Математическое моделирование взаимовлияния автодорожного тоннельного комплекса №6-6а и действующего железнодорожного тоннеля № 5 в г. Сочи

Прокопов Альберт Юрьевич; Прокопова Марина Валентиновна; Ротенберг Максим Александрович

УЛК 624.195

А.Ю. Прокопов, М.В. Прокопова, М.А. Ротенберг

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОВЛИЯНИЯ АВТОДОРОЖНОГО ТОННЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА №6-6А И ДЕЙСТВУЮЩЕГО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТОННЕЛЯ №5 В г. СОЧИ

Разработана математическая модель для изучения взаимного влияния строящихся автодорожных и существующего железнодорожного тоннеля в городе Сочи. Предложены мероприятия по упрочнению обделки тоннелей и породного массива в опасной зоне.

Ключевые слова: тоннель, крепь, горная порода, математическая модель, крепление.

Строительство магистрали «Дублер Курортного проспекта» предусмотрено Транспортной стратегией Российской Федерации на период до 2030 г. [1], Федеральной целевой программой «Развитие транспортной системы России (2010 - 2015 годы)» [2] и Программой строительства олимпийских объектов и развития города Сочи как горноклиматического курорта [3].

Основные характеристики проекта строительства Центральной автомагистрали г. Сочи «Дублер Курортного проспекта»:

- расчетная скорость: 100 км/ч - на всем протяжении, 75 км/ч - в горной местности;

- полос движения: 2-4;

- общая протяженность - 16,21 км (в т.ч. 1-я очередь -5,68 км, 2-я очередь - 5,20 км, 3-я очередь - 5,33 км);

- транспортных развязок - 8;

- мостов, эстакад (кол/км): 11 / 6,98 (из них 8 - парные);

- тоннелей: двухполосных - 8 / 7,01 км (6 из которых парные), однополосных - 1/0,30.

Проектируемая трасса III очереди «Дублера Курортного проспекта» на участке проектируемых транспортных тоннелей №6 и 6а пересекает по косой существующий железнодорож-

ный тоннель №5 перегона Дагомыс - Сочи, построенный в 1916 г. Прохождение транспортных тоннелей предусмотрено проектом выше существующего тоннеля с сохранением целика между обделкой свода существующего и лотка проектируемых тоннелей около 9 м.

В соответствии с Техническим отчетом №573 об обследовании тоннеля №5, выполненным Технической станцией ОАО «РЖД» (Филиал «Центра обследования и диагностики инженерных сооружений») показывает, что в зоне прохождения проектируемых транспортных тоннелей состояние колец существующего тоннеля в нормальном состоянии.

Постоянная обделка существующего железнодорожного тоннеля выполнена из каменной кладки толщиной предположительно 0,8 м. Постоянная обделка сечением под габарит «1С» по ОСТ 6435 имеет овальную, вытянутую в вертикальном направлении форму. Форма обделки предназначена для восприятия вертикального горного давления, тогда как развитие горизонтальных нагрузок будет пагубно сказываться на ее несущей способности. Указанное будет неизбежно происходить при сооружении над действующим тоннелем двух новых тоннельных выработок, так как выработка, проходящая сверху, несколько разгружает обделку железнодорожного тоннеля от вертикального горного давления, что приводит к перемене знаков изгибающих моментов в шелыге свода. Зоны повышенной концентрации вертикального давления в целике между тоннелями на нижних горизонтах приведут к увеличению бокового давления на железнодорожный тоннель. То есть при нарушении равновесия породного массива над существующим тоннелем в последнем могут произойти необратимые деформации.

Для оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) обделки строящихся и существующего тоннеля и окружающего массива горных пород в период проходки была разработана трехмерная математическая модель и выполнены расчеты напряжений и деформаций с помощью метода конечных элементов. На модели с высокой точностью были заданы геометрические параметры и взаимное положение в пространстве трех вышеуказанных тоннелей. Набрызгбетон и лотковая распорка представлены плитными элементами с 3 степенями свободы в узле. Существующая обделка из каменной кладки

представлена кластерными элементами модели Мора-Кулона с соответствующими прочностными и деформационными характеристиками.

В результате расчета на конечно-элементной модели с же-сткостными характеристиками неупрочненного массива, существующей каменной обделки железнодорожного тоннеля и монолитной обделки строящихся тоннелей, было установлено, что максимальные перемещения относительно вертикальной оси возникают в обделках автодорожных тоннелей №6 и 6-А непосредственно в зонах пересечения вертикальной плоскости расположения продольной оси железнодорожного тоннеля (рис. 1). На этих участках расчетные значения вертикальных перемещений обделки достигают 105 - 143 мм, а возникающие при этом эквивалентные растягивающие напряжения превышают расчетные значения предела прочности конструкций на растяжение в 2-2,5 раза.

Таким образом, результаты моделирования свидетельствуют о необходимости упрочнения до начала проходки, как самой обделки, так и слоев породного массива, расположенного по высоте между осями строящихся и существующего тоннеля. Для этого следует предусмотреть опережающее упрочнение почвы автодорожных тоннелей №6 и 6-А и анкерное упрочнение пород кровли существующего железнодорожного тоннеля □5 с одновременным усилением его каменной обделки.

Учитывая, что прочность каменной кладки обделки железнодорожного тоннеля оказывается недостаточной, наряду с устройством экрана из труб при проходке лотковой части тоннелей 6 и 6а (на участках от ПК128+80,86 до ПК130+22,98 для тоннеля №6 и от ПК129+72,13 до ПК130+77,25 для тоннеля №6а) принято решение об усилении обделки, на участке длиной 226 м от 24-го до 50-го кольца включительно, которое сопряжено с уменьшением свободного сечения до габарита «1-С». При этом практически полностью игнорируется несущая способность существующей обделки и считается, что все нагрузки воспринимаются новой возводимой обделкой усиления [4].

Рекомендуется следующая конструкция усиления обделки железнодорожного тоннеля (рис. 2):

- устройство металлической двутавровой распорки в уровне шпал для уменьшения свободной высоты стен;

Рис. 1. Изополя вертикальных перемещений обделки тоннелей в зоне их взаимного влияния

Рис. 2. Схема усиления обделки действующего железнодорожного тоннеля

Рис. 3. Технология проходки тоннелей Мб и 6а уступным забоем с упрочнением пород почвы в зоне влияния железнодорожного тоннеля №5

- устройство анкеров диаметром 22 мм класса A-III длиной 4 м в количестве 7 шт./м;

- устройство набрызгбетонной (В30) обделки свода и стен тоннеля толщиной 20 см с армированием двухрядными сетками из арматуры диаметром 20 мм класса A-III с шагом 200 мм в поперечном направлении и диаметром 10 мм класса A-III с шагом 300 мм в продольном направлении.

Проходка тоннелей №6 и 6-A на участке влияния железнодорожного тоннеля осуществляется уступным забоем, при этом нижний уступ упрочняется стеклопластиковыми анкерами длиной 6 м. Скважины под анкеры бурятся установкой Cas-sagrande C6 под углом 45° диаметром 51 мм; закрепление анкеров осуществляется полимерной смолой. Анкеры устанавливаются в шахматном порядке по сетке 2^2 м (рис. 3).

До разработки нижнего уступа производится опережающее упрочнение массива пород почвы путем нагнетания це-ментно-песчаного раствора М200 через перфорированные трубы длиной 15 м и диаметром 108 мм, которые устанавливаются в скважины, пробуренные под углом 5° к горизонту той же бурильной установкой. Расстояние между устьями скважин (6 м) обеспечивает надежное перекрытие зон распространения тампонажного раствора.

Для обеспечения безопасности пассажирских и грузовых перевозок специалисты компании-подрядчика ООО «Тоннель-дорстрой» приняли решение о необходимости регулярного мониторинга железнодорожного тоннеля и определения возможных деформаций, вызванных строительством новых тоннелей.

Данные мониторинга необходимо было получать круглосуточно, через каждые два часа. При этом график прохождения через тоннель железнодорожных составов - очень плотный, что исключало возможность проведения мониторинга классическим методом. В этой связи было решено установить в тоннеле №5 автоматизированную систему деформационного мониторинга с использованием технологий Leica Geosystems [5]. Для получения максимально надежных результатов измерений были выбраны два роботизированных тахеометра Leica TM30 1. Режим автоматического распознавания цели позволяет прибору наводиться на центр отражателей и выявлять малейшие смещения без участия человека. Перед проведением измерений мониторинговых точек, каждый тахеометр выполняет из-

мерения на контрольные опорные точки, находящихся вне зоны возможных деформаций, и определяет свое положение в плане и по высоте с помощью метода обратной засечки.

Для максимального обзора тахеометры были установлены в центральной части тоннеля, друг напротив друга. Опорные отражатели расположены в начале и в конце тоннеля по 4 шт. соответственно. Мониторинговые отражатели установлены по 5 шт. в каждом сечении. Расстояния между сечениями от 1 до 5 м. В итоге вдоль тоннеля были установлены 196 мониторинговых отражателей.

Для передачи данных от тахеометров к вычислительному центру, расположенному на значительном удалении, в портале тоннеля был установлен GSM/GPRS модем. Между тахеометрами и модемом проложен LAN кабель с преобразователями в стандарт Ethernet. Управление тахеометрами осуществляется с помощью программного обеспечения Leica GeoMoS. Преимущества установленной системы - это полностью автоматический режим и, как следствие, отсутствие необходимости личного присутствия специалистов в тоннеле.

После проходки и сдачи в эксплуатацию автодорожных тоннелей №6 и 6-А также рекомендуется их систематический мониторинг в части обеспечения безопасности движения, сохранения габаритов, зазоров безопасности, качества воздушной среды, прочности и водонепроницаемости тоннельной обделки и т.д. [6]. Особенно тщательный мониторинг напряжений и деформаций в тоннельной обделке должен осуществляться в опасных зонах влияния ниже расположенного железнодорожного тоннеля, воспринимающего значительные динамические нагрузки от поездов, движущихся с высокой интенсивностью.

Таким образом, безопасность строительства и эксплуатации тоннелей обеспечивается:

- конструктивными мерами усиления обделки железнодорожного тоннеля №5;

- технологией проходки тоннелей №6 и 6а уступами и с упрочнением почвы;

- автоматизированной системой мониторинга состояния обделки тоннеля №5 в период проходки тоннелей №6 и 6-А;

- системой мониторинга тоннелей №6 и 6-А в период их эксплуатации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Транспортная стратегия Российской Федерации на период до 2030 г. Утв. Распоряжением Правительства Российской Федерации от 22.11.08 г. № 1734-р.

2. Федеральная целевая программа «Развитие транспортной системы России (2010 - 2015 годы)». Утв. Постановлением Правительства РФ от 05.12.2001 № 848 (ред. от 27.09.2012).

3. Программа строительства олимпийских объектов и развития города Сочи как горноклиматического курорта. Утв. Постановлением Правительства Российской Федерации от 29.12.07 г. № 991 (ред. от 01.10.2012).

4. Строительство центральной автомагистрали г. Сочи «Дублер Курортного проспекта» от км 172 федеральной автодороги М-27 Джубга _ Сочи до начала обхода г. Сочи ПК0 (р. Агура), с реконструкцией участка автодороги от ул. Земляничная до Курортного проспекта, Краснодарский край, (III очередь от р. Сочи до р. Псахе). Раздел 5. Проект организации строительства. Том 3. Транспортные тоннели №6 и 6-А - ООО «Сочитранстоннельпроект ТО-44», 2010.

5. Система мониторинга железнодорожного тоннеля в г. Сочи - Официальный сайт компании Навгеоком -http://www.navgeocom.ru/projects/672/5111

6. Калмыков Б.Ю., Прокопов А.Ю., Кузнецов А.Ф. О перспективных мероприятиях по повышению безопасности движения в автодорожных тоннелях// Перспектива - 2012 : матери-алы Междунар. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Т. III. -Нальчик : Каб.-Балк. ун-т, 2012. - С. 166-168. E2S

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Прокопов Альберт Юрьевич - доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Автомобильные дороги» Ростовский государственный строительный университет,

E-mail: prokopov72@rambler.ru, prokopov72@gmail.com

Прокопова Марина Валентиновна - кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительство» Шахтинского института (филиала) ЮРГТУ (НПИ), главный инженер проекта ООО «Тектоника», E-mail: sun210872@yandex.ru Ротенберг Максим Александрович - студент специальности «Мосты и транспортные тоннели» Ростовский государственный строительный университет», E-mail: maksim.rotenberg@yandex.ru

MATHEMATICAL MODELLING OF MUTUAL INFLUENCE OF ROAD TUNNELS NO. 6 AND 6A IN THE CITY OF SOCHI AND THE OPERATING RAILWAY TUNNEL NO. 5