Геомеханическое обоснование нагрузок на обделку тоннелей в технологии микротоннелирования

Как свидетельствует мировая практика, технология микротоннелирования, которая несомненно относится к наукоемким «высоким» технологиям подземного строительства, за тридцатилетний период существования значительно расширила область своего применения: от безлюдной технологии сооружения тоннелей малого диаметра до сооружения тоннелей большого диаметра с присутствием людей. Технология микротоннелирования — это сооружение тоннелей с помощью специальных дистанционно управляемых механизированных проходческих комплексов и специальной обделки тоннелей, задавливаемой вслед за подвиганием комплексов. На сегодняшний день технология микротоннелирования при постоянном совершенствовании конструкций проходческих комплексов и обделки тоннелей превратилась в наиболее универсальную технологию подземного строительства: возможность сооружения тоннелей любого диаметра и по любым породам, в том числе неустойчивым и водонасыщенным, в условиях плотной городской застройки с минимальными деформациями земной поверхности и размерами строительной площадки при полной механизации и автоматизации всех горно-строительных работ, что обеспечивает высокие темпы строительства с минимальной численностью обслуживающего персонала при минимальном воздействии на окружающую среду, наземные сооружения и объекты.

Следует заметить, что технология микротоннелирования зародилась с развитием технического прогресса как некая альтернативная технология специальным способам городского подземного строительства (водопонижение, кессонная проходка, замораживание, искусственное укрепление грунтового массива и др.) и на сегодняшний день в мировой практике практически вытеснила эти специальные способы.

Перечисленные достоинства технологии микротоннелирования проявляются только при определенном сочетании и взаимодействии двух основных проходческих операций — разработки забоя и крепления тоннеля, которые достигаются специальным конструктивным исполнением проходческого комплекса и обеспечивают устойчивость тоннеля, в том числе его герметичность, проходческого забоя, перекрывающего массива и земной поверхности. С позиций геомеханического состояния окружающего породного массива технология микротоннелирования ограничивает до безопасного (устойчивого) уровня развитие геомеханических процессов в массиве как на период сооружения, так и на период эксплуатации тоннеля. Необходимо обратить внимание на то, что специальные способы подземного строительства (замораживание, водопонижение, кессонная проходка) ограничивают нежелательное развитие геомеханических процессов только на период сооружения тоннеля.

Отличительная особенность микротоннелирования заключается в том, что обделка, передавая продольные усилия от домкратной установки на проходческую машину, активно участвует в разработке забоя. Таким образом, технологические задачи обделки гораздо шире, чем при традиционной щитовой проходке, когда элементы обделки монтируются под защитой проходческого щита. Однако с расширением технологических задач обделки при микротоннелировании увеличиваются и нагрузки на ее элементы: особенно возрастают продольные монтажные нагрузки на обделку, передаваемые домкратной установкой, и в конечном итоге становятся определяющими при увеличении длины проходки и кривизны трассы тоннеля по сравнению с поперечными эксплуатационными нагрузками. Более того, монтажные продольные нагрузки, зависящие от усилий трения по контакту боковой поверхности обделки и породного массива, определяются контактными напряжениями, т. е. определяются поперечными эксплуатационными нагрузками, в основном нагрузками от «горного давления», которые, как показывает практика, нелинейно зависят от глубины заложения тоннеля. Таким образом, расширение области применения технологии микротоннелирования, например по сравнению с щитовой проходкой, сопровождается ростом монтажных нагрузок на тоннельную обделку, которые находятся в сложной функциональной зависимости от эксплуатационных нагрузок. Отсюда, становится очевидным усиление требований к точности и корректности определения этих нагрузок, определяющих конструктивное исполнение обделки тоннелей.

Учитывая изложенное, следует констатировать, что наблюдаемый прогресс в конструировании проходческих механизированных комплексов, который в большей степени сводится к разработке новых конструктивных решений проходческих машин и их автоматизации и в меньшей — к разработке новых конструкций обделки, существенно опережает разработку нормативно-методической базы, регламентирующей определение нагрузок на элементы обделки. В основе таких нормативно-методических разработок должны лежать исследования геомеханических процессов в окружающем породном массиве, определяющие условия взаимодействия массива и обделки, т. е. в конечном итоге эксплуатационные и монтажные нагрузки на обделку. В этом смысле тема диссертационных исследований является актуальной.

Цель работы состоит в геомеханическом обосновании и разработке методики определения нагрузок на обделку тоннелей при микротоннелировании как основы для последующего создания нормативной базы по конструированию обделки.

Идея работы заключается в том, что обделка в технологии микротоннелирования, предполагающей минимизацию строительного зазора и заполнение его бентонитовым раствором, деформируется в стесненных условиях совместно с окружающим породным массивом, что предопределяет использование расчетной схемы, построенной на конечно-элементной модели обделки и породного массива, адекватно отражающей технологические особенности микротоннелирования и геомеханические процессы формирования нагрузок на обделку.

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

1. Поскольку технологический регламент микротоннелирования изначально предусматривает практически безосадочную для земной поверхности проходку тоннелей, расчетная схема для определения нагрузки от горного давления должна быть построена из условия недопустимости геомеханических процессов образования в окружающем породном массиве области предельного равновесия.

2. Кривизна трассы, возникающая по непредусмотренным проектом горногеологическим условиям, может привести к такой же реализации реактивных геомеханических процессов и соответственно увеличению монтажных нагрузок на обделку, что и на криволинейной трассе, первоначально заложенной в проектных решениях.

3. Нагружение обделки в условиях взаимовлияющих деформаций с породным массивом и возникающих при этом на внешней поверхности обделки контактных нормальных и касательных напряжений приводит к увеличению сжимающих усилий в лотке и своде обделки, учет которых позволяет существенно снизить металлоемкость поперечных арматурных каркасов железобетонной обделки при сохранении ее прочности и трещиностойкости.

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

— использованием апробированных методов геомеханики и механики подземных сооружений для определения нагрузок на обделку тоннелей;

— сходимостью полученных результатов с результатами других авторов и данными производственных наблюдений;

— положительными результатами внедрения расчетных рекомендаций в практику проектирования железобетонных обделок для микротоннелирования.

Методы исследований: анализ и обобщение существующего опыта проектирования и производства работ при микротоннелированиитеоретические исследования нагрузок на обделку методами геомеханики и механики подземных сооруженийрасчеты и обоснование конструктивных решений арматурных каркасов железобетонных обделок.

Научное значение работы состоит в дальнейшем развитии существующих представлений о геомеханических процессах формирования нагрузок на обделку тоннелей, сооружаемых по технологии микротоннелирования.

Практическое значение работы заключается в разработке методики определения нагрузок на обделку тоннелей, сооружаемых с использованием технологии микротоннелирования.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты работы реализованы в виде расчетного обоснования конструктивных решений железобетонных труб диаметром 600, 800, 1000, 1200 и 1500 мм, выпускаемых ООО «Завод специальных железобетонных труб» .

Апробация работы. Результаты работы обсуждались в сентябре 2003 и 2004гг. на семинарах Российского общества по внедрению бестраншейных технологий и на заседаниях кафедры ФГПиП МГГУ в 2003 и 2004 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликованы три работы.

Объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит список литературы из 70 наименований, 14 рисунков и 37 таблиц.

Заключение

.

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой изложены научно обоснованные технические решения по геомеханическому обоснованию нагрузок на обделку тоннелей в технологии микротоннелирования, имеющие существенное значение для повышения экономической эффективности городского подземного строительства.

Основные научные выводы и практические результаты заключаются в следующем.

1. Предложены расчетная схема и конечно-элементая модель совместного деформирования обделки и породного массива при микротоннелировании, адекватно отражающие особенности формирования нагрузок на обделку тоннелей.

2. Разработана методика определения эксплуатационных поперечных нагрузок от горного давления на обделку, учитывающая все компоненты главных напряжений при анализе развития в окружающем породном массиве области предельного равновесия.

3. Получены расчетные выражения и построены графические зависимости для определения коэффициента уменьшения нагрузки от горного давления на обделку при увеличении отношения глубины заложения кровли Н к диаметру выработки D для различных типов грунтов, из которых следует, что глубину заложения H=2D в первом приближении можно считать критической, меньше которой расчеты нагрузки следует производить, исходя из веса полного столба породного массива до земной поверхности.

4. Разработана методика определения монтажных продольных нагрузок на элементы обделки, учитывающая кривизну трассы микротоннелирования, заложенную в проектные решения или возникающую по технологическим причинам.

5. На криволинейных участках трассы продольные монтажные нагрузки имеют внецентренное приложение, т. е. характеризуются величиной нагрузки и эксцентриситетом ее приложенияпричем, эксцентриситет увеличивается с уменьшением радиуса кривизны трассы, величины нагрузки и с увеличением длины элемента трубчатой обделки, ее диаметра и жесткости конструктивных материалов обделки.

6. Усилия продавливания, развиваемые домкратной установкой и формирующие монтажные нагрузки на элементы обделки, резко увеличиваются при входе в криволинейный участок трассы и выходе из негопри этом, увеличение усилий продавливания тем больше, чем ближе криволинейный участок трассы к домкратной установке.

7. Реализация расчетных рекомендаций по определению нагрузок на обделку тоннелей при микротоннелировании, как показывают результаты их внедрения в практику проектирования железобетонных обделок, производимых в России, позволяет разработать более рациональную конструкцию обделки как в отношении ее последующей безаварийной эксплуатации, так и в отношении материалоемкости, т. е. стоимости.