автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Выбор рациональной формы поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей в слабых скальных породах

На правах рукописи

Привалов Александр Алексеевич

ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОЙ ФОРМЫ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ БЕЗНАПОРНЫХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ ТУННЕЛЕЙ В СЛАБЫХ СКАЛЬНЫХ ПОРОДАХ

05.23.07. Гидротехническое строительство

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва 2004

Работа выполнена на кафедре Подземных сооружений и гидротехнических работ Московского государственного строительного университета

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Зерцалов Михаил Григорьевич Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Меркни Валерий Евсеевич кандидат технических наук, доцент Толстяков Виктор Васильевич

Ведущая организация: ОАО «Востокгидроэнергострой»

Защита состоится « /5"у> 2004 г. в /Учас. 3&мин, на заседании

диссертационного совета Д.212.138.03 в Московском государственном строительном университете по адресу: 117302, г. Москва, ул. Спартаковская, дом 2/1,

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Московского государственного строительного университета.

Автореферат разослан 2004 г.

Учёный секретарь диссертационного совета профессор

Боровков B.C.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время во всём мире наблюдается рост масштабов строительства подземных сооружений, в том числе и гидротехнических туннелей различного назначения. В отечественной инженерной практике для предварительного назначения формы сечения безнапорных туннелей 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. Однако разработанные проекты подземных сооружений при формальном соблюдении требований СНиП не всегда являются рациональными с точки зрения конструктивно-компоновочных и технологических решений из-за неучёта особенностей всего комплекса проблем проектирования и строительства подземных сооружений. Вместе с этим, рекомендации СНиП можно отнести к широко используемым в мировой практике туннелестроения системам классификаций горных пород, которые базируются на накопленном опыте строительства десятков и сотен уже существующих подземных объектов.

В то же время эти классификации имеют ряд общих недостатков. Характерной их чертой является то, что каждая из предложенных классификаций ориентирована на определенный тип сооружений и конкретные породы. Оценивая классификации скальных массивов и ту роль, которую они играют при решении инженерных задач, можно отметить, что они безусловно полезны, позволяя получать предварительные выводы о состоянии массива. Однако, результаты, полученные на основе этих классификаций, должны использоваться с известной осторожностью, поскольку заложенные в них параметры являются эмпирическими, зависящими от интуиции и опыта автора, а

сделанные выводы, не имея достаточной научной основы, требуют постоянной проверки дополнительными расчётами и натурными исследованиями. Поэтому, признавая безусловную практическую пользу классификаций скальных массивов, следует отметить, что их дальнейшее применение в практической деятельности требует постоянного развития и совершенствования.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является исследование характера работы обделок безнапорных гидротехнических туннелей в слабых породах и получение факторных зависимостей, позволяющих на основе используемых факторов обоснованно рекомендовать наиболее рациональные формы поперечного сечения и класс применяемого в обделке бетона.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

- анализ существующих классификаций массивов и результатов исследовательских работ;

- выбор форм поперечного сечения туннелей из рекомендованных в

СНиП;

- выбор факторов, оказывающих влияние на работу обделки, и диапазона их значений;

- проведение численных экспериментов;

- определение критерия для сравнения исследуемых форм поперечного сечения;

- получение параметрических уравнений, на основе метода факторного анализа;

- составление номограмм и выполнение на их основе анализа проведённых численных экспериментов.

Научная новизна работы: Предложенные в диссертационной работе линейные многофакторные модели для определения обобщённого показателя прочности бетонной обделки позволили провести сравнение

статической работы обделки безнапорных туннелей с целью определения условий их применения в слабых породах. По результатам расчётов составлены номограммы для выбора формы поперечного сечения безнапорных туннелей в слабых породах и даны рекомендации относительно применяемых классов бетона. Также выполнена оценка влияния выбранных факторов на статическую работу обделки безнапорных гидротехнических туннелей в слабых породах. Практическое значение; Данная работа позволила определить область применения форм поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей в слабых породах. На основе результатов исследований разработана методика, позволяющая на предварительных этапах проектирования оперативно выбрать форму поперечного сечения и определить класс бетона обделки.

На защиту выносятся результаты численных исследований, принципы и методика выбора форм поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей в слабых породах.

Публикации: По теме диссертационной работы опубликовано 4 работы. Апробация работы: Основные положения и результаты были доложены на семинаре в ЦНИИС, 2004г.; на конференции молодых учёных МГСУ 2004 г.

Структура и объём работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и библиографического списка из 48 наименований. Общий объём диссертации 140 страниц машинописного текста, 46 таблиц и 35 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, поставлены цели, задачи научных исследований, проведённых в работе.

В первой главе рассмотрены применяемые системы классификаций массивов пород и проанализированы их положительные стороны и недостатки. Классификации массива горных пород используются в инженерной практике, как на предварительных стадиях проектирования, так и на заключительных этапах.

Количественные системы классификации массива горных пород применялись с большим успехом в Австрии, Южной Африке, США, Европе, и Индии. Среди классификации массивов горных пород, удачно применяемых во всем мире, можно называть классификации предложенные Сотезом (1964) и Франклином (1975) в Канаде; Терцаги (1946), Бенявским (1979), Диром (1964), Викхамом (1972) в США; Протодьяконовым (1930) в России; Лауффером (1958), Пачером (1974), Бартоном и др. (1974) в Западной Европе; Мюллером (1963) в Германии; Бенявским(1973), Оливером (1976) и Лабшером (1975) в Южной Африке; Икеда(1970)идр.

В результате проведённого анализа было сделано ряд выводов:

- большинство существующих систем классификаций массивов горных пород, основанные на личном опыте их авторов, носят эмпирический характер и не имеют достаточной научной основы;

- использование в классификациях практически всего спектра инженерно-геологических условий влечёт допущение большего процента погрешностей при составлении итоговых результатов;

- в существующих классификациях практически не учитывается форма поперечного сечения и технология возведения подземного сооружения, что вносит неопределённость при проектировании конкретных подземных сооружений;

- применение систем классификаций горных пород при проектировании подземных сооружений необходимо как на

предварительных стадиях, так и в последующей работе. Однако они нуждаются в дальнейшем развитии и совершенствовании.

Во второй главе был выполнен анализ существующих работ по исследованию влияния формы поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей, а также проанализированы экспериментальные работы по оценке статической работы обделки туннелей. Было рассмотрено влияние методов проходки в слабых породах на выбор формы поперечного сечения туннелей.

Форма поперечного сечения безнапорных туннелей зависит от инженерно-геологических условий и способа ведения строительных работ. Из четырёх форм рекомендованных СНиПом наибольшее распространение получили формы: корытообразная с полуциркульным сводом (II) и коробовая(ГУ) (рис.1). Кроме этого в практике используется круговая форма поперечного сечения безнапорных туннелей.

Рис. 1 Формы поперечных сечений безнапорных сечений в свету согласно СНиП 2.06.09-84 «Туннели гидротехнические».

Разработанные в настоящее время способы проходки обеспечивают сооружение туннелей и камер во всем диапазоне инженерно-

геологических условий, встречающихся в практике гидротехнического строительства. Учитывая это, в расчётах рассматривалась поэтапность раскрытия выработки.

Проведённый анализ выявил необходимость рассмотрения работы безнапорных гидротехнических туннелей в слабых породах, для того, чтобы с учётом их спецификации (формы сечения, условия нагружения конструкции, практикуемые конструкции обделки), иметь возможность сделать предварительный выбор геометрических параметров объекта и конструкции обделки. При этом должны приниматься во внимание совместнуя работа системы массив - обделка.

Третья глава включает в себя получение параметрических уравнений, позволяющих с достаточной точностью определить статическую работу обделки, и на основании этого рекомендовать её форму.

В расчётах были приняты три наиболее часто используемые формы поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей: корытообразная с полуциркульным сводом (№ 1), коробовая (№ 2), и круговая (№ 3) (рис. 2).

Рис. 2. Исследованные формы поперечного сечения безнапорных

гидротехнических туннелей. Формы сечения: № 1 — корытообразная с полуциркульным сводом; №2—коробовая; № 3-круговая

Исследовались туннели, расположенные в слабых породах с коэффициентом крепости от 1,5 до 4 по классификации Протодьяконова

М.М.. Было выбрано четыре фактора, оказывающих наибольшее влияние на работу исследуемых сооружений: Ебп/Е,фф — отношение модуля упругости бетона к эффективному модулю упругости горного массива, Н/Но - глубина заложения выработки (Но=1 м), В/В„- ширина пролёта выработки (В0=1 м), Л.— коэффициент бокового давления. Интервалы варьирования и соответствие уровней в натуральных и кодированных величинах приведены в табл. 1.

В принятой сетке конечных элементов массив моделировался сплошной однородной средой, что справедливо для большинства слабых скальных пород, при этом среда характеризовалась приведенным эффективным модулем упругости. Для моделирования скального массива использовались четырехугольные изопараметрические элементы, для моделирования швов между обделкой и массивом горных пород применялись контактные элементы.

Интервалы варьирования используемых факторов _Табл. 1

Значения факто ров

Значение кода № - Форма поперечного -сечения XI х2 х3 Х4

Факторы Ебец/Езфф Н/Но в/в0 X

0 Основной уровень Корытообразная 12 70 7 0,6

Коробовая 80

Круговая 175

Интервал варьирования Корытообразная 4 40 3 0,3

Коробовая 50

Круговая 145

+1 Верхний уровень Корытообразная 16 110 10 0,9

Коробовая 130

Круговая 320

•1 Нижний уровень Корытообразная 8 30 4 0,3

Коробовая 30

Круговая 30

Сетка конечных содержала 1040 узлов и 972 элемента, 112 из которых моделировали бетонную обделку. Для указанных выше трёх форм поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей решалась линейно-упругопластическая задача в условиях плоской деформации, в качестве критерия пластичности использовался закон Кулона. Учитывая симметричность формы и нагрузки, рассматривалась только половина расчетного фрагмента. Расчёт проводился с учетом использования бетона класса ВЗО.

Толщина бетонной обделки принималась постоянной и определялась по формуле:

t=(0.1-0.15)г (1)

где г- внутренний радиус туннеля.

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

1- определение естественного напряженного состояния массива,

2-проходка подсводовой части туннеля с возведением обделки свода;

3- проходка первого яруса с возведением обделки стен;

4- проходка лотка туннеля с возведением обделки лотка.

Для случаев с небольшими пролетами туннеля промежуточный этап 3 опускался. В расчётной схеме, содержащей круговую форму поперечного сечения туннеля, принималась щитовая технология проходки туннеля и установки обделки, то есть исключающая поэтапность.

Число опытов и условия их проведения определились в соответствии с матрицей планирования экспериментов.

Для сравнения работы трёх форм поперечного сечения туннеля был использован обобщённый показатель прочности бетонной обделки - т,

представляющий собой отношение действующих максимальных напряжений в обделке к значению расчетного сопротивления бетона:

П^СТдй; /Ron (2)

где максимальные действующие напряжения в обделке, Rot-расчётное сопротивление бетона.

Увеличение обобщенного показателя прочности бетонной обделки m характеризует увеличение возникающих в обделке напряжений. Формулы для подсчета обобщенного коэффициента запаса прочности бетонной обделки определились в зависимости от условий ее нагружения. В большинстве случае (95 %) обделки работают на внецентренное сжатие с малым эксцентриситетом е<>:£ 0,451106 и лишь в (5 %) случаев - с большим е0 > 0,45 Ьоб. Здесь эксцентриситет продольной силы eo^NfN (отношение изгибающего момента к продольному усилию).

Расчетные формулы для этих случаев имеют вид:

где В - длина сечения обделки в продольном направлении, Ьоб - толщина обделки, уь = 1,0 - коэффициент сочетания н а г р у зтд к Дк^ эффициент надежности по назначению сооружения (для 1-го класса сооружений), Ус =1,0 - коэффициент условий работы, Б^ - предел прочности бетона обделки на сжатие, предел прочности бетона обделки на растяжение.

По этим формулам определялись значения обобщённого показателя прочности обделки для каждого конечно-элементного расчета, общее

число которых устанавливалось на основе матрицы планирования экспериментов соответственно для каждой формы поперечного сечения. Приняв в качестве функции отклика обобщённый показатель прочности обделки т, получили уравнение регрессии следующего вида: т = Ь0+Ь,Х,+Ь2Х2+ЬзХ}+Ь4Х4+Ь,2Х,Х2+ Ь1}Х,Хз +Ь14Х,Х4+

где коэффициенты уравнения регрессии, факторы.

Окончательно для каждой из исследуемых форм поперечного сечения

обделки были получены следующие параметрические уравнения:

Для корытообразной формы:

т = - 0.26377 + 0.01762 X, + 0.01393Х2 + 0.02061 Х3 + 0.13642X4+

+ О.ОООО1Х1Х2 - 0.00048 X, Х3 -0.00061 Х,Х«+0.00008Х2Х3 -

т = 0.07855 - 0.00342Х, +0.01197Х2-0.00355Х3-0.07095Х4 +

+ 0.00001Х,Х2 + 0.00059 Х1 Х3 + 0.00386 ХЛ + 0.00012 Х2 Х3 -

- 0.00043 Х2Х< - 0.00621 ХЛ; (7)

т-0.31576 + 0.02886Х, + 0.00875Х2 + 0.00861Х3 + 0.15100X4+

+3,0 * 10"7 Х1Х2 - 0.00058 Х,Х3 -0.01872 Х,Х< + 0.00005Х2 Х3 -

- 0.00214Х2Х4 + 0.00658 0,175X3X4. (8)

В четвёртой главе на основе анализа статической работы для обделок рассмотренных форм сечения туннелей, выявлены пределы применимости этих форм и выполнена оценка- влияния использованных факторов на величину их обобщённого показателя прочности т.

Учитывая, что прямое использование полученных параметрических уравнений является трудоемким процессом и требует определённых

временных затрат, для каждой формы, обделки были составлены номограммы, позволяющие оперативно определить значение показателя m любой комбинации используемых факторов и подобрать необходимый класс бетона обделки.

Для построения номограмм была выбран вид канонического уранения, которое связывает математическое уравнение функции отклика с определенным типом номограммы. Для полученных уравнений функций отклика ввиду существования

пяти переменных (четырёх факторов и показателя т), каноническое уравнение имеет вид:

(9)

где fз2, ^341 ^ и - соответственно сокращенные обозначения функции f (Хз, Х2) , i (Хз, х4), f (X,) и ЦХ,, Х5), X,, Х2 , Х3, Х4, -

Однако для записи параметрических уравнений функции отклика в виде канонической формы было необходимо отбросить несколько членов -из уравнения обобщенного показателя прочности, что привело к сильному искажению результатов. Поэтому пришлось перейти к использованию приближенных методов номографирования. Уравнение (9)

было преобразовано к виду:

Г032-^Э4=Л^пр (Ю)

f °32 . f °34 , Г °1 - сокращённые обозначения функций Г(Х°ьХ2>Х3,Х04), ЦХ°ЬХ°2)ХЗ,Х4), Г(Х1,Х02,Х0з,Х04)-2Г(Х0|,Х02,Х°ЗД04), = ш - приближенное значение функции отклика, - произвольная точка в интервале определения фактора Х|, 1 =1,2,3,4.

В качестве произвольных точек - Х® выбрали среднее значение фактора в интервале определения данного переменного.

Полученные номограммы для трёх форм показаны на рисунках 3, 4

и 5.

Рис. 3 Номограмма для определения обобщённого показателя прочности бетонной обделки безнапорных гидротехнических туннелей корытообразной формы с полуциркульным сводом.

Рис. 4 Номограмма для определения обобщённого показателя прочности бетонной обделки безнапорных

гидротехнических туннелей коробовой формы.

Рис. 5 Номограмма для определения обобщённого показателя прочности бетонной обделки безнапорных

гидротехнических туннелей круговой формы.

В качестве примера использования номограммы возьмем значения факторов Процедура определения-

показателя т заключается в следующем: находим точки пересечения линий факторов и измерим

расстояние между ними (отрезок АВ); от точки пересечения линий фактора Х1 и» постоянной прямой отсчёта (точка С) отложим горизонтальный отрезок, длина которого равна измеренному расстоянию. Конец отрезка покажет значение показателя т (точка О).

Проделав указанные операции, находим значение т для всех трёх форм (коробовой, корытообразной, круговой), которые равны соответственно 1.27; 1.46 и 0.84. Эти значения с небольшой погрешностью соответствуют значениям, определённым по уравнениям (6), (7)и(8).

С помощью этих номограмм можно выполнить следующие операции: Ь варьировать тот или иной фактор и выбрать то значение т, которое находится в пределах допустимого. Таким образом, при конкретных значениях двух факторов (плюс назначения показателя прочности т) появляется возможность для остальных факторов определить область их применения

2. При одних и тех же значениях факторов для разных форм безнапорных гидротехнических туннелей выбрать оптимальный вариант их поперечного сечения.

* 3. Осуществить подбор класса бетона обделки.

Исследование влияния отдельных факторов на работу обделки на основе полученных номограмм производилось путём изменения одного фактора и придания остальным факторам постоянного значения. Рассматривалось влияние этого фактора на величину обобщённого показателя прочности т и, следовательно, на статическую работу обделки. Результаты анализа проведены в таблицах 2,3,4 и 5.

Анализ влияния факторов на обобщенный показатель прочности обделки т выполнялся следующим образом. Предположим, что исследовалась зависимость т от Х.. В этом случае одному из факторов, на пример Х2 задавались минимальное и максимальное значения (границы пределов варьирования), а остальные факторы - Хз и Х4 оставались постоянными. Точно также исследовалась зависимость коэффициентов т от остальных факторов. Однако следует принимать во внимание, что проведённый анализ имеет относительный характер, поскольку каждое исследование номограммы даётся для так называемых средних условий, т.е. значение постоянных факторов выбиралось в центре области их варьирования.

Влияние фактора Х|= Ея^/Е^ Табл. 2

Варьируемый фактор Корытообразная форма Коробовая форма > Круговая, форма

XI тах 7% 2% 4%

тш 21% 7% 25%

Хз тах 9% 4% 6%

тт 12% 2% 9%

Х4 тах 11% 4% 5%

тт 10% 2% 10%

Влияние фактора Х?= Н/Н, Табл.3

Варьируемый фактор Корытообразная форма Коробовая форма Круговая форма

X, тах 68% 75% 88%

тш 73% 76% 92%

Хз дтх 70% 75% 89%

тт 71% 76% 90%

Х4 тах 70% 77% 90%

тт 70% 75% 90%

Влияние фактора Хч= В/В,, Табл. 4

Варьируемый фактор Корытообразная форма Коробовая форма > Круговая форма -

X, шах 4% 7% 5%

тш 7% 4% 7%

х2 шах 5% 6% 5%

пш 7% 5% 14%

Х4 тах 2% 5% 7%

тш 8% 6% 5%

Влияние фактора Хл= X Табл. 5

Варьируемый фактор-. Корытообразная форма Коробовая форма Круговая форма

X, тах 4% 5% 18%

тш 4% 7 % 14%

XÏ тах 4% 4% 16%

тш 3% 11% 19%

Хз тах 6% 7% 15%

тш 1% 5% 17%

Из приведённых таблиц видно, что в расчётах безнапорных

гидротехнических туннелей исследуемых форм необходимо учитывать все рассмотренные факторы, несмотря на не одинаковое их влияние на величину обобщённого показателя прочности т. При этом следует учитывать, что глубина заложения оказывает основное влияние на значения обобщенного показателя т.

Был проведён анализ напряжённого состояния обделок при различных значениях фактора глубины заложения выработки, который позволил сделать вывод относительно выбора формы поперечного сечения туннелей в диапазоне от 30 до 100 метров и нецелесообразности применения корытообразной и коробовой форм на глубине, превышающей 100 м.

Также был проведён анализ напряжённо - деформированного состояния вмещающего массива, который показал области возникновения максимальных и минимальных перемещений в области обделки всех трёх исследуемых форм (рис. 6) и зоны концентрации напряжений в области примыкания массива к контуру обделки (рис. 7)

Рис.6 Характер перемещений в области контура выработки. пролётом 10 метров. - серым цветом обрисована исходная сетка, чёрным - возникающие перемещения

Рис.7 Характер распределения сжимающих напряжений в массиве (коэффициент крепости ^1,5) в случае туннеля круговой формы, пролёт 10 м., глубинаьзаложения 320 м., коэффициент бокового давления 0,3

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Применение метода конечных элементов в сочетании с использованием факторного анализа для обработки полученных результатов, является эффективным инструментом при выборе рациональной формы поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей.

2. На основе полученных для каждой формы поперечного сечения туннелей параметрических уравнений можно в пределах варьирования принятых факторов достаточно подробно проанализировать работу безнапорных гидротехнических туннелей в слабых породах.

3. Обобщённый показатель прочности обделки т, выбранный в качестве. функции отклика параметрических уравнений, является критерием, которой достаточно полно и объективно характеризует безопасность статической работы туннеля слабых породах.

4. В расчётах безнапорных гидротехнических туннелей-исследуемых форм необходимо учитывать все рассмотренные факторы, несмотря на то, что они оказывают неодинаковое влияние на величину обобщённого показателя прочности - т. Однако, при этом следует учитывать, что глубина заложения является основным фактором, влияющим на значения обобщенного показателя.

5. Применение корытообразной (с полуциркульным сводом) и коробовой форм поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей целесообразно при глубине заложения, не превышающей 100 м.

6. Анализ результатов, полученных с помощью номограмм позволяет сделать вывод о незначительном преимуществе круговой формы поперечного сечения на небольшой глубине заложения (до 30 м). Однако при возрастании глубины заложения преимущество круговой формы возрастает и для глубины заложения свыше 100 метров круговая форма поперечного сечения является наиболее предпочтительной.

7. При выборе рациональной формы поперечного сечения безнапорного гидротехнического туннеля помимо анализа его статической работы необходимо учитывать используемый метод проходки и стоимостные показатели.

8. Построенные номограммы могут рассматриваться как специальные классификации скальных массивов, предназначенные для исследования статической работы безнапорных гидротехнических туннелей. С их помощью можно быстро и с достаточной степенью точности в пределах варьируемых факторов получить рекомендации по выбору формы поперечного сечения туннеля и подбору класса бетона на предварительных стадиях проектирования:

9. Так как воздействие воды в безнапорных гидротехнических туннелях оказывает незначительное влияние на статическую работу сооружения, то полученные результаты и методику расчёта можно применять и на предварительных стадиях проектирования транспортных тоннелей в слабых породах.

ОСНОВНЫЕ ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Зерцалов М.Г., Привалов А. А. Выбор рациональной формы поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей в слабых скальных породах (на англ. языке). Труды международного симпозиума «Евроскала 2004», Австрийское геотехническое общество, г. Зальцбург, 2004,4 с.

2. Привалов А.А. Применение численного моделирования и факторного анализа при выборе формы поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей. Сборник материалов второй международной научно-практической конференции молодых учёных, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности». - М.: Изд-во МГСУ, 2004.

3. Привалов А.А. Исследование безнапорных туннелей в слабых 'скальных породах. Материалы конференции «Строительство. Творчество молодых в XXI веке: реалии и перспективы»//МГСУ, 2004.

4. Привалов А.А. Выбор оптимальной формы поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей в слабых скальных породах//Стройклуб, № 4 .Москва, 2004, с.29-32.

»11106

. \

Введение

Глава 1. Анализ существующих классификаций массива пород

1.1. Теория горного давления Терцаги

1.2. Рейтинг массива горных пород (RMR)

1.3. Классификация качества массива пород Q - система

1.4. Геологический индекс прочности (GSI)

1.5. Классификация Лауффера

1.6. Классификация MR

1.7. Метод анализа разработки породы

1.8. Разбуриваемость скальных массивов

1.9. Опыт создания классификационных систем в России

Выводы по 1 главе

Глава 2. Анализ проведённых исследований форм подземных гидротехнических выработок и существующих методов проходки туннелей в слабых породах

2.1 Технико-экономический анализ

2.2. Экспериментальные исследования

2.2.1. Исследования крупных подземных выработок

2.2.2. Исследования форм поперечного сечения туннелей 52 2.3 Анализ существующих методов строительства туннелей в слабых породах

2.3.1. Новоавстрийский способ

2.3.2. Щитовые способы проходки

2.3.3.1. Специальные горные способы проходки

2.3.3.2.Специальные щитовые способы проходки в водонасыщенных грунтах

2.3.4 Способы опертого свода и опорного ядра

Выводы по главе

Глава 3. Исследование статической работы обделок ^ безнапорных туннелей в слабых породах

3.1.1. Инженерно-геологические характеристики скального массива

3.1.2. Построение расчётной схемы

3.2. Обобщённый показатель прочности бетонной обделки

3.2.1. Определение внутренних усилий

3.2.2. Оценка прочности бетонной обделки

В настоящее время во всём мире наблюдается рост масштабов строительства подземных сооружений. В условиях нарастающего энергетического кризиса растёт интерес к строительству гидроэлектростанций, как к наиболее экологически чистым источникам энергии, к строительству гидротехнических туннелей, включающих подводящие и отводящие туннели ГЭС и ГАЭС, а также туннели для подвода воды к населённым пунктам, ирригационные и мелиоративные туннели [2], [5], [8], [11], [12], [13], [16].

По условиям гидравлической работы гидротехнические туннели разделяются на напорные и безнапорные, которые применяются в тех случаях, когда в головном сооружений туннеля или на выходном портале колебания уровня воды незначительны. Назначение на предварительных стадиях проектирования формы поперечного сечения и размеров безнапорных туннелей зависит, прежде всего: от инженерно-геологических условий на трассе туннеля, от условий гидравлической работы туннеля и от способа ведения строительных работ по его проходке.

В отечественной инженерной практике для предварительного назначения формы сечения безнапорных туннелей 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 [22]. Однако разработанные проекты подземных сооружений при формальном соблюдении требований СНиП не всегда являются рациональными с точки зрения конструктивно-компоновочных и технологических решений из-за неучёта особенностей всего комплекса проблем проектирования и строительства подземных сооружений [3]. Вместе с этим, рекомендации СНиП можно отнести к широко используемым в мировой практике туннелестроения системам классификаций скальных массивов, которые базируются на накопленном опыте строительства десятков и сотен уже существующих подземных объектов. Они дают рекомендации по состоянию устойчивости массива горных пород, допустимому пролёту выработки, ее креплению и выбору 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 ориентирована 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. Эти классификации, следует с осторожностью использовать в исследовательской и проектной деятельности, поскольку они не имеют строгой научной основы. Все классификации скальных массивов носят эмпирический характер, а назначение параметров целиком зависит от интуиции и опыта исследователя, и требуют постоянной проверки в процессе строительства с помощью соответствующих натурных исследований. Очевидно, что это требует дальнейшего их совершенствования и разработки более объективных и научно-обоснованных классификаций.

Целью диссертационной работы является исследование характера работы обделок безнапорных гидротехнических туннелей в слабых скальных породах и получение факторных зависимостей, позволяющих на основе используемых факторов рекомендовать формы поперечного сечения и класс применяемого в обделке бетона. Результаты представлены в виде номограмм.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

- анализ существующих классификаций массивов и результатов исследовательских работ;

- выбор форм поперечного сечения туннелей из применяемых в настоящее время и рекомендуемых строительными нормами;

- выбор факторов, оказывающих влияние на работу обделки, и диапазона их значений;

- проведение численных экспериментов;

- определение критерия для сравнения исследуемых форм поперечного сечения;

- получение параметрических уравнений на основе метода факторного анализа;

- составление номограмм и выполнение на их основе анализа проведённых численных экспериментов.

Все исследования, представленные в работе, выполнены на кафедре «Производства и организации гидротехнических работ» Московского государственного строительного университета под научным руководством профессора, доктора технических наук М.Г. Зерцалова, которому автор выражает глубокую благодарность за помощь и постоянное внимание, которые оказывались при работе над диссертацией.

Общие выводы

1. Применение метода конечных элементов в сочетании с использованием факторного анализа для обработки полученных результатов, является эффективным инструментом при выборе рациональной формы поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей.

2. На основе полученных для каждой формы поперечного сечения туннелей параметрических уравнений можно в пределах варьирования принятых факторов достаточно подробно проанализировать работу безнапорных гидротехнических туннелей в слабых породах.

3. Обобщённый показатель прочности обделки ш, выбранный в качестве I функции отклика параметрических уравнений, является критерием, которой достаточно полно и объективно характеризует безопасность статической работы туннеля слабых породах.

4. В расчётах безнапорных гидротехнических туннелей исследуемых форм необходимо учитывать все рассмотренные факторы, несмотря на то, что они оказывают неодинаковое влияние на величину обобщённого показателя прочности т. Однако, при этом следует учитывать, что глубина заложения является основным фактором, влияющим на значения обобщенного показателя.

5. Применение корытообразной (с полуциркульным сводом) и коробовой форм поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей целесообразно при глубине заложения, не превышающей 100 м.

6. Анализ результатов, полученных с помощью номограмм позволяет сделать вывод о незначительном преимуществе круговой формы поперечного сечения на небольшой глубине заложения (до 30 м). Однако при возрастании глубины заложения преимущество круговой формы возрастает и для глубины заложения свыше 100 метров круговая форма поперечного сечения является наиболее предпочтительной.

7. При выборе рациональной формы поперечного сечения безнапорного гидротехнического туннеля помимо анализа его статической работы необходимо учитывать используемый метод проходки и стоимостные показатели.

8. Построенные номограммы могут рассматриваться как специальные классификации скальных массивов, предназначенные для исследования статической работы безнапорных гидротехнических туннелей. С их помощью можно быстро и с достаточной степенью точности в пределах варьируемых факторов получить рекомендации по выбору формы поперечного сечения туннеля и подбору класса бетона на предварительных стадиях проектирования.

9. Так как воздействие воды в безнапорных гидротехнических туннелях оказывает незначительное влияние на статическую работу сооружения, то полученные результаты и методику расчёта можно применять и на предварительных стадиях проектирования транспортных тоннелей в слабых породах.

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

2. Бацетти Р., Бертоккини И.Р. Строительство гидротехнических туннелей в г. Харлан//Забой. 1992, № 6-8.

3. Бикинеев М.Г., Сергеев В.К. Особенности проектирования подземных сооружений//Гидротехническое строительство.-1998. №1.

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

5. Бородин В.И. Новое в отечественном и зарубежном подземном строительстве. М.: Информационно-издательский центр «ТИМР», 1995, с. 120.

6. Булычёв Н.С. Механика подземных сооружений. М.: Недра, 1994, 383с.

7. Гольдин A.JL, Рассказов JI.H., Проектирование грунтовых плотин М.: Издательство Ассоциации Строительных Вузов, 2001, с.319-320.

8. Гуртовик Ф.И., Золотов О.Н., Куперман В.Л., Мостков В.М., Осадчий Л.Г. Оценка современного состояния строящегося подземного машинного зала Рогунской ГЭС//Гидротехническое строительство.-1992, №3.

9. Джинчарадзе Д. И. Обделки транспортных туннелей из бетонов на природных пористых заполнителях. Автореф. дисс. на соиск. докт. техн. наук. М.: ЦНИИС, 1987.

10. Ю.Зерцалов М.Г., Толстиков В.В. Реферат программного комплекса «Трещина», Основания, фундаменты и механика грунтов, 1988, №511 .Корте-Суалон Р. Способы производства горнопроходческих работ на строительстве подземной ГЭС на о. Сицилия//Забой.-1992. №6-8.

11. Маковский Л.В., Меркин В.Е., Мостков В.М. Опыт строительства крупнейших подводных туннелей//Подземное пространство мира,-1995. №5.

12. Мостков В.М. О строительстве подземных сооружений// Гидротехническое строительство.-1992. №11.

13. Мостков В.М. Подземные сооружения большого сечения М. Недра, 1974

14. Мостков В.М., Дмитриев Н.В., Рахманинов Ю.П. Проектирование и строительство подземных сооружений большого сечения, М.: Недра, 1992,320с.

15. Подземные гидротехнические сооружения. Учебник для вузов/ Под ред. Мосткова В.М./, М.: Высшая школа, 1986, 464с.

16. Подземные сооружения гидроэлектростанций. /Под ред. Купермана B.JL/, М.: Энергоатомиздат, 1996, 320с.

17. Реза Рахман Неджад Выбор форм поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей//Автореферат диссертации на соискание кандидата технических наук М.: МГСУ, 2000

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

19. СНиП 2.06.09-84 Туннели гидротехнические. М., 1985.

20. Хованский Г.С. Методы номографирования. М.: ВЦ АН СССР, 1964.

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

22. Эристов B.C. Производство гидротехнических работ. М.: Стройиздат, 1970, с.487.

23. Юфин С.А., Постольская O.K. Некоторые актуальные вопросы проектирования и строительства туннелей в комплексах сооружений электростанций// Энергетическое строительство, 1988, №5.

24. Abdullatif О. М. and Cruden, D. М. The Relationship between Rock Mass Quality and Ease of Excavation, Bull. Int. Assoc. Eng. Geology, Vol. 28, 1983, pp. 183-187.

25. Barton, N., Lien, R., and Lunde, J. Engineering Classification of Rock Masses for the Design of Tunnel Support, Rock Mechanics, Springer-Verlag, Vol. 6,1974, pp. 189-236.

26. Bieniawski Z.T., Determining Rock Mass Deformability, Experience from Case Histories, Int. Jr. Rock Mech. and Min. Sci. & Geomech. Abstr. Pergamon, 15, 1978, pp. 237-247.

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

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

29. Cecil O.S., Correlation of Rock Bolts Shotcrete Support and Rock Quality Parameters in Scandinavian Tunnels, Ph. D. Thesis, University of Illinois, Urbana, 1970, p.414.

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

31. Deer D.U., Peck R.B., Parker H., Monsees J.E. and Schmidt В., Design of Tunnel Support Systems, High Res. Rec., No. 339, 1970, pp.26-33.

32. Franklin J.A., Broch E. and Walton G. Logging the Mechanical Character of Rock, Trans, Inst. Mining Metallurgy, A80, Al -A9 and Discussion A81, A34,A51, 1972.

33. Goel R.K., Jethwa J.L. and Dhar B.B., Effect of Tunnel Size on Support Pressure, Technical Note, Int. Jr. Rock Mech. and Min. Sci. & Geomech. Abstr., Pergamon, Vol. 33, 1996, No. 7, pp. 749-755.

34. Hoek E., Putting numbers to Geology an Engineering viewpoint, Felsbau, 3,1999.

35. Hoek, E. and Brown, E. T. Practical Estimates of Rock Mass Strength, Int. Jr. Mech. and Min. Sci., Pergamon, Vol. 34, 1997, No. 8, pp. 1165-1186.

36. Muller L. Der Felsban. Dand 3. Tunnelban, Berlin, 1978.

37. Nast, Paul. H., Drillers Handbook on Rock, Davey Compressor Company, Kent Ohio. In Tunnel Engineering Handbook, Ed. Bickel, Jon O. and Kuesel, T. R., 1955.

38. Rabcewicz L., Golser I. Principles of dimensioning supporting system for the New Austrian tunneling method ," Water Power", №3, 1973.

39. Rose D., Revising Terzaghi's Tunnel Rock Load Coefficients, Proc. 23rd U.S.Sym. Rock Mech., AIME, New York, 1982, pp.930-960.

40. Serafim J.L., Pereira J.P., Considerations of the Geomechanics Classification of Bieniawski, Int. Symp. Eng. Geol. Underground Constr., LNEC, Lisbon Vol.1, 1983, pp. II.33-II.42.

41. Singh В., Goel R.K. A practical approach in civil engineering. India, 1999.

42. Singh R.N., Denby, B. and Egretli I., Development of a New Rippability Index for Coal Measures Excavations, Proc. 28th US Sym. on Rock Mech., Tucson, 1987, pp. 935-943.

43. Terzagi K., Rock Defects and Load on Tunnel Supports, Introduction to Rock Tunneling with Steel Supports, a book by Proctor R.V. and White T.L., Commercial Sheering & Stamping Co., Youngstown, Ohio, U.S.A., 1946

44. Verman M.K., Rock Mass — Tunnel Support Interaction Analysis, Ph. D. Thesis, University of Roorkee, Roorkee, India, 1993, p. 258.

45. Wilbur, Lyman D., Rock Tunnels, Chapter 7 in Tunnel Engineering Handbook, Edited by Bickel and Kuesel as referred above, 1982,pp. 123-207.