CC BY
15
21. Sekisov A.G., Cheban A.Yu. Technology of kimberlite development using a scraper equipped with combined equipment // Proceedings of Tula State University. Earth sciences. 2023. Issue 1. pp. 328-337.
УДК 622.013.3, 2023
ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО СОХРАННОСТИ И ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТОННЕЛЕЙ МЕТРО, ПОПАДАЮЩИХ В ЗОНУ ВЛИЯНИЯ НОВОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
А.Н. Панкратенко, Д.А. Цюпа
Обоснована актуальность проведения исследований в области реализации технологий подземного городского строительства, направленных на формирование должного уровня сохранности и эксплуатационной надежности существующих тоннелей метро, попадающих в зону влияния нового строительства. Предлагаемое научно-методическое обеспечение решения геотехнических и геомеханических ситуаций и выбора технологических решений в области сохранности и эксплуатационной надежности существующих тоннелей метро, попадающих в зону влияния нового строительства исключает в рамках доверительного интервала проявления негативных процессов, связанных с формированием в окрестностях ведения подземных строительных работ зон предельных состояний и разрушительных деформаций. Разработанный и сформированный методический аппарат позволяет с достаточной степенью объективности и надежности оценивать и прогнозировать эксплуатационную устойчивость подземных сооружений в грунтовых массивах с физической нелинейностью и расширяет интерпретацию сложившихся гипотез и представлений сопутствующих геомеханических процессов.
Ключевые слова: геомеханические ситуации, математическое моделирование, упругое пластическое деформирование, тоннельные сооружения, метод конечных элементов, технологии подземного строительства.
В современных условиях недропользования и реализации технологий подземного городского строительства возникает спектр трудноразрешимых задач, связанных с плотной городской застройкой и расположением мест объектов нового строительства, соприкасающихся или пересекающихся с действующей подземной инфраструктурой различного функционального назначения. Как правило, данные ситуации характеризуются наличием дополнительных превентивных мер технологической направленности, минимизирующих риски строительства. Все это с полным основанием можно отнести и к строительству новых объектов метрополитена [1, 2].
Следует отметить, что геотехническое и геомеханическое обоснование проектных решений строительства подземных сооружений метропо-
литена в обозначенной проблематичной области, в настоящий момент времени имеет весьма существенные недостатки, что обусловлено наличием ряда методических и методологических составляющих, отражающих учет основополагающих особенностей пластического деформирования вмещающего массива, описываемого и прогнозируемого с использованием численных методов.
Это подтверждается значительной аварийностью при проведении подобного рода подземных работ, вплоть до изменения проектной траектории тоннельных сооружений и сооружением обходных маршрутов.
В методологическом плане это, в основном, связано с определенными сложностями реализации комплексного перехода от установленных экспериментальных данных в области установления основных параметров физико-механических свойств пород вмещающего массива к определенным функциональным зависимостям, которые задействованы в рамках математического моделирования конкретных геомеханических ситуаций.
Одновременно с этим, следует учесть, что правомерный и адекватный учёт всех составляющих и процессов нелинейного упругого пластического деформирования литологических разностей вмещающего массива является основополагающей составляющей процедуры обоснования численных расчётов устойчивости и эксплуатационной сохранности подземных сооружений в сложной среде функционирования [3, 4].
Исходя из этого, научно-практическая задача разработки и обоснования технологических решений по сохранности и эксплуатационной надежности существующих тоннелей метро, попадающих в зону влияния нового строительства на основе методов математического моделирования, становится актуальной и приоритетной с учетом стремительного развивающихся требований эколого-промышленной безопасности, предъявляемых к устойчивому и эффективному освоению новых участков подземного строительства с учетом сложившейся и функционирующей инфраструктуры.
Анализ исследований теоретического и практического плана в области прогнозирования и регулирования процессов напряженно-деформированного состояния горного массива с использованием статических расчетов и механики горных пород и технологических подходов к оптимизации параметров комплексной модели системы «горнотехническое сооружение - технологические процессы строительства подземных сооружений - природная среда» показал, что нивелирование существенных неточностей процедуры оценки и прогнозирования НДС с учетом определенных сложностей выделения наиболее значащих и влияющих горногеологических и горнотехнических факторов следует осуществлять с учетом закономерностей протекающих процессов НДС массива литологиче-ских разностей горных пород с правомерным и адекватным учётом всех составляющих и процессов их нелинейного упругого пластического де-
формирования, что является основополагающей составляющей процедуры обоснования численных расчётов устойчивости и эксплуатационной сохранности подземных сооружений в сложной среде функционирования и разработки дополнительных превентивных мер технологической направленности, минимизирующих риски строительства.
Выбор и обоснование рациональных направлений в области сохранности и эксплуатационной надежности существующих тоннелей метро, попадающих в зону влияния нового строительства следует осуществлять на базе научно-методического обеспечения оптимизационного многопараметрического моделирования (метод конечных элементов плюс оптимизационная модель упрочняющего грунта Hardening Soil), которое направлено на реализацию наиболее эффективных технологий подземного строительства с позиций минимизации сопутствующих геотехнических рисков и создания приемлемого уровня промышленно-экологической безопасности [5, 6].
При этом достоверная и объективная система формирования расчетных схем деформационных процессов в литологических разностях вмещающего массива при строительстве тоннельных сооружений в контурах нового строительства и существующей действующей подземной инфраструктуры с учетом их взаимовлияния и при использовании технологий подземного строительства должна формироваться на базе взаимоувязанного корректного учёта сопутствующих физико-механических свойств литологических разностей вмещающего массива пород и конструкционных материалов, технологий последовательности возведения подземных сооружений и т.д.), решения возникающих при этом геомеханических и геотехнических с учетом комплексной трансформации и оптимизации составляющих результирующих целевых индикаторов оптимизационной модели упрочняющего грунта Hardening Soil. что дает возможность прогнозировать и идентифицировать образование в режиме разупрочнения проблемных участков и наметить выработку корректирующих технологических решений.
Исходя из данной концепции были разработаны и обоснованы практические рекомендации применительно к объектам Московского метрополитена в области оценки влияния строительства новой станции и проходки тоннелей на существующие подземные сооружения и разработаны технологические решения по сохранности и эксплуатационной надежности существующих тоннелей метро, попадающих в зону влияния нового строительства [7].
С привлечением метода конечных элементов (конечно-линейной аппроксимации), который является численным методом решения задач механики сплошной среды и реализуется в пространственной постановке в рамках оптимизационной модели упрочняющего грунта Hardening Soil разработан механизм сравнения и выбора наиболее эффективных техноло-
гических решений по обеспечению эксплуатационную сохранности и распределению более равномерной силовой нагрузки на обделку существующих тоннелей метро в условиях нового строительства. С использованием оптимизационной модели получено распределение основных внутренних усилий в тоннельных сооружениях до и после завершения проходки тоннелей из котлована новой станции. Фрагменты моделирования показаны на рис. 1, 2. Полученные в расчете деформации в тоннельной обделке вызывают опасения с точки зрения обеспечения габаритов и кривых в плане и профиле и требуют разработки дополнительных технологических решений в соответствии с действующими нормативными документами [8-10].
Рис. 1. Результаты расчета изменения напряженно-деформированного состояния тоннелей (расчетная схема на момент окончания строительства объектов метрополитена с учетом устройств рам
усиления, ПВК «Z Soil 13.10)
Рис. 2. Результаты расчета изменения напряженно-деформированного состояния тоннелей (расчетная схема в плане на момент окончания строительства объектов метрополитена с учетом устройств рам
усиления, ПВК «Z Soil 13.10)
Для обеспечения эксплуатационной надежности и безопасности тоннельных сооружений линии метрополитена при строительстве котлова-
на новой станции и закрытой проходки тоннелей с учетом существующих был рассмотрен и рассчитан вариант с устройством разгружающих рам. По результатам внутренних усилий в обделке существующих тоннелей рассчитаны коэффициенты запаса по прочности, также визуализированы дополнительные перемещения в тоннельных сооружениях после окончания строительства объектов метрополитена.
Дополнительные расчеты показали, что внедрение данного технологического решения полностью обеспечивает эксплуатационную надежность и безопасность тоннельных сооружений при строительстве новой станции и проходке перегонных тоннелей.
Заключение
Выбор и обоснование конкретных методических и методологических составляющих процедур прогнозной оценки деформаций и смещений в области взаимосвязанного влияния ведения подземных горных работ с учетом действующей инфраструктур требуют решения ряда взаимоувязанных задач и реализации управления с учетом обязательной корректировки определенных технологических параметров с целью стабилизации НДС вмещающего грунтового массива, что предопределяет наличие отдельных составляющих различных методических подходов и теорий, сформировавшихся в заявленной проблематичной области.
Предложена концепция использования упругопластических моделей с упрочнением грунта до приемлемого уровня сходимости экспериментальных и теоретических данных, что практически сводит на нет использование других модельных представлений при оценке НДС вмещающего массива в зонах нового строительства с учетом существующей инфраструктуры и позволяет обеспечить разработку технологических решений для обеспечения эксплуатационной устойчивости подземных сооружений и обоснования наиболее целесообразного способа его строительства. Основополагающими факторами устойчивости грунтов в области ведения подземных горных работ являются: учитываемая предложенным модельным представлением Hardening Soil нелинейность процесса деформирования, учет составляющих сдвигового и изотропного упрочнения и зависимости изменения структуры жесткости, связанной с изменениями девиаторной составляющей нагрузки, величина учитываемого эквивалентного давления на литологические разности вмещающего массива и технологические параметры строительства подземных сооружений.
Список литературы
1. Лебедев М. О., Романевич К. В. Определение напряженного состояния обделки при реконструкции транспортных тоннелей // Геотехника. 2019. Т. 11. №. 4. С. 42-55.
2. Фомченкова Д. И. Строительство станций метрополитена колонного типа глубокого заложения в условиях стесненной городской среды // Актуальные исследования. 2022. С. 43.
3. Особенности проектирования, строительства и эксплуатации тоннелей метрополитена и притоннельных сооружений в условиях плотной городской застройки / И. Я. Харченко [и др.] // Транспортные сооружения. 2019. Т. 6. №. 3. С. 31-31.
4. Матюхова О. С., Манько А. В. Методика применения одномерных и двумерных элементов при математическом моделировании обделки тоннеля метрополитена // Инженерный вестник Дона. 2022. №. 7 (91). С. 440-450.
5. A creep model for frozen sand of Qinghai-Tibet based on Nishihara model / Z.Y. Zhu, F. Luo, Y.Z. Zhang, D.J. Zhang, J.L. He // Cold Regions Science and Technology. 2019. Vol.167. P.102843.
6. Zhou J., Zhao W., Tang Y. Practical prediction method on frost heave of soft clay in artificial ground freezing with field experiment // Tunnelling and Underground Space Technology. 2021. Т. 107.
7. Козлов В.В., Агафонов В.В. Обоснование метода математического моделирования для расчета напряженно-деформированного состояния массива горных пород // Уголь. 2017. № 3 (1092). С. 70-71.
8. Дмитриев С. В. Решение упругой задачи методом конечных элементов. Визуализация тензора напряжений // ГИАБ. 2017. №. 7. С. 222-227.
9. Толстопятова А. В. Применение метода конечных элементов в упруго-пластических задачах // Алтайский государственный университет. 2011. №. 8. С. 125-126.
10. Коврижных А. М., Серяков В. М., Коврижных С. А. Расчет необратимых деформаций и фронта разрушения на основе сдвиговой модели деформирования материала // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. 2014. Т. 1. №. 1. С. 135-140.
Панкратенко Александр Никитович, д-р техн. наук., проф. зав. кафедрой, sps@misis.ru, Россия, Москва, Национальный исследовательский технологический университет МИСиС,
Цюпа Дмитрий Александрович, соискатель, Tsdal@mail.ru, Россия, Москва, Национальный исследовательский технологический университет МИСиС
SUBSTANTIATION OF TECHNOLOGICAL SOLUTIONS FOR THE SAFETY AND OPERATIONAL RELIABILITY OF EXISTING METRO TUNNELS FALLING INTO THE ZONE OF INFLUENCE OF NEW CONSTRUCTION
A.N. Pankratenko, D.A. Tsyupa
The relevance of research in the field of the implementation of technologies of underground urban construction aimed at the formation of a proper level of safety and opera-
tional reliability of existing subway tunnels falling into the zone of influence of new construction is substantiated. The proposed scientific and methodological support for the solution of geotechnical and geomechanical situations and the choice of technological solutions in the field of safety and operational reliability of existing metro tunnels falling within the zone of influence of new construction excludes, within the confidence interval, the manifestations of negative processes associated with the formation of zones of extreme conditions and destructive deformations in the vicinity of underground construction work. The developed and formed methodological apparatus allows with a sufficient degree of objectivity and reliability to assess and predict the operational stability of underground structures in soil massifs with physical nonlinearity and expands expands the interpretation of existing hypotheses and representations of accompanying geomechanical processes.
Key words: geomechanical situations, mathematical modeling, elastic plastic deformation, tunnel structures, finite element method, underground construction technologies.
Pankratenko Alexander Nikitovich, doctor of technical sciences, professor, head of the chair, sps@misis.ru, Russia, Moscow, National Research Technological University MISiS,
Tsyupa Dmitry Alexandrovich, applicant, Tsdal@mail.ru, Russia, Moscow, National Research Technological University MISIS
Reference
1. Lebedev M. O., Romanevich K. V. Determination of the stressed condition of the lining during the reconstruction of transport tunnels // Geotechnics. 2019. Vol. 11. No. 4. pp. 42-55.
2. Fomchenkova D. I. Construction of deep-laid column-type metro stations in a cramped urban environment // Actual research. 2022. p. 43.
3. Features of the design, construction and operation of subway tunnels and tunnel structures in conditions of dense urban development / I. Ya. Kharchenko [et al.] // Transport solutions. 2019. Vol. 6. no. 3. pp. 31-31.
4. Matyukhova O. S., Manko A.V. Methods of using one-dimensional and two-dimensional elements in mathematical modeling of the lining of the subway tunnel // Engineering Bulletin of the Don. 2022. No. 7 (91). pp. 440-450.
5. A creep model for frozen sand of Qinghai-Tibet based on Nishihara model / Z.Y. Zhu, F. Luo, Y.Z. Zhang, D.J. Zhang, J.L. He // Cold Regions Science and Technology. 2019. Vol.167. P.102843.
6. Zhou J., Zhao W., Tang Y. Practical prediction method on frost heave of soft clay in artificial ground freezing with field experiment // Tunnelling and Underground Space Technology. 2021. Vol. 107.
7. Kozlov V.V., Agafonov V.V. Substantiation of the mathematical modeling method for calculating the stress-strain state of a mountain massif rocks // Coal. 2017. No. 3 (1092). pp. 70-71.
8. Dmitriev S. V. Solution of an elastic problem by the finite element method. Visualization of the stress tensor // GIAB. 2017. No. 7. pp. 222-227.
9. Tolstopyatova A.V. Application of the finite element method in elastic-plastic problems // Altai State University. 2011. No. 8. pp. 125-126.
10. Kovrizhnykh A.M., Seryakov V. M., Kovrizhnykh S. A. Calculation of irreversible deformations and the fracture front based on the shear model of material deformation // Fundamental and applied issues of Mining Sciences. 2014. Vol. 1. no. 1. pp. 135-140. УДК 69:624.138.24
