по длине цилиндрической полости (в направлении г) силы Р, приложенной внутри полости. Для этой цели определяются радиальные перемещения цилиндрической полости от равномерного давления:

Е

Обозначим средние радиальные перемещения тоннельной обделки от силы /•", приложенной внутри обделки д. В соответствие с теоремой взаимности можно записать выражение:

Еи(а) =

„ (1 - 2у)д . _ ДЕ

Е--— = яД =-

Е (1-2у)

Для определения перемещения точек поверхности от силы, приложенной к внутреннему контуру полости, так же используется теорема взаимности.

Обозначим и. - вертикальное перемещение поверхности грунта,

г=\/?+?, со5в=г/г, тв=х!г

В соответствие с теоремой взаимности имеем:

Fu =-

ЛE (l-2i/)'

- Au,

Из чего следует,

2azv(v + 2)A ' лг\l-v)(l-2v)

Для сравнения результатов используется эмпирического уравнение, предложенное учёным Peck (1969) для оценки осадки поверхности грунта в поперечном направлении.

V2 4/,

где VL = потери объема, D = диаметра тоннеля, / = параметр ширины мульды, в поперечном профиле осадки.

Для расчета величины поверхности осадки при проходке двух параллельных тоннелей используется метод суперпозиции. Wang, J.G., Kong, S.L., Leung, C.F. (2003) в работе «Осадки грунта от рядом расположенных тоннелей» предложили формулу

•Я

(x + L/2)2

2 Ц

+ SimxBexp

(.x-LHf

2 Ч

-S,

где SAB = 0- без учёта взаимодействия, L = расстояние между двумя тоннелями (рисунок 3). Увеличение расстояния между тоннелями вызывает уменьшение осадки в центральной части между тоннелями. Если эти тоннели имеют одинаковые диаметры и потери грунта, тогда SmaA, = SmM£ и / , = 1В.

Кроме того, для сравнения результатов, полученных в настоящей работе, используются, известные аналитические решения учёных Verruijt и Booker (1996), Loganathan и Poulos (1998) и Park (2005). Verruijt и Booker получили решение для тоннеля мелкого заложения в аналитическом виде.

и, - -еа х

4 z(z + H)

х +(z ~ Ну х

и2 = sa'

\

/

г-Я t z + H 2z[x2 -(г + Я)2]^ x2+(z-H)2 + x2+(z + H)2 [ХЧ(2 + Я)2]2 ^

z-H

Указанные авторы использовали величину - равномерную радиальную потерю грунта, определяемую равномерным радиальным перемещением вокруг тоннеля.

Относительное радиальное перемещение определяется выражени-

На практике радиальные перемещения контура выработки не является равномерными, а представляют собой овал. Поэтому учёный Park (Таиланд) предложил упругое решение для определения деформаций при проходке тоннелей путем учёта овального смещения.

Учёные Loganathan и Poulos (из Австралии) предложили модифицированный параметр эквивалентной потери грунта без учёта дренирования:

Для сравнения результатов аналитических решений, полученных различными учёными, автором диссертации были выполнены численные расчёты с использованием программного комплекса РЬАХ15. В этом расчёте учитывались упругопластическое нелинейное поведение грунта с учётом дренирования и без учёта дренирования. Определены кривые, описывающие осадки фунта при проходке одного и двух тоннелей.

Для сравнения результатов расчётов и точности расчётов использовались исходные и результаты полевых замеров, полученные при строительстве тоннелей в городе Сингапуре в 2009 году.

На рисунке 2 представлено сравнение кривых мульд осадок, полученных аналитическими и численными методами, при проходке двух параллельных тоннелей (коэффициент потери объема 1%).

и.

ем: с, =

а

Расстояние от центра даух тоннелей (м)

о

о

о

о

рци» _т>зг ашез '■лат Огатм в«1ас*а За 1.15Я4П V. У^гго!!« аЗозКег (1Р90> Реп,

=>л<ч'.200*1 гесьегавмпмнхтн

О О

■50

Рис. 2. Сравнение всех профилей осадок при проходке двух тоннелей.

Сравнение всех профилей осадок показало, что кривая, полученная с использованием теоремы взаимности хорошо совпадает с результатами, полученными различными методами, но отличается от данных полевых наблюдений в большую сторону. Представление результаты показывают, что аналитические и эмпирические методы достаточно хорошо описывают осадки поверхности грунта. Тем не менее, для сложных грунтовых условий более подходящим являются численные методы, позволяющие учесть неоднородность грунтов.

В третьей главе решаются вопросы распространения волн в упругой среде от точечных источников.

При сейсмических воздействиях и воздействиях техногенного происхождения (подземные взрывы, щитовая проходка тоннелей и др.) в грунте распространяются волны напряжений. На расстояниях, равным нескольким длинам (более двух-трёх) волн источники волн можно считать точечными, что существенно упрощает решение проблемы оценки интенсивности этих волн. Распределение напряжений в распространяющихся волнах зависит от вида и формы источника, от условий контакта источника со средой и свойств среды в окрестности источника. Точечные источники и их комбинации выбраны таким образом, чтобы они моделировали воздействие на массив грунта механизмов и процессов при щитовой проходке тоннелей.

Для оценки влияния различных факторов на характер распространения волн удобно проблему распространения волн разделить на несколько этапов.

На первом этапе рассматриваются задачи распространения волн в бесконечной среде от точечных источников различных типов:

- сосредоточенной силы,

- двойной силы без момента (две сосредоточенные силы, действующие в противоположных направлениях вдоль одной линии и приложенные на малом расстоянии 2йдруг от друга),

- две двойные силы без момента (двойная пара без момента), действующие под прямыми углами и лежащие в одной плоскости,

- три двойные силы без момента, действующие в трёх взаимно перпендикулярных направлениях (центр расширения),

- двойной силы с моментом (пары сил),

- комбинация двух пар сил с суммарным моментом, равным нулю

- равномерные давления в цилиндрической полости на участке длиной <3,

- касательные напряжения, на участке контура цилиндрической полости длиной с1,

- касательные напряжения, приложенные к контуру цилиндрической полости на участке длиной с1.

На втором этапе рассматриваются задачи распространения волн от точечных источников в упругом полупространстве. На этом этапе решаются задачи определения колебаний поверхности упругого полупространства от различных точечных источников волн, расположенных на разной глубине, и учесть отражённые от свободной поверхности волны.

Полученные решения дают возможность оценить динамическое воздействие на окружающую среду при сейсмических воздействиях, а так же оценить динамические воздействия различных устройств и механизмов, используемых при проведении подземных работ.

При решении задач о распространении волн от точечных источников в третьей главе используется интегральное преобразование Фурье и аппарат обобщённых функций. Для решения динамических задач как для бесконеч-

ного пространства, полупространства, а так же ограниченных областей дифференциальные уравнения движения

+а+- рй, -1,. у=|.2,з,

представляются в обобщённых финитных функциях:

Ри1 „ + (Л + /1)1/,,„ + ^ = ^[[С, ]с05(л,;Г,)<?(.$)] ( + и + ]С05(П.Х, )<?(*)] ^ + +[огД С05(п,х,Щ*) - + - Т) - р[0,1.,«/) + - Г).

Методика решения задач распространения волн в бесконечной упругой среде от точечных источников с использованием преобразования Фурье и обобщённых функций от точечных источников излагается на примере задачи о действии сосредоточенной силы Г(1) для сравнения с известным решением Лява. Сосредоточенная сила представляется в виде: Х} = /'(/)£>( х\). Решение

сводится к вычислению интегралов

и2{х 1,х2,х„т) = -£/,(*,, хг,х},т) = -

рг-1 г а2а,Х,

а{а,Л':,

_11Г__

4

¿1

"сПУ.

Ьк'рсЦ (у2-ю2/32)(у2-<о2)

Учитываются условия излучения и используются асимптотические разложение интегралов. Если пренебречь членами, описывающими колебания ближнего поля, решение можно представить в виде:

1

д2г

и,

4 ярг ск,сЦ 1 д2г

4 яр г дх2дх3

гГ

г

!----

I

1

'Г

1 д г

4 ярг сх]

гЛ /

ч

г

(—

С-

2

Отметим, что при учёте членов, описывающих колебания ближнею поля решение полностью совпадает с точным решением Лява. Для наглядности все полученные уравнения представляются в сферической системе коорди-

нат.

Ниже представлены диаграммы излучений от трёх типов источников волн (в диссертации рассчитаны и представлены диаграммы распространения продольных и поперечных волн от девяти источников разных типов).

Точечные источники и их комбинации выбраны таким образом, чтобы они моделировали воздействие на массив грунта механизмов и процессов при щитовой проходке тоннелей. От каждого источника волн распространяются продольные и поперечные волны.

При распространении волн от сосредоточенной силы распространяются волны, форма которых повторяет закон изменения силы. Амплитуда волны 1

уменьшается как - вследствие излучения в пространстве. г

а}- продольные волны, б) - поперечные волны

Рис.3. Диаграммы распространения волн от сосредоточенной силы

а) - продольные волны. б) - поперечные волны

Рис. 4. Диаграммы распространения волн, создаваемых равномерным давлением на участке контура

а)- продольные волны. б) - поперечные во лны

Рис. 5. Диаграммы распространения волн от комбинации двух пар сил с суммарным моментом, равным нулю

При распространении волн от двойной силы без момента форма волны представляет производную от функции, описывающей закон изменения силы. Амплитуда волны так же уменьшается как - вследствие излучения в

г

пространстве.

Формы распространяющихся от разных источников волн повторяют закон изменения сил, или являются производными от функций, описывающих изменения сил или напряжений.

В четвертой главе представлены исследования и результаты расчёта колебаний поверхности грунта при щитовой проходке тоннелей При сооружении тоннелей щитовым способом возникает динамическое воздействие при работе рабочих механизмов грунт щита.

Колебания, возникающие при разработке грунта режущими механизмами щитового комплекса, при создании грунтового пригруза, а так же при нагнетании раствора за обделку могут достигать дневной поверхности и вызывать значительные деформации.

Поэтому при проектировании новых тоннелей, сооружаемых рядом с существующими зданиями желательно оценить параметры динамического воздействия на здания, возникающие при работе щитовых механизмов. Для оценки уровней колебаний поверхности грунта, используется известные ре-

шения, описывающие распространение волн от сосредоточенной вертикальной силы (Miller,G.F), сосредоточенной горизонтальной силы (Cherry, J.T), приложенных к поверхности грунта, и теорема взаимности.

Динамические воздействия рабочих механизмов моделируются: силой, направленной вдоль оси щита, парой сил, двойной парой сил без момента, комбинации пары и продольной силы, комбинации двойной пары без момента и продольной силы.

Вибрации от источников колебаний распространяются в виде продольных волн (Р-волн) и поперечных волн (S-волн). Для каждого типа волн получены выражения для определения амплитуд вертикальных и горизонтальных перемещений поверхности полупространства от источников, различного типа, моделирующих воздействие рабочих органов щитового комплекса, расположенных внутри упругого полупространства.

В качестве исходных данных для определения колебаний поверхности грунта при щитовой проходке необходимо использовать паспортные данные щитового комплекса: давление в забое, величины пар сил, возникающий при разработке грунта и характеристики грунтового массива.

Для определения воздействия от пары силы и двойной пары силы, действующие при движении щита, можно воспользоваться методикой определения вращающего момента, разработанной фирмой Херренкнехт.

Для определения амплитуд перемещений при гармонических воздействиях силовые факторы (силы, пары сил, совокупности сил и пар) представляются в виде составляющих ряда Фурье для периодических функций или в виде амплитудного спектра Фурье для произвольных во времени воздействий. Для определения амплитуд скоростей и ускорений колебаний поверхности, амплитуды перемещений умножаются на частоту и квадрат частоты.

В качестве примеров в настоящей работе предполагалась, что силовые факторы изменялись по трапецеидальному закону, определяемому временем линейного нарастания силового фактора Авременем постоянного по величине действия At2 силы или пары сил и временем убывания Д/3 по линейному

закону. Эти данные предполагались известными. Для оценки динамического воздействия щитового комплекса на грунт желательно перед началом проходки тоннеля записать колебания корпуса щита при пуске, работе и остановке всех его устройств, что позволит определить частотный спектр силовых воздействий механизмов щита на грунт.

Вертикальные колебания ' , ... а, у -" Расчетная схема L,<m«)- 1 59 10 ' м Амплитуды вертикальных колебаний, создаваемые продольными волнами и.(тг*)= 1.79 10 ' ы Амплитуды вертикальных колебаний, создаваемые поперечными волнами

Горизонтальные колебания ""Те . • «Н х Рас четная схема U. (max) = 1.72 'О*' « \ Jif Щ km i ' Амплитуды горизонтальных колебаний, создаваемые продольными волнами г ^Й, " Щ Амплитуды горизонтальных колебаний, создаваемые поперечными волнами

Рис. 6. Графики амплитуд колебаний поверхности грунта (модель воздействия на грунт щита с двойным роторным органом)

Приведены примеры рассчитанных уровней колебаний поверхности грунта, возникающие при щитовой проходке тоннелей при различных сопут ствующих динамических воздействиях: от продольных сил, возникающих при перемещении щита, моментов, возникающих при разработке породы, при создании давления на часть разрабатываемого контура, создаваемого при нагнетании раствора за обделку. Для получения наглядных графических изображений используется программный комплекс Матлаб.

Уровни вибраций поверхности грунта, создаваемые при шитовой проходке и при нагнетании за обделки тоннеля, сравниваются с Санитарными Нормами.

Для сравнения уровней вибраций, создаваемых при щитовой проходке на поверхности грунта с Санитарными Нормами, в нормативных документах принимается уровень виброускорений, определяемый соотношением

Ь= 201ё (а/ао), дБ

где а - среднеквадратичная величина виброускорений, м/с2; ап - пороговая величина виброускорений, равная 10"6 м/с2.

Уровни виброускорений, Дб

Рис. 7. Уровни виброускорений на поверхности грунта при щитовой

проходке тоннелей, расположенных на разных глубинах заложениях

Разработана методика и программы для оценки уровней вибрации поверхности грунта, создаваемые рабочими органами щита.

Основные результаты и выводы

1. Выполнен анализ работ российских учёных и учёных разных стран, занимающихся вопросами оценки техногенных воздействий на окружающую среду при проходке тоннелей.

2. При щитовой проходке тоннелей в непосредственной близости от сооружений и зданий, представляющих историческую ценность, необходимо выполнять дополнительные теоретические оценки, а так же проводить инструментальный контроль в натурных условиях.

3. Разработан новый метод оценки осадок поверхности грунта при проходке тоннелей, основанный на использовании теоремы взаимности.

4. Величину осадок поверхности грунтов при проходке тоннелей можно уменьшить или полностью предотвратить, если контролировать давление в забое и процесс нагнетания за обделку. Давление не должно превышать некоторое максимальное значение.

5. Получены решения распространения волн напряжений в упругой среде от источников волн различного типа.

6. Точечные источники и их комбинации подобраны таким образом, чтобы они моделировали воздействие на массив грунта механизмов и процессов при щитовой проходке тоннелей.

7. Полученные результаты можно использовать для оценки динамических воздействий, возникающих при проходке тоннелей щитовым способом на сооружения, расположенные над трассой тоннеля, что особенно важно при строительстве трасс метро в районах с застройками, представляющими историческую ценность.

8. Результаты исследования можно использовать при сооружении в первой очереди метро в городе Янгон.

Основные положения диссертации и результаты исследований изложены в следующих работах:

1. Аунг Мо Хейн. Оценка осадок поверхности грунта при проходке тоннелей. // Известия ОрелГТУ. Серия - Строительство и реконструкция / Научно-технический журнал. -№6/26(574) 2009. - С. 80-85.

2. Курбацкий E.H., Аунг Мо Хейн., Сан Лин Тун. Распространение волн в упругой среде от точечных источников. // Известия ОрелГТУ. Серия -Строительство и реконструкция / Научно-технический журнал. -№1/27(589)2010.-С. 40-46.

3. Аунг Мо Хейн., Сан Лин Тун. Оценка колебаний поверхности грунта при щитовой проходке тоннелей. // Известия ОрелГТУ. Серия - Строительство и реконструкция / Научно-технический журнал, - №2/28(5 ) 2010.-С. 30-35.

Аунг Мо Хейн

ОЦЕНКА ТЕХНОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ПРИ ПРОХОДКЕ ТОННЕЛЕЙ, СООРУЖАЕМЫХ ЩИТОВЫМ

СПОСОБОМ

05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати - 13. 05.10. Формат 60x80 1/16

Объем 1,5п.л. Заказ У/35? Тираж 80 экз.

Типография МИИТ127994, ГСП-4, Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ПРОЦЕССОВ ПРОХОДКИ

ТОННЕЛЕЙ.

§1.1. Методы оценки осадки дневной поверхности грунта при проходке тоннелей.

§ 1.2. Анализ эмпирических методов оценки осадок поверхности грунта, разработанных специалистами различных стран.

§ 1.3. Анализ эмпирических методов оценки осадок поверхности грунта, разработанных российскими специалистами.

§ 1.4. Аналитические решения для оценки осадок поверхности грунта при проходке тоннелей.

§ 1.5. Определение перемещений грунтового массива при нагнетании раствора за тоннельную обделку.

§ 1.6. Численные методы.

§ 1.7. Выводы.

ГЛАВА 2. ОЦЕНКА ОСАДОК ПОВЕРХНОСТИ ГРУНТА ПРИ ПРОХОДКЕ

ТОННЕЛЕЙ ЩИТОВЫМ СПОСОБОМ.

§ 2.1. Причины осадок поверхности грунта при проходке тоннелей щитовым способом.

В настоящее время с развитием многих городов увеличивается потребность в транспортной инфраструктуре. Поскольку свободное наземное пространство в городских условиях становится все более ограниченными, наиболее эффективным средствами в обеспечении требуемой инфраструктуры становятся подземные сооружения. Во многих городах мира разрабатываются новые проекты подземных сооружений в условиях высокой плотности застройки и во многих случаях в районах, в которых расположены древние сооружения и здания, представляющие историческую ценность. Подземные сооружения имеют большое значение не только в густонаселенных регионах мира. И необходимость, и потребность в этих специализированных подземных сооружений увеличивается с ростом мирового населения.

Первая подземная железнодорожная линия была введена в эксплуатацию в Лондоне в 1863 году. С тех пор более чем в 150-ти городах мира были построены подземные транспортные системы (метрополитены), и в настоящее время более чем 50 % из них модернизируются, расширяются и удлиняются. В настоящее, сооружается транспортная сеть метро в Дубае (Объединенные Арабские Эмираты), пуск первой очереди намечался в сентябре 2009 года. Предполагается, что это будет самая протяжённая и полностью автоматизированная подземная транспортная система в мире, после завершения строительства в 2012 году.

Во многих случаях проходка тоннелей осуществляются в непосредственной близости от существующих зданий и сооружений. Проходка тоннеля неизбежно вызывает вертикальные и горизонтальные перемещения грунта, которые могут вызвать повреждения зданий и сооружений, расположенных вблизи строящихся трасс метро. Эти последствия могут быть так же весьма значительными, если строительство тоннеля осуществляется в непосредственной близости к существующим свайным фундаментом в структурно неустойчивых грунтах.

Во многих странах строительство тоннелей вблизи сооружений, представляющих историческую ценность, контролируется сотрудниками организации Green Peace, оценивающими влияние строительства на окружающую среду.

Актуальность проблемы. В последние годы руководством правительства Мьянмы принято решение о строительстве метрополитена в столице страны в городе Янгон. В условиях существующей городской застройки возникают проблемы, связанные с защитой наземных сооружений от воздействий, возникающих как при строительстве, так и при эксплуатации тоннелей метрополитена. В городе Янгон большое количество старинных зданий, исторических памятников. Особую историческую ценность представляют пагоды (ступы), построенные в древние времена. Из-за большого количества в городе этих величественных сооружений можно без преувеличения сказать, что любая проектируемая трасса метрополитена будет проходить под старинными сооружениями, либо в непосредственной близости от них. Эти сооружения особенно уязвимы и не рассчитаны на техногенные воздействия, которые могут проявляться в виде осадок поверхности грунта и, следовательно, вызывать перемещения фундаментов.

Другими опасными техногенными воздействиями являются колебания и вибрации, создаваемые режущими механизмами щитовых комплексов. Даже незначительные вибрации поверхности грунта могут повредить древние сооружения. При строительстве метро в городе Янгон предполагается использовать щитовой способ сооружения тоннелей.

Решение вопросов оценки техногенных воздействий на окружающую среду при проходке тоннелей щитовым способом, а именно, определение осадок поверхности грунта, а также оценка динамических воздействий рабочих механизмов щита на сооружения, находящихся в близости от строящихся линий для условий города Янгон, является необходимым и актуальным.

Цель и задачи работы:

• выполнить анализ существующих методов оценки техногенных воздействий при щитовой проходке тоннелей на здания и сооружения вблизи строящихся трасс метро,

• оценить осадки поверхности грунта при щитовой проходке тоннелей,

• оценить параметры динамических воздействий режущих механизмов щита на окружающий грунтовый массив.

Научная новизна работы, личный вклад в решение проблемы. Автором предложен метод оценки осадок поверхности грунта, основанный на использовании теоремы взаимности.

Решена задача распространения волн от точечных источников различного типа в бесконечном пространстве. При решении используется интегральное преобразование Фурье, аппарат обобщённых функций и асимптотические разложения. Функции, описывающие фронты распространения волн представлены в виде трёхмерных графиков с помощью пакета Матлаб.

Получена оценка уровней колебаний поверхности грунта, создаваемых различными источниками, моделирующими процесс щитовой проходки тоннеля. Для этой цели так же используется теорема взаимности.

Для получения численных результатов разработаны программы с использованием программного комплекса Матлаб.

Достоверность результатов. Для оценки достоверности полученных результатов в качестве эталонного решения используется известное решение Лява о действии сосредоточенной силы в бесконечном пространстве.

Выполнено сравнение результатов численных расчётов величины оценки осадок дневной поверхности грунта при щитовой проходке и сравнение уровней вибраций, создаваемых при щитовой проходке на поверхности грунта и при нагнетании за обделки тоннеля, с известными результатами, опубликованными в технической литературе, как в РФ, так и за рубежом.

Достоверность исследований подтверждается хорошим совпадением результатов, полученных в данной работе, с теоретическими и экспериментальными данными других авторов.

Практическая значимость и реализация работы. Полученные результаты можно использовать при оценке воздействий на сооружения, расположенные вблизи трасс метро, возникающие при строительстве и эксплуатации тоннелей.

Результаты работы предполагается использовать при проектировании и строительстве первой линии метро в городе Янгон.

Апробация работы: основные научные результаты докладывались

1. на IX научно-практической конференции «Безопасность движения поездов», 2008 г, в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ).

2. на международной научно-технической конференции «Особенности освоения подземного пространства и подземной урбанизации в крупных городах мегаполиса» МВЦ «Крокус Экспо», павильон №3, зал 15. (Труды конференции - 11-12 ноября, 2008 г, Москва).

3. на юбилейной X научно-практической конференции «Безопасность движения поездов», 2009 г, в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ).

4. на VII международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Тгапэ-МесЬ-Ай-СЬет» - 18-19 мая, 2010 г, в

Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ).

Публикации: по материалам диссертации опубликовано 3 печатных работ.

1. Аунг Мо Хейн. Оценка осадок поверхности грунта при проходке тоннелей, «Известия ОрелГТУ. Серия «Строительство и реконструкция». - №6/26(574) 2009. - С. 80-85.

2. Курбацкий E.H., Аунг Мо Хейн., Сан Лин Тун. Распространение волн в упругой среде от точечных источников, «Известия ОрелГТУ. Серия «Строительство и реконструкция». - №1/27(589) 2010. - С. 40-46.

3. Аунг Мо Хейн., Сан Лин Тун. Оценка колебаний поверхности грунта при щитовой проходке тоннелей, «Известия ОрелГТУ. Серия «Строительство и реконструкция». - №2/28(5--) 2010. - С. 30-35.

8. Результаты исследования можно использовать при сооружении в первой очереди метро в городе Янгон.

1. Peck, R. В. 1969. Deep excavations and tunneling in soft ground. Pages 225-290 of: Proc. of the 7th int. Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. State of the art volume. Sociedad Mexicnan de Mecanica de Suelos, A. C.

2. O'Reilly, M. P., & New, В. M. 1982. Settlements above tunnels in the United Kingdom their magnitude and prediction. Pages 55-64 of: Tunneling 82. The Institution of Mining and Metallurgy, London.

3. Attewell, P. В., & Woodman, J. P. 1982. Predicting the dynamics of ground settlement and its derivitives caused by tunnelling in soil. Ground Engineering, 15(7), 13-22 & 36.

4. Кузьменко И.А. Определение безопасных деформаций поверхности земли для зданий при строительстве тоннелй метрополитенов в песках щитовым способом: Автореф. дис. канд. техн. наук. Москва: 1988. - 11 с.

5. Лиманов Ю.А. Осадки земной поверхности при сооружении тоннелей в кембрийских глинах. Л.: ЛИИЖТ, 1957. - 238 с.

6. Демешко Е.А., Ходош В.А. Прогнозирование осадок поверхности при щитовой проходке тоннеля в песчаных грунтах. Метрострой, 1963, № 3-4, с. 50-53.

7. Сазонов Г.Н. Закономерности развития деформаций земной поверхности при сооружении Московского метрополитена. Тез. докл./ Геогр. об-во СССР. - Л., 1969, вып. I, с. 19-22.

8. К расчету деформаций зеномй поверхности при сооружении метрополитена/ М.А. Иофис, Р.А. Муллер, В.Ф. Подаков. Транспортное строительство, 1971, № 6, с. 44-45.

9. Лиманов Ю.А., Артюков Е.И. Осадки земной поверхности при сооружении тоннелей в четвертичных отложениях. Транспортное строительство, 1972, № 2, с. 45-47.

10. Симкин В.И. Разработка методов расчета деформаций земной поверхности, зданий и сооружений при стротельстве метрополитена мелкого заложения: Автореф. дис. канд. техн. наук. Минск: 1982. 22 е., ил. - В надзагд.: Моск. горн. ни-т.

11. Timoshenko, P., Goodier, J.N., 1970. Theory of Elasticity. McGraw-Hill, New York.

12. Verruijt, A., Booker, J.R., 1996. Surface settlements due to deformation of a tunnel in an elastic half plane. Geotechnique 46 (4), 753-756.

13. Sagaseta, C., 1987. Analysis of undrained soil deformation due to ground loss. Geotechnique 37 (3), 301-320.

14. Loganathan, N., Poulos, H.G., 1998. Analytical prediction for tunnelling-induced ground movements in clays. J. Geotech. Geoenviron. Eng. ASCE 124 (9), 846-856.

15. Lee, K.M., Rowe, R.K., Lo, K.Y., 1992. Subsidence owing to tunnelling I: estimating the gap parameter. Canada. Geotech. J. 29, 929-940.

16. Park, K.H., 2005. Analytical solutions for tunnelling-induced ground movements in clays. J. Tunnelling and Underground Space Technology 20 (2005) 249-261.

17. Franzius, J. N., 2003. Behavior of Buildings due to Tunnel Induced Subsidence, Ph.D. Thesis, Department of Civil and Environmental Engineering, Imperial College of Science, Technology and Medicine, London.

18. John, O. Bickel, Thomas R. Keusel, and Elwyn H. King, Tunnel Engineering Handbook, Chapman and Hall, 1996, 544 p.

19. Leblais, Y., 1995. Recommendations on Settlements Induced by Tunnelling. Association Française des Travaux en Souterrain (AFTES). p 132-134.

20. Hulme, T.W., Shirlaw, J.N., Hwang, R.N., Settlements during the underground constructions of the Singapore MRT, Tenth Southeast Asian Geo-technical conference, 16-20 April, 1990, Taipei.

21. Verruijt, A., 1994-2005. Soil Dynamics Elastostatics of a half space, Pages 138-139.

22. Timoshenko.S., Goodier.J.N., 1951. Theory of Elasticity 83. The Reciprocal Theroem, Pages 239-241.

23. Civil design criteria for road and rail transit systems, Rail and Engineering Groups, Singapore, 2009.

24. Wang, J.G., Kong, S.L., Leung, C.F. (2003). Twin Tunnels-Induced Ground Settlement in Soft Soils. Geotechnical Engineering in Urban Construction, Tsinghua University Press, pp.241-244.

25. Курбацкий E.H. Метод решения задач строительной механики и теории упругости, основанный на свойствах изображений Фурье финитных функций. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. МИИТ, Москва, 1995. — 205 с.

26. Love, А.Е.Н.: "A Treatise on the Mathematical Theory of Elasticity", 4th ed., Dover publications, Inc., New York, 1944.

27. Мышкис А.Д.: «Математика для втузов. Специальные курсы. М., 1971г., 632 стр.

28. Курбацкий Е.Н.: "Использование теоремы взаимности для оценки уровней вибраций поверхности упругого полупространства от точечного источника, расположенного внутри полупространства " , " Вестник МИИТа " No- 13 ,2005.

29. Cherry, J.T.,Jr. The Asimuthal and Polar Radiation Patterns Obtained from a Horizontal Stress Applied at the Surface of an Elastic Half Space, Bull. SeismologicalSoc. Am., vol. 52, pp. 27-36, 1962.I

30. Miller,G.F.,H.Pursey: The Field and Radiation Impedance of Mechanical Radiators on the Free Surface Semi-Infinite Isotropic Solid, Proc. Ro. Soc. London, Ser. A, vol. 223, pp. 521-541, 1954.

31. Z. Shangguan, L. Shouju and L. Maotian (2008), "Determining Optimal Thrust Force of EPB Shield Machine by Analytical Solution", EJGE., vol(13). С 6-8.

32. Walter Wittke, et al. «Stability Analysis and Design for Mechanized Tunneling» Aachen, 2007. WB1 print 6, p.202-250.

33. BCH-211-91 «Прогнозирование уровней вибраций в жилых домах, расположенных вблизи линий метрополитенов, и проектирование виброзащитных мероприятий». СССР, Минтранстрой, 1991.

34. Heelan, Patrick Aidan: Radiation from a Cylindrical Source of Finite Length, Geophysics, vol. 18, pp. 685-696, 1953.