Геомеханическое прогнозирование процессов деформирования и разрушения обделки тоннелей в технологии микротоннелирования

Технология микротоннелирования, как самая современная наукоёмкая технология подземного строительства, за тридцатилетний период развития значительно расширила область своего применения: от прокладки трубопроводов малого диаметра без присутствия людей на небольших глубинах и в слабых грунтах до проходки тоннелей большого диаметра до 4,5 м с присутствием людей в скальных породных массивах по трассам глубокого заложения с большой протяженностью и со сложной траекторией. Можно утверждать, что технология микротоннелирования сегодня находится на новом этапе развития. За последние годы расширилась практика микротоннелирования и в России. По состоянию на 2004 г. в России работало более 40 микротоннелепроходческих комплексов, из них 24 комплекса диаметром от 0,4 м до 2,0 м в г. Москве. Если в 2000 г. сооружалось 3 км тоннелей по технологии микротоннелирования, то в 2004 г.- 15 км.

Мировая практика свидетельствует о том, что применение технологии микротоннелирования в более сложных горно-геологических условиях потребовало создания новой техники: разрушающих механизмов по скальным породам, мощных домкратных установок, более совершенных навигационных систем управления проходческими комплексами. Совершенно очевидно, что при проходке по жёстким скальным породам на криволинейных трассах значительно возрастают монтажные продольные нагрузки на обделку от воздействия домкратных установок.

Как показывает практика микротоннелирования, в том числе и российская, стали более частыми случаи разрушения обделки от воздействия монтажных нагрузок. Основная причина таких аварийных ситуаций состоит в том, что конструктивные решения обделок неадекватно отражают фактические условия их нагружения, так как существующие нормы проектирования обделок построены на идеализированных схемах нагружения и в этом смысле отстают от развития техники микротоннелирования. Отсюда необходимо проведение специальных научных исследований как теоретического, так и экспериментального характера, которые бы объясняли особенности деформирования и разрушения обделки при микротоннелировании в жёстких скальных породах, на больших глубинах, по криволинейным трассам большой протяжённости, т. е. в горно-геологических условиях, характеризующих новый этап развития и применения технологии микротоннелирования. С этой точки зрения тема диссертационных исследований является актуальной.

Цель работы состоит в геомеханическом обосновании методики прогнозирования усилий продавливания, напряжённого состояния и особенностей разрушения обделки при микротоннелировании с конечным выходом на разработку рекомендаций по конструированию обделки.

Идея работы заключается в том, что при развороте обделки на криволинейных участках микротоннелирования в жёстких скальных породах и её деформировании совместно с окружающим породным массивом со стороны последнего возникают значительные по величине поперечные реактивные нагрузки, которые превосходят нагрузки от горного давления и в конечном итоге могут быть причиной разрушения обделки.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

1. Деформированное состояние породного массива и обделки, возникающее при её развороте на криволинейных участках микротоннелирования, увеличивает дополнительные монтажные усилия продавливания не более чем на 30%, в то время как без учёта этих деформаций увеличение усилий продавливания может достигать 70%.

2. Напряжённо-деформированное состояние породного массива, обделки и определяющие их монтажные усилия продавливания на криволинейных участках микротоннелирования нелинейно возрастают с увеличением отношения модуля деформации массива Еи к модулю деформации бетона обделки Ес, при этом наибольшая тенденция увеличения этих параметров наблюдается в диапазоне изменения указанного отношения О <�ЕЛ1/Еб <0,01.

3. Основные параметры продавливания (лобовое сопротивление забоя Р0, удельное сопротивление трения на прямолинейных участках q и дополнительные усилия продавливания на криволинейных участках Р2 микротоннелирования) могут быть определены по специально разработанной методике экспериментальных замеров давлений в главной и промежуточной домкратных станциях на первом прямолинейном и следующим за ним криволинейном участках микротоннелирования.

4. Прогнозные оценки напряжённого состояния обделки и её разрушения свидетельствуют о том, что определяющими прочность обделки являются монтажные продольные нагрузки и возникающие от их воздействия реактивные поперечные нагрузки на обделку со стороны породного массива при её развороте, которые могут быть причиной образования трещин, наклонных к продольной оси обделки, и смятия торцевых сечений, а также образования продольных трещин на внутренней поверхности в боках обделки, что подтверждается экспериментальными исследованиями на объектах микротоннелирования.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждается:

• использованием апробированных методов геомеханики и механики подземных сооружений для определения напряжённо-деформированного состояния породного массива, обделки и особенностей разрушения обделки тоннелей;

• удовлетворительной сходимостью (с погрешностью не более 10%) прогнозных расчётных оценок усилий продавливания с фактически измеренными;

• сходимостью прогнозных оценок разрушения обделки с фактически наблюдаемыми при микротоннелировании;

• положительными результатами внедрения рекомендаций по расчёту арматурных каркасов в практику проектирования железобетонных обделок в России.

Методы исследований: анализ и обобщение существующего опыта проектирования и производства работ при микротоннелированиитеоретические исследования усилий продавливания и напряженно-деформированного состояния породного массива и обделки методами геомеханики и механики подземных сооруженийэкспериментальные исследования на объектах микротоннелированиярасчётное обоснование арматурных каркасов железобетонных обделок.

Научное значение работы заключается в развитии существующих представлений о геомеханических процессах, формирующих реактивные поперечные нагрузки на обделку со стороны породного массива при её развороте на криволинейных участках микротоннелирования.

Практическое значение работы состоит в разработке методики прогнозирования усилий продавливания, напряженно-деформированного состояния и особенностей разрушения обделки при микротоннелировании.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты работы реализованы в расчётном обосновании несимметричных арматурных каркасов железобетонных обделок диаметром 1200, 1500, 2000 мм, выпускаемых ООО «Завод специальных железобетонных труб».

Апробация работы. Результаты работы обсуждались в сентябре 2005 г. на семинаре Российского общества по внедрению бестраншейных технологий, на семинарах в учебно-исследовательском центре «Геомеханика» МГГУ и на заседаниях кафедры ФГПиП МГГУ в 2004 и 2005 г. г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано пять работ.

Объём работы. Работа состоит из введения, четырёх глав и заключения, содержит список литературы из 54 наименований, 23 рисунка и 19 таблиц.

Основные выводы, следующие из проведенного анализа:

1. Определяющими при расчёте обделки являются монтажные нагрузки (их величина и эксцентриситет приложения), возникающие при входе в первый от стартовой шахты криволинейный участок, когда головная секция проходческого комплекса находится у выхода в приемную шахту.

2. Величина указанных монтажных нагрузок и возникающих при их воздействии на элемент обделки компонентов напряжений существенным образом зависит от соотношения деформационных характеристик обделки и окружающего породного массива.

Поэтому для последующего анализа будем рассматривать монтажные нагрузки, действующие на задний торец 35 элемента обделки (строка 16 в таблице 2.1), в зависимости от соотношения модулей деформации породного массива ?" и железобетонной обделки Е0 в виде —1-=0,001- 0,005- 0,01- 0,05;

Ео.

0,1, где первое значение соответствует рассмотренному выше расчетному случаю с ?"=20 МПа и =20 000 МПа, коэффициенты Пуассона остаются неизменными //"=0,3, //с=0,2. При этом с увеличением жесткости породного массива будем принимать соответственно увеличивающийся коэффициент трения породы по бетону /лтр=0,3- 0,35- 0,40- 0,45- 0,5 и возрастающее удельное сопротивление трения д =0,003- 0,01- 0,02- 0,03- 0,05 (МПа), где.

71 первые значения цтр= 0,3 и q =0,003 МПа соответствуют рассмотренному выше расчётному случаю. Для вычисления коэффициентов податливости массива Д = рм по формуле (2.8) принимаем модуль деформации массива соответственно принятому отношению модулей Е’Уе пРи неизменном модуле деформации бетона £й =20 000 МПа. Тогда в расчётах рм принимаем ?"=20- 100- 200- 1000- 2000 МПа и соответственно получим Д, = 490−10″ 4- 98-Ю" 4- 49-Ю" 4- 9,8-Ю" 4- 4,9−10″ 4 (м/МПа). Для железобетонной обделки коэффициент податливости Д = Д =24,4−10″ 4 (м/МПа). Отношение соответствующих коэффициентов податливости -^-=0,05- 0,25- 0,5- 2,5- 5.

Рм.

Далее в зависимости от величины отношений модулей деформации —1- и.

Е6 коэффициентов податливости были вычислены: максимальное усилие.

Рм продавливания Р [МН]- усилие в заднем стыке Рт [МН] 35 элементасреднее напряжение в заднем стыке <х0 [МПа] 35 элементаабсолютный эксцентриситет X [м] монтажной нагрузки в заднем стыке 35 элементамаксимальное напряжение сжатия сг:[тх [МПа] 35 элементамаксимальное радиальное напряжение еггпшх [МПа] на контакте 35 элемента с породным массивоммаксимальные окружные растягивающие напряжения <�х01гах [МПа] в торцевом и среднем сечении 35 элементамаксимальные осевые сжимающие и растягивающие напряжения <�гг1ШХ [МПа] в среднем поперечном сечении 35 элемента обделки. Результаты расчетов сведены в таблицу 2.2 и графически представлены на рис. 2.3, б- 2.5, а и б- 2.6, а и б- 2.7, а и б.

Заключение

.

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой изложены научно обоснованные технические решения по прогнозированию геомеханических процессов деформирования и разрушения обделки в технологии микротоннелирования, имеющие существенное значение для повышения экономической эффективности подземного строительства.

Основные научные выводы и практические результаты заключаются в следующем:

1. Современный этап развития технологии микротоннелирования характеризуется проходкой тоннелей большого диаметра (до 4,5 м) с присутствием людей, в скальных грунтовых массивах по трассам глубокого заложения до (25 м), большой протяжённости и со сложной криволинейной траекторией.

2. Разработаны геомеханически обоснованные рекомендации по определению усилий продавливания на криволинейных трассах микротоннелирования, учитывающие совместное деформирование породного массива и обделки при её развороте.

3. Напряжённо-деформированное состояние элементов обделки на криволинейных участках существенным образом зависит от соотношения жёсткости обделки и окружающего породного массива и увеличивается с увеличением отношения модуля деформации массива Ем к модулю деформации бетона Еб: в этом смысле при отношении Ем/ Еб<0,01 окружающий массив можно характеризовать как грунтовой, при отношении Ем/ Еб>0,01 — как скальный.

4. Разработаны методические рекомендации по прогнозированию разрушений обделки от воздействия продольных монтажных нагрузок, поперечных эксплуатационных нагрузок и при совместном действии этих нагрузок, при этом установлено, что определяющими являются продольные монтажные нагрузки.

5. По прогнозным оценкам наиболее вероятная локализация и характер разрушений обделки: образование наклонных к продольной оси обделки трещин и смятие в торцевых поперечных сеченияхобразование продольных и наклонных трещин на внутренней поверхности в боку обделки.

6. Разработаны методические рекомендации по определению основных параметров продавливания на основании экспериментальных данных по замерам усилий, развиваемых в основной и промежуточной домкратных установках на объектах микротоннелирования.

7. Сформулированы рекомендации по экспериментальным наблюдениям за разрушением обделки на объектах микротоннелирования.

8. Разработаны рекомендации по расчёту продольной и поперечной спиральной арматуры железобетонных обделок при проектировании арматурных каркасов с несимметричным армированием.

9. Рекомендации по расчёту арматурных каркасов внедрены в практику проектирования железобетонных обделок, производимых в России, что позволяет одновременно снизить материалоёмкость обделок и вероятность аварийных ситуаций.