автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.04, диссертация на тему:Разработка метода расчета обделок тоннелей, сооружаемых с применением укрепительной цементации в трансверсально - изотропном массиве пород

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОБДЕЛОК КРУГОВЫХ ТОННЕЛЕЙ, СООРУЖАЕМЫХ С ПРИМЕНЕНИЕМ УКРЕПИТЕЛЬНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ, С ТРАНСВЕРСАЛЬНО-ИЗОТРОПНЫМ МАССИВОМ ПОРОД.

2.1. Моделирование действия собственного веса пород или тектонических сил в массиве.

2.2. Моделирование давления подземных вод.

2.3. Переход к краевым задачам теории функций комплексного переменного.

3. МЕТОД РАСЧЕТА ОБДЕЛОК КРУГОВЫХ ТОННЕЛЕЙ, СООРУЖАЕМЫХ С ПРИМЕНЕНИЕМ УКРЕПИТЕЛЬНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ В ТРАНСВЕРСАЛЬНО-ИЗОТРОПНОМ МАССИВЕ ПОРОД.

3.1. Решение контактной задачи о действии собственного веса пород или тектонических сил в массиве.

3.2. Решение контактной задачи для случая действия давления подземных вод.

3.3. Определение напряжений.

3.4. Определение смещений.

3.5. Алгоритм расчета обделок тоннелей, сооружаемых с применением укрепительной цементации в трансверсальноизотропном массиве пород.

3.6. Проверка точности удовлетворения граничных условий решаемых задач.

3.7. Примеры расчета.

3.7.1. Расчет обделки на действие собственного веса пород.

3.7.2. Расчет обделки на действие тектонических сил в массиве.

3.7.3. Расчет обделки на действие внешнего давления подземных вод.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ОБДЕЛОК ТОННЕЛЕЙ, СООРУЖАЕМЫХ С ПРИМЕНЕНИЕМ УКРЕПИТЕЛЬНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ В ТРАНСВЕРСАЛЬНО-ИЗОТРОПНОМ МАССИВЕ ПОРОД,

ОТ ОСНОВНЫХ ВЛИЯЮЩИХ ФАКТОРОВ.

4.1. Зависимости нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре поперечного сечения обделки, вызываемых действием собственного веса пород, от основных влияющих факторов.

4.1.1. Случай предварительной цементации.

4.1.2. Случай цементации, выполняемой через скважины, пробуренные в обделке.

4.2. Зависимости нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре поперечного сечения обделки, вызываемых действием тектонических сил в массиве, от основных влияющих факторов.

4.2.1. Случай предварительной цементации.

4.2.2. Случан(цементации, выполняемой через скважины, пробуренные в обделке.

4.3. Зависимости максимальных нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре поперечного сечения обделки, вызываемых действием внешнего давления подземных вод, от основных влияющих факторов.;.

5. СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТА С ДАННЫМИ, ПОЛУЧЕННЫМИ К.Е. ЗАЛЕССКИМ В НЕКОТОРЫХ ЧАСТНЫХ СЛУЧАЯХ. АПРОБАЦИЯ РАЗРАБОТАННОГО МЕТОДА РАСЧЕТА.

5.1. Расчет обделки напорного туннеля Миатлинского гидроузла на р. Сулак.

Для обеспечения прочности, надежности и долговечности обделок транспортных, коммунальных и гидротехнических тоннелей, сооружаемых в сложных горно-геологических условиях, особую актуальность имеют вопросы расчета обделок с учетом реальных особенностей окружающего массива горных пород, в частности - его анизотропии и трещиноватости.

В настоящее время при строительстве тоннелей в сложных горногеологических условиях, характеризующихся наличием обводненных трещиноватых пород, наряду с сооружением обделки применяют специальные мероприятия по водоподавлению путем нагнетания скрепляющих растворов с поверхности или из забоя выработки, либо через скважины, пробуренные в обделке. Инъекционное укрепление, проводимое в основном растворами на основе цемента (цементация), позволяет значительно уменьшить анизотропию свойств пород вокруг тоннеля и повысить их модуль деформации, обеспечить снижение остаточных напоров подземных вод, действующих на обделку. При этом вокруг выработки создается слой пород с отличными от остального массива деформационными и фильтрационными характеристиками, наличие которого целесообразно учитывать при расчете и проектировании тоннелей, т. к. этот слой оказывает существенное влияние на напряженное состояние обделки и позволяет в ряде случаев облегчить конструкцию, снизив ее толщину или процент армирования.

Существующие методы расчета обделок, основанные на современных представлениях механики подземных сооружений о взаимодействии подземной конструкции и окружающего массива пород как элементов единой деформируемой системы, позволяют определить напряженное состояние обделки, испытывающей действие собственного веса пород, тектонических сил в массиве, давления подземных вод, внутреннего напора и сейсмические воздействия землетрясений. Эти методы, базирующиеся на аналитических решениях соответствующих плоских контактных задач теории упругости, реализованные в виде программ для ЭВМ, позволяют производить многовариантные расчеты обделок тоннелей произвольного поперечного сечения, в том числе - с учетом влияния укрепительной цементации пород, обделок параллельных взаимовлияющих тоннелей круглого поперечного сечения, в том числе - многослойных, наружный слой которых может рассматриваться как слой укрепленных пород, а также обделок тоннелей мелкого заложения, сооружаемых с применением укрепительной цементации, на статические нагрузки, тектонические и сейсмические воздействия.

Однако в большинстве указанных методов расчета массив пород, как правило, моделируется однородной изотропной средой, что. ограничивает применение этих методов в случаях, когда окружающий тоннель массив обладает существенной анизотропией или трещиноватостью, что может оказывать значительное влияние на напряженное состояние обделки. Существующие методы расчета, в которых массив пород моделируется трансверсально-изотропной средой, в свою очередь, не позволяют рассчитывать обделки тоннелей, сооружаемых с применением укрепительной цементации.

В связи с этим, целью диссертации является разработка метода расчета обделок круговых тоннелей, сооружаемых с применением укрепительной цементации (производимой как из забоя или с поверхности земли, так и через скважины, пробуренные в обделке) окружающего выработку трансверсально-изотропного массива пород с наклонной в общем случае плоскостью изотропии, на действие собственного веса пород, тектонических сил в массиве и внешнего давления подземных вод, в том числе - с учетом возможной фильтрации воды через зацементированный слой и обделку.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие % задачи:

- разработана математическая модель взаимодействия обделки, зацементированной зоны и трансверсально-изотропного массива пород с наклонной плоскостью изотропии, в которой двуслойное кольцо из изотропных материалов, моделирующее обделку и зацементированную зону, подкрепляет отверстие в трансверсально-изотропной среде с наклонной плоскостью изотропии, моделирующей массив пород. Модель позволяет учесть основные факторы, влияющие на напряженное состояние конструкции - геометрические характеристики обделки и укрепленной зоны; деформационные и фильтрационные характеристики трансверсально-изотропного массива пород, зацементированного слоя и материала обделки; угол наклона плоскости изотропии; характеристики начального поля напряжений в массиве пород и в зацементированной зоне; особенности технологии сооружения обделки и укрепления пород;

- получены новые аналитические решения плоских контактных задач теории упругости для линейно-деформируемой трансверсально-изотропной среды с наклонной в общем случае плоскостью изотропии, ослабленной круговым отверстием, подкрепленным двуслойным кольцом из изотропных материалов, при граничных условиях, отражающих непрерывность векторов смещений и полных напряжений на линиях контакта, наличие поля начальных напряжений в трансверсально-изотропной среде и наружном слое изотропного кольца и отсутствие внешних сил на внутреннем контуре;

- на основе полученных решений разработан метод расчета обделок круговых тоннелей, сооружаемых в трансверсально-изотропном массиве пород с применением укрепительной цементации, производимой как из забоя или с поверхности земли, так и через скважины, пробуренные в обделке, на действие собственного веса пород, тектонических сил в массиве и внешнего давления подземных вод, в том числе - с учетом возможной фильтрации воды через зацементированную зону пород и обделку;

- разработаны алгоритмы и составлен комплекс программ для ПЭВМ, позволяющий производить многовариантные расчеты обделок круговых тоннелей, сооружаемых с применением укрепительной цементации в анизотропном массиве пород;

- выполнена проверка точности удовлетворения граничных условий рассмотренных контактных задач и произведено сравнение результатов расчета с данными, полученными К.Е. Залесским в некоторых частных случаях;

- исследованы зависимости нормальных тангенциальных напряжений, возникающих на внутреннем контуре поперечного сечения бетонной обделки тоннеля, сооружаемого в анизотропных породах. четырех типов, от основных влияющих факторов - модуля деформации материала обделки, относительной толщины обделки и укрепленной зоны, угла наклона плоскости изотропии массива, отношения главных начальных напряжений в массиве и угла между главной осью начальных напряжений и плоскостью изотропии (в случае действия тектонических сил), отно