CC BY
30
УДК 622.831
МЕТОД ПРОГНОЗА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ОБДЕЛКИ ПЕРЕГОННЫХ ТОННЕЛЕЙ ДЛЯ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ
УСЛОВИЙ г.ХАНОЯ
А.Г. Протосеня, До Нгок Тхай
Разработан метод расчета напряженного состояния обделок параллельных тоннелей метрополитена кругового поперечного сечения на действие собственного веса грунта. Метод основан на численном решении плоской задачи теории упругости о напряженном состоянии колец, подкрепляющих отверстия в весомой линейно-деформируемой полуплоскости. Выявлены закономерности распределения тангенциальных напряжений на внешнем и внутреннем контурах обделки и радиальных напряжений по её внешнему контуру. Установлены зависимости взаимного влияния тоннелей на их напряженно-деформированное состояния. Для решения задачи применен метод конечных элементов с реализацией его в лицензионном программном комплексе «АЬадия». Результаты исследований будут использованы при проектировании и проходке метрополитена в г.Ханое.
Ключевые слова: грунт, тоннель, напряженное состояние, обделка, осадка земной поверхности.
Для прогноза напряженного состояния обделок перегонных тоннелей могут быть использованы аналитические [1-3] и численные методы расчета [4]. Проходка метрополитена г.Ханоя будет осуществляться щитовым способом в слое песчаного глины. Метрополитен г.Ханоя имеет диаметр тоннеля в проходке 6,2 м. Средняя глубина заложения тоннеля от поверхности земли до контура тоннеля составляет 20 метров. Продольный разрез по оси тоннеля представлен на рис. 1.
Рис. 1. Схематический инженерно-геологический разрез трассы метрополитена
На рис. 1 показано, что четвертичные отложения в общем разрезе трассы метрополитена имеют сложное строение. В общем разрезе встречаются различные грунты, почвенно-растительные (слой 1), слабые глинистые и суглинистые (слой 2), глинистые и суглинистые (слой 3), песчаные глины (слой 4), плотные песчаные глины (слой 5) и гравийно-галечные (слой 6). Метрополитен г.Ханоя будет размещен в слое 4, некоторые основные характеристики физико-механических свойств грунтов приведены в таблице.
Основные показатели физико-механических свойств _грунтов трассы метрополитена_
Слой Грунты Удельный вес грунта у, кН/м3 Сцепление с, кПа Угол внутреннего трения Ф, град Модуль общей деформации Ее, МПа Коэффициент поперечной деформации у0
2 Слабые глинистые и суглинистые 16,0... 17,5 8.15 4.8 5.8 0,39
3 Глинистые и суглинистые 16,8...19,0 12.30 8.14 10.15,5 0,38
4 Песчаные глины 18,8.19,2 15.40 10.18 14.25 0,35
5 Плотные песчаные глины 18,8.19,5 - - 23.32 0,35
6 Гравийно-галечные - - - >80 0,32
Разработан метод расчета обделки взаимовлияющих параллельных круговых тоннелей мелкого заложения. Для решения задачи применим метод конечных элементов (МКЭ) с реализацией его в лицензионном программном комплексе «Аbaqus»[5]. Прочностные и деформационные характеристики грунтового массива, которые были использованы при моделировании: удельный вес грунта у = 19 кН/м3; модуль общей деформации Е0 = 10...40МПа; коэффициент поперечной деформации у0 = 0,35; угол внутреннего трения массива различной степени нарушенности ф = 80; сцепление массива различной степени нарушенности с = 15 кПа. Модуль упругости обделки принят Е1 = 2,4 -104 МПа, = 0,2 и толщина обделки Л1 = 0,35 м. Тоннели сооружаются с отставанием обделки от забоя на I = 1 м. Первым проходится левый тоннель.
Компоненты напряжений в нетронутом породном массиве находятся по формулам
ау =УН, ъх = ХуИ, (1)
где ^ = у(1 -у) ; X - коэффициент бокового давления в ненарушенном массиве грунта; V - коэффициент Пуассона грунта; у - удельный вес грунта, И - глубина заложения тоннеля.
Постановка задачи. Решение задачи рассматривается в плоской постановке, расчетная схема представлена на рис. 2. Размеры численной модели принимались 120x120 м, тоннель имеет диаметр в проходке 6,3 м. Задача симметрична относительно оси У. Граничные условия заданы на границах модели в виде перемещений в направлении оси X - их = 0 и оси У - иу = 0. В модели заданы начальные напряжения.
а
б
Рис. 2. Фрагмент схемы расчета напряженного состояния обделки: а - проходка первого тоннеля; б - проходка второго тоннеля;
1 - грунт; 2 - тоннель; 3 - граничные условия
Задачей моделирования было получение нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем и внешнем контурах поперечного сечения обделки и радиальных напряжений на внешнем контуре поперечного сечения обделки левого тоннеля до проведения правого тоннеля. Из результатов, представленных на рис. 3, следует, что с увеличением модуля деформации грунта Е0, тангенциальные напряжения в обделке ае уменьшаются. Так, при изменении Е0 от 10 МПа до 40 МПа максимальные растягивающие тангенциальные напряжения на внешнем контуре поперечного сечения обделки уменьшаются с 2,17 до 1,32 МПа, а сжимающие уменьшаются с -5,66 до -4,82 МПа. Максимальные растягивающие тангенциальные напряжения на внутреннем контуре поперечного сечения обделки уменьшаются с 1,60 до 1,04 МПа, а сжимающие уменьшаются с -6,51 до -5,31 МПа.
Рис. 3. Эпюры распределения: тангенциальных напряжений на внешнем (а), внутреннем (б) контурах поперечного сечения обделки и радиальных напряжений на внешнем контуре (в) поперечного сечения обделки левого тоннеля до проведения правого тоннеля МПа: 1, 2, 3, 4 - при модуле деформации вмещающего массива 10, 20, 30, 40 Мпа соответственно
Нормальные тангенциальные напряжения на внутреннем и внешнем контурах поперечного сечения обделки левого тоннеля после проведения и крепления правого тоннеля представлены на рис. 4. и рис. 5.
а
б
, *5 3§ 1 2
! А/ 1 II' ц 0.70 т]
у/Л ,
--'■4, /
Рис. 4. Эпюры распределения нормальных тангенциальных напряжений
на внешнем (а), внутреннем (б) контурах и радиальных напряжений на внешнем контуре (в)поперечного сечения обделки левого тоннеля после проведения правого тоннеля, МПа: 1, 2, 3, 4 - при модуле деформации вмещающего массива 10,15, 20, 30 Мпа соответственно
в
Рис. 5. Эпюры распределения нормальных тангенциальных напряжений на внешнем (а), внутреннем контурах (б) и радиальных напряжений на внешнем контуре (в) поперечного сечения обделки левого тоннеля после крепления правого тоннеля, МПа: 1, 2, 3, 4 - при модуле деформации вмещающего массива 10,15, 20, 30 Мпа соответственно
На рис. 4 представлены результаты прогноза тангенциальных напряжений на внешнем и внутреннем контурах поперечного сечения обделки левого тоннеля после проведения правого тоннеля. Так, после проведения правого тоннеля максимальные растягивающие тангенциальные напряжения на внешнем контуре обделки увеличиваются с 1,32 до 2,44 МПа, а сжимающие напряжения с -5,66 до -6,98 МПа и максимальные растягивающие тангенциальные напряжения на внутренней обделке увеличиваются с 1,60 до 1,95 МПа, а сжимающие напряжения - с -6,51 до -7,62 МПа.
Результата расчета вертикального оседания земной поверхности представлены на рис. 6.
70 — 0
--5
ю
--15 ---20 --25
Рис. 6. Вертикальное оседание земной поверхности: 1 - после проходки и возведения обделки левого тоннеля; 2 - после проходки и возведения
обделки правого тоннеля
Проходка первого перегонного тоннеля привела к оседанию земной поверхности порядка 11 ... 12 мм, проведение второй тоннеля под теми же профильными линиями вызвало дальнейшее увеличение оседания до значений 17 ... 19 мм.
Список литературы
1. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. М.: Недра, 1994.
381 с.
2. Оценка закономерностей распределения напряжений при проектировании тюбинговых обделок перегонных тоннелей/ А.Г. Протосеня,
-50
^ й-У
о" Ё
1-10 с
I -20
ЧГ
е
-30
-40 _1_
Расстояние от оси между тоннелями, м -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60
- - ^____—.----
^"""О ч ^ 1
\ \ / ■ /
\ Ч / | /
\ V / ■ /
V / 1 /
6 6
B. Л. Трушко, М.А. Карасев, Д.В. Сидоров // Записки Горного института. 2012. Т. 195. С. 129-132.
3. Протосеня А.Г., Беляков Н.А. Метод прогноза напряженно-деформированного состояния обделок двух взаимовлияющих тоннелей с учетом технологии строительства // Записки Горного института. 2012. Т. 199.
C. 128-133.
4. Протосеня А.Г., БеляковН.А. Определение пространственного напряженно-деформированного состояния слабого грунтового массива в при-забойной части при проходке тоннеля с использованием пригруза забоя // Записки Горного института. 2011. Т. 190. С. 149-157.
5. Hibbitt, Karlsson, Sorensen. Abaqus. Standard User's manual. 2012. V.6.12. Providence, Rhode Island.
Протосеня Анатолий Григорьевич, д-р техн. наук, проф., декан, kaf-sgp@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,
До Нгок Тхай, асп., thaidongoc@,gmail.com, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет
METHOD OF FORECASTING INTERSTATION TUNNEL LINING STRESS CONDITION FOR GEOLOGICAL CONDITIONS OF HANOI
A.G. Protosenya, Do Ngoc Thai
Analytical method for calculating the stress state of lining tunnels with arbitrary cross-section on the effect of its own weight of soil was created. The method is based on an analytical solution of the elasticity theory plane problem about stress-state of supporting arbitrary shape openings in the linearly deformable weighty semi-plane. The prediction with numerical methods is produced in 3D with application of elastic-plastic soil body model. The matching of numerical calculations data and data of experiments and analytical calculation is revealed. The research results will be used in the design and tunneling underground in Hanoi.
Key words: ground, tunnel, stress state, lining, surface settlement.
Protosenya Anatolyi Grigoievich, Doctor of Technical Sciences, Full Professor, Dean, kaf-sgp@mail.ru, Russia, Saint Petersburg, Saint Petersburg Mining University,
Do Ngoc Thai, postgraduate, thaidongoc@gmail.com, Russia, Saint Petersburg, Saint Petersburg Mining University
Reference
1. Bulychev N.S. Mehanika podzemnyh sooruzhenij. Moskva Nedra. 1994. 381 s.
2. Ocenka zakonomernostej raspredelenija naprjazhenij pri proektirovanii tjubingovyh obdelok peregonnyh tonnelej/ A.G. Protosenja, V.L. Trushko, M.A. Karasev, D.V. Sidorov // Zapiski Gornogo instituta SPb. 2012. T. 195. S. 129-132.
3. Protosenja A.G., Beljakov N.A. Metod prognoza naprjazhen-no-deformirovannogo sostojanija obdelok dvuh vzaimovlijajushhih tonnelej s uchetom tehnologii stroitel'stva. Zapiski Gornogo instituta. SPb. 2012. T. 199. S. 128-133.
4. Protosenja A.G., BeljakovN.A. Opredelenie prostranstvennogo naprjazhenno- defor-mirovannogo sostojanija slabogo gruntovogo massiva v prizabojnoj chasti pri prohodke tonnelja s ispol'zovaniem prigruza zaboja. ZapiskiGornogoinstituta. SPb. 2011. T. 190. S. 149-157.
5. Hibbitt, Karlsson, Sorensen, Inc "Abaqus.Standard User's manual, v.6.12," Providence, Rhode Island. 2012.
УДК 622.272
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТКИ БОГАТЫХ
ЖЕЛЕЗНЫХ РУД ЯКОВЛЕВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
К. В. Созонов
Рассмотрена технология разработки богатых железных руд Яковлевского месторождения, представленных в основном рыхлыми тонкопористыми разностями желе-зослюдково-мартитового состава, слоевой системой с очистными выработками полигональной формы и закладкой выработанного пространства. Обоснованы параметры очистной выемки с применением камер увеличенных размеров, обеспечивающих повышение производительности Яковлевского рудника.
Ключевые слова: железорудное месторождение, слоевая система разработки, очистные камеры, устойчивость.
Сложные горно- и гидрогеологические условия разработки Яковлев-ского месторождения с наличием слабых неустойчивых рыхлых железных руд с пределом прочности на сжатие 1,02.2,1 МПа [1] и семи водоносных высоконапорных водоносных горизонтов предопределили применение на первом этапе разработки месторождения слоевой системы разработки с закладкой выработанного пространства, которая позволяет извлекать до 98 % запасов железных руд, однако относительно невысокая производительность труда вынуждает искать более эффективные варианты системы разработки.
Для повышения производительности Яковлевского рудника предложено применить систему разработки с очистными камерами полигональной формы увеличенных размеров [2]. Выполненное геомеханическое обоснование безопасных параметров камер полигональной формы [3] подтвердило возможность перехода к отработке запасов мартитовых и гидрогемати-то-мартитовых железных руд вариантом слоевой системы с камерами увеличенных размеров. Сущность предлагаемого способа разработки заключается в отработке ориентированных вкрест простирания очистных камер полиго-
