автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Выбор форм поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей

На правах рукописи

РГ§ од •

2 2 др:; тЛ

РЕЗА РАХМАН НЕДЖАД

ВЫБОР ФОРМ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ БЕЗНАПОРНЫХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ ТУННЕЛЕЙ.

Специальность 05.23.07 - Гидротехническое и Мелиоративное строительство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2000

Работа выполнена на кафедре " Подземного строительства и гидротехнических работ" Московского государственного строительного университета.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Зсрцалов Михаил Григорьевич.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Кубсцкий Валерии Леонидович;

кандидат технических наук,

доцент Толстиков Виктор Васильевич.

Ведущая организация - Центр службы геодинамических наблюдений в электроэнергетической отрасли (филиал АО " Институт Гидропроекта")

диссертационного совета в Московском государственном строительном университете по адресу: г. Москва, ул. Спартаковская, д.2/1, ауд. 212

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Московского государственного строительного университета

Защита состоится 21 ноября 2000 года в

часов на заседании

Автореферат разослан ..;. ■ ■ I I- %........2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Боровков В.С.

ьтб -ох

Общая характеристика работы

Актуальность темы: В настоящее время в инженерной практике для предварительного выбора формы поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей обычно применяют рекомендации СНиП 2.06.09.84, в соответствии с которыми выбор формы туннелей производится в зависимости от коэффициента крепости породы, а также условий и степени проявления горного давления.

Для решения аналогичных задач широт® используется ряд различных классификаций горных пород, в которых даются рекомендации по определению устойчивости массива горных пород, допустимого пролета выработки, ее крепления, конструкции обделки. Вместе тем, как СНиП, так и классификации горных массивов, имеют определенные недостатки. К недостаткам СНиП можно отнести то, что в рекомендациях этого документа не учтены многие факторы, оказывающие влияние на работу обделки безнапорного туннеля. Существующие же классификации горных пород, хотя и учитывают больше факторов, следует использовать с осторожностью, поскольку все они, как правило, основаны на эмпирических выводах и требуют постоянной проверки в процессе строительства с помощью натурных исследований.

• В данной работе поставлена задача разработать методику, позволяющую на предварительных стадиях проектирования, используя метод конечных элементов и факторный анализ, подобрать форму, размер и тип обделки безнапорных гидротехнических туннелей. Исследовалась работа трех наиболее часто используемых форм поперечного сечения (по внутреннему очертанию) безнапорных гидротехнических туннелей: корытообразной с полуциркульным сводом (II), коробовой(1У), и круговой (У1)(Рис.1).

Цель диссертационной работы: Цель работы заключалась в сравнении трех наиболее часто используемых форм поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей в зависимости от значений выбранных факторов, влияющих на выбор формы.

Рис.1 Основные формы поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей (СНиП 2.06.09.84).

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

- выбор факторов и пределов их изменения;

- проведение численных опытов;

- определение критерия для сравнения исследуемых форм в виде обобщенного коэффициента запаса прочности бетонной обделки;

- получение параметрических уравнений с использованием метода факторного анализа;

- анализ полученных уравнений.

В качестве используемых факторов были приняты: о- площадь живого сечения туннеля, Н- глубина заложения выработки, Х- коэффициент бокового давления,

Еэф/Ебет- отношение эффективного модуля упругости горного массива к модулю упругости бетона,

t/r- отношение толщины бетонной обделки к радиусу туннеля. Научная новизна работы:

1. Оценка влияния выбранных факторов на статическую работу обделки безнапорных гидротехнических туннелей.

2. Составление и использование линейных многофакторных моделей для определения обобщенного коэффициента запаса прочности бетонной обделки для трех широко используемых форм поперечного сечения безнапорных туннелей.

3. Сравнительный анализ статической работы трех форм поперечного сечения безнапорных туннелей (корытообразного с полуциркульным сводом, коробового и круглого) с целью определения условий их применения в породах средней крепости.

4. Составление номограмм для выбора формы поперечного сечения безнапорных туннелей и типа обделки.

Практическая ценность: На основе результатов исследований разработана методика, позволяющая на предварительных этапах проектирования безнапорных гидротехнических туннелей оперативно выбрать форму их поперечного сечения и определить тип обделки.

Практическая ценность данной методики также заключается в том, что заложенные в ней принципы позволяют разработать аналогичные методики для выбора форм других типов туннелей в иных инженерно-геологических условиях.

На защиту выносятся принципы и методика выбора форм поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей.

Структура и объём работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка использованных литературных источников из 39 наименований; рукопись содержит 14бстраниц машинного текста, 29 таблиц и 40 рисунков.

Основное содержание работы.

В первой главе, имеющей обзорный характер, рассмотрены применяемые системы классификаций массивов пород и проанализированы их положительные стороны и недостатки. Системы классификации массивов по-

род до 70-ых годов использовали один параметр. Например: параметр 11(20 в системе Дира -1964г; параметр Нр в теории горного давления Терцаги-1946г; время стояния незакрепленной выработки в системе классификации Лауффера -1958г; коэффициент крепости пород-Г в системе Протодьяконова -1930г. После этого исследователи пришли в выводу, что с использованием одного фактора нельзя точно моделировать массив пород и в 70 - 80-ых годах были разработаны многопараметровые системы классификации. Например системы классификации Викхама -1972г, Бартона -1974г, Беньявского -1973г, Роша -1976 и Булычева - 1977.

Все эти работы имели один общий недостаток - они носят эмпирический характер, т.е. в этих работах при классификации массива пород и назначения баллов для каждого класса главную роль играли опыт и интуиция автора (например Бартон свою классификацию разработал на основе анализа около 200 подземных объектов). Эти системы классификации, как правило, были рассчитаны на использование в широком диапазоне инженерно-геологических условий для различных типов подземных сооружений, что позволяет использовать их для решения практических задач с определенной осторожностью. Кроме того, они совершенно не учитывали характер и форму поперечного сечения подземных сооружений - факторов, оказывающих существенное влияние на прочность обделки.

Во второй главе выполнен обзор исследований влияния формы поперечного сечения туннелей (рис.1), особенно безнапорных гидротехнических туннелей, на напряженно-деформированное состояние (НДС) системы массив пород - обделка. Сравнение разных вариантов показало, что выбор формы поперечного сечения должен осуществляться в зависимости от инженерно-геологических условий массива и назначения туннеля. Обзор показал, что среди пяти основных рекомендуемых СНиПом форм сечения, наибольшее распространение получили формы II, IV, VI.

Работы по выбору форм были выполнены различными авторами аналитическим методом, на упругих моделях, а также численными методами. Основной недостаток этих работ заключается в том, что в них задача решалась в упругой постановке и массив пород рассматривался как сплошное квазиизотропное тело, хотя известно,^что отсутствие учета влияния нарушений сплошности (трещин) в конечном счете может привести к резкому изменению картины НДС системы массив - обделка и к получению неверных результатов.

Результаты работ в 1, 2 главах, показали необходимость проведения исследований по анализу и рассмотрению работы безнапорных туннелей с целью учета специфических условий их залегания и работы (глубины заложения, бокового давления, условии нагружения конструкции, инженерно-геологических условий массива, размеров туннелей). Такой учет даст возможность сделать предварительный выбор формы сечения и типа обделки. При этом должны принимать во внимание существующую трещиноватость и совместную работу системы массив - обделка.

Третая глава посвящена получения параметрических уравнений, позволяющих с достаточной точностью определить статическую работу обделки, и на основании этого рекомендовать ее форму.

Исследуемые формы поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей являются: корытообразной с полуциркульным сводом (II), коробовой (IV) и круговой (VI).

Для сравнения работы исследованных форм поперечного сечения туннеля в качестве критерия был использован обобщенный коэффициент запаса прочности бетонной обделки ш, представляющий отношение расчетного сопротивления бетона к действующим в обделке напряжениям:

Ш = ЯЛТдейс, (1)

где Ясоп - расчетное сопротивление бетона, стдейс- максимальные действующие напряжения в обделке.

Для расчета обделки и определения действующих в ней напряжений Одейс использовался метод конечных элементов. Число расчетов определялось на основе матрицы планирования экспериментов. Поскольку значительное влияние на работу массива горных пород оказывает его трещиноватость, этот фактор учитывался в расчетной схеме. При этом воспроизводились неблагоприятные условия работы туннеля, которые предполагали, что породный массив ослаблен двумя взаимно перпендикулярными системами трещин с углом падения 45°. В принятой в исследованиях сетке конечных элементов трещины воспроизводились вокруг выработки; вне её пределов массив моделировался сплошной однородной средой, характеризуемой приведенным эффективным модулем упругости, учитывающим наличие трещин (рис.2).

Моделирование НДС безнапорного туннеля осуществлялось с учетом поэтапности проходки туннеля и включало в себя следующие последовательные этапы:

- определение естественного напряженного состояния массива;

- проходка подсводовой части туннеля;

- возведение бетонной обделки свода;

- проходка нижнего яруса с возведением обделки стен;

- проходка лотка туннеля с возведением обделки лотка;

- заполнение туннеля водой.

Для случаев с небольшими пролетами туннеля совмещались проходка подсводовой части и нижнего яруса.

Для определения внутренних усилий для выбранных сечений определялись значения максимальных нормальных тангенциальных напряжений сто; в данном сечении, а затем подсчитывались нормальные силы и изгибающие моменты (Ы,М) по следующим формулам:

Ы=ЦстеА); М=2(сте;А;Ь0;

(2) (3)

где 0ог величина максимального тангенциального напряжения в 1-ом элементе данного сечения,

Рис. 2. Фрагмент расчетной схемы.

А;- площадь i-oro элемента данного сечения, bj- плечо усилия ctoAî относительно центра тяжести сечения. Полученные таким образом значений M и N далее использовались для определения обобщенного коэффициента запаса прочности бетонной обделки - т.

Для факторного анализа, было выбрано пять факторов, оказывающих наибольшее влияние на работу исследуемых сооружений: со- площадь живого сечения туннеля в м2; Н- глубина заложения выработки в м; Х- коэффициент бокового давления; Е,ф/Ебет- отношение эффективного модуля упругости горного массива к модулю упругости бетона; t/r- отношение толщины бетонной обделки к радиусу туннеля. При факторном анализе факторы являются безразмерными величинами, поэтому первые два фактора имели вид: ш/соо н Н/Но, где а() и Но соответственно площадь живого сечения равная 1 м2н глубина заложения равная 1м.

Формулы для подсчета обобщенного коэффициента запаса прочности бетонной обделки определялись в зависимости от условий ее нагружения. В большинстве случае (95%) обделки работают на внецентренное сжатие с малым эксцентриситетом (co^0,45ho6) и лишь в (5%) случаев - с большим

(ео>0,45Ьоо). Здесь эксцентриситет продольной силы е0 = М / N - отношение изгибающего момента к продольному усилию.

Расчетные формулы для этих случаев имеют вид: если ео<0,45Ьоб, то, т =(УсДъ)/{Т1сУпМ/ МЬ^ео)}. (4)

если ео>0,45Ьоб, то,

ш=(ТсКы)/{У1сУп[6МУ(Ьоб2Ь0)-ЩЬ0}1о6)]/1,75}. (5)

Здесь Ь0 - щирина сечения обделки (обычно Ьо = 100 см), Ьоб - толщина обделки, 71с=1,0 - коэффициент сочетания нагрузок,

уп=1,25 - коэффициент надежности по назначению сооружений (для 1 класса сооружений),

ус=1,0 - коэффициент условий работы,

- расчетное сопротивление бетона на сжатие, Яы - расчетное сопротивление бетона на растяжение. По этим формулам определялись значения обобщенного коэффициента запаса прочности обделки для каждого конечноэлементного расчета, общее число которых устанавливалось на основе матрицы планирования экспериментов соответственно для каждой формы поперечного сечения. Приняв в качестве функции отклика обобщенный коэффициент запаса прочности обделки т, получили уравнение регрессии следующего вида:

т =Ьо + Ь]Х1 + ЬгХг + ЬзХз + Ь4Х4 + ЬзХ5 + ЬиХ1Х2 + Ь1зХ]Хз +1)14X1X4 + 1)15X1X5 + 1)23X2X3+1Э24Х2Х4 + 525X2X5 + 1)34X3X4 +1)35X3X5 + 1)45X4X5, (6)

Ьо, Ь„ Ьц - коэффициенты уравнения регрессии, X, - факторы. Окончательно, для каждой из исследуемых форм поперечного сечения обделки были получены следующие параметрические уравнения: Для формы II:

т= 2,713X5 + 202,497Хз + 0,116X1 + 1,79Х2 - 0,0125X1X2 - 1,004Х1Хз + 0,037X1X5 + 16,16X2X3 - 1,706X2X5 -118,1X3X5 + 0,0038X4 + 0,0005091X1X4 -0,0035X2X4 - 0,223ХзХ4+0,029Х4Х5 - 17,1984. (7)

Для формы IV:

т= 0,164Х, - 0,018X4 - Ю,592Х5 - 5,1 -0,0077X2X4 + 29,26Х2Х3 + 0,0875Х,Х5 + 0,00128X5X4 -2,097Х1Хз - 0,007X^2 - 0,196X3X4 -3,371X2X5 + 0,045X4X5 - 63,ЗХ3Х5 + 2,89Х2 + 185,187Х3. (8)

Для формы VI:

т= 0,0045X4 - 1,95X5 + 156,259Х3 + 1,6128Х2 + 0,178X1 - 0,004Х,Х2 -1,936Х,Х3 + 0,000617X1X4 + 0,776Х,Х5+ 31,04Х2Х3 -ОДЮбЗХЛ - 3,145Х2Х5 -13,85 - 0,175ХзХ4 - 48,8X3X5 + 0,024X4X5, (9)

где Х1=со/соо, Х2=ЕЭф/Ебет, Х3 Х4 =Н/Но и Х5 =/..

Четвертая глава посвящена определению областей применения исследуемых трех форм поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей, оценке влияния применяемых факторов на обобщенный коэффициент запаса прочности и составлению номограмм для определения коэффициента т. На основании результатов исследований проводилось сравнение работоспособности трех исследованных форм сечения и выбирался тип обделки.

Указанные задачи решались по двум направлением. В первом из них, путем изменения одного фактора и придания остальным факторам постоянного значения рассматривалось влияние этого фактора на величину обобщенного коэффициента запаса прочности ш и, следовательно, на статическую работу обделки. Таким путем исследовалось условия применимости каждой формы поперечного сечения.

Во втором направлении, учитывая что прямое использование полученных параметрических уравнений оказалось весьма трудоемким и требует затрат времени, для каждой из форм обделки были составлены номограммы, позволяющие оперативно определить значение коэффициента

т для любой комбинации используемых факторов. С помощью этих номограмм были продублйрованны результаты расчетов, полученных в первом случае, а также проведены дополнительные исследования статической работы рассматриваемых форм обделки.

В табл. 1 приведена оценка влияния на коэффициент ш каждого фактора из уравнений (7) - (9) в зависимости от форм поперечного сечения туннеля:

Табл. 1

Оценка влияния факторов, %

Форма обделки Факторы Х;

X] х2 Х3 Х4 х5

II 4,85 26,74 10,46 22,32 35,62

IV 9,06 27,35 7,35 36,79 19,45

VI 8,15 35,1 12,17 24,31 20,27

Из таблицы видно, что для формы II наибольшее влияние на коэффициент т оказывает фактор Х5, для формы IV- фактор Х4, а для формы VI-факгор Х2. Для всех форм можно сделать общий вывод о том, что факторы Х2, Х4 и Х5 являются основными, а факторы Х1 и Х3 второстепенными.

Для определения областей применения рассмотренных форм поперечного сечения туннелей были введены условные границы используемых факторов (табл.2).

С использованием параметрических уравнений (7) - (9) была составлена таблица 3 областей применения трех исследованных форм поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей при изменении факторов в границах, представленных в табл. 2. При составлении таблицы 3 принято, что форма сечения не рекомендуется при обобщенном коэффициенте запаса прочности т< 1, поскольку при этом сечение не выдерживает нагрузку, а также, если т>3, т.к. при этом сечение сильно недоиспользовано.

Табл. 2

Граница используемых факторов

Значения со/ СОо Еэф/Ебег t/r Н/Но X

Малые 20-50 1 -2,2 (160-350)-103 * 0,1-0,115 Менее 150 0,2-0,4

Средние 51-80 2,2- 3,7 (350-600) 103 * 0,116-0,13 151-300 0,41-0,7

Большие Более 80 >3,7 (более 600 1 03)* 0,131-0,15 Более 300 Более 0,7

Для графического представления полученных уравнений (7) - (9), были построены номограммы. Ввиду того, что функция отклика зависит от пяти переменных ш=Г(Х], Х2, Хз, Х4, Х5), выбрано каноническое уравнение вида: Гц- ^={45-^46, (Ю)

где Гп , ^з, £15 и £)б - соответственно сокращенные обозначения функций Х2) , ЦХЬ Хз), Г(Х4, Х5) и { (Х4 , Х6), Хь Х2 , Х3, Х4, Х5-

факгоры и Хб = ш - функция отклика.

Запись параметрических уравнений функции отклика в виде канонической формы привела к сильному искажнию результатов. Поэтому пришлось перейти к использованию приближенных методов номографирования. Для этого уравнение (10) переобразовалось к виду:

^12-^3 = ^5-5,, (П)

где £ °12 > Лз и ^45- сокращенные обозначения функции - ^Хь Х2, Х°3, Х°4, Х°5), Г(ХЬ Хз, Х°2, Х°5, Х°4), ЮЬ, Х5, Х°ь Х°2, Х°з)-2ДХ°1, Х°3, Х°2, Х°5, Х°4), 1пр = ш - приближенное значение функции отклика, Х°; - произвольная точка в интервале определения фактора X; , 1=1,2,3,4,5.

"Еэф- модуль деформации массива, в кг/см2.

< О 43 2 а

< О

1 О 43

2 р

: © о "О

СП СП р р

СГ

Е

X *

ц

3 X

я ^^ я

"Я ТЗ

к а а «

43 43

д> к я

о л о я

(Г

О!

ё СГ

Е к

X

ох

■и о о

г

И VI СТ. 1Л ^ и ы

I ё

О4 М м СП

к °

Л 8

к •§

о <5

•о Й

а Я Я

Я О 8 &

Я Я я «Л

к е

о |

Е й Й *

о 13

я я

о

X

1Л

О §

в<

ШИЯДЯД

---тз -а

я я

о

И .

о о

<11 о

Я К ё § е е

о о я я

о О

О 43 43

о к я

" 5 2

г е> |

V, (Г я

Ь Е

~ X

о 43

О

я

X X П СГ — и, X ™

я я х Г,

О) § %

СГ

Е я

2 2

ё ё

сг в;

X X

X X X X

о\ о\

8 Р

СГ СГ

Е Е я я

X X

2 о> §

СГ

Е я

X

я

Й « е 2 х Е X Я • X

о 43

о Та Я

X

§

ЬП

Е

Я

43 Я О!

э

СГ

Е я

X

о 43

я я

X

X §

Сг"

Е

X

ИДЯЯЯ

О 43 43 43 43

СО СО СО р3 о о о 0 ся

о о

и

О! О!

о о

Й Й

(Г (Г

Е Е

я я

X X

к> о о X я "а та

>< я

43 Я 2

Й )я Я Я

о

о я •а "§§ § Й

Е ^Е12

8 "ей §

X о 5 Е

со в

ООО

о о о у

2 2 2 ®

» Й Ь Й

Я Я Я В

В в § §

Я 3 Э (чч

Й В 8 I

о о о 2

Я Я Я И

ООО'*'

XXX*

¿ь и»

я я я я

43 43 43 О*

Я -

я я

2 2

ё ё Е Е х х

о 43

О

Ь § ~ -

X

о» о а

сг

Е

X X §

ЮМ

Я О и

СГ

Е

.X

а

г в - я

£ о»

* §

СГ

Е я

X

я

о 43

О

За Я

а

СГ

Е

2 ё 5 е Ё л Р х Х-о

5 У о

х х „ ь

Х<-

2 я

е §

я <-* о\ я б О а 43

Е Ё

о 43

Я X

X

СГ

я X

О" X

X

X

■ё я

О! о а

О"

Е я х

ы о 2 "о

а й ё ё

X х Е Е

01 §

СГ

Е я

X

X X

После записи уравнения элементов номограммы были построены сами номограммы (рис. 3, 4, 5). В качестве примера приведено уравнение элементов для номограммы П-ой формы поперечного сечения. {п = 7,78-1°,2,

^ц=9,78 + Лз, (12)

Рис. 3. Номограмма для определения обобщенного коэффициента запаса Прочности бетонной обделки -т безнапорных гидротехнических

туннелей.

/

Корытообразная форма с полуциркульным сводом II [7

А- Область применения №Б. В ■ Область применения Б. С - Область применения Н/Б.

Рис. 4. Номограмма для определения обобщенного коэффициента запаса прочности бетонной обделкн - т безнапорных гидротехнических туннелей.

Коробовая форма IV

Х5

А • Шшкеть приме кзнт ШБ, В - Ойяасть прмрйакснмл Б. С - Область прккенен!« Н/Б.

ОЛ

0,4

Ш

0,2 12 3 4

/ у ^

? / У> ^ ^

/ ; / ^ ^

/ / У ^ ^

// У / ^

// У ^^^

/ / У

100 200

300 Х4

400

Рис. 5 Номограмма для определения обобщенного коэффициента запаса прочности бетонной обделки - т безнапорных гидротехнических туннелей.

Круглая форма - VI _

120

7=

юо

А

во во

- 40

X

0,125 01 й

хз

■¡20

N0

хь

ш

А • Область применения Ж/Б. В - Область применения Б. С - Область применения Н/Б.

/ / / ^ ^

/ / / ^ ^

/ / / ^ ^

// ^ У у

/ / / у

/ /

ЮО 200 ЗОО •400 50 О

f*45 = 7,503 + f°45,

f'np = 9,503 + m.

где, f*и, f*и, f*45 и fnp - уравнения элементов номограммы.

Процедура определения ш заключается в следующем (рис. 3,4,5): находятся точки пересечения линий факторов Х^ Х2 и Xi_ Х3 и измеряется расстояние между ними; от точки пересечения линий факторов Х4 и Х5 откладывается горизонтальный отрезок, длина которого равна измеренному расстоянию. Конец отрезка показывает значение коэффициента ш.

Эти номограммы позволяют в пределах варьирования используемых факторов (X;) выполнить следующий анализ:

- исследовать влияние каждого из факторов X; на работу обделок рассмотренных выше форм поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей;

- при одних и тех же значениях факторов X; выбрать форму обдел ки туннеля с приемлемым коэффициентом запаса прочности ш;

- задаваясь коэффициентом запаса прочности m и варьируя факторы Xj, выбрать форму сечения туннеля с минимальной материалоемкостью.

Ниже иллюстрируется использование предложенной таблицы "условия применения" и номограмм для определения коэффициента ш в примере двух уже построенных обьектов:

1. Строительный туннель Чиркейской ГЭС имеет следующие характеристики: коробовое сечение (IV) площадью живого сечения 125 м2; глубина заложения Н = 150 м; Е*), = 100 000 кг/см2 (известняки); Я=0,75. Туннель закреплён бетонной обделкой толщиной 90см.

По таблице 3 и 4 форма II проходит по пунктам 1, 3,4,6,7, 9,10, форма VI проходит по пунктам 3, 5, 6, 8 и форма IV только по пункту 4. Если использовать номограммы, то получим следующие значения т: для формы II ш =1,2; для формы IV т = 1,7; для формы VI т < 1.

Судя по полученным значениям коэффициента ш для исследуемых форм, можно рекомендовать формы II и IV. Однако, форма II при проходческих работах более предпочтительна, чем форма IV.

2. Деривационный туннель № 2 Атарбекянской ГЭС имеет корытообразное сечение площадью живого сечения 30 м2 и находится на глубине 200 м. Массив пород сложен разрушенными андезитами и базальтами с эффективным модулем деформации 10000 кг/см2 и коэффициентом бокового давления Х= 0,65. Толщина бетонной обделки равна 60 см.

По таблице 3 и 4 форма II проходит по пунктам 3, 4, 9, форма VI проходит по пунктам 3, 5, 6 и форма IV не проходит не по одному пункту.

Если использовать номограммы, то получаем следующие значения т для форм II, IV и VI соответственно: т = 2,7; 5,7 и 3,5. Исходя из рассмотрения таблицы 4 и номограмм можно рекомендовать форму II, что соответствует используемой на практике форме. Однако при малых значениях толщины бетона обделки можно выбрать также форму VI.

Кроме статической стороны работы туннеля, при выборе той или иной формы следует рассматривать ее технологичность, связанную с очертанием туннеля и объемом бетонирования одного погоного метра туннеля.

В таблице 4 приведено сравнение объемов бетонирования для трех рассмотренных форм поперечного сечения при варьировании толщины обделки и диаметра туннеля. Из этой таблицы следует, что для окончательного выбора формы сечения кроме статической работы обделки необходимо учитывать и экономическую сторону.

Табл. 4

форма Диаметр туннеля, м отношение толщины обделки к радиусу Внутренная площадь, м2 Наружная площадь, м2 Обьем бетона, м2

II 5,00 0,125 22,31 28,24 5,93

IV 5,00 0,125 18,64 22,86 4,21

VI 5,00 0,125 17,34 24,95 7,61

Заключение

1. использование численных методов расчета совместно с методом факторного анализа для планирования исследований и обработки полученных результатов, является весьма эффективным инструментом при изучений статической работы подземных сооружений и, в частности, безнапорных гидротехнических туннелей.

2. Полученные параметрические уравнения позволяют в пределах варьрования принятых факторов достаточно подробно проанализировать поведение безнапорных гидротехнических туннелей в породах средней крепости.

3. Выбранный в качестве функции отклика параметрических уравнений обобщенный коэффициент запаса прочности обделки т является критерием, который достаточно полно и объективно характеризует безопасность статической работы туннеля.

4. Построенная, исходя из анализа полученных результатов, таблица условий применения исследованных обделок дает важную качественную информацию о возможностях работы каждой из рассмотренных форм поперечного сечения и может быть использована на предварительных этапах проектирования безнапорных гидротехнических туннелей.

5. Несмотря на то, что рассмотренные факторы не одинаково влияют на величину обобщенного коэффициента запаса прочности обделки т, в расчетах безнапорных гидротехнических туннелей исследуемых форм необходимо учитывать все факторы. При этом относительная жесткость массива, глубина заложения сооружения и коэффициент бокового давления оказывают наибольшее влияние на статическую работу туннелей.

6. Для подавляющего числа сочетаний рассмотренных факторов к использованию может быть рекомендована формы обделки II. В случае же

неблагоприятных инженерно-геологических условий и большой глубине заложения, более препочтительной является форма обделки IV.

7. Для количественной оценки статической работы исследованных форм безнапорных гидротехнических туннелей следует использовать номограммы, построенные на основе полученных параметрических уравнений. Эти номограммы, в пределах точности указанных уравнений, позволяют выбрать наиболее оптимальную с экономической и статической точек зрения форму обделки.

8. Принципы, использованные при разработке предлагаемой методики выбора формы поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей, могут быть применены для исследования статической работы туннелей различного назначения в любых породах.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1) Исследование безнапорных туннелей в трещиноватых скальных массивах// Сборник работ молодых учёных факультета ГСС МГСУ 1.999.

2) Выбор оптимальной формы поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей в трещиноватых скальных породах, Гидротехническое строительство № 11-2000.

3) Приспособляемая циркульная номограмма для расчета обобщенного коэффициента запаса обделки безнапорных гидротехнических тоннелей. // Номографический сборник. М.: ВЦ АН, в печати.

Введение.

Глава 1. Анализ классификаций массива пород.

1. Г. Основные принципы количественной классификации

1.2.-Основные принципы системы классификации.

1.3. Классификации скальных массивов.

1.3.1. Теория горного давления Терцаги.:.

1.3.2. Рейтинг массива горных пород (RMR).гг.

1.3.3. Классификация качества массива пород Q - система

1.3.4. Классификации Лауффера.

1.3.5. Классификация MR.

1.3.6. Число породного массива- N и рейтинг породного массива-RCR.:.

1.3.7. Индекс породного массивагБ«М$

1.3.7.1. Зависимость действукщихвю .обделку нагрузок от размера тоннеля.

1.3.8. Критерии и классификации устойчивости обнажений пород.

1.3.9. Классификации ВНИМИ.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Анализ исследований форм безнапорных гидротехниче ских туннелей.

2.1. Технико-экономические исследования.

2.2. Экспериментальные исследования.

2.3. Оценка различных форм сечения безнапорных туннелей.

2.4. Анализ форм сечения аналитическими методами. 66 Выводы по главе 2.

Глава 3. Исследование статической работы безнапорных туннелей в породах средней крепости.

3.1. Выбор пределов варьирования гидравлического параметра

3.2.1. Инженерно-геологические характеристики скального массива.>.

3.2.2. Построение расчетной схемы .?-.

3.3. Обобщенный коэффициент запаса прочности бетонной обделки.

3.3.1. Определение внутренних усилий.

3.3.2. Вывод формулы обобщенного коэффициента запаса прочности бетонной обделки.

Гидротехнические туннели по условиям гидравлической работы могут быть напорным или безнапорным. Безнапорные туннели применяются в тех случаях, когда в головном сооружений туннеля или на выходном портале колебания уровня воды незначительны. Воздушное пространство над уровнем воды должно быть не менее 7 % от высоты туннеля в свету и не меньше 40 см при условии подвода воздуха в это пространство /23/.

Формы поперечного сечения и размеры безнапорных'Туннелей зависят от инженерно-геологических условий на трассе туннеля, от условий гидравлической работы туннеля и от способа ведения строительных работ по его проходке.

На предварительных стадиях проектирования туннеля должны быть выявлены техническая возможность и экономическая целесообразность постройки туннеля путем сравнения вариантов трассы туннеля и выбора наилучшего из них. Рассмотрение разнообразных вариантов, их анализ и сравнение позволяет выбирать из них наиболее рациональный и оптимальный.

Таким образом, чем точнее на первых шагах выбираются технические параметры будущего туннеля (форма поперечного сечения, размеры туннеля, характеристики обделки), тем успешнее и быстрее можно заканчивать стадии технического проекта.

Для предварительного назначения формы сечения безнапорных туннелей обычно применяют рекомендации СНиП 2.06.09.84 «Туннели гидротехнические». Выбор формы сечения безнапорных туннелей по СНиП производится в зависимости от коэффициента крепости пород а также условий и степени проявления вертикальных и горизонтальных нагрузок /33/.

К недостаткам рекомендаций СНиП относится то, что они учитывают механические параметры горных массивов только коэффициентом крепости породы, поэтому в них полностью отсутствует учет влияния на работу обделок таких факторов, как трещиноватость скального массива, глубина заложения выработки, ее геометрические характеристики и т.д. Тем не менее рекомендации СНиП можно отнести с определенными оговорками к широко используемым в мировой практике туннелестроения системам классификаций горных пород, которые базируются на накопленном опыте строительства десятков и сотен уже существующих подземных объектов и дают рекомендации по состоянию устойчивости массива горных пород, допустимому пролету выработки, ее креплению и выбЬру конструкции обделки. Эти классификации предназначены для проектирования на предварительных этапах подземных выработок различного назначения: железно и автодорожных, горных, гидротехнических и т.д. Рассматривая широкий класс горных пород, они основываются на большом количестве физико-механических и геометрических параметров. Некоторые из них такие, как классификации Бартона и Бенявского, получили всемирное признание и применяются при проектировании объектов не только на предварительных, но иногда и на заключительных этапах.

В то же время эти классификации имеют ряд общих недостатков. Характерной их чертой является то, что каждая из предложенных классификаций орентирована на определенный тип сооружений и конкретные породы, хотя сами авторы не ограничивают область применения своих классификаций, однако, на практике, они используются лишь для конкретных конструкций и типов крепления. Например, в настоящее время классификация Терца-гии (1946) в основном используется для выработок подкрепленных металлической арочной крепью; классификации Викхама - RSR (1972) для крепления тоннелей металлической арочной крепью; классификация Бартона - Q (1974) для крепления туннелей и больших камер с помощью более современных способов крепления таких, как например набрызгбетон в сочетание с анкерным креплением; классификация Бенявского - RMR (1973) для проектирование откосов, фундаментов и туннелей также с помощью набрызгбетона в сочетание с анкерным креплением. К этому надо добавить неудовлетворительные результаты, полученные при применении отдельных классификаций для определенных типов пород. Вместе с тем, как признают сами авторы, все классификации носят в значительной мере субективный характер. Выбор параметров и оценка их влияния на безопасность подземных выработок определяетя эмпирическими зависимостями и существенно зависит от опыта и интуиции исследователей. Полученные с- их помощью результаты в большей степени имеют качественный характер и требуют постоянной проверки в процессе строительства с помощью соотвествующих натурных исследований.

Из выше сказанного следует, что системы классификациии горных пород являются хорошими инструментами при проектировании подземных сооружений на предварительных этапах и требуют дальнейшего развития и усовершенствование.

В данной работе с использованием метода конечных элементов и факторного анализа на основе метода планирования экспериментов выполнены исследования работы трех наиболее часто использеумых форм поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей.

Цель работы заключается в получении факторных зависимостей, позволяющих на основе используемых факторов обоснованно и с достаточной надежностью рекомендовать формы поперечного сечения туннеля, а также выбрать материал обделки. Результаты представлены в виде номограмм. Кроме того, в работе дан анализ влияния выбранных факторов на статическую работу обделок безнапорных гидротехнических туннелей.

В качестве факторов, оказывающих наиболыцее влияния на работу безнапорных гидротехнических туннелей, были выбраны: со- площадь живого сечения туннеля, Н- глубина заложения выработки, Х- коэффициент бокового давления,

Еэфф/Ебет- отношение эффективного модуля упругости горного массива к модулю упругости бетона, t/r- отношение толщины бетонной обделки к радиусу туннеля.

Настоящая работа состоит из введения, четырех глав и заключительных выводов.

В первой главе приведены обзор используемых в мировой практике классификации горных пород и рассмотрены их достоинства и-недостатки.

Во второй главе рассмотрены существующие работьГтто оценке факторов, влияющих на выбор формы поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей.

В третье главе подробно описаны этапы проведения исследований от подготовки исходных данных, условий проведения опытов и до получения первичных результатов.

Глава четвёртая посвящена анализу и обработке результатов и выводу окончательных результатов, включая таблица рекомендации форм поперечного сечения туннеля в зависимости от инженерно-геологических условий, и соответствующие номограммы.

Все исследования, которые рассматриваются в данной работе, выполнены автором на кафедре « Подземного строительства и гидротехнических работ» МГСУ под научным руководством, профессора, доктора технических наук М.Г.Зерцалова, которому автор выражает свою глубокую признательность за ту поддержку и постоянное внимание, которые оказывались в процессе написания работы.

Автор искрение благодарит профессора д.т.н. В.М.Мосткова, профессора д.т.н. С.Н.Борисова, доцента кандидата технических наук Д.С.Конюхова за те советы и помощь, которые они оказывали на различных этапах исследований и в процессе подготовки диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения ( общие выводы по диссертации), имеет объем 146 стр. машинописного текста, со

Общие вы оды

1. Численные методы расчета с методом факторного анализа, используемых для планирования исследований и обработки полученных результатов, является весьма эффективным инструментом при изучений статической работы подземных сооружений, и вчастности безнапорных гидротехнических туннелей.

2. Полученные параметрические уравнения позволяют в пределах варьрования принятых факторов достаточно подробно проанализировать поведение безнапорных гидротезнических туннелей в породах средней крепости.

3. Выбранный в качестве функции отклика параметрических уравнений - обобщенный коэффициент запаса прочности обделки ш является критерием, которой достаточно полно и объективно характеризует безопасность статической работы туннеля.

4. Построенная, исходя из анализа полученных результатов, таблица условий применения исследованных обделок дает важную качественную информацию о возможностях работы каждой из рассмотренных форм поперечного сечения и может быть использована на предварительных этапах проектирования безнапорных гидротехнических туннелей.

5. Несмотря на то, что рассмотренные факторы неодинакого влияют на величину обощенного коэффициента запаса прочности обделки т, в расчетах безнапорных гидротехнических туннелей исследуемых форм необходимо учитывать все факторы. При этом относительная жесткость массива, глубина заложения сооружения и коэффициент бокового давления оказывают наибольшее влияние на статическую работу туннелей.

6. Для подавляющего числа сочетаний рассмотренных факторов к использованию может быть рекомендована формы обделки II. В случае же неблогаприятных инженерно-геологических условий и большой глубина заложения более препочтительной является форма обднлки IV.

7. Для количественной оценки статической работы исследованных форм безнапорных гидротехнических туннелей следует использовать номограммы, построенные на основе полученных параметрических уравнений, позволяют выбрать наиболее оптимальной формы обделки.

8. Принципы, использованные при разработке предлагаемой методики выбора оптимальной формы поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей, могут быть применены для исследования статической работы туннелей различного назначения в любых породах.

14-3

1. Адлер Ю.П., Грановский.Ю.В. планирование экспериментов при поиске оптимальных условий. -М.: Наука, 1976.-279с.

2. Адлер Ю.П., Введение в планирование экспериментов. М.: Металур-гия, 1969.-252с.

3. Баклашов И.В., Картозия Б.А., Механика подземных сооружений и конструкции крепей, -М.: Недра, 1992,- 543с.

4. Бартон Н. Проектирование подземных сооружений в скальных породах с использованием Q- системы и программы UDEC-BB. Гидротехническое строительство, № 8, 1992.

5. Бок X. Введение в механику скальных пород. М.:Мир, 1983.

6. Борисов С.Н. Алгоритмы конструирования номограмм. М.: Москва, 1999. - 133с.

7. Н. С. Булычев, Механика скальных пород, -М,: Недра 1994.

8. Н. С. Булычев, Опыт применения классификации трещиноватых скальных пород по склонности к вывалообразованию в подземном строительстве. -Тр. Гидропроекга. 1994. Вып. 150.

9. Джинчарадзе Д. И. Обделки транспортных туннелей из бетонов на природьных пористых заполненителях. Автореферат дисс. д.т.н., 1986.

10. Зенкевич О. Метод конечных элементов. -М.:Мир, 1975. -539 с.

11. Зерцалов М.Г. , Толстиков В В. Реферат программного комплекса "Трещина"// Основания, Фундаменты и механика грунтов.-1988.-№5.

12. Зерцалов М.Г., Орехов В.Г., Механика разрушения инженерных сооружений скальных пород, 1998.

13. Красовский Г.И., Филаретов Г.Ф. Планирование эксперимента. Минск,1982.

14. Куперман, B.JL, Мостков, В. М., Илюшин, В.Ф., Гевирц, Т.Я. Подземные сооружения гидроэлектростанций. М.: Энергоатомиздат, 1996.14.415. Подземные гидротехнические сооружения, под ред. В.М. Мостков М.: Высшая школа, 1986.-464с.

15. Мостков, В.М. Подземные сооружения большого сечения. -М.:Недра, 1974.

16. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. -М.: Наука, 1966.

17. Пашкин Е.М. Роль трещиноватости и технических форм в образовании вывалов при проходке гидротехнических туннелей. Энергетическое строительство, 1970, № 8.

18. Рац, В.М., Чернышёв С.Н. Трещиноватость и свойства трещиноватых горных пород. М., Недра, 1970.

19. Рахман Неджад Реза, Исследование безнапорных туннелей в трещиноватых скальных массивах. Сборник работ молодых учёных факультета ГСС МГСУ, -М.: МПУД999.

20. Зерцалов М.Г., Мостков В.М., Рахманнеджад Реза, Выбор оптимальной формы поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей в трещиноватых скальных породах. Гидротехническое строительство, № 11,2000.

21. Руководство по проектированию гидротехнических туннелей. М., Стройиздат, 1982.

22. СНиП 2.06.09.84 «Туннели гидротехнические». М., 1985.

23. Г.С. Хованский, Некоторые методы приближенного номографирования. М.: ВЦ АН СССР, 1985.

24. Цветков, В.К. Расчет рациональных параметров горных выработок. Справочное пособие. М. .Недра, 1994. - 251с.

25. Цветков, В.К. Определение форм сечений горных выработок с заданными напряжениями на их контурах. ФТПТРИ, 1986, IV, с.24-29.

26. Юфин C.A., Постольская O.K. Некоторые актуальные вопросы проектирования и строительства туннелей в комплексах сооружений электростанций. -Энергетическое строительство, № 5, 1988.

27. Юфин С.А. Влияние конструкции бетонного свода подземного машинного зала ГЭС на напряженное состояние окружающего скального массива. Энергетическое строительство, 1973, №4.

28. Юфин С.А. Особенности развития подземного гидротехнического строительства в Индии. -Энергетическое строительство за рубежом, 1988, № 6.

29. Barton N. Lien R. and Lunde J. Engineering classification of rock masses for tunnel support. 1974.

30. Bieniawski, Z.T. Rock mechanics design in mining and tunneling, Balkema, 1984.

31. Bieniawski Z.T.: Engineering classification of jointed rock masses -Transcat. S. Afr. Ins. Civil Eng., 15, 335-342, 1974.

32. Brekke, T.L., Howard, T. Stability problems caused by seams and faults. Proc. First North American Rapid Excavation and Tunneling conference, AIME, New York, 1972, Pages 25-41.

33. Costa-Pereira A. S., Rodrogues-Carvalho J.A. Rock mass claccification for tunnel purposes- Correlation between the systems proposed by Wickham et al., Bieniawski and Rocha // Proc. IV Int. Congress on Rock Mechanics. Montreal, 1987. P. 841-844.

34. Geol, R.K. Jethwa,J.L. abd Dahr, B.B. (1996). Effect of tunnel size on support pressure, int. Jr. Rock mech.min. sci.& Geomecy a,ctr., Pergoman, Vol. 33, no. 7, p 749-755.

35. E. Hoek, E.T. Brown.: Underground excavation in rock, 1980.

36. Hoek, E. and Brown, E. T. (1997) Practical Estimates of rock massstrenght, Ins. Jr. Rock Mech. and Min Sci., Pergoman, Vol. 34, No. 8, pp.1165-1186.