Прогноз сдвижений и деформаций массива горных пород и земной поверхности при сооружении городских тоннелей глубокого заложения

Актуальность темы

.

Мощные транспортные потоки современных мегаполисов, как известно, не позволяют ограничиться размещением последних в пределах наземной части городов. Освоение подземного пространства в густо застроенных районах, в свою очередь, тесно связано с проблемой охраны зданий и сооружений, подвергающихся влиянию горных работ, решить которую путем сноса или обхода строений не всегда представляется возможным.

Спецификой геомеханических процессов происходящих при сооружении городских скоростных подземных магистралей, зачастую проектируемых глубоким заложением в толще коренных пород, является возникновение больших по площади зон неравномерных осадок земной поверхности. Деформационные возмущения, достигая земной поверхности, образуют мульду сдвижений (оседаний), в пределах которой могут оказаться сооружения, представляющие индустриальную или историческую ценность. Обеспечение сохранности подобных объектов невозможно без достоверного прогноза сдвижений, возникающих на земной поверхности.

Существующие к настоящему времени методы прогнозного расчета сдвижений для условий глубокого заложения тоннелей не учитывают многих горногеологических факторов, влияющих на уровень деформационных возмущений, а их результаты плохо согласуются с натурными данными. Так, для некоторых объектов Санкт-Петербургского метрополитена расчетные значения осадок земной поверхности отличаются от фактических до сотен процентов. В методиках, оперирующих теоретическими решениями, наименее обоснованным следует признать выбор значений физико-механических свойств, характеризующих породный массив, в котором сооружается тоннель.

Таким образом, задачу разработки достоверного прогноза сдвижений на земной поверхности, возникающих при строительстве городских подземных сооружений, следует признать по-прежнему актуальной, особенно в свете наметившихся перспектив реализации генерального плана развития Санкт-Петербургского метрополитена.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с научным направлением кафедры Маркшейдерского дела и научно-техническими программами СПГГИ (ТУ): № Гос. Регистрации 01.20.11 155- № Гос. Регистрации 01.99.5 725.

Цель работыразработка методики прогнозного расчета сдвижений и деформаций массива горных пород и земной поверхности при строительстве городских подземных сооружений глубокого заложения, позволяющей учесть все основные горногеологические факторы.

Основная идея работы заключается в представлении сдвижений и деформаций в аналитических функциях на базе теоретических методов, учитывающем все значимые геомеханические эффекты, возникающие в подработанном тоннельными выработками массиве горных пород.

Задачи исследований:

• проанализировать и обобщить данные многолетних натурных наблюдений за сдвижениями, возникающими при проходке выработок метрополитена;

• изучить возможности применения теоретических решений механики сплошной среды для качественного и количественного анализа основных горногеологических факторов, влияющих на деформационные процессы в массиве горных пород при проходке в нем тоннелей;

• выявить и оценить влияние геомеханических эффектов, возникающих в породном массиве при проходке в нем подкрепляемых выработок, оставшихся за рамками рассмотрения теоретических подходов, и обосновать их учет в расчетах сдвижений;

• обосновать оценку физико-механических свойств реальных массивов, с использованием натурных данных исследований сдвижений горных пород;

• разработать методику расчета ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности при строительстве городских подземных сооружений глубокого заложения.

Методы исследований.

Для аналитического представления сдвижений в массиве применялись теоретические методы механики сплошной среды и, в частности, математической теории упругости, пластичности и ползучести.

Анализ некоторых закономерностей осуществлялся с применением математического моделирования геомеханических процессов на основе метода конечных элементов.

Для обработки данных натурных наблюдений и результатов моделирования использовались методы математической статистики.

Научная новизна работы.

Предложен и обоснован подход, позволяющий качественно, а в некоторых случаях и количественно, оценить влияние анизотропии горных пород, крепления и взаимовлияния выработок, физической нелинейности, объемных сил, свободной от нагрузок земной поверхности на величину сдвижений массива коренных пород, при проходке тоннелей глубокого заложения в нем.

Обоснована методика определения физико-механических свойств массива горных пород, позволяющая оценить деформационные характеристики реального массива по результатам натурных наблюдений за сдвижениями контура тоннеля.

Предложены аналитические подходы, позволяющие учесть в расчетах вертикальную несимметричность полей смещений, влияние близости забоя и подкрепления выработки.

Разработанная методика расчета сдвижений и деформаций массива, непосредственно прилегающего к проходимому тоннелю, основана на приближенном пространственном решении, учитывающем анизотропию горных пород и подкрепление выработки.

Установлен критерий, ограничивающий зону активных деформаций в мульде сдвижений на контакте четвертичных и коренных пород.

Обоснованность и достоверность научных результатов.

Обоснованность и достоверность научных положений, гипотез и принципов, изложенных в работе, обеспечивается использованием точных аналитических решений, большим объемом натурных и экспериментальных данных, удовлетворительной (в пределах погрешности исходных данных) сходимостью, расчетных и фактических, измеренных в натуре, значений сдвижений, как на земной поверхности, так и в горных выработках.

Практическая значимость работы:

Разработана методика расчета ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности, позволяющая обосновать выбор конструктивных мер охраны зданий и сооружений от вредного влияния, горнопроходческих работ, при строительстве городских подземных сооружений, а также оценить влияние типа подкрепления, близости забоя, глубины и взаимовлияния выработок на величины сдвижений подрабатываемого массива, при обосновании выбора горных мер охраны. Аналитическая связь всех параметров сдвижения позволяет, посредством привлечения данных текущих маркшейдерских замеров, осуществить корректировку прогнозных значений сдвижений, уже в процессе проходки.

Реализация результатов научной работы.

Элементы предложенной методики прогнозного расчета сдвиженийприменялись при проведении оценочных изысканий маркшейдерской службы ОАО «Метрострой» в 2001 г. на стадии возобновления строительно-монтажных работ по станции «Комендантский проспект». В апреле 2002 г. производилась оценка предполагаемого уровня развития сдвижений на земной поверхности от сооружения тоннелей аварийного участка «Лесная"-"Пл.Мужества» на начальном этапе проходки 1-ого перегонного тоннеля;

Результаты работы используются в учебном процессе при чтении лекций и проведении практических занятий для студентов специальности 90 100 — «Маркшейдерское дело» по дисциплинам «Геомеханика. Сдвижение и деформации горных пород» и «Маркшейдерское обеспечение безопасности горных работ».

Разработанную методику расчета планируется внедрить в практику прогнозных расчетов сдвижений и деформаций земной поверхности, выполняемых при проектировании новых городских подземных сооружений.

Апробация работы :

Основные положения, изложенные диссертации, докладывались на трех Всероссийских научных конференциях молодых ученых в СПГГИ (ТУ) «Полезные ископаемые России их освоение» (1999;2002 г. г.), на конгрессе: «Сохрани себя и планету». Научные и прикладные проблемы экологии (2003 г.), а также на заседаниях кафедры Маркшейдерского дела СПГГИ (ТУ) в 1999;2003 г. г.

Личный вклад автора заключается в постановке целей и задач исследований, участия в натурных замерах, сборе, обработке и обобщении эмпирических данных, анализе и трансформации теоретических решений, представленных в диссертации.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 8 статей.

Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 265 стр., содержит 122 рис., 7 табл., библиографию из 150 наименований и приложения.

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю проф., д.т.н. В. Н. Гусеву за всемерную поддержку, профессорам Р. Э. Дашко, Л. К. Горшкову, А. Г. Протосене, А. К. Черникову и доценту Н. Ф. Донсулу за ценные советы и внимание к работе.

Выводы по главе.

Горно-геологические условия сооружения объектов Санкт-Петербургского метрополитена весьма разнообразны, однако подавляющее большинство из этих объектов, представленных главным образом горизонтальными выработками круглого сечения, располагаются в необводнённой и устойчивой толще протерозойских глин. Станции метрополитена Санкт-Петербурга преимущественно запроектированы глубоким заложением (40−80 м) с таким расчётом, чтобы обеспечить достаточную мощность коренных пород над сводами выработок. Верхнепротерозойские осадочные отложения повсеместно залегают на породах кристаллического фундамента, и представлены двумя горизонтами: нижним — гдовским (PR.3gd) и верхнимкотлинским горизонтом (PR3kt). Физико-механические испытания образцов протерозойских глин показали, что глины проявляют свойства сильной анизотропии, значение модуля упругости при приложении нагрузки параллельно слоистости ?/ в 2.5−3 раза больше: значения модуля упругости при приложении нагрузки перпендикулярно слоистости Е2. Верхняя пачка протерозойских пород представлена сильно трещиноватым и обводнённым слоем, перемятых гляциотекгонической (ледниковой) деятельностью, глин, имеющим пониженные прочностные и деформационные характеристики. Выше этого слоя располагаются обводненные неустойчивые горные породы четвертичного периода. Отложения четвертичного периода имеют повсеместное распространение. Они залегают на размытой поверхности котлинских глин. Мощность этих отложений колеблется в широких пределах и находится в прямой зависимости от рельефа поверхности подстилающих пород и форм современного рельефа и изменяется в пределах города Санкт-Петербурга от 30 до 125 м. Строение толщи весьма сложное.

Указанные горно-геологические особенности позволяют применить изложенный в главе 4 общий подход к разработке методики расчета сдвижений для горно-геологических условий сооружения тоннелей в Санкт-Петербурге.

Оценка влияния основных факторов, определяющих величины сдвижений показала, что влияние анизотропии горных пород, крепления и взаимовлияния выработок, а также близости забоя на распределение сдвижений и деформаций в массиве коренных пород, при проходке в нем тоннелей метрополитенов глубокого заложения, весьма существенно. Приращения по смещениям при учете данных факторов превышают уровень, определяемый погрешностью исходных данных.

Влиянием физической нелинейности, объемных сил, свободной от нагрузок земной поверхности и неоднородности породной толщи над выработками можно пренебречь в расчетах сдвижений. Их влияние на величины сдвижений не выходит за рамки уровня 20%.

Наиболее целесообразным вариантом базового аналитического решения для теоретического представления процессов сдвиженй следует признать решение С. Г. Лехницкого в смещениях (в варианте плоской деформации) для трансверсальной полуплоскости, ослабленной отверстием заполненным сплошным ядром. Трансформирование точного решение С. ГЛехницкого путем ввода корректирующих изменений, основывающихся на эмпирических данных, позволяет разработать инженерный метод расчета сдвижений. Обоснование указанных трансформаций осуществлено на основе предложенных в п. 4.2 феноменологических подходов к описанию некоторых характерных геомеханических явлений. Полученное таким образом приближенное пространственное решение задачи в сдвижениях для случая проходки одиночной тоннеля (справедливое лишь для области массива вблизи выработки) позволяет рассчитать основные параметры мульды сдвижения на земной поверхности. Решение это получается при помощи ввода дифференцированных по сечениям вдоль оси тоннеля деформационных характеристик сплошного ядра, аппроксимирующего крепь выработки. Подбор указанных характеристик осуществляется с расчетом на моделирование всех стадий проходки подкрепляемой тоннельной выработки.

Оценка физико-механических свойств массива протерозойских пород на основе решения обратной задачи с использованием натурных данных по величинам фактических сдвижений, замеренным на объектах сооружаемых в аналогичных горно-геологических условиях показала, что величина модуля деформации должна находится в пределах ?=80−120 МПа, а коэффициента Пуассона /х=0.25−0.45.

Рассматривая двухслойную расчетную схему необходимо выразить все основные параметры мульды сдвижения в уровне контакта двух толщь (четвертичной и протерозойской). Весь расчет делится на два основных этапа. В первом, на основе скорректированного аналитического решения в смещениях, учитывающего все основные факторы и достоверных исходных данных (в том числе и деформационных свойствах пород), определяются основные параметры мульды сдвижения на контакте коренных и четвертичных отложений (к основным параметрам мульды сдвижений относятся: максимальное оседание итах, длина полумульды L0 (рсг) и площадь мульды сдвижения S). Во втором, определяются величины полумульд и строится сама мульда сдвижений земной поверхности на базе метода типовых кривых.

Отсутствие четких границ мульд в скорректированном теоретическом решении С. Г. Лехницкого, как и в любом другом теоретическом решении, не позволяет рассчитать (строго ограничить) длину полумульды и площадь мульды на контакте толщ, являющихся основой для применения метода типовых кривых. В качестве граничного критерия для мульды сдвижения на контакте коренной и четвертичной толщь, определяющего длину данной полумульды, для горно-геологических условий сооружения тоннелей глубокого заложения в Санкт-Петербурге принято значение кривизны указанной мульды определяемого выражением вида: кГ = В-еА, где Асоотношение мощностей коренной и четвертичной толщь над выработкой.

Апробация разработанной методики прогнозного расчета сдвижений на объектах Санкт-Петербургского метрополитена, строительство которых завершено показала, что практически во всех случаях различие расчетных и фактических значений сдвижений не превышает %.

Заключение

.

Существующие методы прогнозного расчета сдвижений и деформаций земной поверхности возникающих в следствии ведения горнопроходческих работ для условий глубокого заложения тоннелей не учитывают многих горно-геологических факторов, влияющих на уровень деформационных возмущений, а их результаты плохо согласуются с натурными данными. Так, для некоторых объектов Санкт-Петербургского метрополитена расчетные значения оседаний земной поверхности отличаются от фактических до сотен процентов.

В свете наметившихся перспектив реализации долгосрочных планов развития метрополитена в Санкт-Петербургского и других городах задача разработки методики достоверного прогноза сдвижений на земной поверхности, возникающих при строительстве городских подземных сооружений, следует признать весьма актуальной.

Анализ и обобщение данных многолетних натурных наблюдений за сдвижениями, возникающими при проходке выработок метрополитена, осуществление численного моделирования процессов сдвижения и деформации породного массива, а также использование теоретических решений механики сплошной среды позволили разработать на их основе методику расчета ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности при строительстве городских подземных сооружений глубокого заложения.

Для обоснования выбора исходного аналитического решения, применяемого в прогнозной методике, предложен подход, базирующийся на теоретических решениях механики сплошной среды, призванный дать оценку основным горно-геологическим факторам влияющим на деформационные процессы в массиве горных пород при проходке в нем тоннелей. Данный подход позволяет качественно и количественно оценить влияние анизотропии и ползучести горных пород, крепления и взаимовлияния выработок, физической нелинейности и неоднородности массива, объемных сил, свободной от нагрузок земной поверхности на величину сдвижений массива при проходке выработок глубокого заложения в коренных породах;

Предложенные феноменологические подходы позволили (на базе эмпирических данных) аналитически учесть некоторые особенности геомеханических процессов оставшихся за рамками теоретических решений, таких как: вертикальная несимметричность полей смещений, близость забоя и образование последовательного подкрепления выработки.

Разработанная методика расчета ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности позволяет, не только определить основные параметры мульды сдвижения, но и построить прогнозный контур мульды, с учетом анизотропии горных пород, крепления и взаимовлияния выработок, а также близости забоя выработки. Она позволяет учесть в расчетах анизотропию осадочных горных пород, наличие как постоянной, так и временной крепи тоннеля в трехмерной постановке. Имеется возможность учета ползучести горных пород в раках метода переменных модулей.

Изложенный в работе способ определения обобщенных физико-механических характеристик массива позволяет оценить реальные деформационные характеристики массива по результатам натурных наблюдений за смещениями.

Сравнительный анализ расчетных показателей сдвижений полученных с применением предлагаемой методики и фактических сдвижений определенных в натуре показал, что разница в большинстве рассмотренных случаев не превышает уровня, определяемого точностью исходных данных для предрасчета.

Указанное обстоятельство позволяет рекомендовать данную методику для осуществления прогнозных расчетов сдвижений в проектно-изыскательских работах, в том числе и для оценки влияния типа подкрепления, близости забоя (длины заходки и скорости проходки), глубины и взаимовлияния выработок на величину сдвижений и деформаций подрабатываемого массива в прцессе обоснования выбора горных мер охраны зданий и сооружений.

Комплексная задача формирования методологии расчетов сдвижений и деформаций массива горных пород и земной поверхности, возникающих при строительстве городских подземных объектов, разумеется, не может быть охвачена полностью в данной работе, однако в решении одной из важнейших её подзадач как представляется здесь уже имеются реальные результаты.

Наиболее перспективными направлениями в области исследований геомеханики сдвижений следует признать те, что опираются на более широкое внедрение численных методов, таких как метод конечных элементов, метод граничных элементов и их смешанных производных, особенно для моделирования процессов проходки выработок станционных комплексов в пространственной постановке.

В области аналитических методов расчета сдвижений как наиболее перспективные можно отметить подходы позволяющие определять обобщенные физико-механические характеристики массивов по фактическим сдвижениям (обратная задача) измеренным на объектах аналогах. В качестве таких объектов практически всегда имеется возможность выбрать те выработки станционных комплексов, проходку которых возможно осуществить в первую очередь, используя их в качестве экспериментальных.