CC BY
19
УДК 624.191
Энхтур Лонжид
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЧНЫХ УГЛОВ ЧЕТВЕРТИЧНОГО ОТЛОЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД
Приведена методика прогноза максимальных оседаний от проходки тоннелей тоннелепроходческими механизированными комплексами в четвертичных отложениях. На основе физико-механических свойств расчитаны граничные углы мульды сдвижения при данном условии проекта строительсва линии метро в городе Улан-Батор. Показано, что граничные углы могут использоваться для определения зоны влияния от проходки тоннеля и предварительной оценки уровень вреднего влияния к объектам и импраструктурам на земной поверхности.
Ключевые слова: максимальное оседания, граничные углы, физико-механические свойства грунта, проходка тоннеля, зона влияния, расчет ожидаемых сдвижений и деформаций.
Известно, что сдвижения и деформации горных пород и земной поверхности могут вызвать повреждения в объектах, увеличение водопроницаемости и газопроницаемости пород над выработанным пространством, изменение гидрогеологического режима поверхностных и грунтовых вод, активизацию оползневых процессов.
Границы зоны влияния подземных разработок определяются по граничным углам. Граничными углами называются внешние относительно выработанного пространства углы, образованные на вертикальных разрезах по главным сечениям мульды сдвижения горизонтальными линиями и линиями, последовательно проведенными в коренных породах, мезозойских отложениях и наносах, соединяющими границу очистной выработки с границей. Граничными точками мульды сдвижения считаются точки, за пределами которых со стороны неотработанной части пласта растяжения в и наклоны i не превышают 0,5^10-3, а оседания п = 15^20 мм [1].
При условии проходки тоннеля в городе граничные точки установили 2 раза строго в связи со строительсвом инфрастук-
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 4. С. 337-344. © 2017. Энхтур Лонжид.
туры города, и граничными точками мульды сдвижения считаем точки, за пределами которых со стороны неотработанной части пласта растяжения в и наклоны i не превышают 0,2^10-3.
В наносах ф0 (четвертичные и третичные горизонтально залегающие породы, не вмещающие разрабатываемые пласты), которые принимаются одинаковыми во всех направлениях и учитываются при мощности наносов более 5 м. Если горные выработки сооружаются в наносах при большой мощности, то следует учитывать граничные углы на основе физико-механических свойств горных пород, залегающих в наносе. Например, на территории города Улан-Батора мощность четвертичного отложения достигает до 40 м и собирается построится линия метрополитена именно в наносах. Поэтому возникает вопрос какова будет размер влияния земной поверхности.
Для определения инженерно-геологического условия построения города, на территории города проведено несколько раз инженерно-геологических исследований и изучены горные породы, залегающие в фундаменте городе. По обработкам полевых работ и лабораторных исследований сделали классификацию горных пород в наносе и рассчитали физико-механические свойства грунтов.
У города пока нет натурные данные, расчеты и наблюдательные работы, связанные с определением граничных углов. Оперяясь на материалах инженерно-геологических исследований, определены углы влияния земной поверхности путем моделированием горных пород по физико-механическим свойствам для каждого типа грунта. Процесс моделирования выполнен в среде Plaxis 3D и она представляет собой специализированную трехмерную компьютерную программу, основанную на методе конечных элементов, которая используется для расчетов деформации и устойчивости различных геотехнических объектов.
Для моделирования использована модель грунта — Hardening soil (HS). Упругопластическая модель с упрочнением грунта (HS) является усовершенствованной моделью предназначенной для моделирования поведения различных типов грунтов, как слабых, так и прочных. Основные характеристики модели приведены ниже:
• жесткость, зависящая от напряжений согласно степенному закону — m;
• пластическое деформирование, вызванное первичным де-виаторным нагружением — Eref50;
• пластическое деформирование, вызванное первичным сжатием — E ,ref;
oed '
Рис. 1. Модель по данным одной горной породы
• упругая разгрузка / повторное нагружение — ЕиггеГ, уцг;
• разрушение по критерию Мора-Кулона — c, ф и 0.
На рис. 1 показан общий вид модели грунта. На каждой модели рассмотрено напряженно-деформированное состояние и получены величины оседания главного сечения мульда сдвижения. После обработки приняли граничные точки мульды сдвижения и определены граничные углы с помощью графических построений. Таким образом, обработано 20 типов горных пород, исследованных в районе города и которые составляют четвертичное отложения территория.
Обработка результатов моделирований производилась следующим образом.
• После моделирования проходки тоннеля в среде Plaxis получены значения оседании на точке поверхности модуль. Оседание точки m
п = Н„, , — H , ,
•т 0(ш) п(ш)
где Н0(ш) — высотная отметка точки в начальной серии наблюдений; Нп(т) — высотная отметка точки после моделирования проходки тоннеля.
6 Смугло-желтоватый щебень 5 Щебень с включением
с булыжниками с включением смугло-желтоватых супеси
Рис. 2. Схема определения граничных углов на графике
Рыхлое отложение Группа пород
Четвертичный период Заметки грунтовых пород по инженерно-гео-логическому роду
Голоцен отдел
Пролювиальное Техно-генное возникование
Р<22 «22 индекс
<1 и» Мах толщина, м
о о 4^ О и» о Инженерно-геологический элементний номер
гравий, содержаюгций суглинок от смугло-желтоватого до смугло-коричневого цвета суглинок от смугло-желтоватого до смугло-коричневого цвета, содержащий гравий супесь, содержащая гравий от смугло-желтоватого до смугло-коричиевого цвета (до 21—50%) техногенная почва (1) Краткое описание грунтовых пород
0,122 0,189 0,099 Природная влажность Показатели физико-механических свойств
0,084 0,117 0,056 Количество упругости
2,16 К) о 4^ чо чо Грунтовая плотность
0,409 0,593 0,481 Коэффициент пористости
о 00 0,87 о и» и» Степень влажности
0,17 0,42 А О & Консистенция
ю о\ ьо о Ьз Модуль деформации, МПа
о К) 4^ ьо чо -е Угол внутреннего трения,град
чо К) Хл и) Г) Сила сцепления, МПа
О К) о ел и) о о £ Расчетное сопротивление
21,6 20,42 21,29 22,04 Длина зоны влияния от оси тоннеля в кресте по стиранию
о О и) чо о- Граничные углы сдвижений
ш
ве-тран-ное СУ > 5,3 03 маленький-средний зернистый, смугло-желтоватый песок с плотньтм состоянием 0,054 1,91 0,478 0,3 6 36 45 450 21,49 40
И э § и с СУ л 5 1 смугло-желтоватый и смугло-коричневый суглинок, содержащий щебень 0,163 0,116 1,92 0,654 0,71 0,32 31 23 21 270 19,05 44
а Е 5,5 5 щебень, содержащий смугло-желтоватые супесь и суглинок 0,112 0,094 2,22 0,358 0,85 0,01 24 41 41 450 21,57 40
32 6 смугло-желтоватый щебень с булыжниками, содержащий песок 0,067 2,17 0,308 0,56 2 40 45 500-600 21,66 40
и о .р(21-2 5,6 17 щебнистый суглиник от смугло-желтоватого до черно-коричиевого цвета 0,123 0,107 2,15 0,434 0,77 0,23 47 25 33 300 22,01 39
О о п п 19 смугло-желтоватый щебень, содержащий суглинок 0,105 0,09 2,23 0,354 0,79 0,04 22 42 43 450 21,5 40
* о в о и 0 1 1 1 и э § о ^ о & 25,6 16 щебень от смугло-желтоватого до светло-желтоватого цвета, содержащий супесь 0,083 0,051 2,22 0,321 0,69 0,13 15 44 46 450 21,33 40
6 и о 9 27 гравелистая супесь от светло-желтоватого до смугло-желтоватого цвета 0,103 0,055 2,14 0,392 0,7 0,22 21 29 32 300 21,37 40
и Й и о >н § к К п ГО 11,5 22 суглинок от смугло-желтоватого до смугло-серого цвета, содержащий гравий до 0,4—50% 0,134 0,104 2,09 0,481 0,77 0,28 45 25 32 275 21,93 39
& о О "О 5,2 23 глина от светло-желтоватого до смугло-серого цвета 0,214 0,215 2,01 0,651 0,9 0,18 31 23 21 270 19,23 44
п и 21,5 29 гравий, содержащий смугло-желтоватый суглинок 0,109 0,053 2,23 0,344 0,84 0,42 15 44 46 450 21,33 40
30 гравий, содержащий смугло-желтоватую супесь 0,116 0,099 2,15 0,408 0,77 0,18 23 41 42 450 21,55 40
вода-мерз-лотное «21-2 >10 щебнистое отложение с булыжниками, содержащее песок, супесь и суглинок - -
ш
14)
Рьтхлое отложение 1 Четвертичньш Плейстоцен- голоцен элюво-делювиальное есК21-2 5,4 57 гравий, содержащшг супесь от смугло-желтоватого до красно-желтоватого цвета 0,085 0,052 2,15 0,371 0,65 0,38 16 44 46 450 21,35 40
51 гравий, содержащшг суглинок от смугло-желтоватого до красно-желтоватого цвета 0,105 0,105 2,19 0,374 0,73 0,1 27 39 37 400 21,51 40
16 54 гравелистъш суглинок от глубоко-серого до красно-коричневого цвета 0,134 0,108 2,11 0,462 0,79 0,06 47 25 32 300 21,94 39
Метаморфическая Неогенной Плиоцен метаморфггческое-терршенное £ 10 41 суглинок от ярко-желтоватого до красно-коричневого цвета, содержащшг щебень и гравий 0,142 0,120 2,02 0,537 0,72 0,11 38 25 27 300 21,01 41
42 гравелистъш суглинок от ярко-желтоватого до красно-корггчневого цвета 0,123 0,131 2,14 0,434 0,78 0,16 47 25 33 300 22 39
>10 43 красная глина, содержащая гравий 0,176 0,212 2,06 0,567 0,85 0,14 81 21 28 550 21,5 40
200 44 щебень и гравий с булыжниками, содержащие суглинок от смугло-желтоватого до красно-корггчневого цвета 0,095 0,128 2,24 0,331 0,792 <0 24 41 41 450 21,56 40
Меловой Нижний Я 200 35 зелено-серый суглинок, содержащшг слои конгломерата, аргилита и алевролита 0,147 0,139 2,07 0,499 0,8 0,22 4 25 30 300 21,46 40
36 зелено-серая глина, содержащая слои конгломерата, аргилита и алевролита 0,172 0,236 2,02 0,595 0,79 0,11 81 21 28 550 21,51 40
Ь; Л и С с Триас-Юрский Поздний триас-ранний юра глубин-ное уТЗ-Л - 71 трещиноватый, слабый-сильный выветренный и большой-средншг зернистый гранит 2,43 Кк = 0,70-0,80 Временное сопротивление при сжатии одной оси Л = 5 МПа
Каменноугольный Нижний- средншг терригенное С1-2 1400 61 трещиноватый, слабый-сильный выветренный песчаник 2,55 Кк = 0,40-0,60 Л =5— 15МПа 21,15 40
62 трещиноватый, слабый выветренный алевролит 2,57 Кк = 0,50-0,60 Л =5— 15МПа 19,46 43
64 трещиноватый, слабый выветренный аргиллит 2,53 Кк = 0,60-0,70 Л =5— 15МПа 21,19 41
• Наклон интервала поверхности модели между точками m и m-1
i =Пт -П
m
m—1
где пт — оседание точки m; пт1 — оседание точки m-1; тХ горизонтальное расстояние между точками m и m-1. • Кривизна в точках мульды сдвижения
i — i
К — _m m—1
m
1cp
Чтобы определить границу мульды использовано критическое значение наклона.
На графиках показана схема проходки тоннеля и определены граничные точки мульды сдвижения вышеуказанными значениями. Размеры зоны влияния на земной поверхности от оси тоннеля колеблются между 19,03 м до 22,04 м, угол влияния на земной поверхности 39—42°.
В таблице соединены инженерно-геологическая классификация, показатели физико-механического свойств горных пород и полученные граничные углы различных грунтов в наносах при проходке тоннеля для геологических и технологических условий метро Улан-Батора.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гусев В. Н., Волохов Е. М. Сдвижение и деформации горных пород. - СПб., 2003. - 83 с.
2. Описания инженерно-геологической карты территории города Улан-Батор 1:10000 масштабы. Т. 1, 2, 10. — Улан-Батор: ПНИИС, 1986. — 2000 с.
3. Отчет инженерно-геологической изыскании в территории города Улан-Батор. — Улан-Батор, 1986. — 141 с.
4. Отчет проектирования метрополитена в городе Улан-Батор. -Улан-Батор, 2013. — 309 с.
5. Пособие по проектированию мероприятий для защиты эксплуатируемых зданий и сооружений от влияния горнопроходческих работ при строительстве метрополитена. — Л.: Стройиздат, 1973. — 72 с.
6. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. — СПб.: ВНИМИ, 1998. — 291 с.
7. Юрьевич Н. С. Прогноз сдвижений и деформаций горных пород при сооружении эскалаторных тоннелей метрополитена тоннелепро-ходческими механизированными комплексами. Дисс. на соискан. уч. степени к.т.н. — СПб., 2014. — 147 с.
8. Plaxis версия 8. Справочное руководство. — М.: Мир. — 182 с.
9. Jirí Barták, Ivan Hrdina, Georgij Romancov. Underground Space — the 4th Dimension of Metropolises. CRC Press, 2007. — 2064 с. EES
КОРОТКО ОБ АВТОРE
Энхтур Лонжид — аспирант, e-mail: [email protected], Санкт-Петербургский горный университет.
UDC 624.191
Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 4, pp. 337-344. Enkhtur Lonzhid
DETERMINATION OF BOUNDARY ANGLES
FOR OVERBURDEN STRATA
BASED ON PHYSICAL PROPERTIES OF ROCKS
The article describes the prediction procedure for maximum subsidence of overburden strata induced by tunneling using tunnel boring machines. Based on the physical properties of rocks, the boundary angles of the subsidence trough are calculated in terms of the subway line construction project in Ulaanbaatar.
It is shown that the boundary angles can be used to determine the size of the influence zone of tunneling with TBM and for preliminary assessment of hazardous impact on the ground surface infrastructure.
Key words: maximum subsidence, boundary angle, physical properties of soil, tunneling, influence zone, calculation of anticipated movement and deformation.
AUTHOR
Enkhtur Lonzhid, Graduate Student, e-mail: [email protected], Saint-Petersburg Mining University, 199106, Saint-Petersburg, Russia.
REFERENCES
1. Gusev V. N., Volokhov E. M. Sdvizhenie i deformatsii gornykh porod (Movement and deformation of rocks), Saint-Petersburg, 2003, 83 p.
2. Opisaniya inzhenerno-geologicheskoy karty territorii goroda Ulan-Bator 1:10000 masshtaby. T. 1, t. 2, t. 10 (Description of engineering geological map of the Ulaanbaatar city territory at 1 : 1000 scale, vol. 1, 2, 10), Ulan-Bator, PNIIS, 1986, 2000 p.
3. Otchet inzhenerno-geologicheskoy izyskanii v territorii goroda Ulan-Bator (Report on engineering geological exploration in the area ofUlaanbaatar city), Ulan-Bator, 1986, 141 p.
4. Otchet proektirovaniya metropolitena v gorode Ulan-Bator (Report on subway planning and design in the city of Ulaanbaatar), Ulan-Bator, 2013, 309 p.
5. Posobie po proektirovaniyu meropriyatiy dlya zashchity ekspluatiruemykh zdaniy i sooruzheniy ot vliyaniya gornoprokhodcheskikh rabot pri stroitel'stve metropolitena (Manual on safety planning for buildings and structures in the influence zone of subway construction), Leningrad, Stroyizdat, 1973, 72 p.
6. Pravila okhrany sooruzheniy iprirodnykh ob"ektov ot vrednogo vliyaniyapodzemnykh gornykh razrabotokna ugol'nykh mestorozhdeniyakh (Guidance on protection of structures and nature from the hazardous impact of underground coal mining), Saint-Petersburg, VNIMI, 1998, 291 p.
7. Yur'evich N. S. Prognoz sdvizheniy i deformatsiy gornykh porod pri sooruzhenii eskala-tornykh tonneley metropolitena tonneleprokhodcheskimi mekhanizirovynnymi kompleksami (Prediction of movement and deformation in rocks under construction of subway tunnels for moving staircases using tunnel boring machines), Candidate's thesis, Saint-Petersburg, 2014, 147 p.
8. Plaxis версия 8. Reference guide, Moscow, Mir, 182 p.
9. Jiri Bartak, Ivan Hrdina, Georgij Romancov. Underground Space the 4th Dimension of Metropolises. CRC Press, 2007, 2064 p.
