Выбор форм поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей

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 крепьюклассификации Викхама — RSR (1972) для крепления тоннелей металлической арочной крепьюклассификация Бартона — Q (1974) для крепления туннелей и больших камер с помощью более современных способов крепления таких, как например набрызгбетон в сочетание с анкерным креплениемклассификация 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 сих 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: соплощадь живого сечения туннеля, Нглубина заложения выработки, Хкоэффициент бокового давления,.

Еэфф/Ебетотношение эффективного модуля упругости горного массива к модулю упругости бетона, t/rотношение 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.