CC BY
19
- Нгуен Куанг Хюи, 2015
УДК 622.272
Нгуен Куанг Хюи
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТЕЙ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ (МАКСИМАЛЬНЫХ СЖИМАЮЩИХ И РАСТЯГИВАЮЩИХ) НОРМАЛЬНЫХ ТАНГЕНЦИАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ОБДЕЛКЕ СУЩЕСТВУЮЩЕГО ТОННЕЛЯ С УЧЕТОМ НОВОЙ ВЫРАБОТКИ ОТ ОСНОВНЫХ ВЛИЯЮЩИХ ФАКТОРОВ
Рассмотрен подход к исследованию напряженного состояния и оценке зоны влияния при сооружении выработки с использованием технологии микротоннелиро-вания на обделку кругового тоннеля и окружающего массива пород вблизи него в зависимости от основных факторов.
Ключевые слова: строительство тоннелей, микротоннелирование, напряженно-деформированное состояние пород, обделка выработки.
На напряженное состояние обделки существующего тоннеля, формирующегося при проходке новой выработки способом микротоннелиро-вания, оказывает влияние значительное количество различных факторов, основными из которых являются:
• отношение модулей деформации массива грунта и материала обделки E0,0/E1,0;
• относительная толщина обделки
существующего тоннеля 8 = -
С целью исследования влияния указанных факторов на напряженное состояние круговой тоннельной обделки с учетом сооружения новой выработки, проводимой методом ми-кротоннелирования, выполнены многовариантные расчеты с помощью разработанного программного комплекса. На основе полученных результатов строились зависимости максимальных сжимающих и растягивающих (экстремальных) нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре внутреннего слоя обделки. Поскольку, как следует из примера, приведенного в [1], нормальные тангенциальные
напряжения, которыми, в основном, определяется прочность конструкции, достигают наибольших значений на внутреннем контуре поперечного сечения обделки, исследования проводились именно для этих напряжений. При этом исследуемые напряжения представлялись в безразмерном виде, то есть относились к величине основной компоненты гравитационного поля начальных напряжений в массиве YHa^ Общие исходные данные, принимаемые при расчетах в процессе исследований, приведены как в [1].
Как следует из [1], в выполненных расчета, если это не оговорено отдельно, принималось E00/E10 = 0,0015.
Влияние каждого фактора на напряженное состояние обделки оценивалось раздельно путем выполнения многовариантных расчетов при использовании общих исходных данных и варьировании соответствующих параметров, характеризующих изменение рассматриваемого фактора.
1) Исследование зависимостей экстремальных нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре обделки существующего тоннеля с учетом новой выработки от отношения
модулей деформации массива и материала обделки
E0,0/E1fi.
С целью исследования
зависимости напряженного состояния подземной конструкции, вблизи которой пройдена выработка методом микротоннелиро-вания, от отношения модулей деформации массива и материала обделки E0 0/E10 выполнены многовариантные расчеты с применением разработанной компьютерной программы. При этом в нормальных тангенциальный напряжений б ^кстр) на
________ „„„„„„„„„„л .„^ внутреннем контуре обделки существующего тонне-
процессе исследований мо-1 ля с учетом новой выработки от отношения модулей
делир°вались геомеханиче- деформации массива и материала обделки Е0 0/Е1 0 ские ситуации, при которых ' '
Рис. 1. Зависимости безразмерных экстремальных
массив пород обладает относительно невысоким модулем деформации. Используемые при расчетах изменяемые значения модуля деформации пород и исследуемые величины безразмерных
экстремальных нормальных тангенциальных напряжений (б ^ = б™"11 1
= стг~ '' / уИа :
приведены в табл. 1
Полученные результаты многовариантных расчетов иллюстрируются графическими зависимостями, показанными на рис. 1.
Из представленных зависимостей следует, что с ростом отношения модулей деформации массива и материала обделки E0 0/E10 максимальные сжимающие и растягивающие нормальные тангенциальные напряжения Стдэкстр'/ уИа * снижаются. При этом характер зависимостей как сжимающих, так и растягивающих напряжений практически линейный, и в рассмотренном случае может быть аппроксимирован с высокой точностью
Таблица 1.
Результаты многовариантных расчетов' выполненных с целью исследования влияния параметра Б0 (/Б1 0 на экстремальные нормальные тангенциальные напряжения в обделке
Е 0,0 Е0'0/Е1'0 Безразмерные экстремальные нормальные ~ (экстр) тангенциальные напряжения (Г,
сжимающие растягивающие
5 0,0003 -12,432 1,997
10 0,0005 -12,261 1,837
15 0,0008 -12,098 1,684
20 0,001 -11,942 1,539
25 0,0013 -11,794 1,401
30 0,0015 -11,653 1,27
35 0,0018 -11,517 1,145
40 0,002 -11,388 1,025
(коэффициент корреляции R2 > 0,99) функциями:
• для максимальных растягивающих напряжений
ст,
(раст) _
= 2,11 - 554—
Е
ст.
( с)
Е
= -12,5 + 596-^.
Е
- (экстр)
уНа* <
при сжатии 1 Яы при растяжении (1)
• для максимальных сжимающих напряжений
Умножив напряжения из табл. 1 на величину уНа* = 0,48 МПа, получим данные, приведенные в табл. 2.
Представленные табл. 2 зависимости позволяют также сделать практический вывод о том, в каких условиях проходка методом микротоннелиро-вания новой выработки не представляет угрозы для прочности обделки существующего тоннеля. Так, в случае, когда обделка существующего тоннеля выполнена из бетона В15 с модулем деформации Eб = 23 000 МПа и расчетными сопротивлениями сжатию и растяжению соответственно R. = 8,50 МПа и Я = 0,75 МПа, из представленных в табл. 2 зависимостей следует, что при уНа* = 0,48 МПа (у = 0,024 МН/м3, Н = 20 м, а* = 1) для выполнения условия
отношение Е0/Е1 должно быть наложено ограничение Е00/Е10 > 0,0009. Таким образом, если обделка тоннеля выполнена из бетона В15, безопасная проходка новой выработки способом микротоннелирования возможна только в массиве пород, характеризующимся модулем деформации Е00 > 21 МПа. Если это условие не удовлетворяется необходимо повысить класс бетона обделки существующего тоннеля, приняв, например В20 (модуль деформации Еб = 27 000 МПа, ЯЬ = 11,5 МПа и ЯЬг = 0,9 МПа), чтобы обеспечить ее необходимую несущую способность.
2) Исследование зависимостей экстремальных нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре обделки существующего тоннеля с учетом новой выработки от относительной толщины обделки существую-
щего тоннеля 8 =
Я0,0 Я0,1 Я™
С целью иллюстрации влияния толщины обделки существующего тоннеля выполнены многовариантные расчеты с применением общих данных, при-
Таблица 2
Экстремальные напряжения в обделке существующего тоннеля
Е 0,0 Е0,0/Е1,0 Экстремальные нормальные тангенциальные напряжения СТ^к<стр , МПа
сжимающие растягивающие
5 0,0003 -5,96736 0,95856
10 0,0005 -5,88528 0,88176
15 0,0008 -5,80704 0,80832
20 0,001 -5,73216 0,73872
25 0,0013 -5,66112 0,67248
30 0,0015 -5,59344 0,6096
35 0,0018 -5,52816 0,5496
40 0,002 -5,46624 0,492
веденных в работе [1], и изменении радиуса R01 таким образом, чтобы толщина обделки существующего тоннеля 8 = R00 - R принимала значения в соответствии с табл. 3.
Графическая иллюстрация приведенных зависимостей показана на рис. 2.
Как видно из рис. 2, при увеличении отношения 8^01 максимальные сжимающие нормальные тангенциальные напряжения
уменьшаются. При этом за- рис. 2. Зависимости экстремальных нормальных висимость растягивающих тангенциальных напряжений в обделке существу-напряжений от относитель- ющего тоннеля с учетом новой выработки от отно-ной толщины обделки 8 в шения толщины обделки и радиуса существующего
рассмотренном диапазоне тоннеля 8
ее изменения имеет экстремальный Таким образом, исходя из приве-характер. денных зависимостей, вывод о том,
Таблица 3
Результаты многовариантных расчетов, выполненных с целью исследования влияния параметра на экстремальные нормальные тангенциальные напряжения в обделке
8 = Н0,0 - Й0.1 о о 8 _ по,о "од Безразмерные экстремальные нормальные ~ (экстр) тангенциальные напряжения <7,
сжимающие растягивающие
0,1 0,08 -24,944 3,114
0,15 0,12 -19,190 3,698
0,2 0,16 -14,696 2,403
0,25 0,2 -11,653 1,270
0,3 0,24 -9,609 0,490
Таблица 4 Экстремальные напряжения в обделке существующего тоннеля
8 = К0,0 - V м о о 8 _ по,о "од То,о Экстремальные нормальные тангенциаль- ~ (экстр) ные напряжения <7, , М11а
сжимающие растягивающие
0,1 0,08 -11,9731 1,49472
0,15 0,12 -9,2112 1,77504
0,2 0,16 -7,05408 1,15344
0,25 0,2 -5,59344 0,6096
0,3 0,24 -4,61232 0,2352
что увеличение относительно толщины обделки до 8 = 0,15 приводит к росту в ней максимальных растягивающих напряжений до 15%. Это обстоятельство необходимо учитывать в практическом проектировании.
Умножив напряжения из табл. 3 на величину уНа* = 0,48 МПа, получим данные, приведенные в табл. 4.
Из представленных в табл. 4 зависимостей можно сделать практические выводы. Так, если существующий тоннель находится в условиях, при кото-
рых, как и раньше, уНа* = 0,48 МПа, обделка выполнена из бетона В25, а массив грунта характеризуется модулем деформации Е00 = 45 МПа, и с расчетными сопротивлениями сжатию и растяжению соответственно 14,5 МПа и 1,05 МПа для обеспечения условия (1) должно выполняться соотношение 8 > 0,18. В рассмотренном примере, когда радиус существующего тоннеля Я00 = 1,25 м, толщина его обделки должна удовлетворять условию 8 > 0,22 м.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Нгуен Куанг Хюи. Математическое моделирование влияния технологии строительства микротоннелей методом прокола на напряженное состояние массива грунта и конструкции крепи существующего тоннеля // Горный информационно-аналитический бюллетень. Отдельная статья (специальный выпуск). - 2014. - № 11. - с.
2. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений: учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. - М.: Недра, 1994. - 382 с.
3. Родин И.В. Снимаемая нагрузка и горное давление / Исследование горного давления. - М.: Госгортехиздат, 1960. - С. 343374.
4. Фотиева Н.Н., Козлов А.Н. Расчет крепи параллельных выработок в сейсмических районах. - М.: Недра, 1992. - 231 с.
5. Шахтное и подземное строительство. Т. 2. - М.: изд-во академики горных наук, 2001. - 538 с. EQ3
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ
Нгуен Куанг Хюи - аспирант, e-mail: quanghuy170687@gmail.com, МГИ НИТУ «МИСиС».
UDC 622.272
THE STUDY OF THE EXTREME (MAXIMUM COMPRESSIVE AND TENSILE) NORMAL TANGENTIAL STRESSES IN THE LINING OF THE EXISTING TUNNEL WITH THE NEW GENERATION OF THE MAJOR INFLUENCING FACTORS
Nguen Kuang Khyui, Graduate Student, e-mail: quanghuy170687@gmail.com, Moscow Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS».
An approach to the prediction of stress state and assessing the strength of a circular tunnel lining and the surrounding rock mass under construction near the production used by the micro-tunneling technology.
Key words: tunnel construction, microtunneling, stress strain state of rocks lining tunnel.
REFERENCES
1. Nguen Kuang Khyui. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten', special edition, 2014, no 11, pp.
2. Bulychev N.S. Mekhanika podzemnykh sooruzhenii: uchebnik dlya vuzov. 2-e izd. (Mechanics of underground structures: Textbook for high schools, 2nd edition), Moscow, Nedra, 1994, 382 p.
3. Rodin I.V. Issledovanie gornogo davleniya (Overburden pressure analysis), Moscow, Gosgortekhizdat, 1960, pp. 343-374.
4. Fotieva N.N., Kozlov A.N. Raschet krepi parallel'nykh vyrabotok v seismicheskikh raionakh (Design of support for parallel excavations in seismic regions), Moscow, Nedra, 1992, 231 p.
5. Shakhtnoe ipodzemnoe stroitel'stvo. T. 2 (Underground and mine construction, vol. 2), Moscow, izd-vo akademiki gornykh nauk, 2001, 538 p.
