автореферат диссертации по строительству, 05.23.15, диссертация на тему:Взаимодействие грунтового массива и конструкций тоннелей мелкого заложения с учетом технологии их возведения

-'5 1 и 9 %

С,-

московский ордена трудового красною знамш

Автомоншьно-дороаш институт

На правах рукописи

ттщ эль-азаб ахмещ эль-юшж

УДК 624.191.24

ВЗАЖЮДЕЙСЕВКЕ ГРУНТОВОГО МАССИВА И КОБСТРШЩЙ ТОННЕЛЕЙ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ С УЧЕТОМ ТЕХНОЛОГИИ И ВОШЩМЯ

С летальность 05.23.15 - Мосты и транспортные тоннели

АВТОРЕФЕРАТ

*

диссертации на соискание ученой степени кандидата гехниадскюс наук

Москва 1992 г.

-I ' 1_

Работа выношена в-Московском ордена Трудового Красного Знамени автомобяяьно-дорожноы институте на кафедре мостов и транспортных гоннзлей.

Научный руководитель - кандидат технических наук,

профессор МАКОВСКИЙ Л.В.

Офипиадьныа оппоненты - доктор техшчесяих наук,

профессор ТЖГОНЙ В.Е.

кандидат технических наук ГАРКЕР В.А.

Ведущая организация - Государственный ордена Трудового Красного Знамени проектно-Ъзыска-тельский институт МЕПШШРОТРАШ

Защита состойся " 2| " ОкШс^Я 1992 г. в ч.

на заседании Спешализдрованного Совета К 053.30.03 в Московском ордена Трудового Красного Знамени автшобильно-дорожном институте по адресу: 125829, ГСП, Ленинградский пр-т, д. 64.

С диссертадизй можно ознакомиться в библиотеке Московского Ордена Трудового Красного Знамени автомобядьно-дорожного института.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные . печатью, просим направлять в ученый Совет института. .

Автореферат разослан " " СррТ^^Л1992 г.

Ученый секретарь специализированного Совета кандидат технических наук, профессор О.В. Воля

;п

Актуальность работы. Непрерывное да

>азвитне тоннелестрое-

ния приводят к необходимости более глубокого изучения я научного обобщения накопленного теоретического я практического опыта для создали эффективных конструкций и технологии строительства тоннелей с целью уменьшения их стоимости, увеличения темпов возведения, повшения надежности и долговечности.

Одной из наиболее сложных проблем при строительстве тоннелей мелкого заложения в городах является сведение к минимуму нарушений окружающей средк, исключение дафоркалий расположенных поблизости зданий и сооруБёнкй, сокращеняе сроков -вскратия дневной поверхности. Это'достигается прк'применения траншейного способа работ с использованием технологии "стена в грунте", получившего широкое раопространевяе в мировой практике тоннелестроения.

Для более эффективного строительства тоннелей траншейным способом необходимо дальнейшее совершенствование конструктивных ж технологических решений, установление действительных условий работн конструкции во взаимодействии с грунтовым массивом на различных этапах строительства.

Актуальность диссертационной работы определяется далькей-

' шм развитием траншейного способа работ путем вчявления близких я действительным условий взаимодействия грунтового массива я .конструкций тоннелей мелкого залоаэзшя с узкгсм технологии ях возЕвдеяш.

Целью работы является создание научно-обоснованной методики расчета системы "обделка тоннеля - грунтовой массив" я

I__1

г

разработка рзконевдашй по совершенствованию конструкций л технологии сооружения тоннелей траншейным способом. Научкто НОВИЗНУ рэбОТН СОСТАВЛЯЮТ! расчетные додели системы "обделка тоннеля-грунтовнй массив" в упругой и упруго-пластической постановках и разработанные на их основе методика расчета;

выявленные закономерности влияния геометрических параметров траншейных стен и технологической последовательности производства работ на напряженно-деформированное состояние грунтового массива и конструкций тоннельной обделки;

разработанные рекомендации расчетного я конструктявно--технологического характера, .направленные на уменьшение концентрата напрягений в грунтовом массиве и элементах обделки, снижение расходов материалов и повышение эффективности строительства.

Достоверность полученных выводов обусловлена использованием надевнза и апробированных методов математического и физического моделирования и совладением результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Практдчесдая ценность диссертации заключается в создании методики расчета конструкций тоннеля и разработке практических рекомендаций конструктивно-технологического и расчетного характера, которые могут быть использованы при проектировании тоннелей мелкого зашжения, сооружаемых траншейным способом. - •

Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось на научно-технических конференциях 1ЩЙ в 1990-1992 г. г. на заседаниях кафедры "Мосты и транспортные тоннели " МАДЙ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех

глав, осноеных выводов, списка использованной литературы и

приложения. Она включает 167 страниц текста,71 рисунок и 9 таблицы.Список литературы содержит 97 наименований, из них36 зарубежных авторов.

Основные положения диссертационной работы

В первой главе диссертации проанализированы донструктив-Ео-тэхнологические решения и методы расчета тоннелей мелкого заложения, сооружаемых траншейным способом с использованием технология "стена в грунте". Рассмотрены различные модификации конструктивных решений "стеи в грунте":, из монолитного железобетона, из плоских, ребристых и пустотелых сборных панелей, из пересекащихся и .касающихся буронабивкых и буроопуск-ных свай. Отмечены особенности конструкций рабочих и нерабочих стыков между участками монолитных я элементами сборных стен, способов соединения арматурных каркасов, сопряжений стен с перекрытием н лотком тоннеля. Выполнено гехшко-эконокическое сравнение наиболее распространенных технологических решений .по возведению тоннелей мелкого заложения траншейным способом подсхемам "сверху - вниз" и "снизу - вверх". Рассмотрены способы устройства "стен в грунте"' с применением различного землеройного, бетоноукллдочного я монтажного оборудования.

Показано, что применение трашейкого-способа (по сравнению • с котлованным) позволяет снизить стоимость и сроки строительства, повысить устойчивость окружающего грунтового массива, уменьшать нарушение поверхностных условий, вестЕ работы в во-дояасыщеннвх грунтах без применения искусственного водопона-зенвя ила захоранивания грунта, заполнять работы в непосредственной близости от сузцесгвуадих зданий я сооружений, не на-

рушая юс нормального фукгашширования.

Траншейный способ с использованием технология, "стена в грунте" получил широкое распространение в мировой практике тоннелестроения.

В СНГ технологию "стена в-грунтэ" применяли и применяют на строительства перегонных тоннелей и станций метрополитена в Москве, Киеве я Минске, при возведении ряда автотранспортных тоннелей и подземных: автостоянок и гараяей в Москве, а такте пелого ряда, гидротехнических, коммунальных и промышленных объемов.

С пршененаей такой технология построены многочисленные подземные транспортные сооружения в городах Европы, Азии, Северной Америки. Возведением "стен в грунте" заняты известные фирмы: "Фондадайг" (Великобритания), "Бауэр" (Германия), "Обаяси Гуми" я "Окимура" (Япония) я др.

Началось применение этой технология в АРЕ. В настоящее время построены пять статей и перегонные тоннели длиной более 10 ям в Каире, Инженерно-геологические условия .участка строительства характеризуются высоким уровнем грунтовых вод (на глубине I - 3 м от поверхности зешш), что вызвано расположением линия метро вблизи реки Нал. Грунты представлены суглинками с прослойками глин и песка. Отличительной особенность® строительства тоннелей дгегрмюллтеиа в Каира является стабилизация пунта в зоне подошвы стены и под лотком тоннеля. Применение технологии "стена в грунте" при строительстве тоннелей Каирсгого метрополитена позволило выполнить работы в условиях плотной городской застрой ли с минимальными нарушениями окружающей среды.

При проектирования и строительстве-тоннелей траншейным'

способом возникает .ряд проблем, связанных: с выявлением действительных условий работы конструкции на различных этапах её возведения. Для этого необходимо дэльнейпее совершенствование методики расчета бинарной системы "конструкция тоннеля -- грунтовый массив".

Обычно .конструкции тоннелей мелкого заложения, сооружаемых траншейным способом, рассчитывают на нагрузки, возникающие только на стадия эксплуатации. Бри этом используют методы строительной механика, механики грунтов, теория упругости шш численные методы.

Расчетам, основанным на строительной механике и механике грунтов, посшщены работы Клейна.Г.К., Киселева В.А., Клепикова С.Н., Ыихвльеова Й.И.,1арбера ВА., Хансена Е, Райка 3.®. я др. При эток давление грунта условно разделяется на активное я пассивное, а обделка рассчитывается методом сил или перемещений как рамная система или с расчленением её на отдельные элемент. К недостаткам указанных методов относится принятие упрощенных расчетных схем, аз утатывапшх совместную работу конструкпии с грунтовым массивом и влияние последовательности производства работ на налрякенно-дежорыированное состояние (хастемы "обделка - грунтовый массив".

Расчету обделок тоннелей мелкого заложения методами теории упругости посвящены работы Яемочиша Б.Н., Слшцина А.Д., Булычева Н.С., Симвулиди А.К., Маликовой Т.А., Мальгянова С.И., Ко^ушко В.П., РозенЕассера Г.Р., Шейнина В.И., Использование талях методов саяэаяо с трудностями мат ематяче сяого характера и в большинстве случаев не дает результатов существенно более близких к практическим по сравнению с методами

1_ J

г ■ п

строительной механика и механики грунтов, поскольку метода

теории уиругосьа основаны на использований вдеализированных

.моделей грунта.

В последние, десятилетия резко возросло применение численных методов расчета.подземных сооругенш;, ввиду того, что они позволяют рассчитывать сооружения произвольной формы, учитывать неоднородность массива, нелинейные свойства грунта и материала обделки. Es всего разнообразия численных методов нал-большее распространение получил метод конечных элементов ('ЖЭ). Применению этого метода для решения задач подземного строительства посвящены работя Мусина S.S., Воробьева Н.Б., Покшева Б.Г., К^ана O.A., Фадеева А.Б., patts D-M,KnightsM.S PadfieldC-J.MairR.J., Fourie А-В uwp". ^

Метод конечных элементов был. принят е диссертации для решения поставленной задача, что дало возможность моделировать поведение конструкций тоннеля во взаимодействии с оадукашим грунтовым массивом на различных этапах строительства и экспду-агашш с учетом конструктивных особенностей обделки.

Основными зздачаш настоящей диссертационной работы являются:

анализ характера взаимодействия конструкций тоннеля, сооружаемого с использованием технологии "стена в грунте", с окружающим выработку грунтовым массивом, выявление степени влияния на работу обделки, её конструктивных особенностей и технологии возведения;

разработка методики проектирования и расчета конструкции тоннелей, сооружаемых с применением технологии "стена р

грунте";

разработка рекомендаций конструктивного и технологического характера, направленных на поЕшение эффективности строительства тоннелей мелкого залоизния -траншейный способом.

Вп второй главе приведены содержание и результаты теоретических исследований взаимодействия системы "обделка тоннеля - грунтовый массив" методом конечных элементов.. При проведении теоретических исследований бала использована программа комплекса "ВАТ - ЕЕ" разработанная Murray DW-,EL-Nahhas F, на языке Фортран. Эта программа предназначена для решения плоских задач как в упругой, так и упруго-пластической постановке.

Для определения пластических зон разрушения, используется предложенный Naylor D-J- критерий OSR названный коэффициентом перенапряжения

Существующая программа упругого расчета бнла усовершенствована с целью проведения билинейного анализа с использованием метода переменных параметров упругости. На каждом этапе итерационного процесса вычислялось значение коэффициента ОБР для Есех элементов, причем для элементов, работавших в пластической стадии , определялись новые (понижеяннег) значения моду-

OSR =

g1 - б'з

(I)

2С cos (j> ♦ 63)sin ф

где: ёГ] >63- наибольшее и наименьшее значения главных напряжений; С - коэффициент спепления; - угол внутреннего трения.

1__I

.Г -!

ля упругое та.

Билинейный анализ представляет нелинейное поведение грунта более естественно. Такой подход был принят многими учеными:

Morgenstern N-R., Phukan A-LT-, DuncanJ M. Goodman R-E- , D'APPotonioD-J., LambeT.W.,EL-Nahhas F., HarrsM- u gp.

Рассматривалась модель грунтового массива в виде упругой полуплоскости, разбитой на 836 треугольных конечных элементов. Конструкция тоннельной обделка такке имитировалась треугольными конечными элементами. Модель била загружена вертикальным давлением оз'собственного веса грунта (ÜН). При этом моделировался грунтовой массив из однородных суглинков с удельным весом ^ = 18 кЫ/м3, модулей упругости Е = 40000 кЯ/м2 и коэффициентом Пуассона = 0,35 и двухпролетная обделка из моеолитного железобетона шириной 9,0 м и высотой 5,5 м. В ходе расчетов толщина стен обделки варьировалась от 0,4 до 0,9 м, а глубина заделки - от 1,0 до 7,1 м.

С пелыо ошеки влияния последовательности выполнения тоннеле строателышх работ и особенностей конструкции тоннеля на наприжешо-дефохшрованное состояние окрукавдего выработку, грунтового массива моделировались основные этапы строительства, соответствующие разработке траншей под глинистым раствором, бетонирована» стен, разработке грунта до низа перекрытия и возведена® перекрытия, разработке грунтового ядра и бетонированию лотка соответственно для каждого из деух отсеков тоннеля (рас. I).

В результате проведенных расчетов получено распределение главных нормальных налрякений 6^1 , ^ • горизонтальных

LIQJ _ L ,

1 - ненарушенное состояние массива;

р i

2- разработка траншей под глинистым раствором; р. 1.11 !

(- е:. ой за -(

г /ч v

««•!

е, «

С г -ч

1 1 1 Л ,1 1 1 I 1

^ т

5- разработка грунтового ядра бетонирование лотка 1-очере;

6- разработка грунта до уровня низа перекрытия и воз ведение перекрытия П очереди тоннеля

!3 — бетонирование стен;

7- разработка грунтового ядра П-очереди;

А - разработка г£гунта до уровня, низа перекрытия и возведение перекрытия (1-очереди);

8- бетонирование лотка II очереди тоннеля.

350М

Рис.{.. Этапы расчета

11

и вертикальных яалряженкй i S'y , а также горизонтальных смещений и внутренних усилий дня всех этапов • строительства в упругой, а также в упруго-пластической стадии.

Анализ результатов расчета в упругой стадии показал:

устройство траншей под глинистым раствором и их заполнение бетонной смесью практически не изменяют' напряженного состояния массива. Еаблвдаотся небольшие снижения напряжений 6] я 6-у (до 15?) из-за увеличения напряжения 6"х » но виз-. Еано созданием в траншее давления большего, чем боковое давление грунта;

на последуваих этапах строительства вокруг стен наблюдаются кош^нтрашш напряжений 6*1 и S'y . которые увеличиваются в 3 - 4 раза у крайних стен и з '5-8 раз у средней стены и снижение 6"х на (10-20%) по сравнению с бытовыми значениями (рис. 2);

выявлены границы трех зон: зоны ненарушенного грунта, зоны .концентрации напряжений и переходной промежуточной зоны. Зона концентраций напряжений и переходная зона составляют зону еляянмя тоннельной выработки. Ширина зоны влияния близка к ширине призмы обрушения и составляет 2/3 Н, где H - Еысота стены;

разработка грунтового ядра приводит к появлению дополнительных зон концентрации напряжений в районе контакта стены с лотком и в местах сопряжения перекрытия со средней стенкой;

получены катины распределения изгибающих моментов в сечениях конструкции. Максимальные изгибающие моменты в стене возникают у перекрытия до бетонирования лотка. На последующих этапах, максимальные изгибавшие моменты возникают в месте

. • Рис. 2 . Распределение главных напряжений б"| (т/ы^) а упругой стадии (разработка грунтового ядра к бетонирования лотка 1-очереди)

Г -1

сопряжения стен с лотком;

горизонтальные смещения изменяются на различных этапах работ и уменьшаются к последнему этапу;

напряженное состояние массива в упруго-пластической стадии на 1-Ш этапах возведения тоннеля близко к результатам в упругой стадии. Ка последующих этапах строительства отмечается увелачение напряжений 6] я 6у в зонах концентрации напряжений на 15% при упруго-дластическом расчете по сравнению с упругой постановкой задачи;

учет временной нагрузки обусловливает незначительное по-вшение напряжений на участках её расположения' (при глубине заложения тоннеля 1,0 м). Степнь влияния временной нагрузки составляет порядка 5-10$ от постоянной нагрузки.

В третьей главе приведены содержание и результаты экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния грунтового массива методом фотоупругости. Эти исследования бшш проведены для уточнения характера работы конструкции тоннеля на разных:.'этапах строительства и лроверкя результатов теоретических исследований. Метод фотоупругости широко использовался для исследований напряженного состояния грунтовых массивов'при проходке тоннельных выработок.

В СССР его применяли в Институте горного дела им. А.А; Ско-чннского (Труыбачев В.Ф., Славин O.K., Ыолодпова Л.С.), в . ЩИИСе (Меркин В.Е., Сарабеев В.Ф. ), в ШСИ (Хесин Г.Л., 1а-овронок 11.В., Кугаева Г.С. ), во БЕШИГ им. Б.Е. Веденеева . (Розанов Н.С., Новиков О.В.),' в МАДИ (Асратян Д.Р., Чеботарев C.B.). За рубежом этот метод использовалиMesnager A- Fopple Nevber, Ко nil Р-К-.Fro cht M. M. u gp.

Г

В настоящей диссертационной работе дон изготовления модели грунтового массива использовался материал игдантин, способный под действием собственного веса воспроизводить напряженное состояние. Модель тоннельной обделяя выполнена из оргстекла в масштабе I : 100 натуральной величины.

Моделирование производилось с соблюдением основных критериев подобия. Масштаб напряжений

= ' ,г)

где , ^ - удельный вес, кН/м3 соответственно в натуре и на модели; глубина заложения выработки соответственно

в натуре и на модели, м.

В результате экспериментальных исследований были получены поля изоклин и азохром, по которым методом разности касательных напряжений, были определены главные напряжения 6~1 и 6~2 . Обработка экспериментальных данных проводилась на ЭВМ с использованием программы "Оптика".

Било выполнено сравнение результатов экспериментальных 1 исследований с результатами исследований методом конечного элемента я традиционным'методом теоретического определения напряжений в грунтовом массиве. '

Сравнение велось по четырем вертикальным сечениям: на расстояния 11,0 и от- края стены (соответствует зоне нена-. рушенного грунта), на расстоянии 6,0 м от края стены (в переходной зоне), на расстоянии 4,0 м от края стены ( на границе мевду зоной концентрации и переходной зоной) и вплотную к краю стены,(в зоне максимальной концентрации напряжений). Сравнение показало, что значения полученных различными методами напряжений в первом сечении отличается не более чем на Ъ%,

и J Л

ЕО втором сечении на 10%, в третьем сечении на 20$. Для четвертого сеченая эшоры напряжений, полученные экспериментально и методом конечных элементов, различаются не более чем на 20$, но наблюдается существенное увеличение напряжений £Гу и уменьшение напрянений (ЕГ^ по сравнении с напря- . кениями, полученными традиционными методами.

В четвертой главе описывается рекомендуемая методика проектирования тоннелей, сооружаемых траншейным способом- с использованием технологии "стена з грунте".

На основе анализа результатов теоретических и экспериментальных исследована! установлены закономерности распределения внутренних усили! С M , N , Q. ), главных 6ч и ^ осевых 6х л Бу напряжений, а такге смещений ( U , у ) в грунтовом массиве и конструкции обделки на всех этапах строительства тоннеля.- Это дало возможность разработать некоторые рекомендации по методике.расчета, а такие конструктивно-технологического характера. Поскольку величина внутренних усилий, напряжений и смещений на отдельных этапах строительства превышают соответствующие значения на стада эксплуатации, для учета действительной работы конструкции рекомендуется следующая методика расчета. Принимая за основу значения M > N и Q , полученные в результате расчета на стадия эксплуатации, выполнять дополнительные расчеты для каждого элемента и сечэния конструкции применительно к соответствующему этапу производства работ.

Рекомендалии по проектированию конструкции и технологии производства работ сводятся к следующим:

для снижения концентрации напряжений в подошве стен

и в местах сопряжения лотка со стенами рекомендуется устраивать местные ушреная: в зоне подопшы порядка (2-3) t , где t - толщина стены, е зоне лотка порядка (2-3) d¡_ , где - толщина лотка. Для ушарения стен мокно воспользоваться методами ушарзкия буровых свай дли струйной цеыенташей.

Для определения оптимальных размеров траншейных стен рекомендуется пользоваться номограммой (рис. 3), построенной по результатам теоретических исследований. Задаваясь толщиной стены ( t ), мояно определить величину максимального изгибающего момента ( М^^) л глубину заделки стены ( d ), или, наоборот, задавшись глубиной заделки стены ( d ), определяй. Мтах и толщину стены ( { ).

Рис. 3. Влияние геометрических параметров стены на её несущую

СПОСОбЕОСТЬ jrj

для обеспечения более равномерного распределения напряжений в сете нише перекрытий, средней стенки и лотка двухяро-летного тоннеля рекомендуется производить одновременное устройство перекрытий, разработку грунтового ядра и бетонирование лотка.Такая технологическая последовательность мояет быть принята при возмозшости ограничения двикения транспорта и пешеходов над строящимся тоннелем шш в течение использования временных мостов или сборно-разборных эстакад. '

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

I.Проанализированы конструктивно-технологические решения и методы расчета тоннельных обделок при строительстве транспортных тоннелей мелкого заложения траншейным способом с использованием технологии "стена в грунте" установлено, что традиционные методы расчета не учитывают влияние последовательности возведения тоннелей на калряненно-деформированное состояние системы- "обделка- грунтовый массив".

Для исследования взаимодействия грунтового массива и конструкций тоннелей мелкого заложения наиболее целесообразно использование метода конечных элементов, позволяющего учесть совместную работу конструкции с грунтом на различных этапах ее возведения.

2. С использованием метода конечных элементов проведены теоретические исследования взаимодействия тоннельной обделки с окружающим грунтовым массивом в упругой и упруго-пластической стадиях. Получено распределение горизонтальных и вертикальных напряженийх ЕГХ и 6у , главных напряжений и $2 , а также горизонтальных смещений и внутренних усилий.

г~

—1

В результате исследований и расчетов в упругой стадия определены:

а) типы и границы характерных зон, образующихся в грунтовом массиве вокруг конструкции тоннельной обделки; -

б) степэнь и характер влияния последовательности производства работ па формирование напряженно-деформированного состояния грунтового массива и конструкции тоннельной обделки;

в) изменение характера распределения изгибающих моментов, нормальных и. поперечных сия в сечениях обделки в зависимости от последовательности выполнения работ;

г) характер деформированного состояния грунтового массива на различных этапах строительства;

д) влияние геометрических: параметров стен (толщина стены и глубина заделки относительно уровня лотка) на величины изгибающих моментов в сечениях стены..

3.В результате исследований и расчетов в упруго-пластической стадии:

а) сопоставлены результаты расчетов в упругой и упруго-пластической постановке, что позволило выявить такие этапы строительства, для моделирования которых в зависимости от свойств грунта может не требоваться использование упруго-пластической модели расчета:

б) не внявлэны зоны пластических деформаций в грунтовом-массиве, влияющие на напряженно-деформированное состояние системы.

4.С использованием метода фотоупругости цроведены лабораторные экспериментальные исследования взаимодействия тоннельной обделки с грунтовым массивом на различных этапах строительства. Результатом исследований явилось:

а) подтверждение "оснозных выводов,полученных; на основе теоретических исследований методом конечшк элементов;

б) определение зоны влияния проходческих работ в грунто-

делами которой располагается область ненарушенного грунта.

5. На основе анализа результатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований:

а) разработана методика расчета конструкции тоннельной обделки, позволяющая определять максимальные значения внутренних усилий, возникающих на соответствующих этапах строительства тоннеля;

б) разработаны рекомендации конструктивно-технологического характера по уменьшению концентрации напрякенай в грунтовом массиве и элементах тоннельной-обделки;

в) разработаны рекомендации, направленные на повышение эффективности технологии за счет применения рациональной последовательности возведения тоннеля.

вом массиве в пределах изоклин'с параметром 0° (90°) , за'пре-