CC BY
6
10. Features of explosive loosening at increased deceleration intervals / E. B. Shev-kun, A.V. Leshchinsky, Yu. A. Lysak, A. Yu. Plotnikov // Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2017. No. 4. pp. 272-282.
11. Thermite composition for the destruction of oversized pieces of rocks and non-metallic building structures: pat. No. 2660862 C1 of the Russian Federation. No. 2017146202; application 27.12.2017: publ. 10.07.2018.
12. GOST 21153.1-75 Mountain rocks Method for determining the strength coefficient according to Protodyakonov. Put into effect by the resolution of the State Standards Committee of the Council of Ministers of the USSR of September 25, 1975 N 2491: date of introduction 1976-07-01. - URL: https://docs.cntd.ru/document/1200023972 (accessed: 24.10.2019).
УДК 624.19.034.5
ГЕОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ЗОНЫ УКРЕПЛЕННЫХ ПОРОД НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ ОБДЕЛКИ ПОДВОДНОГО ТОННЕЛЯ
И.Ю. Воронина, А.С. Саммаль, К.Е. Залесский
Предлагается подход к оценке напряженно-деформированного состояния и несущей способности монолитных обделок подводных тоннелей, сооружаемых с применением укрепительной цементации окружающего грунтового массива который позволяет определять необходимые параметры подземных конструкций на основе построения границ областей их применения. С целью реализации разработанных теоретических положений использовано оригинальное аналитическое решение соответствующей плоской задачи теории упругости, реализованное в виде компьютерной программы.
Ключевые слова: подводные тоннели, инъекционное укрепление пород, обводненный массив, метод расчета, напряженное состояние, область применения конструкции.
В настоящее время в Российской Федерации прорабатываются вопросы практической реализации стратегии развития железнодорожной инфраструктуры Сибири и Дальнего Востока, предусматривающие, в том -числе строительство транспортного перехода на остров Сахалин. В качестве одного из вариантов пересечения пролива Невельского рассматривается возобновление на новом техническом уровне проекта сооружения подводного тоннеля, экономическое обоснование которого выполнено еще в 1950. г [1 - 3].
Одним из перспективных способов повышения несущей способности подводных подземных сооружений является инъекционное укрепление окружающего массива с целью создания вокруг выработок зон, в которых существенно повышаются однородность, водонепроницаемость и прочность грунтов. При этом повышение деформационных характеристик в зо-
нах укрепленных пород способствует перераспределению внешних воздействий в геомеханической системе «крепь-массив», создавая условия для принятия более экономичных проектных решений, в том числе - к уменьшению толщины подземных конструкций [4 - 6].
В Тульском государственном университете в течение ряда лет проводятся исследования [7, 8], направленные на разработку теории и новых аналитических методов расчета обделок подводных тоннелей произвольного поперечного сечения, в том числе - с целью обоснованной оценки влияния зоны укрепленных пород на несущую способность и область применения подземных конструкций.
В основу предлагаемого метода положено соответствующее решение плоской контактной задачи теории упругости для полубесконечной весомой линейно-деформируемой среды 50, моделирующей массив пород, ослабленной некруговым отверстием, подкрепленным двухслойным кольцом £ 1 + 52, моделирующим соответственно зону укрепленных пород в
окрестности тоннельной выработки (область 51) и обделку тоннеля (область 5 2). Действие давления воды на дно пересекаемого водоема моделируется равномерно распределенной по всей границе полуплоскости нагрузкой интенсивностью Р. Расчетная схема приведена на рис. 1.
Рис. 1. Расчетная схема
При построении расчетной модели учитывается, что равномерная нормальная нагрузка Р вызывает в полубесконечной среде 50 однородное напряженное состояние [9].
(0)( 0,1) = а(0)( 0,0 = р = _у , (1)
а
X
'X
где у„ - удельный вес воды, МН/м3; Н„ - глубина водоема, м.
Собственный вес грунта моделируется полем начальных напряжений
4°>(0,2) - У), о» = -у(Н - у), т^2» = 0 (2)
здесь X - коэффициент бокового давления пород в ненарушенном массиве,
у - удельный вес пород, МН/м3; МН/м3 (в случае обводненного массива
~ у
вместо у применяется параметр у = —'—, определяемый с учетом измене-
1 + 8
ния удельного веса обводненных пород вследствие влияния взвешивающего действия воды [7], где 8 - коэффициент пористости водонасыщенных пород), Н - расстояние от прямолинейной границы до начала декартовой системы координат, м.
Таким образом, совместное действие собственного веса пород и давлением воды на дно водоема, рассматривается в качестве действующего в среде £ 0 поля начальных напряжений [7]
40)<0) = _[уН+XV(Н _ у) 1, о<0)(0) = _[, „н,
о5?х0) = - [у„Н„ + XV(Н _ у)], оу)(0) = _[у„Н„ + у'(н - у)];
т Х0)(О) = 0, (3)
где параметры у' , X ' определяются в зависимости от водопроницаемости горного массива с использованием формул, приведенных в таблице.
Формулы для определения параметров у', V
Горный массив Параметры
у' X'
Водонепроницаемый у X
Обводненный ~ + у „ X + (l X) у„ У + Уч?
С целью приближенного учета влияния отставания возведения подземной конструкции от забоя выработки расчетные напряжения в обделке
подводного тоннеля умножаются на корректирующий коэффициент а* [10, 11].
Поставленная задача теории упругости решена с использованием теории аналитических функций комплексного переменного [12], аналитического продолжения комплексных потенциалов, регулярных в нижней полуплоскости вне отверстия, через нагруженную нормальным давлением границу в верхнюю полуплоскость, аппарата конформных отображений и свойств комплексных рядов и интегралов типа Коши. Разработанный ме-
тод реализован в виде полного алгоритма расчета и соответствующего программного обеспечения.
Получаемые в результате расчета напряжения и усилия в обделке позволяют производить оценку несущей способности рассматриваемой подземной конструкции, сооружаемой в зоне укрепленных пород, в заданных горно-геологических условиях. С этой целью расчетные усилия в опасном сечении подставляются в условия прочности [13].
Поскольку свойства пород горного массива по трассе тоннеля, как правило, могут изменяться в широком диапазоне, проектирование подземной конструкции предусматривает проведение многовариантных расчетов, на основе анализа полученных которых устанавливается возможное наиболее неблагоприятное напряженное состояние проектируемой обделки, из рассмотрения которого определяются параметры, обеспечивающие необходимый запас ее несущей способности [1 4].
С целью совершенствования проектирования подводных тоннелей в Тульском государственном университете проводятся научные исследования, направленные на разработку нового подхода к оценке несущей способности обделок, на основе построения так называемых областей применения рассматриваемых конструкций.
В настоящей работе предлагается методика графического построения зависимостей, ограничивающих сверху диапазон безразмерных значений предельных глубин заложения Ншаха^Яд (^0 - средний радиус контура поперечного сечения тоннеля) в различных горно-геологических условиях, характеризуемых отношением £0/ Е2, в пределах которого рассматриваемая конструкция, сооружаемая в укрепленном массиве, обладает необходимой несущей способностью. В связи с тем, что экстремальные напряжения в обделках подводных тоннелей в отличие от выработок глубокого заложения увеличиваются с ростом глубины нелинейно, величина
Ятаха*/*0 в каждом конкретном случае укрепления окружающих тоннель пород определяется подбором на основе обработки результатов многовариантных расчетов с использованием разработанной компьютерной программы. Предложенный подход позволяет на этапе инженерных изысканий снизить требования к точности определения деформационных характеристик пород и укрепленного массива, поскольку для заключения о возможности применения рассмотренной обделки достаточным условием является то, что по трассе тоннеля породы горного массив будут обладать модулем деформации не ниже некоторого значения. Аналогичным образом осуществляется оценка параметров создаваемой зоны цементации.
Ниже в качестве иллюстрации возможности практического использования изложенного выше подхода рассматривается обделка подводного тоннеля некругового поперечного сечения (рис 2), сооружаемого с применением инъекционного укрепления.
Тоннель имеет средний радиус Я = 5,18 м и располагается в обводненных грунтах, характеризующихся среднестатистическими значениями модуля деформации £0 =400 МПа и коэффициента Пуассона Vо =0,27. Удельный вес грунта с учетом взвешивающего действия воды составляет у =0,018 МН/м3. Глубина заложения выработки тоннеля принимается Н = 18 м; коэффициент бокового давления грунта в ненарушенном массиве X =0,37.
Рис. 2. Поперечное сечение подводного тоннеля
Зона укрепленного грунта толщиной Д1 = 4 м характеризуется модулем деформации Е =1100 МПа и коэффициентом Пуассона VI = 0,27. Обделка тоннеля выполнена из монолитного бетона с деформационными характеристиками Е2 =30000 МПа, V2 =0,2. Расчетные сопротивления бетона на сжатие и растяжение Яь=14,5 МПа и Я^=1,05 МПа. При проведении расчетов коэффициент а*, учитывающий влияние отставания обделки
от забоя выработки, задается равным а* = 0,6. Давление воды на дно водоема принимается Р = 0,8 МПа.
Эпюры нормальных тангенциальных напряжений на внешних а(ех)
(в МПа) и внутренних а(п ^ (в МПа) контурах поперечного сечения обделки
тоннеля показаны на рис.3,а, изгибающих моментов и продольных сил - на рис.3,б. Для сравнения пунктирными линиями показаны аналогичные напряжения и усилия в обделке при сооружении подводного тоннеля без применения укрепительной цементации грунта (соответствующие значения даны в скобках).
(JqX! МПа &Ц", МПа
(-5,58) (-4,16) -4,58 -3,97 29) ^»T^S^ (-5,50 72 f \ \ 1 / 7^-5,14
М, кН-м N, мн
(-2,83) -2,56
-6,49 (-10,5)
-2,17 (-2,48)
а)
б)
Рис. 3. Эпюры нормальных тангенциальных напряжений и усилий
в обделке подводного тоннеля
Границы областей применения рассмотренной обделки, построенные в соответствии с изложенным выше подходом при различных отношениях модулей деформации укрепленного грунта и природного массива ß = E\l Eq = 1; 2; 3 (кривые 1, 2, 3 соответственно), приведены на рис. 4.
Как следует из приведенных результатов (в рассматриваемом случае горно-геологические условия характеризуются отношением Eq/ E2 = 400/30000 = 0,013), обделка (рис. 2), сооружаемая без укрепления окружающего массива, не обладает необходимой несущей способностью, поскольку предельная глубина заложения подводного тоннеля, определяемая по рис. 4 из выражения Hmaxa /Rq < 0,2, составляет Hmax = 1,7 м. В то же время, если вокруг тоннеля создается слой укрепленных пород, в котором модуль деформации повышается в 3 раза (ß = Ej Eq = 3), то, как следует из представленных результатов, будет иметь место соотношение *
Hmaxa /RQ < 2,82 и, следовательно, конструкция может быть применена. Эти выводы, в целом, подтверждаются результатами расчета, приведенными на рис. 3.
Ипах d/R0
24,0
18,0
12,0
6,0 2,82
° 0,013 0,05 0,1 0,15 0,2
Рис. 4. Границы областей применения обделки подводного тоннеля при различных отношениях ß = 1,2,3
В заключение можно отметить, что применение предложенной методики в практике проектирования обделок подводных тоннелей будет способствовать повышению надежности принимаемых инженерных решений при сокращении трудозатрат на проведение геологических изысканий.
Список литературы
1. Транспортный переход в тоннельном варианте на о. Сахалин / Н.И. Кулагин [и др.] // Метро и тоннели. 2021. №4. С. 40 - 43.
2. Мелкий В.А., Братков В.В., Верхотуров А.А. Геологические и геоморфологические предпосылки выбора места транспортного перехода «материк - Сахалин» // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2020. Т.331. №1. С. 158 - 170.
3. Котов В.В, Меркин В.Е., Тоннель через Татарский пролив: характеристика вариантов // Транспортное строительство. 1996. № 3.
4. Евсеев А.В. Причины, обуславливающие необходимость укрепления грунтов при подземном строительстве// Инновации и инвестиции. 2018. №5. С 379-380.
5. Анциферов С.В., Бурзяев В.С. Определение напряженного состояния обделки кругового тоннеля, расположенного внутри зоны укрепленного грунта эллиптического сечения // Сб. науч. тр. XX Междунар. науч.-технол. конф. «Актуальные проблемы строительства, строительной индустрии и архитектуры» (28-29 июня 2019 г.). Тула: Изд-во ТулГУ, 2019. С. 95-100.
6. Деев П.В. Расчет обделок параллельных тоннелей мелкого
заложения, сооружаемых с применением инъекционного укрепления грунта // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2010. Вып. 2. С.209-217.
7. Воронина И.Ю., Саммаль А.С., Шелепов Н.В. Математическое моделирование взаимодействия многослойных обделок параллельных некруговых подводных тоннелей с технологически неоднородным массивом пород // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2016. Вып. 3. С.154-163.
8. Воронина И.Ю., Саммаль А.С. Определение толщины зоны укрепительной цементации пород, обеспечивающей несущую способность обделки подводного тоннеля // Сб. науч. тр. междунар. конф. по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики. «Социально-экономические и экологические» проблемы горной промышленности, строительства и энергетики. Тула, 2020. С. 214-219.
9. Новожилов В.В. Теория упругости. Санкт-Петербург: Политехника, 2020. 410 с.
10. Булычев Н.С. О расчете обделок тоннелей в очень слабых грунтах // Сб. науч. тр. междунар. конф. Проблемы подземного строительства в XXI веке. Труды. Тула, 2002. С. 35-37.
11. Анциферов С.В. Метод расчета многослойных обделок параллельных тоннелей круглого поперечного сечения мелкого заложения: монография. Тула: ТулГУ, 2014. 298с.
12. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. М.: Наука, 1966. 707 с.
13. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений в примерах и задачах. М.: Недра, 1989. 270 с.
14. Булычев Н.С., Фотиева Н.Н., Стрельцов Е.В. Проектирование и расчет крепи капитальных выработок. М.: Недра, 1986. 288 с.
Воронина Ирина Юрьевна, канд. техн. наук, доц., virena_29@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Саммаль Андрей Сергеевич, д-р техн. наук, проф., sammal@mm. tsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Залесский Константин Евгеньевич, канд. техн. наук, доц., kotkitkot@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
GEOMECHANICAL ASSESSMENT OF THE INFLUENCE STRENGTHENING ROCKS ZONE ON UNDERWATER TUNNEL LININGS BEARING CAPACITY
I.Yu. Voronina, A.S. Sammal, K.E. Zalessky
The approach for assessing the stress-strain state and bearing capacity of monolithic linings of underwater tunnels constructed with the use of reinforcing grouting of the surrounding soil massif is proposed. The method makes it possible to determine the necessary
№BecTHg TvafY. HavKH o 3eMne. 2023. Ban. 1
parameters of underground structures based on the analysis of the boundaries of their areas of application. In order to implement the developed theoretical provisions, an original analytical solution of the corresponding plane problem of elasticity theory was applied, implemented in the form of a computer program.
Key words: underwater tunnels, injection grouting of rocks, water-saturated soil mass, design method, stress state, structure application area.
Voronina Irina Yurevna, candidate of technical sciences, docent, virena_29@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Sammal Andrey Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, sam-mal@mm.tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Zalessky Konstantin Evgenievich, candidate of technical science, lead engineer, kotkitkot@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University
Reference
1. Transport crossing in the tunnel version on Sakhalin Island / N.I. Kulagin [et al.] // Metro and tunnels. 2021. No. 4. pp. 40-43.
2. Melky V.A., Bratkov V.V., Verkhoturov A.A. Geological and geomorphological prerequisites for choosing the place of the transport crossing "mainland - Sakhalin" // Izvesti-ya Tomsk Polytechnic University. Georesource engineering. 2020. Vol.331. No.1. pp. 158 -170.
3. Kotov V.V., Merkin V.E., Tunnel through the Tatar Strait: characteristics of variants // Transport construction. 1996. № 3.
4. Evseev A.V. The reasons for the need to strengthen soils during underground construction// Innovations and investments. 2018. No.5. From 379-380.
5. Antsiferov S.V., Burzyaev V.S. Determination of the stress state of the lining of a circular tunnel located inside the zone of reinforced soil of elliptical cross-section // Sb. nauch. tr. XX International scientific-technologist. Conf. "Actual problems of construction, construction industry and architecture" (June 28-29, 2019). Tula: TulSU Publishing House, 2019. pp. 95-100.
6. Deev P.V. Calculation of the lining of parallel tunnels of shallow laying, constructed with the use of injection soil reinforcement // Proceedings of Tula State University. Earth sciences. 2010. Issue. 2. pp.209-217.
7. Voronina I.Yu., Sammal A.S., Shelepov N.V. Mathematical modeling of interaction of multilayer linings of parallel non-circular underwater tunnels with technologically heterogeneous rock mass // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2016. Issue 3. pp.154-163.
8. Voronina I.Yu., Sammal A.S. Determination of the thickness of the zone of reinforcing cementation of rocks, providing the bearing capacity of the lining of an underwater tunnel // Sb. nauch. tr. international conf. on problems of mining, construction and energy. Socio-economic and environmental problems of mining, construction and energy. Tula, 2020. pp. 214-219.
9. Novozhilov V.V. Theory of elasticity. St. Petersburg: Polytech-nika, 2020. 410 p.
10. Bulychev N.S. On the calculation of tunnel lining in very weak soils // Sb. nauch. tr. international conf. Problems of underground construction in the XXI century. Proceedings. Tula, 2002. pp. 35-37.
11. Antsiferov S.V. Method of calculation of multilayer linings of parallel tunnels of circular cross-section of shallow laying: monograph. Tula: TulSU, 2014. 298s.
12. Muskhelishvili N.I. Some basic problems of the mathematical theory of elasticity. M.: Nauka, 1966. 707 p.
13. Bulychev N.S. Mechanics of underground structures in examples and problems. M.: Nedra, 1989. 270 p.
14. Bulychev N.S., Fotieva N.N., Streltsov E.V. Design and calculation of the support of capital workings. M.: Nedra, 1986. 288 p.
УДК 622.83
ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ
ПОРОДНОГО МАССИВА В ПОДЗЕМНЫХ УСЛОВИЯХ
М.Д. Шевченко, В. В. Мельник
Представлены результаты исследований геомеханического состояния массива горных пород для проектирования подземных горных работ. Методом исследования является метод спектрального сейсмопрофилирования, который основан на акустических свойствах массива горных пород. Цель исследований заключается в прогнозе степени структурной нарушенности скального массива горных пород и его геомеханического состояния для выбора мест расположения горных выработок и способа их проходки. Результатом исследований являются спектральные сейсморазрезы, позволяющие оценить степень нарушенности породного массива и спрогнозировать его поведение при различных вариантах ведения проходческих работ.
Ключевые слова: геофизические исследования, геомеханическое состояние, массив горных пород, спектральное сейсмопрофилирование, трещиноватость.
Введение
Разработка месторождений полезных ископаемых подземным способом вызывает изменения геомеханического состояния массива горных пород и развитие в нем геомеханических процессов, что приводит к деформации и разрушению горных пород. Поэтому, при строительстве подземных горных выработок, а также их проектировании возникает потребность в определении геомеханического состояния массива горных пород. Информация, полученная в результате бурения опережающих скважин, в большинстве случаев недостаточна, поскольку не дает полной картины структурного строения массива горных пород.
Исследования геомеханического состояния породного массива в условиях подземных выработок традиционными геофизическими методами в большинстве случаев были невозможны, т.к. присутствовали помехи различного характера (бетон, ограниченное пространство, металлические конструкции). Поэтому, при решении поставленной задачи, для определения степени трещиноватости массива горных пород, было предложено
