автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Прогнозирование деформаций дневной поверхности при проходке туннелей

На правах рукописи

РЕЧИЦКИЙ ВИКТОР ВЛАДИМИРОВИЧ

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ ДНЕВНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ПРОХОДКЕ ТУННЕЛЕЙ

Специальность 05.23.02 «Основания и фундаменты, подземные сооружения»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005

Работа выполнена в Московском государственном строительном университете

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Юфин Сергей Андреевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Меркин Валерий Евсеевич

кандидат технических наук Мнушкин Михаил Григорьевич

Ведущая организация: ЗАО Объединение «Ингеоком»

Защита состоится «¿V» Ut-Off J 2005 г. в часов на

заседании диссертационного совета Д 212.138.08 при Московском государственном строительном университете по адресу: г. Москва, ул. Спартаковская, д.2/1, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГСУ.

Автореферат разослан « /<$*» &&J? 2005 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Крыжановский А.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние годы во многих странах наблюдается заметное увеличение объемов городского подземного строительства: быстрыми темпами сооружаются подземные торговые центры, многоуровневые автостоянки, подземные автомагистрали, продлеваются старые и строятся новые линии метрополитенов. Это связано как с дальнейшим расширением крупных городов, которые постепенно превращаются в города-мегаполисы, так и с быстрым увеличением стоимости земельных участков.

Постоянный рост численности городского населения, а также уплотнение застройки городских территорий требуют решения, в том числе, транспортных проблем мегаполиса. Особую актуальность в этой связи приобретает строительство многоуровневых транспортных развязок, а также развитие городского транспортного туннелестроения.

Вместе с тем, как показывает накопленный отечественный и зарубежный опыт строительства, любые подземные работы в пределах городских территорий являются потенциально опасными, оказывающими негативное воздействие на состояние наземных зданий и сооружений, располагаемых в зоне их влияния. Поэтому в условиях интенсивного освоения городского подземного пространства весьма актуальным становится достоверный и оперативный прогноз влияния подземного строительства на деформации существующих наземных зданий и сооружений. Особенно это важно на стадии предпроектных проработок различных вариантов дальнейшего строительства подземных сооружений и их сравнительного технико-экономического анализа, когда выполнение трудоемких детальных расчетов по каждому из вариантов практически невозможно из-за дефицита времени и средств.

Целью диссертационной работы является выявление факторов (параметров), наиболее сильно влияющих на величину деформации дневной поверхности при проходке туннелей неглубок* е

получение расчетных зависимостей, позволяющих прогнозировать эти деформации.

Для достижения данной цели решались следующие задачи:

- выбор влияющих факторов и пределов их изменения;

- выбор сочетаний факторов на основе методики рационального планирования эксперимента, и проведение численных расчетов в линейно-упругой и упруго-пластической постановках;

- определение функций отклика методом латинских квадратов и с помощью современных методов статистической обработки данных;

- анализ полученных расчетных зависимостей и определение степени влияния каждого из рассматриваемых факторов на максимальные осадки дневной поверхности;

- выявление различия в результатах расчетов в линейно-упругой и упруго-пластической постановках;

- изучение формы кривых оседания поверхности;

- построение номограмм для экспресс-оценок осадки дневной поверхности и ее наклонов;

- учет влияния технологии проходки туннеля (длины захватки) на осадку поверхности (по результатам расчетов в объемной постановке);

- апробация результатов выполненной работы на примерах строительства двух транспортных туннелей в Москве.

Научная новизна работы.

1. Численные расчеты рассматриваются как научные эксперименты, проводимые для определения деформаций поверхности, возникающих при проходке туннелей.

2. Показана возможность использования методики рационального планирования эксперимента дпя обоснования количества расчетов и выбора оптимального сочетания влияющих факторов.

3. Выявлены параметры (факторы), оказывающие наибольшее влияние на осадку дневной поверхности при проходке туннелей в слабых грунтах.

4. Показано, что распределение осадки дневной поверхности в направлении, поперечном оси туннеля, хорошо аппроксимируется экспоненциальной зависимостью.

5. Выполненными исследованиями установлено, что размеры зон влияния подземных работ, характеризуемые шириной мульды оседания поверхности, определяются типом грунта и глубиной заложения туннеля и практически не зависят от основных влияющих на максимальную осадку поверхности факторов (диаметра туннеля, и др.). При рассматриваемой глубине туннеля Н=20м расстояние от центра кривой оседания до точки ее перегиба составляет: для песков, супесей и суглинков - от 10 до 15 м и для глин - от 12,5 до 19 м.

6. Выявлена достаточно четкая взаимосвязь между максимальными горизонтальными смещениями дневной поверхности и ее максимальной осадкой для всех исследованных типов грунтов.

7. С помощью статистических программ получены формулы и построены номограммы для оперативного определения значений осадки дневной поверхности и ее наклонов на разном расстоянии от оси туннеля, применительно к разным значениям влияющих факторов.

Практическая ценность. Полученные результаты позволяют с достаточной для практических целей точностью прогнозировать значения осадки и кренов зданий и сооружений, находящихся на разном расстоянии от продольной оси туннеля.

На защиту выносятся.

1. Полученные расчетные зависимости для определения осадки и наклонов дневной поверхности в предположении упруго-пластического поведения грунтового массива.

2. Обоснование аппроксимации формы кривых, описывающих осадку точек поверхности, при проходке туннелей в рассмотренных типах грунтов экспоненциальной зависимостью.

3. Обоснование независимости ширины мульды оседания от основных влияющих на величину максимальной осадки поверхности факторов для конкретного типа грунта и рассматриваемой глубины туннеля.

4. Способ учета технологии проходки туннеля (длины захватки) при определении осадки дневной поверхности.

5. Результаты сопоставления прогнозных значений осадки поверхности с полученными в процессе натурных наблюдений при строительстве двух транспортных туннелей в Москве

Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 печатные работы. Апробация работы. Основные положения работы докладывались автором и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:

1. XIV Всероссийская научно-практическая конференция изыскателей Гидропроекта «Инженерные изыскания в современных условиях». Солнечногорск, Моск. обл , 11-14 03 2003

2. Международная конференция «Проблемы геомеханики и механики подземных сооружений». Тульский государственный университет. Тула, 2325.09.2003

3. 10-я Международная конференция ACUUS: «Подземное пространство: экономика и окружающая среда». Московский государственный строительный университет. Москва, 24-28 01.2005.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы. Общий объем диссертации составляет 150 страниц, включая 95 страниц машинописного текста, 52 иллюстрации, 19 таблиц и списка литературы из 109 наименований.

Работа выполнена на кафедре производства и организации гидротехнических работ (ПОГР) МГСУ под руководством доктора технических наук профессора Юфина С.А., которому автор выражает глубокую благодарность за оказанную помощь при работе над диссертацией. Автор также благодарит сотрудников филиала ЦНИИС «НИЦ Туннели и метрополитены» за предоставленные материалы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается выбранная тема исследования, формулируются цель и задачи работы, а также показывается ее практическая значимость.

В первой главе на основании приведенных примеров из практики строительства подземных сооружений в густонаселенных городских условиях подчеркивается важность и актуальность выбранной темы и указывается на необходимость заблаговременного прогнозирования возникающих вследствие нового строительства деформационных процессов. Отмечается, что деформации зданий влекут за собой, кроме всего прочего, весьма серьезные финансовые затраты как на проведение восстановительных работ, так и вследствие снижения стоимости самих зданий. В качестве примера приводится широко распространенная в Германии после второй мировой войны методика расчетов снижения стоимости жилых и общественных зданий в районе разработки залежей бурого угля. В зависимости от деформаций поверхности и кренов зданий снижение их стоимости могло достигать 75% от первоначальной цены.

Во второй главе кратко излагается история изучения деформаций дневной поверхности при производстве подземных горных работ (в основном, при разработке месторождений угля и других полезных ископаемых), рассматриваются современные методы решения этой проблемы, обосновывается выбор применяемой в работе программы для численных расчетов, а также определяется задача исследований.

Первые приемлемые с современной точки зрения методы расчета осадки дневной поверхности появились во второй половине XIX века (метод палетки и др.). Что касается горизонтальных сдвижений поверхности, то на них обратили внимание после того, как были замечены горизонтальные смещения зданий, а также деформации растяжения и сжатия трамвайных рельсов, вызванные подвижками грунта.

Большое влияние на развитие учения о сдвижении пород над горными выработками оказали работы отечественных ученых начала и середины прошлого века - профессоров П.М.Леонтовского, И.М.Бахурина, С.Г.Авершина. Большой вклад в изучение закономерностей деформационных процессов, происходящих вблизи дневной поверхности при строительстве неглубоких транспортных сооружений, внесли работы ученых Ю.А.Лиманова, А.Скемптона, К.Терцаги.

Значительный вклад в дальнейшее развитие исследований геомеханических процессов, происходящих при производстве подземных работ и влияющих на характер и величину деформаций земной поверхности, внесли работы Ержанова Ж.С., Ильичева В.А., Иофиса М.А., Клепикова С.Н, Кузнецова Г.Н., Лапидуса Л.С., Маковского Л.В., Меркина В.Е., Муллера P.A., Петухова И.А., Самарина В.П., Сашурина А.Д., Тер-Мартиросяна З.Г., Улицкого В.М., Фадеева А.Б., Фотиевой H.H., Хечинова Ю.Е., Чеботаева В.В., Черного Г.И., Шегеновой Ж.Б., Шейнина В.А., Юфина СЛ., Юшина А.И., Ярового Ю.А.. Бурланда Дж. (Burland J.B.), Виттке В. (Wittke W.), Кратча Г. (Kratch G.), Мейра P. (Mair R.J.), Пека P. (Peck R.B.), Фуджиты K.(Fujita К.) и др.

К настоящему времени сложилось следующие основные направления в разработке методов прогнозных расчетов деформаций дневной поверхности:

1) эмпирический метод аналогий, использующий результаты инструментальных наблюдений и их статистическую обработку;

2) аналитические методы, опирающиеся на замкнутые решения краевых задач механики грунтов и горных пород;

3) методы исследований на физических моделях и, в первую очередь, метод моделирования с помощью эквивалентных материалов;

4) численные методы, использующие основные положения механики сплошных сред и современные достижения вычислительной техники.

Основное внимание в диссертации уделяется тем методам, которые получили распространение в транспортном строительстве. Анализ

современных способов расчета сдвижений поверхности, применяемых в горнорудной промышленности и имеющих свою специфику, выходил за рамки настоящей работы.

На основе анализа результатов исследований, посвященных рассматриваемой проблеме, автором для разработки прогнозных оценок деформаций оснований зданий и сооружений, расположенных в зоне влияния работ по проходке туннелей неглубокого заложения, был выбран метод численного моделирования. При этом учитывались не только преимущества и возможности современных численных методов, но также существующий дефицит работ, посвященных целенаправленному анализу влияния различных факторов на деформации дневной поверхности при строительстве транспортных и коммуникационных туннелей в разных по свойствам грунтах.

В ' настоящей работе для выполнения численных расчетов использовалась швейцарская программа Z SOIL. реализующая метод конечных элементов. Расчеты выполнялись как в линейно-упругой, так и в упруго-пластической постановках. В качестве критерия пластичности рассматриваемой модели был выбран критерий Друккера-Прагера, как более подходящий для численного (математического) моделирования. Достоверность результатов расчетов по программе Z_SOIL подтверждена специальными тестовыми примерами, многочисленными расчетами грунтовых и скальных массивов с разнообразными инженерно-геологическими характеристиками, выполненными специалистами разных стран, а также собственными сопоставительными расчетами автора.

В качестве массива, вмещающего транспортный или коммуникационный туннель, был выбран породный массив, сложенный слабыми грунтами, в которых могут развиваться значительные деформации, опасные для расположейнЫх на поверхности зданйй и сооружений. Были рассмотрены 4 типа вмещающих фунтов: 1) пески, 2) Супеси, 3) суглинки и 4) глины.

Предполагалось, что здания и сооружения располагаются на фундаментах мелкого заложения, деформации которых с большой точностью могут быть приравнены к деформациям самой дневной поверхности в местах их расположения. Влияние грунтовых вод в расчетах не учитывалось.

Большинство численных расчетов выполнялось в условиях плоской деформации, за исключением серии контрольных расчетов, проведенных в объемной постановке (глава 5). Массив над туннелем рассматривался как однородный, с линейно-упругим или упруго-пластическим поведением грунта. В основной серии расчетов на некоторой глубине ниже туннеля моделировался грунт с более высокими деформационными и прочностными характеристиками.

В качестве крепления туннелей рассматривалась бетонная обделка толщиной 0,1 Я, где К - внутренний радиус поперечного сечения туннеля. Такая толщина обделки находится в пределах, рекомендуемых существующими нормативными документами.

В третьей главе осуществляется выбор основных факторов, влияющих на деформации дневной поверхности при проходке туннелей, и обосновываются диапазоны их изменения.

При подборе влияющих факторов учитывалось, что они должны быть совместимыми и независимыми. Совместимость факторов означает, что все их комбинации осуществимы, а под независимостью понимается возможность установления факторов на любом уровне вне зависимости от уровней других факторов. Учитывая это, а также в соответствии с постановкой задачи, для анализа в упругой постановке были выбраны следующие шесть факторов (параметров), потенциально влияющих на деформации дневной поверхности при строительстве туннелей: а) диаметр туннеля (Э), б) глубина расположения туннеля (Н), в) модуль деформации грунта (Е), г) степень разгрузки массива до установки крепи или, иначе, относительное время установки крепи (I), д) величина давления,

передаваемая на массив от здания или сооружения (Р), е) расстояние по горизонтали от оси туннеля до места расположения здания (хо).

Конкретные величины рассматриваемых факторов и диапазоны их изменения задавались в соответствии со значениями, реально наблюдаемыми в натурных условиях. Для возможности достоверной оценки степени влияния того или иного фактора каждому из них придавалось 5 вариантов значений, приведенных в таблице 1.

При расчетах в упруго-пластической постановке в качестве переменных параметров рассматривались наиболее влияющие факторы - Б, Е и 1. Определение прочностных характеристик - угла внутреннего трения ср и сцепления С - для каждого из типов грунтов осуществлялось по корреляционным связям с модулем деформации, установленным на основе

Таблица 1

Рассматриваемые факторы и их частные значения

№ варианта 1 2 3 4 5

Б, м 3,5 5 8 12 15

Н, м 10 15 20 25 30

Е, кПа 18000 25000 35000 45000 75000

отн.ед. 0,2 0,35 0,5 0,65 0,8

Р, кПа 100 200 300 400 500

Хо, м 0 5 10 15 20

анализа табличных данных характеристик грунтов, приведенных в существующих нормативных документах- СНиП 2.02.01-83* и МГСН 2.07-97.

Как в линейно-упругой, так и в упруго-пластической задаче плотность грунтов принималась одинаковой и равной р =19 кН/м"3 а величина коэффициента Пуассона задавалась следующей: для песков и супесей -у=0,30; для суглинков - у= 0,35; и для глин - у= 0,42.

В четвертой главе решалась задача определения функций осадки дневной поверхности от принятых влияющих факторов в упругой и упруго-пластической постановках. Эти функции были получены путем

соответствующей аппроксимации результатов выполненных численных расчетов. В последних использовалось оптимальное сочетание значений влияющих факторов, определяемое в соответствии с методикой рационального планирования экспериментов, предложенной проф. М.М. Протодьяконовым (младшим) и Р.И. Тедером. Это позволило существенно сократить количество расчетов в каждой серии (до 25) при наименьшей потере в точности результатов исследований.

На первом этапе каждого расчета воспроизводилось исходное напряженное состояние массива На втором этапе моделировалась проходка туннеля, а через время, соответствующее заданной степени разгрузки массива - установка бетонной крепи.

Начальная серия расчетов проводилась в упругой постановке. Расчеты показали, что на значение осадки поверхности в наибольшей степени влияют диаметр туннеля, модуль деформации грунта, относительное время установки бетонной обделки туннеля, а также расстояние от оси туннеля до места расположения здания. Сравнительно мало влияющими параметрами оказались давление на грунт от сооружения и глубина заложения туннеля. Факторный анализ полученных результатов показал, что функция отклика для осадки дневной поверхности в точке, удаленной на расстояние х от оси туннеля, может быть представлена в виде:

8 = -1/50 (10Б2 - 8601пЕ - 2700^ + 560Ш + Н + 0,5Р - 40х0 + 7750), мм (1)

Единицы измерения входящих в формулу (1) параметров приведены в таблице 1.

Вместе с тем упругое решение задач, подобных рассматриваемым, обычно приводит к заниженным оценкам величин деформаций, что и было получено в результате выполненных автором сопоставительных расчетов.

Поэтому в дальнейшем все расчеты проводились в упруго-пластической постановке, при этом в качестве переменных рассматривались факторы, влияние которых в предыдущей серии расчетов было получено наибольшим -диаметр туннеля Д модуль деформации грунта Е (и связанные с ним

параметры <р и С) и степень разгрузки массива до установки крепи I. Глубина расположения туннеля была принята равной Н = 20 м, величина давления Р = 0. Расчеты были проведены с 4-мя типами грунтов (см. выше), общее число расчетов - 100.

С целью более достоверного моделирования грунтовых условий расчеты в упруго-пластической постановке учитывали подстилающий слой породы, имеющий более высокий модуль деформации Е =500 МПа. Данный слой располагался ниже туннеля, на глубине 30 м от дневной поверхности (см. рис. 1).

Принятые в расчетах значения влияющих факторов для каждого из пяти их уровней представлены в таблице 2.

Для определения функции, наилучшим образом описывающей результаты расчетов, использовался программный продукт 8ТАТ18Т1КА,

Рис. 1. Численная модель для расчетов в упруго-пластической постановке

1 - слой породы, вмещающий транспортный туннель; 2 - подстилающий грунт с более

высокими показателями

Таблица 2

Значения влияющих факторов при расчетах в упруго-пластической постановке

№ п/п Модуль дефо рмации Е, МПа Время 1, отн.ед. Диаметр 0,м

пески супеси суглинки глины

1 10 5 5 6 од 3

2 20 12,5 12,5 12 0,2 6

3 30 20 20 18 0,3 9

4 40 27,5 27,5 24 0,4 12

5 50 35 35 30 0,5 15

позволяющий быстро находить зависимость между рассматриваемыми переменными и откликом. Метод нелинейного оценивания, заложенный в функциях данной программы и примененный в нашем случае, оставляет выбор характера зависимости за исследователем, т.е. нелинейное оценивание позволяет задать практически любой тип непрерывной или разрывной регрессионной модели, для оценивания коэффициентов которой использовался метод наименьших квадратов.

Вид функции, коэффициенты которой определялись с помощью программы, был выбран автором, исходя из общих соображений о характере влияния на нее рассматриваемых параметров. Кроме этого, принимались во внимание результаты предварительных расчетов по оценке влияния того или иного параметра. Это позволило результирующую функцию максимальной осадки поверхности (при х = 0) задать в виде:

_ ... Ьг/г + 63/3+^23/2/3 +Ь2/22 +6зз/з2 +^22зз/2 Уз2 ...

£ти = Ь0+ЬЮ----... ,г-, (2)

Ъ\1\ +Оц/

где Ьи Ьд - искомые коэффициенты уравнения, //./л,/ ~~ факторы Е, 1 и Б соответственно.

Решение уравнения (2) с помощью программы БТАПВТКА позволило получить значения коэффициентов Ь„ и Ь,г

В итоге после соответствующих преобразований уравнения регрессии для максимальной осадки поверхности над туннелем 8тах приняли следующий вид:

с , лс/с/)-39.1г + 2.48г£»-0.057£>2 +87.1/2 -5.08/2£>2 ,,,

для песков: Бтш1= -3.4 + 256-_ -; (3)

£(1 + 0.6 Е)

длясупесей: £,„„=-3.3 + 20 3-; (4)

с- „п ,o-jD-3.75i-0.85iD-l-0.07Z)2 +41.6?2 +3.8/2/)2 для суглинков: -0.9 + 150.8-е(1-0 6Е)-' ^

для глин: 4.1+59.5-е(\-0 2Е)-' ^

Сходимость расчетных результатов осадки со значениями, полученными по формулам (3) - (6), получилась весьма высокой, что также было подтверждено высокими значениями величины Я2 - квадрата смешанной корреляции. В качестве примера на рис.2 приведено сопоставление значений осадки зданий, полученных по формуле (6) с результатами численных расчетов. Следует отметить, что представленный на рис. 2 случай дал наименьшее значение величины Я-квадрат, т.е. это соответствие оказалось наихудшим.

Глины

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

расчетные значения

- значения по формуле (в)

Рис. 2. Соответствие результатов численных расчетов и расчетов по аппроксимирующей зависимости (6)

Исследования форм кривых, описывающих осадку точек дневной поверхности в сечении, перпендикулярном оси туннеля, вследствие проходки туннелей неглубокого заложения в песчано-глинистых грунтах,

показали, что они хорошо аппроксимируются экспоненциальной зависимостью. Параметры этой функции (регрессионной модели) подбирались для каждой из рассматриваемых форм кривых осадок по методу наименьших квадратов Критерием, определяющим качество соответствия расчетных кривых осадок регрессионным зависимостям экпоненциального вида, являлся коэффициент II2, который в абсолютном большинстве случаев принимал значения, большие 0,95.

Таким образом, кривая осадки дневной поверхности может быть записана в виде следующей экспоненциальной зависимости:

2 д0

'max-" , (7)

где х - расстояние по горизонтали от оси туннеля до исследуемой точки на дневной поверхности;

Sx - значение осадки поверхности в точке х;

хо - расстояние от оси туннеля до точки перегиба кривой осадок.

В результате проведенных исследований было получено, что ширину воронок осадок (х0) при заданной глубине заложения туннеля и для данного типа грунта можно считать величиной постоянной и не зависящей от максимальных осадок над туннелем Sn ах (по крайней мере, в области практически значимых величин осадок). При этом в глинах ширина воронки получается наибольшей.

Наклоны дневной поверхности определяются как первая производная функции S(x). Соответствующее выражение имеет вид:

с --:

max 2д:„'

(8)

о

Полученные зависимости служили основой для построения номограмм для экспресс-оценок осадки и наклонов дневной поверхности, происходящих под влиянием проходки туннелей.

В качестве примера на рис. 3 приведена номограмма для определения деформаций дневной поверхности при сооружении туннеля в песках. Способ пользования номограммой ясен из ключа, данного в ее правом верхнем углу.

В этой главе также были проведены дополнительные расчеты с целью изучения вида кривой, описывающей горизонтальные смещения дневной поверхности. Было отмечено, что величины максимальных горизонтальных смещений Umax связаны с максимальными осадками Smax соотношением, имеющим вид Umax = k Smax , где к - коэффициент, зависящий от вида грунта и равен для песков и супесей 0,3; для суглинков - 0,27; для глин -0,34.

Пятая глава содержит примеры возможного применения результатов данной работы на практике, представляя результаты сопоставления фактически полученных осадок дневной поверхности при проходке туннелей с расчетными значениями, полученными по номограммам.

Очевидно, что при решении плоской задачи нельзя учесть некоторые особенности, связанные с технологией проходки туннелей. В частности, не учитывается такой параметр, как размер (длина) единовременно закрепляемого участка массива L3, который может быть назван также длиной захватки. Поэтому для более достоверного прогнозирования значений осадки поверхности и, соответственно, для получения лучшего соответствия прогнозных значений деформаций фактическим, были проведены дополнительные исследования, выявляющие некоторые закономерности различия между плоским и объемным решением задач. Эти дополнительные сопоставительные расчеты имели целью нахождение коэффициента перехода от результатов плоского решения к объемному. Для решения этой задачи был выполнен ряд численных расчетов в плоской и объемной постановке. При расчетах в объемной постановке переменными величинами в исходных параметрах служили отношение длины захватки туннеля к его диаметру Ьз/D и относительное время установки крепи t.

Номограмма для определения осадки и наклонов дневной поверхности ключ

Рис. 3. Номограмма для определения деформаций дневной поверхности при проходке туннеля в песках

Расчеты были выполнены для двух видов грунтов - песчаного и глинистого.

Полученное в объемных расчетах характерное распределение вертикальных деформаций в грунтовом массиве, а также изменение значения осадки точки поверхности (выделена на рисунке), расположенной в центральной части расчетной области, представлены на рис. 4.

Графическое сопоставление результатов численных расчетов в плоской и объемной постановках, в зависимости от относительного времени возведения обделки I и отношения /./£>. на примере песчаного грунта представлено на рис. 5.

Рис. 4. Распределение вертикальных деформаций в массиве при проходке туннеля (направление проходки - справа налево)

Статистическая обработка результатов серии сопоставительных расчетов позволила получить следующие соотношения между значениями осадки поверхности, полученными при решении плоской и объемной задач:

- для песчаного грунта: 5')С= к, $211= 8¡в (1-0,84Ю/Ьз) (9)

- для глинистого грунта: 530 =к2 = (1-0,97Ю/1^ (10) где К[ и К2~ переходные коэффициенты от плоского к объемному решению.

В качестве примеров, демонстрирующих использование результатов данной работы, были рассмотрены два случая проходки транспортных туннелей в Москве: в районе Лефортово и в районе Серебряного бора.

10,0

0,0

-10,0

2

-20,0

я

ет

(Я -30,0

3

-40,0

-50,0

-60,0

А *А • § ж

# Ш"

—

■.

*

«

Н),11

.^=0,31

1=0,5

4 5 6 7 8 9 1_зЮ

Рис 5. Сопоставление результатов численных расчетов в плоской и объемной постановках для песчаного грунта

Строительство туннеля в Лефортово, являющегося частью третьего транспортного кольца столицы, было закончено в 2002 году, после чего он был успешно сдан в эксплуатацию. Диаметр туннеля составляет 14 м, его протяженность - около 1500м. Обделка туннеля выполнена из железобетонных тюбингов толщиной 0,7 м и шириной 2 м. Проходка туннеля выполнялась с применением туннелепроходческого комплекса фирмы «Херренкнехт», наружный диаметр которого 14,2 м, с активным пригрузом забоя тиксотропным бентонитовым раствором.

В данной работе рассматривается участок туннеля, по которому были получены подробные данные о геологическом строении массива и имелись сведения об измеренных деформациях дневной поверхности. Глубина заложения туннеля на рассматриваемом участке составляет 26 м. Для возможности использования полученных аппроксимирующих зависимостей

вся толща различных по своим деформационно-прочностным характеристикам грунтов была представлена однородным грунтом с приведенным модулем деформации Епр ~ 50 МПа, вычисленным по формуле:

где: а, Ь,... - мощности слоев в процентном соотношении,

Еа, Еь, ... - модули деформаций грунтов, слагающих соответствующие слои.

Время возведения обделки 1 принималось равным 0,4, что примерно соответствует технологии проходки туннелей современными проходческими комплексами. Длина захватки I^ была принята равной 14 м, т.е. одному диаметру туннеля.

Значения максимальной осадки поверхности, определенные по полученным автором номограммам для разных грунтов, после их корректировки при помощи формул перехода (9, 10), составили от 3 до 10 мм. Фактическая осадка поверхности в рассматриваемом сечении составила 5 мм, откуда следует, что полученные прогнозные значения величин осадок находятся в хорошем сочетании с фактическими данными.

Второй пример связан с еще не достроенным туннелем в Серебряном бору. Поэтому проверка пригодности рекомендуемых в работе зависимостей производилась путем сравнения полученных по ним результатов с прогнозными значениями осадок, определенными специалистами НИЦ «Туннели и метрополитены». Расчеты НИЦ «Туннели и метрополитены» соответствовали глубине заложения туннеля 30,7 м. Полученные этой организацией прогнозные величины деформаций поверхности в рассматриваемой области составили от 13 до 17 мм.

Экспресс-оценка осадки поверхности по приведенным в диссертационной работе номограммам показала, что ее значение будет находиться в диапазоне от 10 мм до 37 мм. Определенное завышение (в

среднем) величин осадки можно объяснить тем, что в настоящей работе рассматривались туннели на меньшей глубине заложения (20м). Как показали дополнительные расчеты, прогнозные значения осадки в пересчете на глубину заложения туннеля 30,7 м лежат в диапазоне от 7 до 25 мм, что в большей степени соответствует значениям, полученным НИЦ «Туннели и метрополитены».

На основании выполненной апробации результатов работы можно сделать вывод о практической пригодности рекомендованных зависимостей для получения «экспресс-оценок» величин деформаций поверхности при проходке туннелей неглубокого заложения

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Для изучения влияния подземных работ на существующие здания и сооружения в условиях плотной городской застройки весьма эффективным является применение численных методов расчета, в особенности метода конечных элементов и развитых программных средств, таких как 2_801Ь РС.

2. Наряду с известными факторами, оказывающими большое влияние на значение максимальной осадки поверхности при проходке туннелей (такие, как диаметр туннеля и модуль деформации массива), весьма существенным и требующим учета при решении подобных задач является степень разгрузки массива, зависящая от времени и технологии установки крепи. Глубина заложения туннеля и, особенно, нагрузка, передаваемая на грунт от существующих зданий и сооружений, оказывают сравнительно небольшое влияние на осадку поверхности.

3. Показано, что прогноз осадки дневной поверхности при проходке туннелей неглубокого заложения в слабых грунтах следует проводить с использованием упруго-пластической модели грунта, в большей степени соответствующей реальным геотехническим условиям.

4. В абсолютном большинстве случаев осадка точек дневной поверхности в сечении, перпендикулярном оси туннеля, хорошо аппроксимируется экспоненциальной зависимостью. Размеры зон влияния подземных работ, характеризуемые шириной мульды оседания, определяются типом грунта и глубиной заложения туннеля и практически не зависят от основных влияющих на максимальную осадку поверхности факторов (диаметра туннеля, и др.) Расстояние от точки поверхности над туннелем до точки перегиба кривой осадки составляет при рассматриваемой глубине туннеля Н=20 м: для песков, супесей и суглинков - от 10 до 15 м и для глин - от 12,5 до 19 м.

5. Построенные номограммы для определения значений осадки и кренов зданий и сооружений, расположенных в зоне влияния туннельных работ, выполненные отдельно для каждого рассмотренного типа грунтов, позволяют оперативно определять указанные выше величины в зависимости от диаметра туннеля, модуля деформации грунта, степени его разгрузки, а также от удаления рассматриваемого здания от оси туннеля.

6. Выполненная в работе апробация результатов исследований на примерах двух реальных объектов - сооруженного туннеля в Лефортово и сооружаемого туннеля в Серебряном бору - показала вполне приемлемое для экспресс-оценок соответствие прогнозных значений осадки дневной поверхности, полученных на основе аппроксимирующих зависимостей и построенных номограмм, с фактически измеренными деформациями.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Речицкий В.В. «Прогнозирование величин осадок зданий при строительстве подземных сооружений». Известия Тульского государственного университета. Серия «Геомеханика. Механика подземных сооружений». Вып. 1, 2003 г.

2. Юфин С.А., Речицкий В.В. «Оценка влияния строительства подземных сооружений на существующую застройку». Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений. Труды международной конференции. Екатеринбург, 2004 г.

3. Rechitsky V.V. „Investigation of the day surface settlement profile in tunneling". In: Underground Space and Rock Mechanics. S.A.Yufin (ed.). pp. 128133, ТА Engineering, Moscow, 2005.

КОПИ-ЦЕНТР св. 7: 07: 10429 Тираж 100 экз. Тел. 185-79-54 г. Москва, ул. Енисейская д. 36

№106 8 9

РНБ Русский фонд

2006-4 8448

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ.

ПРИМЕРЫ ИЗ ПРАКТИКИ СТРОИТЕЛЬСТВА.

ГЛАВА 2. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. История проблемы.

2.2. Современное состояние вопроса.

2.3. Обоснование выбора программы для численных расчетов.

2.4. Постановка задачи исследований.

ГЛАВА 3. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТОВ

3.1. Расчетная модель грунта. Решение задачи нелинейной механики грунтов с применением МКЭ.

3.2 Исследование зависимости осадки жесткого штампа от нагрузки.

3.3. Расчеты в упругой постановке.

3.4. Расчеты в упруго-пластической постановке.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫПОЛНЕННЫХ РАСЧЕТОВ И ИХ АНАЛИЗ

4.1. Результаты расчетов в упругой постановке

4.1.1. Выбор размеров расчетной области.

4.1.2. Методика расчетов и полученные результаты. Выявление наиболее влияющих факторов.

4.1.3. Сопоставление результатов расчетов в линейноупругой и упруго-пластической постановках.

4.2. Расчеты в упруго-пластической постановке

4.2.1. Вводные замечания.

4.2.2. Порядок и методика расчетов.

4.2.3. Результаты расчетов.

4.2.4. Изучение вида функции осадки дневной поверхности

4.2.5. Изучение распределения горизонтальных деформаций поверхности в зоне влияния туннеля.

4.3. Построение номограмм для экспресс-определений 121 осадки и наклонов дневной поверхности.

ГЛАВА 5. УЧЕТ ТЕХНОЛОГИИ ПРОХОДКИ ТУННЕЛЯ (ДЛИНЫ ЗАХВАТКИ). АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

5.1. Оценка влияния технологии проходки туннеля (длины захватки) на осадку поверхности.

5.2 Использование полученных результатов на практике.

В последние годы во многих городах-мегаполисах наблюдается заметное увеличение объемов строительства, в том числе крупных торговых центров, многопрофильных зданий с развитой подземной частью, автомагистралей. Такая тенденция требует поиска возможностей для более экономичного использования как наземного, так и подземного пространства. Освоение подземного пространства - одно из перспективнейших и эффективных направлений в решении территориальных, транспортных и экологических проблем крупных городов.

В связи с увеличением стоимости земли, вызванным постоянно растущим на нее спросом, в настоящее время уже практически не ведется строительства гражданских объектов, которые не имели бы существенной подземной части. Затраты на землю, таким образом, компенсируются как постоянно растущей многоэтажностью зданий, так и максимальным использованием подземного пространства.

На сегодняшний день существует ряд примеров строительства новых зданий в непосредственной близости от уже существующих строений. Такое сосредоточение строящихся: объектов на ограниченных пространствах указывает на необходимость переосмысления существующих: подходов к. строительству отдельных зданий и сооружений, а именно к обеспечению безопасности строительства и эксплуатации зданий в дальнейшем. В период инженерных изысканий уже становится недостаточным рассмотрение одного сооружения в отдельности - строящееся здание должно восприниматься как часть системы, включающей в себя также и другие, находящиеся в возможной зоне влияния, здания и сооружения.

Необходимо отметить, что разработка грунта для строительства цокольной части здания часто проводится в непосредственной близости от уже существующего строения. Поэтому деформации, вызванные такого рода строительством, могут привести близлежащие строения в аварийное состояние. Не менее опасны деформации земной поверхности, вызванные строительством подземных сооружений, в частности туннелей. В* ряде случаев разработка подземного пространства является' не только причиной деформаций зданий и сооружений, но и образования провалов, неожиданных интенсивных оседаний отдельных участков» поверхности, возникновения? открытых трещин, глубоких мульд, уступов и т.д. [20].

Для? ослабления; отрицательных последствий деформационных процессов необходимо уметь достаточно надежно прогнозировать развитие этого процесса в пространстве и времени. Прогнозирование возможных негативных процессов; разработка и выполнение необходимых мероприятий по защите существующей застройки в зоне подземного строительства является весьма важной; и актуальной? задачей для проектировщиков и строителей еще и потому,- что кроме создания очевидных неудобств; и опасности для- жителей, затраты- на ремонт и восстановление пострадавших зданищ. а также; на возмещение ущерба их: собственникам, становятся; сопоставимыми со стоимостью самого подземного сооружения [82].

Достоверный и оперативный прогноз влияния подземного строительства: на деформации существующих, наземных зданий, и сооружений особенно важен на стадии предпроектных проработок различных вариантов дальнейшего строительства подземных сооружений и их. сравнительного технико-экономического анализа, когда выполнение трудоемких детальных расчетов - по каждому из вариантов практически невозможно из-за дефицита времени и средств.

Целью настоящей работы являлось изучение роли отдельных факторов, влияющих: на деформации: (осадки, крены) зданий и сооружений при проходке вблизи них туннелей неглубокого заложения, а также получение достаточно надежных корреляционных зависимостей, связывающих наиболее значимые факторы с величиной и характером распределения указанных деформаций. Получение таких зависимостей позволит уже на ранних стадиях проектирования; оценивать степень опасности предполагаемого строительства для существующих наземных построек и, при необходимости, принимать соответствующие меры для обеспечения их безопасного состояния:

Поставленная задача решается методами математического моделирования. В качестве компьютерной: программы для выполнения численных расчетов использована известная швейцарская программа Ъ. БСЯЬ.РС, разработанная специально для анализа напряженно-деформированного состояния грунтовых массивов [110]. Объектом исследований является поведение грунтового массива (его напряженно-деформированное состояние) с модулем деформации до 50 МПа при проходке в нем туннелей мелкого заложения, одним из проявлений которого является деформирование дневной поверхности.

Задача решается как в упругой, так и в упруго-пластической; постановках, что делает область применения полученных результатов1 более широкой. Так как непосредственное получение представительных частных зависимостей величин осадок дневной поверхности от каждого из влияющих факторов потребовало бы выполнения очень большого числа расчетов, то в работе для этой цели используется методика рационального планирования; исследований (так называемый метод "латинских квадратов"). Данный метод позволяет сократить число численных расчетов при максимальном сохранении реальной степени влияния того;или иного фактора на конечный результат. Для обработки, результатов расчетов и нахождения корреляционных связей между исходными данными (факторами) и величинами деформаций грунта применяются существующие статистические методы [3, 4, 12] и разработанные специализированные программы< [104].

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Полученные расчетные зависимости для/ определения осадки и наклонов; дневной поверхности в предположении; упруго-пластического поведения грунтового массива.

2. Обоснование аппроксимации формы кривых, описывающих осадку точек поверхности, при проходке туннелей в рассмотренных типах грунтов экспоненциальной зависимостью.

3. Обоснование независимости ширины мульды оседания от основных влияющих на величину максимальной осадки поверхности факторов для конкретного типа грунта и рассматриваемой глубины туннеля.

4. Способ учета технологии проходки туннеля (длины захватки) при определении осадки дневной поверхности.

5. Результаты сопоставления прогнозных значений осадки поверхности с: полученными в процессе натурных наблюдений при строительстве двух транспортных туннелей в Москве

Обоснованность и достоверность основных научных положений диссертационной; работы подтверждается' хорошим соответствием полученных результатов данным натурных наблюдений за осадками дневной' поверхности при проходке туннелей (как по величине осадок, так и по форме образующихся воронок), а также достоверностью используемой в расчетах численной модели,- Обоснованность использования конечно-элементной-программы ZSOIL подтверждается многочисленными расчетами грунтовых и скальных массивов с разнообразными инженерно-геологическими характеристиками, выполненными специалистами, разных стран, а также собственными сопоставительными расчетами автора. Научная новизна работы.

1. Численные расчеты рассматриваются как научные эксперименты, проводимые для определения деформаций поверхности, возникающих при проходке туннелей.

2. Показана возможность использования методики рационального планирования эксперимента для обоснования количества расчетов и выбора оптимального сочетания влияющих факторов.

3; Выявлены параметры (факторы), оказывающие наибольшее влияние на осадку дневной поверхности при проходке туннелей в слабых грунтах.

4. Показано, что распределение: осадки дневной поверхности в направлении, поперечном оси туннеля, хорошо аппроксимируется экспоненциальной зависимостью.

5. Выполненными исследованиями установлено, что размеры зон влияния • подземных работ, характеризуемые шириной мульды оседания поверхности, определяются типом грунта и глубиной заложения туннеля и практически не зависят от основных влияющих на максимальную осадку поверхности; факторов (диаметра туннеля, и др.). При рассматриваемой глубине туннеля Н=20м расстояние от центра кривой оседания до точки ее перегиба составляет: для песков, супесей-и суглинков - от 10 до 15 м и для глин - от 12,5 до 19 м.

6. Выявлена достаточно четкая взаимосвязь между максимальными горизонтальными смещениями дневной поверхности и ее максимальной осадкой для всех исследованных типов грунтов.

7. С помощью статистических программ получены формулы и построены номограммы для оперативного определения- значений осадки дневной поверхности и ее наклонов на разном расстоянии от оси туннеля, применительно к разным значениям влияющих факторов.

Практическая ценность. Полученные результаты позволяют с достаточной для практических целей точностью прогнозировать величины осадок и наклонов зданий и сооружений, находящихся на разном расстоянии от продольной оси туннеля.

Апробация работы производилась на- примере двух транспортных туннелей в Москве - построенного и сданного в эксплуатацию туннеля в

Лефортово и строящегося туннеля в Серебряном бору. Для первого туннеля были получены фактические данные об осадках дневной поверхности, возникшие вследствие его проходки, а для второго - их прогнозные значения, полученные специалистами: НИЦ «Туннели и метрополитены». Сопоставительные расчеты показали хорошее соответствие прогнозных значений, полученных на основе аппроксимирующих зависимостей: и построенных номограмм, с фактическими данными, а также с прогнозными значениями НИЦ «Туннели и метрополитены».

По теме диссертации опубликованы 3 печатные работы:

1. Речицкий; В.В; «Прогнозирование величин осадок зданий при строительстве подземных сооружений». Известия Тульского государственного университета. Серия «Геомеханика. Механика подземных сооружений». Вып. Л, 2003 г.

2. Юфин С.А., Речицкий В.В. «Оценка влияния строительства подземных сооружений на существующую застройку». Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений; Труды международной конференции. Екатеринбург, 2004 г.

3. Rechitsky V.V. „Investigation of the day surface settlement profile in tunneling". In: Underground Space and Rock Mechanics. S.A.Yufin (ed.). pp.128133, ТА Engineering, Moscow, 2005.

Основные положения работы докладывались автором и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:

1. XIV Всероссийская научно-практическая конференция изыскателей Гидропроекта «Инженерные изыскания в» современных условиях». Солнечногорск, Моск. обл., 11-14.03.2003.

2. Международная конференция «Проблемы геомеханики и механики подземных сооружений». Тульский государственный университет. Тула, 2325.09.2003.

3. 10-я Международная конференция АСЦИЗ: «Подземное пространство: экономика и окружающая среда». Московский государственный строительный университет. Москва, 24-28.01.2005.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы. Общий объем диссертации составляет 156 страниц, включая 102 страницы машинописного текста, 57 иллюстраций, 19 таблиц и списка литературы из 110 наименований.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Строительство транспортных и горных подземных выработок вызывает деформации дневной поверхности (осадки, наклоны и др.), которые, как показывают многочисленные примеры, могут быть опасными для расположенных в зоне влияния этих выработок зданий и сооружений.

В связи с этим весьма актуальным является заблаговременный прогноз указанных деформаций, способствующий правильному выбору технологии ведения подземных работ и, при необходимости, обосновывающий разработку защитных мероприятий, обеспечивающих безопасность существующих зданий. Особую актуальность прогнозирование деформаций дневной поверхности приобретает в условиях плотной городской застройки, когда в зону влияния подземных работ попадает большое число зданий с разной степенью сохранности.

2. В основу существующих способов прогноза деформаций дневной поверхности под влиянием подземных работ положены следующие методы:

• эмпирические, основанные на использовании опыта строительства подземных выработок в условиях, аналогичных рассматриваемым;

• аналитические, основанные на решении задачи подработки территории строгими математическими методами теории упругости;

• численные методы, использующие итерационные способы решения задачи с разбивкой области моделирования на большое число взаимодействующих между собой конечных элементов;

• физического моделирования, воспроизводящие в определенном масштабе процесс строительства подземных сооружений на моделях из эквивалентных материалов или с помощью центробежного моделирования.

Из перечисленных методов в последнее время все большее распространение получают численные методы моделирования, позволяющие вводить в расчет большое число исходных данных: тип и параметры крепления выработок, неоднородность грунта, нелинейность связи между деформациями и напряжениями в грунте и др., которые в совокупности практически невозможно учесть аналитическими методами и очень сложно воспроизвести на физических моделях.

Учитывая это, в настоящей работе для прогнозирования осадок и наклонов дневной поверхности используется одна из широко известных современных численных программ - конечно-элементная программа ZSoil (Швейцария), разработанная специально для расчетов напряженно-деформированного состояния природных грунтов и вмещающих их сооружений и апробированная на многих объектах в разных странах.

Все численные расчеты по указанной программе проведены в условиях плоской деформации и для необводненных грунтов.

3. В настоящей работе впервые выполнен целенаправленный комплекс численных исследований, позволивший выявить степень влияния различных факторов на осадки дневной поверхности при строительстве туннелей неглубокого заложения.

Все вычисления были проведены с использованием методики рационального планирования экспериментов (под "экспериментами" в данном случае понимались численные расчеты), что позволило получить наиболее представительные результаты при приемлемом числе выполненных расчетов.

Было получено, что наиболее важными факторами, оказывающими значительное влияние на величину максимальных осадок дневной поверхности над туннелем, являются следующие: а) диаметр туннеля; б) модуль деформации массива и в) степень разгрузки массива, зависящая от времени установки крепи.

Глубина заложения туннеля в пределах значений, рассматриваемых в работе, незначительно влияют на осадки поверхности. Пренебрежимо малое влияние на осадки дневной поверхности оказывает величина давления, передаваемая на грунт от существующих зданий и сооружений.

4. Расчеты показали, что прогноз осадок дневной поверхности при проходке туннелей неглубокого заложения в слабых грунтах следует проводить с использованием упруго-пластической модели грунта, в большей степени соответствующей реальным геотехническим условиям.

Наибольшее различие в величинах максимальных осадок, определенных расчетами в линейно-упругой и упруго-пластической постановках, было получено для супесей (для этих грунтов разница в осадках достигала нескольких раз), наименьшее - для глин (разница в полтора-два раза).

5. В настоящей работе задача прогнозирования деформаций дневной поверхности решена применительно к следующим 4-м разновидностям слабых грунтов: пескам, супесям, суглинкам и глинам. Все расчеты проводились в нелинейной постановке, с помощью упруго-пластической модели Друккера-Прагера.

Для каждого из рассматриваемых грунтов по результатам численных расчетов получены эмпирические зависимости для определения максимальных осадок дневной поверхности над туннелем, соответствующих тем или иным значениям основных влияющих факторов, перечисленных в п.З. Под «эмпирическими» в данном случае понимаются зависимости, аппроксимирующие результаты расчетов. Указанные зависимости получены путем обработки результатов численных расчетов с помощью современных статистических программ.

6. Детальный анализ полученных расчетным путем кривых осадок дневной поверхности позволил сделать ряд важных выводов.

Так, было показано, что в абсолютном большинстве случаев кривые осадок хорошо аппроксимируются экспоненциальной функцией.

Было получено также, что размеры зон влияния подземных работ, характеризуемые размером кривых осадок, определяются типом грунта и глубиной заложения туннеля и практически не зависят от основных влияющих на максимальную осадку поверхности факторов (диаметра туннеля, и др.). Расстояние от точки поверхности над туннелем до точки перегиба кривой осадок составляет при рассматриваемой глубине туннеля Н=20 м: для песков, супесей и суглинков - от 10 до 15м и для глин - от 12,5 до 19 м. Данный вывод и приведенные величины находятся в хорошем качественном и количественном соответствии с результатами натурных наблюдений, опубликованных к настоящему времени некоторыми исследователями.

Полученные результаты позволяют с достаточной для практических целей точностью прогнозировать величины осадок и наклонов зданий и сооружений, находящихся на разном расстоянии от продольной оси туннеля.

7. В качестве конечного практического результата выполненных исследований в работе приводятся номограммы для экспресс-оценок величин осадок и наклонов зданий и сооружений, расположенных в зоне влияния туннельных работ. Номограммы, построенные отдельно для каждого рассмотренного вида грунтов, позволяют оперативно определять указанные выше величины в зависимости от диаметра туннеля, модуля деформации грунта, степени его разгрузки, а также от удаления рассматриваемого здания от туннеля.

8. Выполненная в работе проверка результатов исследований на примерах двух реальных объектов - сооруженного туннеля в Лефортово и сооружаемого туннеля в Серебряном бору - показала вполне приемлемое для экспресс-оценок соответствие прогнозных значений осадок дневной поверхности, полученных на основе аппроксимирующих зависимостей и построенных номограмм, с фактически измеренными деформациями.

9. Полученные автором результаты исследований, естественно, не учитывают реального многообразия инженерно-геологических условий, а также некоторых особенностей технологии ведения горных работ, применяемых в ряде случаев при проходке в слабых грунтах (например, создания искусственного давления на забой выработки). В связи с этим выполненный анализ не претендует на общность результатов и нуждается в продолжении и необходимых уточнениях.

По мнению автора, дальнейшие исследования по оценке деформаций дневной поверхности, вызываемых строительством туннелей неглубокого заложения, представляется целесообразным сосредоточить на детальном анализе влияния строительного водопонижения, которое, как показывает практика, в ряде случаев бывает значительным. Комплекс численных расчетов, выполненных с этой целью, должен способствовать установлению степени влияния этого фактора в зависимости от инженерно-геологических условий (в частности, от вида вмещающих грунтов и их деформационных свойств) и от других основных влияющих факторов, рассматриваемых в настоящей работе.

1. Авершин С.Г. Сдвижение горных пород при подземных разработках. М.,Углетехиздат, 1947 г., 245с.

2. Авершин С.Г. Расчет сдвижений горных пород. Л.-М., Металлургиздат, 1950 г., 60 с.

3. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М., "Наука", 1971 г., 288 с.

4. Айвазян С.А., Мхитарян B.C. Теория вероятностей и прикладная статистика. М., Юнити, 2001 г., 656 с.

5. Бахурин И.М. Сдвижение горных пород под влиянием горных разработок. JI.-M., Гостоптехиздат, 1946 г., 231 с.

6. Бахурин И.М. Состояние изученности сдвижений горных пород под влиянием подземных выработок. Труды Совещания по управлению горным давлением. Изд. АН СССР, 1938 г.

7. Белько И.В., Свирид Г.П. Теория вероятностей и математическая статистика. Примеры и задачи. Учебное пособие. Минск: Новое знание, 251 е., 2004 г.

8. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М., Наука, 1969 г., 576 с.

9. Власов С.Н. Строительство тоннелей мелкого заложения под домами. М., Оргтрансстрой, 1968 г., 11с.

10. Власов С.Н., Маковский Л.В., Меркин В.Е. Аварийные ситуации при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей и метрополитенов. М., ТИМР, 2000 г., 197 с.

11. Вопросы надежности и оптимизации технологии сооружения тоннелей. Сб.науч.тр. ВНИИ трансп. стр-ва. Под ред. Меркина В.Е. М: Транспорт, 1985. -87с.

12. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке (Перевод с английского под редакцией к.т.н.

13. Э.К.Лецкого). М., Мир. 1980 г., 616 с.

14. Дорман И.Я. Сейсмостойкость транспортных тоннелей. Москва: Транспорт, 174 е., 1986 г.

15. Ержанов Ж.С., Шагенова Ж.Б. К обоснованию расчета осадок земной поверхности над тоннелями мелкого заложения. Известия АН КазССР. Сер.физ.-мат. Алма-Ата, Наука, №3, 1971 г.

16. Зарецкий Ю.К. Вязкопластичность грунтов и расчеты сооружений. М., Стройиздат, 1988 г., 352 с.

17. Зарецкий Ю.К., Карабаев М.И. Краткое описание математической модели системы сооружение-основание. Безопасность энергетических сооружений, НИИЭС, вып. № 1, 1998 г., 75-78.

18. Зерцалов М.Г., Юфин С.А. Научное обоснование проектов подземных сооружений на современном этапе. Гидротехническое строительство, № 11,2000 г., с.36-41.

19. Ильичев В.А. Городские подземные сооружения гражданского и общественного назначения. Труды межд. конф. "Подземный город: геотехнология и архитектура". С.-Петербург, 1998 г., с. 17-22.

20. Иофис М.А., Муллер P.A., Подаков В.Ф. К расчету деформаций земной поверхности при сооружении метрополитенов. Транспортное строительство. 1971 г., №6, с.44-45.

21. Иофис М.А., Шмелев А.И. Инженерная геомеханика при подземных разработках. М., Недра, 1985 г., 248 с.

22. Клепиков С.Н. Проблемы механики грунтов на подрабатываемых территориях. Основания, фундаменты и механика грунтов. 1984 г., № 1, с.3-5.

23. Клепиков С.Н., Муллер P.A. Состояние теории расчета зданий и сооружений на воздействие неравномерных деформаций основания. Строительные конструкции, вып. XXIII. Л., 1974 г., с. 7-12.

24. Кратч Г. Сдвижение горных пород и защита подрабатываемыхсооружений. Пер. с нем. под ред. Р.А.Муллера и И. А.Петухова. М., Недра, 1978 г., 494 с.

25. Кузнецов Г.Н. Изучение проявлений горного давления на моделях. М., Углетехиздат, 1959 г., 283 с.

26. Кузнецов Г.Н. Моделирование проявлений горного давления. JL, Недра, 1968 г., 279 с.

27. Лапидус Л.С. К расчету перемещений земной поверхности, вызванных подземными разработками. Вопросы геотехники. Труды ДИИТа, Днепропетровск, 1961 г., вып. №4, с. 11-27.

28. Леонтовский П.М. Литература об обрушении и оседании пород в рудниках и о влиянии их на дневную поверхность. Екатеринославль, Изд. Г.Берс, 1913 г., 320 с.

29. Лиманов Ю.А. Метрополитены. Изд. 2-е, испр. и доп. М., Транспорт, 1971 г., 359 с.

30. Лиманов Ю.А. Осадки поверхности при сооружении тоннелей в кембрийских глинах. Л., ЛИИЖТ, 1957 г., 239 с.

31. Маковский Л.В. Городские подземные транспортные сооружения. М., Стройиздат, 1985 г., 440 с.

32. Маковский Л.В. Проектирование автодорожных и транспортных туннелей. М., "Транспорт", 1993 г., 352 с.

33. МГСН 2.07-97 Московские городские строительные нормы. Основания, фундаменты и подземные сооружения. М.

34. Меркин В.Е., Маковский Л.В. Прогрессивный опыт и тенденции развития современного тоннелестроения. М: ТИМР, 1997. -192 с.

35. Механика скальных пород и современное строительство. Под ред. Шемякина Е.И. Москва: Недра, с. 223-229, 1992 г.

36. Михайловский С.С. Осадки поверхности над щитами в плывунах."Метрострой", № 3-4, 1938 г.

37. Муллер P.A. Влияние горных выработок на деформацию земнойповерхности. М., Углетехиздат, 1958 г., 76 с.

38. Муллер P.A. Некоторые вопросы защиты зданий и сооружений от влияния подземных горных работ в СССР. Труды межд. симпоз. по маркшейдерскому делу, горной геологии и горной геометрии. Прага, 1969 г., с. 159-167.

39. Муллер P.A., Петухов И.А. О допустимых условиях подработки городов и поселков. Труды ВНИМИ, вып. 100, 1976 г., с. 14-25.

40. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. М., Наука, 1966 г., 707 с.

41. Петухов И.А., Земисев В.Н., Файнштейн Ю.Б. Современные методы прогнозирования вероятных сдвижений и деформаций земной поверхности в сложных условиях. Труды ВНИМИ, 1981 г., с.3-10.

42. Пособие по проектированию мероприятий для защиты зданий и сооружений от влияния горнопроходческих работ при строительстве метрополитена. JI., Стройиздат, 1973 г., 72 с.

43. Потапова JI.A. Основы номографии. Курс лекций. Томский политехнический университет, 1997 г.

44. Проблемы сейсмостойкости и виброакустики при строительстве и эксплуатации тоннелей. Сб. науч. тр. ВНИИ трансп. Строительства. Под ред. Дормана И.Я. Москва: ЦНИИС, 53.-е., 1991 г.

45. Протодьяконов М.М., Тедер Р.И. Методика рационального планирования эксперимента. М., Институт физики земли им. О.Ю.Шмидта АН СССР, 28 с.

46. Рекомендации по обследованию и мониторингу технического состояния эксплуатируемых зданий, расположенных вблизи нового строительства или реконструкции. М., Москомархитектура. ТУП "НИАЦ", 1998 г., 90 с.

47. Рекомендации по составлению номограмм для многофакторных полиномов. Челябинск: УралНИИстромпроект, 40 е., 1982 г.

48. Савицкий В.В., Шейнин В.И. Назначение граничных условий и порядок расчета МКЭ мелкозаглубленных сооружений. Основания, фундаменты и механика грунтов. 1996 г., № 6, с. 14-17.

49. Сашурин А.Д. Геомеханические модели и методы расчета сдвижения горных пород при разработке месторождений в скальных массивах. Автореферат дис. . д-ра техн. наук. Екатеринбург, 1995 г., 38 с.

50. СНиП 2.01.09-91. Здания и сооружения на подрабатываемых территориях и просадочных грунтах. М., Госстрой СССР, АЛЛ ЦИТП. 1992 г., 32 с.

51. СНиП 2.02.01 83*. Основания зданий и сооружений. М., 1995 г.

52. СНиП 2.06.09-84. Туннели гидротехнические. М., ЦИТП Госстроя СССР, 1985 г., 20 с.

53. СНиП 32.04.97. Тоннели железнодорожные и автодорожные. М., Госстрой России, ГУП ЦПП, 1997 г., 20 с.

54. Талобр Ж. Механика горных пород. Государственное научно-техническое издательство по горному делу. М., 1960 г., 199 с.

55. Тер-Мартиросян З.Г. Прогноз механических процессов в массивах многофазных грунтов. М., Недра, 1986 г., 292 с.

56. Тер-Мартиросян З.Г., Нурджанян С.Ш. Прогноз оседания поверхности земли вследствие понижения уровня грунтовых вод скважинами. Межвуз. сб.строит. и арх., ЕрПИ, сер. 12, вып. 6 , 1980 г., с 178-183.

57. Терцаги К. Теория механики грунтов. М: Госстройиздат, 507 е., 1961 г.

58. Терцаги К., Пек Р. Механика грунтов в инженерной практике. М., Стройиздат, 1958 г., 607 с.

59. Улицкий В.М., Алексеев С.И. Обеспечение безопасности сооружений при микротоннелировании в городских условиях. Труды межд. научно-практ. конф. "Тоннельное строительство России и стран СНГ в начале века: опыт и перспективы". М., 2002 г., с.З87-390.

60. Улицкий В.М., Шашкин А.Г. Геотехническое сопровождение реконструкции городов. М., Изд-во АСВ, 1999 г., 327 с.

61. Ухов С.Б., Семенов В.В., Знаменский В.В., Тер-Мартиросян З.Г., Чернышев С.Н. Механика грунтов, основания и фундаменты. 3-е изд., испр. М.: Высш. шк., 2004 г. 566 е.: ил.

62. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. М., Недра, 1987 г., 221 с.

63. Фадеев А.Б., Сахаров И.Н., Парамонов В.И. Анализ причин двух геотехнических аварий тоннелей метрополитена. Тр. междунар. конф. "Подземный город: геотехнология и архитектура". С.-Петербург, 1998 г., с.343-346.

64. Фотиева H.H. Расчет крепи подземных сооружений в сейсмически активных районах. Москва: Недра, 222 е., 1980 г.

65. Фотиева H.H. Расчет крепи фундамента при проведении вблизи него круговой выработки. Труды межд. симп. «Подземные стройки в городских условиях» (Tunnel City '85), Прага, 1985 г., с. 50-53.

66. Харт Р.Д., Кюндалл П.А. Программы для явного численного моделирования задач геомеханики на микроЭВМ. Энергетическое строительство, № 7, 1992 г.,, с. 9-13.

67. Хечинов Ю.Е., Юфин С.А., Постольская O.K. Развитие деформаций дневной поверхности и окружающего массива при сооружении туннелей неглубокого заложения. Энергетическое строительство за рубежом, №2,1986 г., с. 34-38.

68. Цытович H.A., Тер-Мартиросян З.Г. Основы прикладной геомеханики в строительстве: Учеб. пособие. М: Высш. школа, 317 е., 1981 г.

69. Чеботаев В.В., Ауэрбах В.М., Левченко А.И. Прогнозирование аварийных деформаций поверхности и защита зданий при строительстве метрополитена. Транспортное строительство. № 4, 1994 г., с.30-33.

70. Черный Г.И., Бейлинов Я.И., Гуров С.Г. Методы защиты зданий и сооружений на подрабатываемых территориях. Буд1вельник, Киев, 1965 г., 180 с.

71. Чжао-Гуан-Цзянь. Прогноз деформаций оснований городских зданий при строительстве сооружений метрополитена. Автореферат дисс. канд. техн. наук. С.-Петербург, 1993 г., 25 с.

72. Шегенова Ж.Б. Аналитическое исследование сдвижения земнойповерхности над тоннелями. Автореферат дис.канд. техн. наук.1. Алма-Ата, 1971 г., 32 с.

73. Шейнин В.И. Геомеханика в расчетах и проектировании малозаглубленных подземных сооружений (особенности и проблемы). Основания, фундаменты и механика грунтов, № 3, 1992 г., с 24-27.

74. Юркевич П. Геомеханические модели в современном строительстве. Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций. Проектирование, стоительство, эксплуатация. Научн.-техн. альманахинформац.-издат. центра ТИМР., №1-2, 1996 г., с.10-13.

75. Юфин С.А. О минимальной глубине заложения напорных гидротехнических туннелей. Энергетическое строительство, №8, 1990 г., с.28-3

76. Юфин С.А., Титков В.И. Расчет конструкций подземных сооружений с использованием программы ТКСС МКЭ. М., МИСИ, 1986 г.

77. Юфин С.А., Харт Р.Д., Кюндалл П.А. Сравнительный анализ современных численных методов решения задач геомеханики. Энергетическое строительство, № 7, 1992 г., с 4-8.

78. Юшин А.И. Особенности проектирования фундаментов зданий на основаниях, деформируемых горными выработками. М., Стройиздат, 1980 г., 135 с.

79. Яровой Ю.И. Выбор аналитических схем прогнозных расчетов осадок земной поверхности при сооружении городских тоннелей. Труды УрГАПС, вып. №8 (90), 1998 г., с.8-34.

80. Яровой Ю.И. Прогноз деформаций земной поверхности и защита городской застройки при строительстве метрополитенов на Урале. Екатеринбург, 1999.

81. Abdrabbo F.M., Abd El-Lateef Н.А., El-Nahhas F.M. Effect of tunneling on adjacent structures. Proc. of the 8th Int. IAEG Congress. A.A.Balkema, 1998, pp.3769-3773.

82. Addenbrooke T.I., Potts D.M. Twin tunnel interaction: surface and subsurface effects. The Int. Journal of Geomechanics. Vol. 1, Number 2, pp.249-271.

83. Almeida e Sousa J., Silva Cardoso A., Matos Fernandes M. Three-dimensional analysis of the Paraiso tunnel, Brasil. Proc of the Int. Symp. "Applications of Computational Mechanics in Geotechnical Engineering",• Swets&Zeitlinger, 2001, pp. 165-173.

84. Burland J.B., Wroth L.P. Settlement of buildings and associated damage.

85. Proc. Conf. on Settlement of Structures, Cambridge, Pentech Press, 1975, pp. 611-654.

86. Detournay C., Hart R. (eds.). FLAC and numerical modeling in geomechanics. Rotterdam, Balkema, 1999.

87. Flaschentrager H. Die Kostenverteilung bei gemeinsam Verursachten Bergschaden im Ruhrgebiet. Mitt. Markscheidew (49), 1938, s. 95-137.

88. Fujita K. Soft ground tunnelling and buried structures. State-of-the-Art Report, Proc. of the 13th Jnt. Conf. "Soil Mechanics and Foundation Engineering". A.A.Balkema, 1994, pp.89-108.

89. Goldreich A. Die Theorie der Bodensenkungen in Kohlengebieten. Berlin, J.Springer,1913.

90. Gonot J. Die Theorie der Bruchrichtung (franz.). Liittich, 1839.

91. Iofis I.M., Maksimov A.V. Integrated software for numerical modeling of geomechanical problems. Proc. of the Int.Conf. "Geoecology and Computers", Moscow, 2000, pp.267-272.

92. Katzenbach R., Breth H. Nonlinear 3-D Analysis for NATM in Frankfurt Clay. Proc. of the 10th Jnt. Conf. "Soil Mechanics and Foundation Engineering". A.A.Balkema, 1981, pp.315-319.

93. Leca E., Leblais Y., Kuhnhenn K. Underground works in soil and soft rock tunneling. An Int. Conf. on Geotechnical & Geological Engineering GeoEng2000, Melbourne. Vol.1: Invited Papers, November 2000, pp. 220268.

94. Mair R.J. Geotechnical aspects of design criteria for bored tunneling in soft ground. Proc.of the Int. Conf. "Tunnels and Metropolises". A.A.Balkema, 1998, pp.183-199.

95. Mair R.J., Gunn M.J., O'Reilly. Ground movements around shallow tunnelsthin soft clay. Proc. of the 10 Jnt. Conf. "Soil Mechanics and Foundation Engineering". A.A.Balkema, 1981, pp. 323-328.

96. Mair, R.J. and Taylor, R.N. Bored tunneling in the urban environment.

97. Theme Lecture, Plenary Session 4, Proc. 14th Int. Conf. on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Hamburg, Vol. 4, 1997.

98. Mashimo H., Ishimura Т., Fujii K. Prediction of ground movement due shield tunneling. Proc. of the Int.Conf. "Geoecology and Computers", Moscow, 2000, pp. 127-132.

99. Nishida Т., Esaki Т., Kameda N. A development of the base friction technique and its application to subsidence engineering. Proc. of the Int. Symp. on Engineering in Complex Rock Formation, Chine, 1986, pp. 387392.

100. Oteo C.S., Sagaseta C. Prediction of settlements due to underground openings. Proc. of the Int. Symp. on Numerical Models in Geomechanics. Zurich, 1982, pp. 653-659.

101. Peck R.B. Deep excavations and tunneling in soft ground. Proc. of the 7th Int. Conf. "Soil Mechanics and Foundation Engineering". Mexico City, State of the Art Volume. 1969, pp. 225-290.

102. Phien-wej N. Ground movements associated with soft ground tunneling in Bangkok. Proc.of the Int. Conf. "Tunnels and Metropolises". A.A.Balkema, 1998, pp.1187-1192.

103. Schleier О. Zur Frage der Senkungsvorausberechnung beim Abbau von Steinkohlenflözen in geneigter Lagerung. Mitt. Markscheidew (48), 1937, s. 16-27.

104. Shin J.H., Potts D.M. Settlements above tunnels constructed in weathered granite. Proc.of the Int. Conf. "Tunnels and Metropolises". A.A.Balkema, 1998, pp.375-380.

105. Skempton A.W., MacDonald D.H. Allowable settlement of buildings. Proc. of the Institution of Civil Eng. London, vol. 5, 1956, pp. 727-768.

106. StatSoft Inc. Электронный учебник. Руководство пользователя. М., 2001 г.

107. Terzagi К. Shield tunnels of the Chicago subway. Journ. Boston Soc. Civ.

108. Engrs, Vol 29, 3, 1942, pp. 163-210.

109. UDEC (Universal Distinct Element Code). Minneapolis, Minnesota, USA: Itasca Consulting Group Inc., 1992.

110. Wittke W. The tunnels of the highspeed railway line from Cologne to Frankfurt. Proc. of the Int.Conf. "Geoecology and Computers", Moscow, 2000, pp.73-81.

111. Z-SOIL. User manual. Zace Services Ltd Report 1985-1999. Lausanne, Elmepress International, 1999.