CC BY
11
7. Onoprienko V. I. Geologists in the Far North // Nedra, 1990. 56c.
8. Kozyrev S. A., Amosov P. V. ways to normalize the atmosphere of deep quarries // Vestnik MGTU, 2014, Vol. 17, No. 2, pp. 231-237.
9. Baklanov A. A. Numerical modeling in mining aerology. Apatity: KFAN USSR, 1987. 200 p.
10. Shakhray S. G., Kurchin G. S., Sorokin A. G. New technical solutions for airing deep quarries // Notes of the Mining Institute. 2019. Vol. 240. Pp. 654-659.
11. Korol Yu. M. Flow Vision in the educational process and scientific research, 2012. pp. 5-7.
12. Deryl O., Snyder A. FLUENT. Tutorial // Software documentation. FLUENT. 2011. C 37-45.
13. Kozyrev S. A., Amosov P. V. Modeling of air flow distribution in deep quarries. Gorny Zhurnal. 2014. No. 5. S. 7-11.
14. Dyadkin Yu. D. Fundamentals of mining Thermophysics for mines and mines in the North. Moscow: Nedra, 1968. 233 p.
15. Kozyrev S. A., Amosov P. V. Modeling of aerodynamic processes in deep quarries // SB. nauch. Tr. vseross. nauch. - tehn. konf. From Intern. participation. Deep careers: Apatity. Saint Petersburg, 2012, Pp. 470-474.
УДК 624.19.034.5
ГЕОМЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОБДЕЛОК ПОДВОДНЫХ ТОННЕЛЕЙ ПО ОБЛАСТЯМ ПРИМЕНЕНИЯ
А.С. Саммаль, И.Ю. Воронина, Н.В. Шелепов
Предложен подход к оценке несущей способности монолитных обделок некруговых подводных тоннелей, базирующийся на соответствующем аналитическом методе расчета, в основу которого положено решение плоской контактной задачи теории упругости для кольца произвольной формы, подкрепляющего отверстие в весомой полубесконечной среде, нагруженной равномерной нагрузкой, интенсивность которой определяется глубиной водоема. Приводится конкретный пример расчета, иллюстрирующий возможности предлагаемого подхода при построении границ областей применения рассмотренной конструкции, то есть определения предельных глубин заложения тоннеля, при которых обделка различной толщины обладает необходимым запасом несущей способности в различных горно-геологических условиях.
Ключевые слова: подводный тоннель, обделка, массив пород, область применения, метод расчета, несущая способность.
Современный уровень развития технологий подземного строительства создает новые условия для реализации крупных инфраструктурных транспортных проектов, связанных с пересечением протяженных водных преград с применением в качестве альтернативы мостам и паромным переправам подводных тоннелей, в том числе сооружаемых горным способом. В мировой практике среди крупнейших проектов, работы над которыми
проводятся в настоящее время, следует отметить подводный тоннель под дном Бохайского залива, который свяжет города Яньтай в провинции Шаньдун на юге с Далянем в провинции Ляонин на севере КНР и будет иметь общую протяженность 125 км [1]. Новый проект является более масштабным по сравнению с реализованными ранее проектами Евротон-неля под проливом Ла-Манш общей длиной около 51 км и тоннеля Сэйкан (Япония) протяженностью 53,85 км. Кроме этого Китай готовится к реализации другого мега-проекта, связанного со строительством подводного тоннеля длиной 153 км из материкового Китая в Тайвань, эксплуатацию которого планируют начать в 2030 г.
В нашей стране с 2018 года ведутся проектные работы, связанные с реализацией транспортных переходов через пролив Невельского, соединяющий о. Сахалин с материковой частью России [2], а также со строительством подводного тоннеля, соединяющего РФ и Японию.
К надежности обделок тоннелей, которые могут иметь также и некруговое поперечное сечение, как, например, японского тоннель Сэйкан, предъявляются жесткие требования, поскольку они испытывают совместное действие гравитационных сил и значительного давления масс воды, заполняющей водоем.
Применяемые в настоящее время численные методы расчета обделок подводных тоннелей позволяют применять различные модели поведения горных массивов [3]. Однако учет особенностей статической работы подземных конструкций, связанные с моделированием гравитационных сил и действием на обделку фильтрующей через дно водоема воды, в рамках конечно-элементных моделей весьма сложно корректно реализовать.
В связи с этим в Тульском государственном университете в течение ряда лет проводятся научные исследования, связанные с разработкой теории и новых аналитических методов расчета обделок подводных тоннелей, имеющих как круговое, так и некруговое поперечные сечения [4]. В основу указанных методов расчета положены соответствующие математические модели формирования напряженного состояния в подземных конструкциях, базирующиеся на современных представлениях геомеханики о взаимодействии элементов единой деформируемой системы «крепь - массив» [5 -7]. Указанные методы базируются на соответствующих аналитических решениях плоских задач теории упругости для полубесконечной весомой линейно-деформируемой среды, ослабленной некруговым подкрепленным отверстием при действии нагрузки на поверхности. При этом давление воды на дно водоема моделируется равномерной нагрузкой, распределенной по границе полуплоскости (расчетная схема представлена на рис.1).
Здесь среда S0 с деформационными характеристиками - модулем деформации Е0 и коэффициентом Пуассона у0 , ограниченная отверстием Ь0 и границей полуплоскости Ь'0, моделирует породы дна водоема. Некру-
говое кольцо 51 с характеристиками Е1 и у1, моделирующее обделку тоннеля, деформируется совместно со средой 50 , то есть на линии контакта Ь0 выполняются условия непрерывности векторов смещений и полных напряжений. Внутренний контур кольца свободен от действия внешних
Рис. 1. Расчетная схема обделки подводного тоннеля
Бесконечная равномерная нормальная нагрузка Р = -укНк вызывает в среде 50 однородное поле начальных напряжений:
а
(0)(0) _ „(0)(0)
У
а
у Н
I ^ w ■>
(1)
где уw - удельный вес воды, МН/м ; Н^, - глубина водоема, м.
Суммарное поле начальных напряжений, вызываемое действием собственного веса пород и давлением воды на дно водоема, определяется по формулам [5]
а
(0)(0) _
-[Х'у'(Н - у) + уwHw ], а
г(0)(0)
'ху
.(0)(0)
У
-[у'(Н - У) + уwHw ];
0.
где Х' = Х, у' = у - в водонепроницаемых породах; у'
Д
(2)
У + У w >
X' = X + (1 - X)— - в обводненных породах; у - удельный вес пород, У'
МН/м ; ~ - удельный вес водонасыщенных пород с учетом взвешивающего действия воды, МН/м ; X - коэффициент бокового давления пород в ненарушенном массиве; Н - расстояние от прямолинейной границы до начала декартовой системы координат, м.
Для приближенного учета влияния отставания возведения подземной конструкции от забоя выработки расчетные напряжения в обделке подводного тоннеля умножаются на корректирующий коэффициент а*.
Этот коэффициент может быть определен по формулам, предложенным в работе [8].
Задача теории упругости решена с использованием теории аналитических функций комплексного переменного [9], аналитического продолжения комплексных потенциалов Колосова - Мусхелишвили через границу полуплоскости [10], аппарата конформных отображений и комплексных рядов. Ограничением задачи является требование, чтобы окружность, описанная вокруг наружного контура некругового кольца, не касалась границы полуплоскости.
Полученное решение реализовано в виде компьютерной программы, позволяющей производить эффективные многовариантные расчеты как в исследовательских целях, так и в практическом многовариантном проектировании.
Ниже в качестве иллюстрации приводятся результаты расчета монолитной бетонной обделки транспортного тоннеля, сооружаемого под дном морского пролива (поперечное сечение и размеры обделки тоннеля показаны на рис. 2).
Рис. 2. Поперечное сечение и размеры обделки подводного тоннеля
Подводный тоннель располагается в обводненных скальных породах с деформационными характеристиками: Е0 =16000 МПа, V0 =0,27. Глубина морского пролива в рассматриваемом сечении Н№ = 140 м (удельный вес воды у w
= 0,01МН/м ).
В расчетах принимались исходные данные: удельный вес грунта у =0,02 МН/м , удельный вес грунта с учетом взвешивающего действия во-
3
ды ~ =0,017 МН/м , коэффициент бокового давления грунта в ненарушенном массиве X =0,37. Обделки тоннелей выполнены из бетона с деформационными характеристиками: Е1 =30000 МПа, v1 =0,2. Расчетные сопротивления бетона на сжатие и растяжение: Яь=14,5 МПа и ЯЬ(=1,05 МПа. Коэффициент а*, учитывающий влияние отставания обделки от забоя выработки, принимался равным а* = 0,6.
Эпюры нормальных тангенциальных напряжений на внешних )
(в МПа) и внутренних а^") (в МПа) контурах поперечного сечения обделки
тоннеля показаны на рис. 3, а, изгибающих моментов М (в кНм) и продольных сил N (в МН) - на рис. 3, б.
8,87
а) б)
Рис. 3. Эпюры нормальных тангенциальных напряжений и усилий
в обделке подводного тоннеля
Приведенные результаты позволяют судить о том, обладает ли рассмотренная обделка в заданных горно-геологических условиях достаточной несущей способностью или она должна быть соответствующим образом усилена путем увеличения толщины или армированием. С этой целью полученные максимальные сжимающие и растягивающие (экстремальные)
нормальные тангенциальные напряжения и усилия (моменты М и
силы N) подставляются в условия прочности. В целом, можно сделать вывод, что если экстремальные напряжения не превышают соответствующих значений расчетных сопротивлений сжатию и растяжению, то прочность обделки обеспечена.
Следует отметить, что несущая способность и прочность обделки существенным образом зависят от горно-геологических условий, которые в соответствии с принятым подходом определяются отношениями модулей деформации массива пород и материала обделки Е0/ Е1 . На рис. 4 приво-
дятся построенные в результате многовариантных расчетов зависимости изменения экстремальных напряжений а^Х/т в обделке рассмотренного примера от отношения Е0/ Е1 .
сх(г
40
м МПа
20
Яы=1,05 МПа 0
Кь=14,5 МПа -20
-40
-60
-80
1
2 0 4 0 6 0 8 1 0
0;27
Еп/Е,
Рис. 4. Зависимости экстремальных нормальных тангенциальных напряжений от отношения модулей деформации массива пород
и материала обделки Е0/Ех
Как следует из приведенных зависимостей, с ростом отношения Е0/ Е1 до 0,1 происходит интенсивное снижение как сжимающих, так и растягивающих напряжений. При этом, если Е0/Е1 > 0,1, растягивающие напряжения в обделке не возникают.
Построенные зависимости позволяют приближенно оценить область применения рассматриваемой подземной конструкции в различных горно-геологических условиях. Так, если на графике нанести значения, соответствующие расчетным сопротивлениям материала обделки растяжению и сжатию (соответственно ЯЬ(=1,05 МПа и Яь=14,5 МПа), то можно графически определить область допустимых значений Е0/ Е1, при которых
обделка обладает необходимой прочностью.
Поскольку при проектировании обделки параметры подземной конструкции определяются, как правило, из технологических соображений, зависимости, подобные показанной на рис. 4, позволяют снизить требования к инженерным изысканиям, связанным с высокой точностью определения деформационных характеристик пород массива. Так, на основании приведенных зависимостей можно сделать вывод, что прочность рассмотренной обделки может быть обеспечена, если по трассе тоннеля будет выполняться условие Е0/ Е1 > 0,27.
Следует отметить, что предлагаемый подход к оценке несущей способности обделок подводных тоннелей позволяет определять область применения рассматриваемой конструкции, под которой понимается диапазон безразмерных предельных глубин заложения Нпред!Я0 в различных горногеологических условиях, характеризуемых отношением Е0/Е . Поскольку в отличие от выработок глубокого заложения зависимость напряжений в обделке подводного тоннеля от глубины не является линейной, величина в каждом конкретном случае (Нпред/Я0) должна определяться подбором на
основе анализа результатов многовариантных расчетов. На рис. 5 приводятся соответствующие границы областей применения рассмотренной выше обделки различной толщины: А = 0,4; 0,6; 0,8 м.
Нпред/И-п
100
80
60
40
20
л= 0,8 м.
Д=0,6 \ м
Л > Д=0/ ■ м
У
0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
ЕЖ
Рис. 5. Границы областей применения обделки подводного тоннеля различной толщины: А = 0,4; 0,6; 0,8 м
Зависимости, показанные на рис. 5, ограничивают сверху области допустимых значений Нпред/Я0 и Е0/Е1, при которых рассмотренные обделки соответствующей толщины А обладают необходимой несущей способностью и могут быть применены. Таким образом, как следует из приведенных результатов, в слабых грунтах, характеризуемых отношением Е0/Е! < 0,2, применение более мощных подземных конструкций с увеличенной в 2 раза толщиной позволяет повысить глубину заложения тоннеля, в среднем, на 40 %. В то же время в крепких породах увеличение толщины обделки не дает существенного эффекта.
В заключение следует отметить, что предлагаемый подход к оценке областей применения монолитных обделок подводных тоннелей может быть применен при проектировании комплексов взаимовлияющих вырабо-
ток, а также в случаях, когда тоннели сооружаются с применением инъекционного укрепления пород.
Список литературы
1. Китай планирует построить самый длинный в мире подводный тоннель // Путевой навигатор. Санкт-Петербург: Издательство Ассоциация "Некоммерческое партнерство "Объединение участников дорожно-мостовой отрасли "Дормост", 2014. № 19(45). С. 79.
2. Маковский Л.В., Кравченко В.В. Тоннель на остров Сахалин // Метро и тоннели. 2020. №2. С.54-56.
3. Механика подземных сооружений. Пространственные задачи и мониторинг/ А.Г. Протосеня [и др.] // под науч. ред. Л.К. Горшкова. Санкт-Петербург: Изд-во СПГГУ, 2011. 355с.
4. Voronina I. Yu, Deev P.V., Khrenov S.I. Design of underwater tunnel linings of an arbitrary cross-section shape // Proceedings of the VlIth Regional Rock Mechanics Symposium Rockmec'2006, November 2-3, 2006, Istanbul, Turkey. Р. 79-81.
5. Фотиева Н.Н., Фирсанов Е.С., Деев П.В. Расчет обделок параллельных тоннелей произвольного поперечного сечения // Известия Тульского государственного университета. Геомеханика. Механика подземных сооружений. 2006. Вып. 4. С. 62-66.
6. Анциферов С.В. Метод расчета многослойных обделок параллельных тоннелей круглого поперечного сечения мелкого заложения: монография. Тула: ТулГУ. 2014. 298с.
7. Анциферов С.В., Дворянкин В.Г., Копылов А.Б. Влияние веса подвижного состава на напряженное состояние обделки тоннеля метрополитена // Транспортное строительство. 2018. №7. С. 21-23.
8. Булычев Н.С. О расчете обделок тоннелей в очень слабых грунтах // Сб. науч. тр. междунар. конф. «Проблемы подземного строительства в XXI веке»: 25 - 26 апреля 2002. Тула: Изд-во ТулГУ. 2002. С. 35-37.
9. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. М.: Наука, 1966. 707 с.
10. Араманович И.Г. Распределение напряжений в упругой полуплоскости, ослабленной подкрепленным круговым отверстием // Доклады АН СССР. Вып. 104. № 3. 1955. С. 372-375.
Саммаль Андрей Сергеевич, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Воронина Ирина Юрьевна, канд. техн. наук, доцент, virena_29@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Шелепов Николай Валентинович, канд. техн. наук, ведущий инженер, [email protected], Россия, Тула, ЗАО Тоннельпроект
GEOMECHANICAL JUSTIFICATION OF UNDERWATER TUNNEL LININGS DESIGNING ON THE BASE OF APPLYING AREAS DETERMINATION
A.S. Sammal, I.Yu. Voronina, N.V. Shelepov
The approach to assessing the bearing capacity of non-circular underwater tunnel monolithic linings based on the analytical solution of the corresponding plane contact problem of the elasticity theory for a ring of an arbitrary shape, supporting a hole in a weighty semi-infinite medium acted by the uniform load, the intensity of which is determined by the water level, is proposed. A specific example of the underwater tunnel design illustrating the possibilities of the proposed approach when plotting the boundaries of areas of applying for the considered structure, that is, determining the limiting depths of the tunnel, at which the linings of various thicknesses possess the necessary bearing capacity in different mining and geological conditions is given.
Key words: underwater tunnel, lining, rock mass, area of applying, design method, bearing capacity.
Sammal Andrey Sergeevich, doctor of technical science, professor, sam-mal@mm. tsu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Voronina Irina Yurevna, candidate of technical science, docent, virena_29@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Shelepov Nikolay Valentinovich, candidate of technical science, lead engineer, spmvrn@mail. ru, Russia, Tula, Cloused Society Tunnelproject
Reference
1. China plans to build the world's longest underwater tunnel // The waypoint Navigator. Saint-Petersburg: Publishing house Association "non-Commercial partnership "Association of road and bridge industry participants "Dormost", 2014. № 19(45). p. 79.
2. Makovsky L. V., Kravchenko V. V. Tunnel to Sakhalin island // Metro and tunnels. 2020. no. 2. P.
54-56. 3. Mechanics of underground structures. Spatial problems and monitoring/ A. G. Protosenya [et al.] // under the scientific ed. of L. K. Gorshkov. Saint Petersburg: SPSU publishing house, 2011. 355s.
4. Voronina Yu I., Deev P. V., Khrenov S. I. Design of underwater tunnel linings of an arbitrary cross-section shape // Proceedings of the VIIth Regional Rock Mechanics Symposium Rockmec'2006, November 2-3, 2006, Istanbul, Turkey. R. 79-81.
5. Fotieva N. N., Firsanov E. S., Deev P. V. Calculation of lining parallel tunnels of arbitrary cross-section // Proceedings of the Tula state University. Geomechanics. Mechanics of underground structures. 2006. Issue 4. Pp. 62-66.
6. Antsiferov S. V. method for calculating multilayer linings of parallel tunnels of round cross-section of shallow laying: monograph. Tula: Tulgu. 2014. 298c.
7. Antsiferov S. V., Dvoryankin V. G., Kopylov A. B. influence of the weight of the rolling stock on the stress state of the lining of the metro tunnel // Transport construction. 2018. no. 7. P. 21-23.
8. Bulychev N. S. On the calculation of tunnel linings in very weak soils // SB. nauch. Tr. mezhdunar. konf. "Problems of underground construction in the XXI century": April 25 - 26, 2002. Tula: Izd-vo Tulgu. 2002. Pp. 35-37.
9. Muskhelishvili N. I. some basic problems of the mathematical theory of elasticity. Moscow: Nauka, 1966. 707 p.
10. Aramanovich I. G. stress distribution in an elastic semi-plane weakened by a reinforced circular hole // Reports of the USSR Academy of Sciences, Issue 104, No. 3, 1955, pp. 372-375.
УДК 622.453
ПРИМЕНЕНИЕ ДВУОКИСИ УГЛЕРОДА ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ГАЗООТДАЧИ РАЗРАБАТЫВАЕМОГО УГОЛЬНОГО ПЛАСТА
О.В. Тайлаков, Д.Н. Застрелов, Е.А. Уткаев, М.П. Макеев
Рассмотрена технология нагнетания концентрированного углекислого газа в разрабатываемый угольный пласт через горизонтальные скважины, пробуренные из горных выработок, для повышения его метаноотдачи. Разработана и исследована в среде Comsol Multiphysics численная модель, описывающая процесс закачки углекислого газа в массив горных пород. Приводятся результаты численных экспериментов по исследованию зоны и параметров влияния закачиваемого диоксида углерода на равноудаленные дегазационные скважины.
Ключевые слова: парниковые газы, улавливание и концентрирование углекислого газа, секвестрация двуокиси углерода, шахтный метан, угольные пласты, численная модель, дегазация.
Нагнетание СО2 в разрабатываемый угольный пласт через горизонтальные скважины, пробуренные из горных выработок, позволяет повысить газоотдачу дегазационных скважин пластовой дегазации [1-5]. Такой метод утилизации двуокиси углерода включает следующие основные этапы: улавливание из дымовых газов углекислоты и ее концентрирование, компримирование и заправка баллонов углекислым газом, транспортировка баллонов в шахту и подключение их к скважинам, подача СО2 в скважины. В процессе сорбирования СО2 в угольном пласте происходит вытеснение метана из угольной матрицы, который затем выводится на поверхность через систему дегазационных трубопроводов на поверхность (рис. 1). Для улавливания в исходящих дымовых газах и концентрирования СО2 может быть использована блочно-модульная установка в контейнерном исполнении, которая обеспечивает сжатие газа и заправку им баллонов с помощью, например, компрессора 2УП, предназначенного для сжатия газообразного диоксида углерода до давления 73 атм.
