автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Совершенствование методов прогноза деформаций земной поверхности при щитовой проходке тоннелей для подземных коммуникаций

На правах рукописи

Шарафутдинов Рафаэль Фаритович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ПРОГНОЗА ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ЩИТОВОЙ ПРОХОДКЕ ТОННЕЛЕЙ ДЛЯ ПОДЗЕМНЫХ КОММУНИКАЦИЙ

Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Москва-2013

005542068

005542068

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский центр «Строительство» - Научно-исследовательский, проектно-изыскательский и конструкторско-технологический институт оснований и подземных сооружений им. Н.М. Герсеванова (ОАО «НИЦ «Строительство - НИИОСП им. Н.М. Герсеванова)

Научный руководитель: кандидат технических наук

Исаев Олег Николаевич

Официальные оппоненты: Курбацкий Евгений Николаевич

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения», заведующий кафедры «Подземные сооружения»

Ляпидевский Борис Васильевич

кандидат технических наук ГУЛ «НИИМосстрой», руководитель Исследовательского центра по строительству, проектированию, технологии возведения подземных сооружений

Ведущая организация: ОАО ЦНИИС

«НИЦ «Тоннели и метрополитены»

Защита состоится «25» декабря 2013 г. в /Л час. на заседании диссертационного совета Д 212.138.08, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (МГСУ) по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, зал Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет». Автореферат разослан «?£» ноября 2013 г.

Ученый секретарь _¡^

диссертационного совета

~ Знаменский Владимир Валерианович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние годы в Москве и крупных городах России существенно возросли объемы строительства тоннелей для подземных коммуникаций (далее коммуникационных тоннелей), прокладка которых выполняется закрытым способом с применением современных щитовых тон-нелепроходческих механизированных комплексов (далее ТПМК).

Существующая в России нормативно-рекомендательная база по применению современных ТПМК в значительной степени отстает от темпов строительства коммуникационных тоннелей - многие важные для проектировщиков и строителей вопросы, в том числе прогноза влияния на окружающую застройку, не нашли в ней четкого отражения. В результате принимаемые проектные решения нередко в одних случаях недостаточно надежны, в других характеризуются необоснованным назначением защитных мероприятий и, как следствие, удорожанием строительства. Несовершенство нормативно-рекомендательных документов не позволяет так же эффективно выполнять экспертизу проектных решений и контроль процесса строительства.

Основным фактором, сдерживающим развитие норм по данному вопросу является его недостаточная изученность, отсутствие надежных методик прогноза деформаций грунтовых массивов, существующих зданий и сооружений, расположенных в зоне влияния проходки ТПМК.

Для выполнения указанного прогноза могут использоваться аналитические, эмпирические и численные методы. Аналитические и эмпирические методы применяются достаточно редко, так как не позволяют в полной мере учесть реальный спектр инженерно-геологических условий строительства и особенности тоннелепроходческого оборудования. Поэтому в практике проектирования прогноз в основном выполняется с использованием геотехнических программных комплексов, реализующих численные методы, в первую очередь метод конечных элементов (далее МКЭ). Однако расчеты по ним требуют назначения целого ряда параметров, выбор которых не нормирован, многовариантен и неоднозначен, а степень влияния и пути выбора мало изучены.

Недостаточно исследованы также методы прогноза границ зон влияния, длительности и интенсивности перемещений грунтовых массивов при проходке тоннелей для подземных коммуникаций. Приведенные в действующих нормах методы по указанным вопросам не достаточно точны и надежны, что в значительной степени связано с тем, что они фактически «скопированы» из норм охраны сооружений, расположенных в зоне влияния подземных горных работ на угольных месторождениях, и не учитывают особенности подземного строительства в условиях городской застройки.

Целью диссертационной работы является повышение надежности и достоверности прогноза деформаций земной поверхности и объектов окружающей застройки при щитовой проходке тоннелей для подземных коммуникаций. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- исследование влияния параметров численного моделирования на результаты расчетов МКЭ деформаций дневной поверхности при щитовой проходке коммуникационных тоннелей;

- разработка методики выбора параметров численного моделирования МКЭ изменения напряженно-деформированного состояния (далее НДС) грунтового массива в результате щитовой проходки коммуникационных тоннелей;

- исследование влияния проектно-технологических и инженерно-геологических факторов на перебор грунта при щитовой проходке коммуникационных тоннелей;

- исследование влияния проектно-технологических и инженерно-геологических факторов на размер зоны влияния при щитовой проходке коммуникационных тоннелей;

- исследование влияния проектно-технологических и инженерно-геологических факторов на общую продолжительность и скорость деформаций земной поверхности при щитовой проходке коммуникационных тоннелей.

Общая методика исследований. Выполнен комплекс научно-исследовательских работ, включающий: анализ и обобщение научно-технической информации в области прогноза влияния проходки тоннелей на деформации вмещающих грунтовых массивов; численные и натурные исследования влияния различных факторов на деформации земной поверхности в результате щитовой проходки коммуникационных тоннелей; статистический регрессионно-корреляционный анализ полученных результатов; разработку методов прогноза деформаций земной поверхности.

Научная новизна. Работа содержит ряд новых научных результатов. Наиболее значительные из них заключаются в том, что:

- установлены характер и степень влияния расчетных факторов на результаты численного моделирования МКЭ деформаций земной поверхности при щитовой проходке коммуникационных тоннелей;

- выявлены закономерности и количественные зависимости влияния проектно-технологических и инженерно-геологических факторов на перебор грунта при щитовой проходке коммуникационных тоннелей;

- установлены значимость, степень и характер влияния проектно-технологических и инженерно-геологических факторов на общую продолжительность и среднюю скорость деформаций земной поверхности при строительстве коммуникационных тоннелей щитовым методом;

- получены зависимости изменения ширины зоны влияния строительства коммуникационных тоннелей щитовым методом от глубины заложения тоннеля и величины граничной осадки.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- разработана и верифицирована методика выбора параметров численного моделирования МКЭ изменения НДС грунтового массива в зоне проходки коммуникационного тоннеля закрытым способом;

- составлены рекомендации по выбору величины перебора грунта при моделировании изменения НДС грунтового массива и объектов окружающей застройки в результате проходки коммуникационных тоннелей щитовым методом;

- разработана методика оценки общей продолжительности и скорости деформаций земной поверхности применительно к щитовой проходке коммуникационных тоннелей в дисперсных грунтах на основе использования предложенного критерия - коэффициента связности инженерно-геологического разреза;

- предложен универсальный метод оценки ширины зоны влияния проходки коммуникационных тоннелей с использованием ТПМК, учитывающий величину граничной осадки.

На защиту выносятся:

- методика выбора параметров численного моделирования с использованием МКЭ изменения НДС грунтового массива в зоне проходки коммуникационного тоннеля щитовым способом;

- рекомендации по выбору величины перебора грунта при моделировании изменения НДС массива грунта и объектов окружающей застройки в результате проходки коммуникационных тоннелей щитовым методом;

- методика оценки общей продолжительности и скорости деформаций земной поверхности применительно к щитовой проходке коммуникационных тоннелей в дисперсных грунтах на основе использования коэффициента связности инженерно-геологического разреза;

- метод оценки ширины зоны влияния проходки коммуникационных тоннелей с использованием ТПМК, учитывающая величину граничной осадки.

Достоверность полученных результатов обоснована строгостью исходных предпосылок применяемых методов исследований; учетом мирового опыта в области исследований деформаций земной поверхности при щитовой проходке, а также положений отечественных и зарубежных нормативных документов; применением сертифицированного геотехнического программного комплекса; большой верификационной базой данных измерений перемещений земной поверхности (свыше 170 грунтовых реперов) при проходке современных ТПМК в характерных для Московского региона инженерно-геологических условиях; использованием методов математической статистики (корреляционно-регрессионного анализа) при обработке результатов исследований; хорошим совпадением результатов прогноза по предложенным методикам с данными натурных наблюдений.

Реализация работы. Результаты диссертационной работы использованы при разработке следующих нормативно-рекомендательных документов, подготовленных в ОАО «НИЦ «Строительство» - НИИОСП им. Н.М. Герсе-ванова:

- Рекомендации по определению допустимости дополнительных деформаций городских подземных инженерных коммуникаций, находящихся в зо-

не влияния строительства (реконструкции) подземных и заглубленных объектов;

- СТО 36554501-028-2012 «Оценка влияния строительства коммуникационных тоннелей щитовым методом на окружающую застройку»;

- Проект Национального стандарта «Проектирование и строительство подземных коммуникаций закрытым способом» по заказу Департамента градостроительной политики города Москвы (№ госрегистрации 0173200024012000050).

Разработанные методики применены при подготовке научно-технических отчетов и заключений ОАО «НИЦ «Строительство» - НИИОСП им. Н.М. Герсеванова по оценке влияния щитовой проходки коммуникационных тоннелей и микротоннелирования на близрасположенные здания, сооружения и подземные коммуникации в Московском регионе, составленных в 2011...2013 гг.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на конференциях пользователей РЬАХК (2010 и 2012 гг.), заседаниях научно-технического совета ОАО «НИЦ «Строительство» - НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, заседаниях экспертной комиссии по инновационным технологиям и техническим решениям Департамента градостроительной политики г. Москвы (2013 г.).

Личный вклад автора состоит:

- в выборе расчетных ситуаций и проведении серии численных экспериментов (расчетов в программном комплексе РЬАХ1Б в плоской постановке) с целью исследования влияния параметров моделирования МКЭ на результаты расчетов деформаций грунтового массива при проходке коммуникационных тоннелей;

- в обобщении и систематизации результатов инженерно-геодезических измерений перемещений земной поверхности при щитовой проходке коммуникационных тоннелей, выполняемых с использованием ТПМК;

- в выполнении статистического корреляционно-регрессионного анализа результатов численных экспериментов и натурных исследований с целью установления количественных зависимостей и степени влияния различных факторов на перебор грунта, ширину зоны влияния строительства, общую продолжительность и среднюю скорость деформаций земной поверхности.

Публикации. По теме диссертации опубликованы четыре печатные работы, в том числе три статьи в периодических изданиях, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и трех приложений, изложенных на 165 страницах машинописного текста, содержит 57 рисунков, 26 таблиц и список литературы из 112 наименований.

Автор выражает благодарность своему научному руководителю к.т.н. О.Н. Исаеву за направление исследований, поддержку и всестороннюю помощь при работе над диссертацией, а также искреннюю признательность

д.т.н., проф. В.П. Петрухину и коллективу ОАО «НИЦ «Строительство» -НИИОСП им. Н.М. Герсеванова за замечания и рекомендации при подготовке диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности диссертационной работы, определена цель и задачи исследования, изложена научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава содержит аналитический обзор литературных данных, посвященных прогнозу деформаций земной поверхности при строительстве тоннелей щитовым методом, приведены особенности строительства тоннелей с использованием ТПМК.

Прокладку коммуникационных тоннелей с применением технологии щитовой проходки, как правило, выполняют в сложных инженерно-геологических условиях. Эта технология является одной из прогрессивных методов возведения подземных линейных сооружений. Однако, её применение сопряжено с необходимостью учета деформаций вмещающего массива грунта и обеспечением сохранности окружающей застройки.

Исследованиям в области прогноза деформаций земной поверхности, грунтового массива и окружающей застройки при закрытой проходке посвящены работы: Авершина С.Г., Ауербаха В.М, Баклашова И.В. Гарбера В.А., Демешко Е.А., Зерцалова М.Г., Ильичева В.А., Иофиса М.А., Исаева О.Н., Курбацкого E.H., Лиманова Ю.А., Мазеина С.В., Меркина В.Е., Муллера P.A., Никифоровой Н.С., Панфилова Д.В., Петрухина В.П., Пушилина А.Н., Речицкого В.В., Сашурина А.Д., Строковой Л.А., Туликова М.М., Ходоша В.А., Черного Г.И., Шейнина В.И., Юфина С.А., Ярового Ю.И., Abrams A.J., Aoyagi Т., Atkinson J., Attewell P.B, Augarde C.E., Burghignoli A., Burland J.B., Clough G.W., Cording E., Hansmire W., Jeffery G.B., Jacobsz, S.W., Kastner R., Leca E„ Mair R.J., Möller S.C., New B.M, O'Reilly M.P., Peck R.B., Poots D„ Rankin W.J., Schmidt В., Taylor R.N., Viggiani G„ Vorster Т.Е., Woodman J.P., Wood D.M. и др.

Обобщение и анализ предшествующих исследований показал, что наиболее универсальным и широко распространенным инструментом для прогноза деформаций грунтового массива при щитовой проходке является применение геотехнических программных комплексов (PLAX1S, FLAC, MIDAS/GTS и др.), реализующих, как правило, МКЭ и позволяющих решать задачи взаимодействия строящегося тоннеля, вмещающего грунта и окружающей застройки.

Недостатком этих программ является часто возникающая многовариантность и неопределенность при выборе ряда расчетных параметров создаваемой модели объекта (перебор грунта, вид и параметры геомеханической модели грунта, размеры расчетной области и др.), требования и рекомендации по выбору которых отсутствуют в нормативных и рекомендательных доку-

ментах. В результате для одного и того же объекта два разных специалиста, соблюдая все требования действующих норм, могут получать перемещения грунтового массива и окружающей застройки, отличающиеся до 50 % и более.

Анализ действующих нормативно-рекомендательных документов по подземному строительству показал, что заложенные в них методики оценки ширины зоны влияния, общей продолжительности и скорости деформаций земной поверхности при закрытой проходке коммуникационных тоннелей не достаточно достоверны и надежны, а в отдельных случаях трудно реализуемы. В основном это связано с тем, что они «механически» перенесены из документов по охране зданий и сооружений, расположенных в зоне влияния подземных горных работ на угольных месторождениях, и не учитывают специфику подземного строительства.

Выполненный анализ литературы подтвердил актуальность выбранной темы и позволил сформулировать цель диссертации и основные направления исследований, которые изложены во введении.

Во второй главе приведены результаты разработки методики выбора параметров численного моделирования МКЭ изменения НДС массива грунта в результате щитовой проходки тоннеля. Для этого выполнялись серии численных расчетов в программном комплексе РЬАХ18 в плоской постановке.

В качестве многовариантных и неоднозначно выбираемых расчетных параметров создаваемой 20 модели рассматривались:

- вид и параметры геомеханической модели грунта;

- размеры расчетной области;

- параметр снижения прочности на контактной поверхности «тоннельная обделка - грунт».

Расчетная схема, использованная в исследованиях, представлена на рис. 1. Исследования выполнялись для несвязного (песок мелкий, средней плотности) и связного (суглинок мягкопластичный) грунтов, типичных для грунтовых условий г. Москвы. Физико-механические свойства грунтов (табл. 1) принимались по СП 22.13330 2011.

Для численных экспериментов принимались: диаметр тоннеля £)=3 м, глубина его заложения //,= 10 м. Относительная глубина заложения тоннеля #/0=3,3. Расчетный перебор грунта принимался постоянным и равным 2 %. Расчетная область имела закрепления внизу - по вертикали и горизонтали; по бокам - по горизонтали. Угол дилатансии ц/ принимался равным 0.

В качестве геометрических параметров расчетного поля рассматривались: в плане - расстояние от границы тоннеля до границы расчетного поля а=(1;3;6)Я,; по вертикали - расстояние от нижней границы тоннеля до нижней границы расчетного поля 6=(0,2;0,5;1)Я,. Результаты расчетов оценивались по отношению л=Л\//1/, (см. рис. 2), максимальной осадке Бтах и характе-

1 Отношение (%) площади удаляемого при проходке грунта А\_, расположенного в пределах контура тоннеля, к площади его поперечного сечения А1

ру эпюр осадок. Учитывалось, что п< 1, а для значительной части дисперсных грунтов часто можно принять п~\. При значениях п существенно превышающих 1 считалось, что анализируемый подход дает не адекватные результаты.

Рис. 1. Расчетная схема Рис. 2. Схема к определению критерия п

(Ля - площадь мульды; А, - площадь сечения тоннеля; А[. - площадь уменьшения сечения выработки)

Табл. 1.

Грунт у, кН/м3 ys, kH/mj Е, МПа е с, кПа У

Песок 17,5 26,5 27 0,68 1 30 0

Суглинок 20,2 27,1 8 0,84 18 15 0

Модель грунта. Анализировались три модели грунта; упругая (LE); уп-ругопластическая, подчиняющаяся закону Кулона-Мора (MC); упругопла-стическая с изотропным упрочнением (HS).

Для модели MC рассматривались два возможных подхода по выбору её параметров. При первом подходе МС-А использовался модуль деформации грунта Е, соответствующий первичному нагружению; при втором МС-В -модуль деформации Е„Г=5Е, соответствующий повторному нагружению, принимаемый согласно СП 22.13330.2011. На рис. 3 представлены основные результаты моделирования.

Было получено, что модель LE, по сравнению с МС-А, дает более низкие значения Smax: для песка - на 50 %, для суглинка — на 20%. Подход МС-В в сравнении с МС-А увеличивает S'max для песка на 25 %, для суглинка на 120 %. Отношение п при использовании моделей LE, МС-А и МС-В изменяется в пределах 0,56... 1,08, при этом для песка оно больше, чем для суглинка. Наиболее близкие к единице значения «=1,00... 1,08 дают модели МС-А и МС-В для песка. Для суглинка модели LE, МС-А и МС-В дают величину и=0,56...0,88, что значительно меньше чем для песка.

Анализ модели HS, позволяющей учитывать зависимость жесткостных параметров грунта от его НДС, выполнялся с использованием входных параметров, полученных на основе стабилометрических и компрессионных испы-

таний грунта по доступным в открытых источниках публикациям. В расчетах принималось: коэффициент переуплотнения грунта OCR= 1 (данные по OCR в публикациях отсутствовали), коэффициент бокового давления K0=\-smip.

Песок

Суглинок

Расстояние от оси тоннеля, м

-30 -20 -10 0 10 20 30

Расстояние от оси тоннеля,

-40 -30 -20 -10 0 10 20

0.000

5-D.005 of

1-0.010 о

f-0.015 S

О.-0.020 в

С-0.025

Расстояние от оси тоннеля, м

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40

0.000

5

оГ -0.003 £

i -0.006

I -0.009 ш

g -0.012 -0.015

Расстояние от оси тоннеля, м

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40

0

5 -0.002

аГ -0.004

| -0.006

3 -0.008 0)

s -0.01

I -° 012

с -0.014 -0.016

Расстояние от оси тоннеля, м

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40

Расстояние от оси тоннеля, м

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40

0.003

о.ооо

1-0.003

¡Г-0.006 01

1-0.009 £-0.012 -0.015

0.003

io.ooo ф

1-0.003

О)

|0.006 5

g-0.009 С-0.012 -0.015

Расстояние от оси тоннеля, м

-30 -20 -10 0 10 20 30

-40

о

-0.005 -0.01 -0.015 -0.02 -0.025

s 0.000

1-0.003 х

1-0.006 а

ш -0.009 о.

с-0.012 -0.015

Расстояние от оси тоннеля, м

-30 -20 -10 0 10 20 30 40

Рис. 3. Эпюры перемещений земной поверхности в зависимости от модели грунта, ширины и глубины поля, параметра «интерфейса»

Рис. 4. Расчетные эпюры вертикальных перемещений земной поверхности для модели HS: а - песчаные грунты; б - глинистые грунты

Как видно из представленных на рис. 4 результатов расчетов по модели HS, характер эпюр осадок для песчаных и глинистых грунтов схож, величина параметра п значительно выше 1 и лежит в интервале 1,26...2,32, что указывает на неадекватность полученных результатов.

Сделан вывод о том, что при OCR= 1 модель HS дает завышенные значения осадок. При её применении необходимо учитывать фактические значения OCR грунтов, полученные на основе их испытаний.

В дальнейших исследованиях размеров расчетного поля и интерфейса использовалась модель МС-А.

Ширина расчетной области. Выявлено, что для песков ширина расчетной области а практически не оказывает влияния на результаты расчетов (рис. 3). Для суглинка влияние существенно: с увеличением ширины а с Я, до ЗЯ, наблюдается снижение осадки Smax в 1,5 раза, Однако при дальнейшем возрастании а с ЗН, до 6Я, ¿w увеличивается в 2 раза. Параметр п при увеличении а с Я, до 3Я, увеличивается на 30 %, при изменении а с ЗЯ, до 6Я,, -на 20 %. С увеличением а с 6Н, до I5H, наблюдается отсутствие влияния ширины расчетной области.

Глубина расчетной области. Установлено, что глубина расчетной области b существенно влияет на результаты расчетов (рис. 3), причем для суглинка влияние существенно больше чем для песка. Если для песка с увеличением глубины b с 0,2Я, до Ht осадка Smax уменьшается всего на 20 %, то для суглинка - в 6 раз (меняется даже характер эпюр - возникает подъем земной поверхности). Величина критерия п находится, в основном, в диапазоне 0,56... 1,04. Для песка значение п близко к единице и, по сравнению с суглинком, меньше зависит от изменения Ь. Например, с уменьшением b в 2,5 раза п у песка увеличивается на 5 %, а у суглинка на 17 %.

Данные закономерности частично объясняются тем, что с увеличением глубины поля в модели МС увеличивается разгружаемая зона грунта. При

этом для суглинка (рис. 5а) она больше, чем для песка (рис. 56) и расположена в основном ниже тоннеля.

Сделан вывод о том, что при моделировании проходки тоннелей необходимо использовать модели грунта, учитывающие зависимость параметров жесткости грунта от его НДС. При использовании моделей, не учитывающих данный эффект (например МС), для получения достоверных результатов следует искусственно ограничивать глубину поля ниже тоннеля. В результате исследований установлено, что допустимо принимать глубину поля Ь=0,5В.

Рис. 5. Зоны объемного растяжения (показаны белым цветом) суглинка (а) и песка (б)

Снижение прочности на контакте «обделка-грунт». На основе анализа результатов исследований установлено существенное влияние параметра интерфейса на результаты осадок в глинистых грунтах (рис. 3). В песках это влияние значительно меньше. Выявлено, что при Ят{= 0 результаты расчетов аномальны - для песков осадки земной поверхности практически отсутствуют, а для суглинков наблюдается её подъем. С увеличением с 0,33 до 0,5 для песка 8тах увеличивается на 20%; для суглинка - в 1,5 раза. При изменении с 0,33 до 0,5 для песка критерий п увеличивается с 0,89 до 0,99, для суглинка - с 0,43 до 0,56.

Выполненные исследования показали, что наибольшее влияние на расчетные деформации земной поверхности оказывают вид и параметры геомеханической модели грунта, глубина расчетной области. Для суглинка, по сравнению с песком, отмечено более существенное влияние расчетных параметров на результаты моделирования МКЭ. Они позволили разработать методику выбора параметров численного моделирования МКЭ изменения НДС массива грунта при тоннелировании.

Для разработанной методики выполнена верификация с привлечением результатов геотехнического мониторинга на объектах Москвы, путем сопоставления расчетных и фактических величин осадок земной поверхности. Результаты верификации позволили установить высокую надежность и достоверность моделирования с применением разработанной методики (рис. 6). Согласно статистическим расчетам: коэффициент корреляции р=0,97, среднее значение 5"р/5ф=1,01, стандартное отклонение ст^рйф=0,35, коэффициент вариации У5-р,5ф=0,35.

Установлено, что разработанная методика имеет достаточную надежность и может использоваться для оценки изменения НДС массива грунта при тоннелировании. Её применение, в сравнении с существующими эмпирическими методами, позволяет повысить достоверность прогноза осадок земной поверхности до 60 %.

В третьей главе приведены результаты натурных исследований влияния различных факторов на перебор грунта Выполненные исследования позволили установить фактические величины У\. при строительстве коммуникационных тоннелей щитовым методом в зависимости от типа ТПМК и вида разрабатываемого в забое щита грунта.

В результате натурных исследований выявлено, что величина У\_ лежит в интервале 0,2... 10,5 % и зависит преимущественно от типа тоннелепроходче-ского оборудования и вида разрабатываемого в забое щита грунта.

Выделены две группы ТПМК, отличающиеся конструктивными особенностями щитов и технологией нагнетания тампонажного раствора в заобде-лочное пространство (рис. 7, 8).

ТПМК I типа - нагнетание выполняется автоматически через отверстия в хвостовой части оболочки щита, одновременно с его продвижением. ТПМК II типа — нагнетание выполняется через специальные отверстия в блоках обделки, после продвижения щита. Использование ТПМК I типа, по сравнению со II типом, приводит к существенному уменьшению перебора Например, при проходке в мелких водонасыщенных песках, среднее значение перебора У[ уменьшается с 5,6 % до 3,7 %, то есть в 1,5 раза. Причина такого расхождения заключается в том, что обеспечить качественное и оперативное заполнение зазора при ручном нагнетании раствора через обделку сложнее, чем при его автоматическом нагнетании через отверстия в хвостовой части щита.

Установлено, что при проходке ТПМК 1 типа в водонасыщенных песках средней крупности V, = 5,7 %, в водонасыщенных мелких песках к, = 3,7 %, в суглинках тугопластичных V, = 1,1 %, в глинах полутвердых V, = 1,6 %. Результаты исследований показали, что с увеличением связности (сцепления) разрабатываемого грунта, У^ уменьшается в 5 и более раз. При проходке ТПМК II типа в песках мелких и пылеватых, водонасыщенных /(' = 5,6 %.

160 140 1 120 я 100

ч

а

ё 80

К

го

I ео

о. ш

1 40 м

20 0

л = 48

5',/5; = 1.01

<7,^=0.35

.■У

20 40 60 80 100 120 140 160 Расчетная осадка 8р) мм

■ Проходка в песчанных грунтах, п = 25 • Проходка в глинистых грунтах. п=23

Рис. 6. Сопоставление расчетных и фактических осадок земной поверхности

а) 4

п = 25

к = 5,7%

= 2,6%

в)

п ~ 36

К- = 3,7%

ап = 1,4%

16 14 12 10 8 6 4 2 0

I и = 24

^ = 1,6%

1 аГ1 = 0,5%

1 1 к

0.5 !

К, %

Рис. 7. Гистограммы распределения величин перебора грунта Vь для ТПМКI типа при проходке в песках средней крупности, водонасыщенных (а); песках мелких, водонасы-щенных (б); суглинках тугопластичных (в), глинах полутвердых (г)

а)

6 5 4 3 2 -

б) 6

Рис. 8. Гистограммы распределения величин перебора грунта Кь для ТПМК II типа при проходке в песках мелких водонасыщенных (а) и пылеватых водонасыщенных (б)

Показано, что относительная глубина заложения тоннеля H/D и скорость проходки К, слабо влияют на величину перебора VL. Коэффициенты корреляции для них соответственно составили рн,в = 0,19, pvt = -0,18 (рис. 9).

На основании выполненных исследований составлены рекомендации по выбору величины УL в зависимости от типа тоннелепроходческого комплекса и вида разрабатываемого в забое щита грунта.

В четвертой главе приведены результаты натурных исследований влияния различных факторов на общую продолжительность Т и среднюю скорость деформаций Ks земной поверхности при прокладке коммуникационных тоннелей с использованием ТПМК. Выполненные исследования позволили разработать методику оценки общей продолжительности деформаций земной поверхности при щитовой проходке ТПМК в зависимости от видов подрабатываемых грунтов.

В качестве обобщенной количественной характеристики инженерно-геологических условий над тоннельной проходкой был введен показатель -коэффициент связности инженерно-геологического разреза Кс, отражающий долю дисперсных связных грунтов и определяемый по формуле (рис. 9):

Кс = [ß„e се ^h/iece ßnac 2/W + ß,св ЪИсв)!Н,

(1)

где Д,ес0, рсв - коэффициенты для несвязных и связных грунтов соответственно, Р„есв=й, /?Св=1; Рнас — коэффициент, принимаемый в зависимости от связности насыпного грунта (если вид насыпного грунта не известен, Д1ас.=0,5); Н — общая толщина грунтов в разрезе между земной поверхностью и тоннелем (рис. 9), Н=1,И„есв+1.Инас+1,Исв-, £й„,

Я)

суммарная толщина слоев несвязных б).

о

■ /7 = 173 Рн ю ~ 0,19

■ ■ .р

■ Ш АА

■ ■ 3* * И1

А 1 я

н 4 ■

12 10 8

^ 6 -к

4 2 -0

«1 = 173

• • % • • / ж. Рп = -0.18

' м

А А • » « m я ■

о л в Я * А Л ■ А

А* , ■ ■ А

0

0 5 10 15

V„ м/сут.

• Песок средней крупности, средней плотности, водонасыщенный

■ Песок мелкий, средней плотности, водонасыщенный А Песок пылеватый, средней плотности, водонасыщенный •Суглинок тугопластичный

■ Глина полутвердая

Рис. 9. Общая выборка. Сопоставление перебора грунта Vi с относительной глубиной заложения H/D (а) и средней скоростью проходки \\ (б)

2 4 6 8

НЮ

» Песок средней крупности, средней плотности, водонасыщенный »Песок мелкий, средней плотности, водонасыщенный к Песок пылеватый, средней плотности, водонасыщенный • Суглинок тугопластичный ■ Глина полутвердая

грунтов; £/г„ас - суммарная толщина слоев насыпных грунтов; ЕА„У - суммарная толщина слоев связных грунтов.

В формуле (1), которая применима только для характеристики инженерно-геологических разрезов сложенных дисперсными грунтами, разделение грунтов на связные и несвязные выполняется согласно существующей классификации ГОСТ 25100, за исключением глин и суглинков с показателем текучести [, > 0,75, супесей и других связных грунтов с /¿> 1,00 (которые условно относят к не связным из-за их низкой прочности, сцепления и способности быстро заполнять образующийся при тоннелировании зазор между обделкой и грунтом).

В процессе исследований установлено, что наибольшее влияние на продолжительность деформаций грунта Г оказывает Кс (коэффициент корреляции р=0,82; корреляционное отношение 77=0,94). Это хорошо иллюстрируют опытные данные на рис. 10. Из диаграммы видно, что зависимость Т=1{Кс) носит явно нелиней-

;.;•: И... ■ А. ■/ ■ у.■;■.;.■. • .насыпь .•'•;•;•;•.

СУГЛИНОК

Н песок СУПЕСЬ

Обделка

ПЕСОК

Щит

Рис. 9. К определению коэффициента связности Кс

100

90

80

70

.60

&50 к"

40 30 20 10

0

и = 80 р = 0,82 77 = 0,94 Я2 =0,89

Г = 0,007е9

-11

V:

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

Кс

• Кс=0...0,5 • Кс=0,5... 1,0

Рис. 10. Влияние коэффициента связности Кс на продолжительность Г г>2-

ный характер и хорошо описывается экспоненциальной функцией (/?~=0,89). Глубина Н, относительная глубина Я/Д скорость проходки V, и перебор грунта ¡4 оказывают значительно меньшее влияние (уэ=-0,01...0,52).

Установлено, что скорость деформаций земной поверхности Уц имеет наиболее тесную корреляционную связь с К/. (/>=0,73; 77=0,78) и Кс (р=-0,49; ?7=0,62), причем эти связи в обоих случаях близки к линейным. Н и К, влияют на К^в меньшей степени (р=-0,18...0,36).

Предложены зависимости для оценки общей продолжительности и средней скорости земной поверхности применительно к щитовой проходке коммуникационных тоннелей в дисперсных грунтах:

Г = (0,007еб'5А:»+2'6 +з)-

Н

У,

Ъ = 7-

5 (0,007е

6,5Кс+2.6

з)//

(2)

(3)

Сопоставление фактических величин с расчетными значениями показало, что расчеты по формулам (2) и (3) имеют достаточную для практических целей достоверность (рис. 11, 12). Опытные точки лежат вблизи линии полного совпадения расчетных и замеренных значений.

р= Ч=с ,85 .87 • • • • ш •у ✓ / ✓ /* ✓ у а_

* ✓ у

• • А ч

• ( 1 * / На % • ii

•

10 20 30 40 50 60 Тр, сут

5 10

4

/>=0,79 11=0.85

• *

ш.

5 10 15

\/5,р, ММ/суТ.

Рис. 11. Сопоставление фактических значе- Рис. 12. Сопоставление фактических значений общей продолжительности деформаций ний средней скорости деформаций с вычис-с вычисленными по формуле (2) ленными по формуле (3)

В пятой главе представлены результаты исследования ширины зоны влияния строительства коммуникационных тоннелей с использованием современных ТПМК.

За ширину зоны влияния строительства коммуникационного тоннеля а принималось расстояние от границы проектируемой выработки (тоннеля) до зоны, где значение дополнительной осадки земной поверхности 5Г=1 мм.

Исследования показали, что наиболее тесная корреляционная связь (см. рис. 13а) отмечена между глубиной заложения оси тоннеля Н0 и фактической шириной зоны влияния яф (/7=0,83, г}=0,86). Перебор грунта Уь оказывает сравнительно слабое влияние на яф (/7=0,38, ^=0,49). Из рис. 136 видно, что при анализе влияния на яф целесообразно выделить два интервала. На первом интервале (Кь<2 %), который соответствует проходке в глинистых грунтах (см. рис. 7), связь между яф и У^ достаточно тесная и существенно влияет на Оф. На втором интервале (У\>2 %), который соответствует проходке в песчаных грунтах, связь между Яф и Кь слабая.

Коэффициент Кс слабо влияет на Яф (р=-0,33, >7=0,50). При этом с увеличением Кс значение яф уменьшается (см. рис. 13в). На первый взгляд это не вполне объяснимо, поскольку в глинистых (связных) грунтах по сравнению с песчаными (несвязными) мульда осадок более вытянутая и можно было ожидать, что с ростом Кс ширина дф также должна увеличиваться. Однако, данное предположение справедливо только при одинаковом или незначительно различающемся переборе грунта. В действительности же (см. рис. 7, 8) К£ в

В)

У1_>2%

1 = 0,38 _ = 0,49

■

я Я ■■

* Пй<

шя

* V

15 20 25 30 Н„, м

4 6

V,, %

8 10 12

♦ глинистые грунты «песчаные грунты

35

30

25

ё-20 го

15 10

Р = -0,33 ♦

7 = 0,50 ♦

«

♦ ♦ Г

♦ л 1,

с

♦ ♦ »

1

0.0 0.2 0.4 0.6 0.6 1.0 Кс

Рис. 13. Зависимость Яф от Но (а), Кь (б), Кс (в)

несвязных грунтах в 3 раза больше. Поэтому с ростом /¿с изменяется не только форма, но и площадь мульды осадок. Это обстоятельство объясняет выявленную закономерность уменьшения с увеличением Кс.

Предложена универсальная формула для оценки нормативного значения ширины зоны влияния а, которая позволяет учитывать величину граничной осадки 5Г:

а= 1,11 [1-0,221п(5/-)]#0, (4)

Зависимость (4) может быть рекомендована для практического использования при проходке ТПМК 0=3...4 м в дисперсных грунтах на глубине Я0=8...25 м и 5Г=1...5 мм. При 5,=1 мм зависимость (4) приобретает вид £7=1,11Я0, при 5Г=5 ММ -£7=0,73#0.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Исследовано влияние расчетных факторов численного моделирования (вид и параметры геомеханической модели грунта, геометрические размеры расчетного поля, параметр снижения прочности на контактных поверхностях) на результаты расчетов МКЭ изменения НДС массива дисперсных грунтов в плоской постановке в результате щитовой проходки коммуникационных тоннелей. Установлено, что наибольшее влияние на расчетные деформации земной поверхности оказывают вид и параметры геомеханической модели грунта, глубина расчетной области.

2. Для МКЭ предложена методика выбора параметров численного моделирования проходки тоннеля. Методика разработана на примере программного комплекса РЬАХ18 в плоской постановке. Верификация предложенной методики с использованием результатов геотехнического монито-

ринга на опытных площадках Московского региона показала её высокую надежность и достоверность. Её применение, в сравнении с существующими эмпирическими методами позволяет повысить точность прогноза осадок земной поверхности до 60 %.

3. В результате исследований перебора грунта выявлено, что его величина лежит в широком диапазоне (0,2... 10,5 %) и зависит преимущественно от типа тоннелепроходческого оборудования и вида разрабатываемого в забое грунта. С увеличением дисперсности и уменьшением влажности разрабатываемого в процессе проходки грунта его перебор уменьшается. Использование ТПМК с автоматическим нагнетанием тампонажного раствора в за-обделочное пространство, по сравнению с нагнетанием после продвижения щита, позволяет значительно снизить перебор грунта. Абсолютная и относительная глубины заложения тоннеля, а также скорость проходки слабо влияют на величину перебора грунта.

4. Установлены величины перебора грунта при щитовой проходке тоннелей для подземных коммуникаций в зависимости от вида разрабатываемого грунта и типа ТПМК, которые могут использоваться при моделировании изменения НДС массива грунта и объектов окружающей застройки в результате устройства коммуникационных тоннелей щитовым методом.

5. Установлены значимость, степень и характер влияния проектно-технологических и инженерно-геологических факторов на общую продолжительность и среднюю скорость деформаций земной поверхности при строительстве коммуникационных тоннелей щитовым методом.

6. В качестве обобщенной количественной характеристики инженерно-геологических условий проходки предложен коэффициент связности инженерно-геологического разреза, отражающий долю дисперсных связных грунтов в интервале между верхом тоннеля и земной поверхностью.

7. Предложена уточненная зависимость оценки общей продолжительности деформаций земной поверхности применительно к щитовой проходке коммуникационных тоннелей, учитывающая наряду с другими параметрами коэффициент связности инженерно-геологического разреза и позволяющая повысить достоверность прогноза в 4,5...7,5 раз.

8. Установлена полуэмпирическая зависимость, позволяющая определять среднюю скорость деформаций земной поверхности при щитовой проходке коммуникационных тоннелей в зависимости от максимальной осадки земной поверхности, скорости проходки, глубины заложения коммуникационного тоннеля и коэффициента связности инженерно-геологического разреза.

9. Выполнены натурные исследования влияния различных факторов на ширину зоны влияния строительства коммуникационного тоннеля щитовым методом. Установлено, что при закрытой прокладке коммуникаций с использованием современных ТПМК наибольшее влияние на ширину зоны влияния оказывают глубина заложения тоннеля и принятая величина граничной дополнительной осадки.

10. Предложена универсальная методика оценки ширины зоны влияния при закрытой прокладке инженерных коммуникаций с использованием современных ТПМК, позволяющая, в отличие от существующих подходов, учитывать принятый критерий границы зоны влияния в виде величины граничной дополнительной осадки земной поверхности. Данный метод позволяет на стадии проектирования с достаточной для практических целей точностью определять ширину зоны влияния.

11. Результаты проведенных исследований вошли в следующие нормативно-рекомендательные документы, разработанные ОАО «НИЦ «Строительство» - НИИОСП им. Н.М. Герсеванова:

— Рекомендации по определению допустимости дополнительных деформаций городских подземных инженерных коммуникаций, находящихся в зоне влияния строительства (реконструкции) подземных и заглубленных объектов;

— СТО 36554501-028-2012 «Оценка влияния строительства коммуникационных тоннелей щитовым методом на окружающую застройку»;

— Проект Национального стандарта «Проектирование и строительство подземных коммуникаций закрытым способом».

12. Комплекс выполненных исследований позволяет повысить надежность и безопасность строительства подземных коммуникаций с применением современных ТПМК в условиях плотной городской застройки.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Исаев, О.Н. К вопросу влияния расчетных параметров на моделирование перемещений грунта при проходке тоннелей / О.Н. Исаев, И.А. Боков, Р.Ф. Шарафутдинов // Труды международной конференции по геотехнике «Геотехнические проблемы мегаполисов». Москва. 7-10 июня 2010 г. -М.: - С.1547-1554.

2. Исаев, О.Н. Перебор грунта при строительстве коммуникационных тоннелей щитовым способом / О.Н. Исаев, Р.Ф. Шарафутдинов // Механизация строительства. - 2012. —№6. — С. 2-7.

3. Исаев, О.Н. Особенности развития деформаций поверхности земли во времени при строительстве коммуникационных тоннелей щитовым способом / О.Н. Исаев, Р.Ф. Шарафутдинов // Инженерная геология. - 2012. -№6.-С. 60-67.

4. Петрухин, В.П. Определение зоны влияния строительства коммуникационных тоннелей / В.П. Петрухин, О.Н. Исаев, Р.Ф. Шарафутдинов // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 2013. - №4. С.24-27.

Заказ №9193 Тираж: 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

ОАО «НИЦ «СТРОИТЕЛЬСТВО» НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ, ПРОЕКТНО-ИЗЫСКАТЕЛЬСКИЙ И КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ОСНОВАНИЙ И ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ ИМ. Н.М. ГЕРСЕВАНОВА (НИИОСП им. Н.М. Герсеванова)

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ПРОГНОЗА ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ЩИТОВОЙ ПРОХОДКЕ ТОННЕЛЕЙ ДЛЯ ПОДЗЕМНЫХ КОММУНИКАЦИЙ

05.23.02 - «Основания и фундаменты, подземные сооружения»

На правах рукописи

04201453707

Шарафутдинов Рафаэль Фаритович

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук О.Н. Исаев

Москва-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................. 5

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ДАННЫЕ ПО СОСТОЯНИЮ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.............................................. 11

1.1. Особенности технологии щитовой проходки тоннелей для подземных коммуникаций..................................................... 11

1.2. Методы прогноза деформаций земной поверхности при щитовой проходке........................................................................... 15

1.3. Перебор грунта при строительстве тоннелей щитовым способом ... 26

1.4. Ширина зоны влияния при строительстве подземных коммуникаций закрытым способом......................................... 31

1.5. Общая продолжительность деформаций земной поверхности при проходке закрытых выработок................................................ 36

1.6. Выводы по главе. Постановка цели и задач исследования............ 39

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ, РАЗРАБОТКА И ВЕРИФИКАЦИЯ МЕТОДИКИ ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ЩИТОВОЙ ПРОХОДКЕ ТОННЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ............................................. 42

2.1. Методика исследования параметров численного моделирования деформаций земной поверхности............................................. 43

2.2. Результаты исследования влияния параметров численного моделирования на деформации земной поверхности..................... 45

2.3. Методика выбора параметров численного моделирования деформаций земной поверхности............................................. 64

2.4. Верификация методики выбора параметров численного моделирования деформаций земной поверхности........................ 64

2.5. Выводы по главе................................................................. 76

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕБОРА ГРУНТА ПРИ ЩИТОВОЙ ПРОХОДКЕ ТОННЕЛЕЙ ДЛЯ ПОДЗЕМНЫХ КОММУНИКАЦИЙ........ 77

3.1. Методика исследований перебора грунта................................. 77

3.2. Результаты исследований влияния различных факторов на перебор грунта........................................................................................................ 79

3.3. Рекомендации по выбору перебора грунта.................................. 92

3.4. Выводы по главе............................................................... 93

ГЛАВА 4. НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ВО ВРЕМЕНИ ПРИ ЩИТОВОЙ ПРОХОДКЕ ТОННЕЛЕЙ ДЛЯ ПОДЗЕМНЫХ КОММУНИКАЦИЙ........................ 95

4.1. Методика исследований деформаций земной поверхности во времени.................................................................................... 95

4.2. Результаты исследований влияния различных факторов на общую продолжительность и среднюю скорость деформаций земной поверхности....................................................................... 98

4.3. Разработка методики прогноза общей продолжительности деформаций земной поверхности............................................ 106

4.4. Разработка методики прогноза средней скорости деформаций земной поверхности............................................................

4.5. Выводы по главе................................................................ 114

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ШИРИНЫ ЗОНЫ ВЛИЯНИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ПРИ ЩИТОВОЙ ПРОХОДКЕ ТОННЕЛЕЙ ДЛЯ ПОДЗЕМНЫХ КОММУНИКАЦИЙ............................................................ 116

5.1.Сравнительный анализ достоверности методов определения ширины зоны влияния при строительстве подземных коммуникаций закрытым способом........................................ 116

5.2. Методика исследования ширины зоны влияния строительства....... 120

5.3. Результаты исследования влияния различных факторов на ширину зоны влияния строительства................................................... 122

5.4. Методика оценки ширины зоны влияния строительства............................^^

5.5. Выводы по главе..............................................................................................................................^д

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ..............................................................................................................................131

ЛИТЕРАТУРА........................................................................................................................................................134

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Термины и определения..............................................................................146

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Основные буквенные обозначения..................................................149

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Характеристика опытных площадок................................................151

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Справка о внедрении результатов исследований..................155

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В последние годы в Москве и крупных городах России существенно возросли объемы строительства тоннелей для подземных коммуникаций (коммуникационных тоннелей), прокладка которых выполняется закрытым способом с применением современных щитовых тоннелепроходческих механизированных комплексов (ТПМК).

Существующая в России нормативно-рекомендательная база по применению современных ТПМК в значительной степени отстает от темпов строительства коммуникационных тоннелей - многие важные для проектировщиков и строителей вопросы, в том числе прогноза влияния на окружающую застройку, не нашли в ней четкого отражения. В результате принимаемые проектные решения нередко в одних случаях недостаточно надежны, в других характеризуются необоснованным назначением защитных мероприятий и, как следствие, удорожанием строительства. Несовершенство нормативно-рекомендательных документов не позволяет так же эффективно выполнять экспертизу проектных решений и контроль процесса строительства.

Основным фактором, сдерживающим развитие норм по данному вопросу является его недостаточная изученность, отсутствие надежных методик прогноза деформаций грунтовых массивов, существующих зданий и сооружений, расположенных в зоне влияния проходки ТПМК.

Для выполнения указанного прогноза могут использоваться аналитические, эмпирические и численные методы. Аналитические и эмпирические методы применяются достаточно редко, так как не позволяют в полной мере учесть реальный спектр инженерно-геологических условий строительства и особенности тоннелепроходческого оборудования. Поэтому в практике проектирования прогноз в основном выполняется с использованием геотехнических программных комплексов, реализующих численные методы, в первую очередь метод конечных элементов (МКЭ). Однако расчеты по ним требуют назначения целого ряда па-

раметров, выбор которых не нормирован, многовариантен и неоднозначен, а степень влияния и пути выбора мало изучены.

Недостаточно исследованы также методы прогноза границ зон влияния, длительности и интенсивности перемещений грунтовых массивов при проходке тоннелей для подземных коммуникаций. Приведенные в действующих нормах методы по указанным вопросам не достаточно точны и надежны, что в значительной степени связано с тем, что они фактически «скопированы» из норм охраны сооружений, расположенных в зоне влияния подземных горных работ на угольных месторождениях, и не учитывают особенности подземного строительства в условиях городской застройки.

Целью диссертационной работы является повышение надежности и достоверности прогноза деформаций земной поверхности и объектов окружающей застройки при щитовой проходке тоннелей для подземных коммуникаций. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- исследование влияния параметров численного моделирования на результаты расчетов МКЭ деформаций дневной поверхности при щитовой проходке коммуникационных тоннелей;

- разработка методики выбора параметров численного моделирования МКЭ изменения напряженно-деформированного состояния (далее НДС) грунтового массива в результате щитовой проходки коммуникационных тоннелей;

- исследование влияния проектно-технологических и инженерно-геологических факторов на перебор грунта при щитовой проходке коммуникационных тоннелей;

- исследование влияния проектно-технологических и инженерно-геологических факторов на размер зоны влияния при щитовой проходке коммуникационных тоннелей;

- исследование влияния проектно-технологических и инженерно-геологических факторов на общую продолжительность и скорость деформаций земной поверхности при щитовой проходке коммуникационных тоннелей.

Общая методика исследований. Выполнен комплекс научно-исследовательских работ, включающий: анализ и обобщение научно-технической информации в области прогноза влияния проходки тоннелей на деформации вмещающих грунтовых массивов; численные и натурные исследования влияния различных факторов на деформации земной поверхности в результате щитовой проходки коммуникационных тоннелей; статистический регрессионно-корреляционный анализ полученных результатов; разработку методов прогноза деформаций земной поверхности.

Научная новизна. Работа содержит ряд новых научных результатов. Наиболее значительные из них заключаются в том, что:

- установлены характер и степень влияния расчетных факторов на результаты численного моделирования МКЭ деформаций земной поверхности при щитовой проходке коммуникационных тоннелей;

- выявлены закономерности и количественные зависимости влияния про-ектно-технологических и инженерно-геологических факторов на перебор грунта при щитовой проходке коммуникационных тоннелей;

- установлены значимость, степень и характер влияния проектно-технологических и инженерно-геологических факторов на общую продолжительность и среднюю скорость деформаций земной поверхности при строительстве коммуникационных тоннелей щитовым методом;

- получены зависимости изменения ширины зоны влияния строительства коммуникационных тоннелей щитовым методом от глубины заложения тоннеля и величины граничной осадки.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- разработана и верифицирована методика выбора параметров численного моделирования МКЭ изменения НДС грунтового массива в зоне проходки коммуникационного тоннеля закрытым способом;

- составлены рекомендации по выбору величины перебора грунта при моделировании изменения НДС грунтового массива и объектов окружающей застройки в результате проходки коммуникационных тоннелей щитовым методом;

- разработана методика оценки общей продолжительности и скорости деформаций земной поверхности применительно к щитовой проходке коммуникационных тоннелей в дисперсных грунтах на основе использования предложенного критерия - коэффициента связности инженерно-геологического разреза;

- предложен универсальный метод оценки ширины зоны влияния проходки коммуникационных тоннелей с использованием 111МК, учитывающий величину граничной осадки.

На защиту выносятся:

- методика выбора параметров численного моделирования с использованием МКЭ изменения НДС грунтового массива в зоне проходки коммуникационного тоннеля щитовым способом;

- рекомендации по выбору величины перебора грунта при моделировании изменения НДС массива грунта и объектов окружающей застройки в результате проходки коммуникационных тоннелей щитовым методом;

- методика оценки общей продолжительности и скорости деформаций земной поверхности применительно к щитовой проходке коммуникационных тоннелей в дисперсных грунтах на основе использования коэффициента связности инженерно-геологического разреза;

- метод оценки ширины зоны влияния проходки коммуникационных тоннелей с использованием ТПМК, учитывающая величину граничной осадки.

Достоверность полученных результатов обоснована строгостью исходных предпосылок применяемых методов исследований; учетом мирового опыта в области исследований деформаций земной поверхности при щитовой проходке, а также положений отечественных и зарубежных нормативных документов; применением сертифицированного геотехнического программного комплекса; большой верификационной базой данных измерений перемещений земной по-

верхности (свыше 170 грунтовых реперов) при проходке современных Г11МК в характерных для Московского региона инженерно-геологических условиях; использованием методов математической статистики (корреляционно-регрессионного анализа) при обработке результатов исследований; хорошим совпадением результатов прогноза по предложенным методикам с данными натурных наблюдений.

Реализация работы. Результаты диссертационной работы использованы при разработке следующих нормативно-рекомендательных документов, подготовленных в ОАО «НИЦ «Строительство» - НИИОСП им. Н.М. Герсеванова:

- Рекомендации по определению допустимости дополнительных деформаций городских подземных инженерных коммуникаций, находящихся в зоне влияния строительства (реконструкции) подземных и заглубленных объектов;

- СТО 36554501-028-2012 «Оценка влияния строительства коммуникационных тоннелей щитовым методом на окружающую застройку»;

- Проект Национального стандарта «Проектирование и строительство подземных коммуникаций закрытым способом» по заказу Департамента градостроительной политики города Москвы (№ госрегистрации 0173200024012000050).

Разработанные методики применены при подготовке научно-технических отчетов и заключений ОАО «НИЦ «Строительство» - НИИОСП им. Н.М. Герсеванова по оценке влияния щитовой проходки коммуникационных тоннелей и микротоннелирования на близрасположенные здания, сооружения и подземные коммуникации в Московском регионе, составленных в 2011 ...2013 гг.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на конференциях пользователей РЬАХ18 (2010 и 2012 гг.), заседаниях научно-технического совета ОАО «НИЦ «Строительство» - НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, заседаниях экспертной комиссии по инновационным технологиям и техническим решениям Департамента градостроительной политики г. Москвы (2013 г.).

Личный вклад автора состоит:

- в выборе расчетных ситуаций и проведении серии численных экспериментов (расчетов в программном комплексе РЬАХ18 в плоской постановке) с целью исследования влияния параметров моделирования МКЭ на результаты расчетов деформаций грунтового массива при проходке коммуникационных тоннелей;

- в обобщении и систематизации результатов инженерно-геодезических измерений перемещений земной поверхности при щитовой проходке коммуникационных тоннелей, выполняемых с использованием ТПМК;

- в выполнении статистического корреляционно-регрессионного анализа результатов численных экспериментов и натурных исследований с целью установления количественных зависимостей и степени влияния различных факторов на перебор грунта, ширину зоны влияния строительства, общую продолжительность и среднюю скорость деформаций земной поверхности.

Публикации. По теме диссертации опубликованы четыре печатные работы, в том числе три статьи в периодических изданиях, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и трех приложений, изложенных на 174 страницах машинописного текста, содержит 57 рисунков, 26 таблиц и список литературы из 112 наименований.

Автор выражает благодарность своему научному руководителю к.т.н. О.Н. Исаеву за направление исследований, поддержку и всестороннюю помощь при работе над диссертацией, а также искреннюю признательность д.т.н., проф. В.П. Петрухину и коллективу ОАО «НИЦ «Строительство» - НИИОСП им. Н.М. Герсеванова за замечания и рекомендации при подготовке диссертации.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ДАННЫЕ ПО СОСТОЯНИЮ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Особенности технологии щитовой проходки тоннелей для подземных коммуникаций

Строительство коммуникационных тоннелей с применением щитовой проходки, как правило, выполняют в сложных инженерно-геологических условиях [44]. Проходческий щит представляет собой подвижный агрегат, под прикрытием которого разрабатывают грунт и возводят постоянную обделку. Щиты различаются формой и размерами поперечного сечения, способом разработки грунта и креплением лба забоя. Формы поперечного сечения щитов могут быть различными - круговая, сводчатая, прямоугольная, трапецеидальная и пр. Для прокладки коммуникаций, как правило, используются щиты с круглым сечением. Основные несущие конструкции городских тоннелей, сооружаемых щитовым способом, выполняют в основном в виде обделок кругового очертания из металлических или железобетонных элементов, объединяемых между собой в продольном и поперечном направлениях.

В настоящее время в г. Москве щитовая проходка чаще всего выполняется с использованием тоннелепроходческих механизированных комплексов (ТПМК), выполняющих следующие основные операции: разработку грунта, крепление забоя, возведение обделки и нагнетание тампонажного раствора за обделку [4].

По способ�