CC BY
87
УДК 624.191.81:625.1
А.Г. Протосеня, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (812)328-86-26, kaf- s gp @mail.ru,
H.A. Беляков, аспирант, (8905) 254-24-36, nike-bel@yandex.ru (Россия, г. Санкт-Петербург, СПГГУ)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОГО НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВРЕМЕННОЙ КРЕПИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТОННЕЛЯ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ РЕЛЬЕФА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Приведена методика прогноза напряженно-деформированного состояния ар-ко-бетонного временного крепления транспортного тоннеля. Приведенная методика позволяетучестъ основные технологические особенности строителъстватоннеля, а также пространственный характерработы временной крепи. Методика базируется на применении численного моделирования методом конечных элементов.
Ключевые слова: тоннель, напряжения, моделирование, временная крепь, постоянная обделка, деформация.
Транспортные тоннели являются капитальными горными выработками, поэтому они должны сохранять устойчивость и удовлетворять требованиям безопасности в течение всего срока эксплуатации. Именно поэтому в процессе расчета конструкций таких подземных сооружений следует учитывать как можно большее количество факторов, влияющих на формирование их напряженно-деформированного состояния [1, 2].
При строительстве транспортных тоннелей большого поперечного состояния с применением уступного способа его сечение разбивается на два уступа - верхний и нижний, а крепление пройденной выработки - на два основных этапа. На первом этапе производится крепление тоннеля временной крепью с целью обеспечения устойчивости породных обнажений на период ведения проходческих работ. На втором этапе в тоннеле возводится постоянная, как правило, монолитная железобетонная обделка, которая призвана обеспечить устойчивость тоннеля в процессе его длительной эксплуатации, а также воспринять возможные сейсмические нагрузки.
Большинство методик расчета конструкций временной крепи не учитывает особенности рельефа земной поверхности и влияние основных технологических этапов строительства тоннеля. Помимо этого, при расчетах рамных конструкций крепей необходимо учитывать сложный пространственный характер их работы.
Для решения поставленной задачи определения напряженно-деформированного состояния системы «временная крепь - породный массив» на основе схемы взаимодействия было использовано численное моделирование с помощью метода конечных элементов.
Принципиальная расчетная схема, примененная при разработке моделей, представлена на рис. 1. Глубина заложения тоннеля от земной поверхности Н составляет 35 м. Временная крепь железнодорожного тоннеля представлена в виде полигональных арок из двутаврового профиля, расставленных с шагом 1 м по длине тоннеля. Затяжка межарочного пространства выполняется с помощью чернового бетона на высоту арки (200 мм).
Рис. 1. Принципиальнаярасчетная схема, заложенная в .модель железнодорожного тоннеля №2
Решение задачи выполняется в рамках объемной постановки; фрагмент конечно-элементной сетки разработанной модели представлен на рис. 2.
Граничные условия заданы следующим образом: модели запрещались смещения по нижней грани - в направлении оси по боковым граням - в направлении оси X, по торцевым граням - в направлении оси У, верхняя грань модели оставлялась свободно деформируемой. Начальное поле распределения напряжений задавалось с учетом геостатического закона согласно гипотезе Динника с коэффициентом бокового давления, равным 0,5.
Рис. 2. Фрагмент сетки конечных элементов
Конечные значения поля смещений вычисляются таким образом, чтобы они содержали в себе только те составляющие смещений, которые возникают во вмещающем массиве от проходки рассматриваемой выработки.
В разработанной конечно-элементной модели предусматривается следующая последовательность сооружения железнодорожного тоннеля:
1) проходка и временное крепление верхнего уступа (калотты) тоннеля;
2) проходка и временное крепление нижнего уступа (штроссы) тоннеля (рис. 3).
Деформационно-прочностные характеристики пород вмещающего тоннель массива и конструкционных материалов его крепления, использованные при разработке конечно-элементных моделей, представлены в таблице.
Анализ полученных результатов по моделированию напряженно-деформированного состояния временного крепления выполнялся в два этапа. На первом этапе оценивалось напряженно-деформированное состояние двутавровых арок. На втором этапе выполнялся анализ напряженно-деформированного состояния бетонной затяжки временного крепления.
Для анализа процесса формирования напряженного состояния арок временной крепи на различных этапах строительства был выделен участок с пятью точками для определения напряжений (характеристическими точками) по длине арки (рис. 4).
Следует отметить, что точки 4 и 5 рассматривались только начиная с того этапа, когда производилось раскрытие штроссовой части сечения
транспортного тоннеля. Напряженное состояние в точках 1, 2 и 3 изучалось на весь период проходки.
Рис. 3. Схема основных этапов проходки и крепления тоннеля:
I - проходка калотты; II - проходка штроссы
На рис. 5 представлены графики развития напряжений в арке временного крепления по мере выполнения проходки тоннеля.
Деформационно-прочностные характеристики материалов
№ п/п Показатель Единица измерения Значение
Рифогенные известняки, закарстованные, сильнотрещиноватые с £=2-2,5
1 Удельный вес кН/м3 26,19
2 Модуль общей деформации МПа 1670
3 Коэффициент Пуассона 0,3
4 Угол внутреннего трения 15
5 Сцепление МПа 0,3
Сталь (стальные двутавровые арки временного крепления из двутавра №20)
1 Удельный вес кН/м3 78
2 Модуль упругости МПа 200000
3 Коэффициент Пуассона 0,25
Бетон класса В25 (черновой бетон для выполнения затяжки между двутавровыми арками)
1 Удельный вес кН/м3 25
2 Модуль упругости МПа 30000
3 Коэффициент Пуассона 0,2
Анализируя данную зависимость, необходимо отметить следующее. На этапе раскрытия калотты происходит активный рост напряжений непо-
средственно после ввода арки в работу. При этом в боках арки (точки 2 и
3) величины напряжений намного превосходят величины напряжений в своде. После достижения напряжениями значений в боку арки (точке 2 и точка 3 соответственно) порядка 34 и 32 МПа и в своде арки - 13 МПа происходит относительная их стабилизация на этом уровне, что продолжается вплоть до начала этапа раскрытия штроссы тоннеля. Стоит отметить, что влияние близости поверхности проявляется в асимметрии напряженного состояния в боках арки.
Несколько иначе происходит развитие напряжений в своде арки (рис. 4, т. 1). Здесь после начала разработки штроссовой части сечения тоннеля начинается вторая фаза постепенного роста напряжений. При этом не наблюдается никаких резких скачков напряжений и, в конечном итоге, после отхода забоя нижнего уступа на достаточное расстояние, наступает стабилизация напряжений на уровне 17 МПа.
Рис. 4. Схемаразмещения точек замера в арках временной крепи
После начала этапа раскрытия штроссовой части сечения тоннеля происходит небольшой рост напряжений в боках арки. Этот процесс происходит до раскрытия штроссовой части сечения тоннеля непосредственно под исследуемым сечением. В дальнейшем напряжения частично перераспределяются, а график их развития выходит на свою вторую зону стабили-зировавшихся напряжений. Таким образом, в конечном итоге напряжения в боку арки устанавливаются на уровне 30 МПа.
В нижней части арки, которая прикрепляется к крепи калоттной части тоннеля для закрепления его штроссовой части, возникает сравнительно невысокий уровень напряжений. После сооружения и закрепления штроссы, в нижней части арки начинается постепенный рост уровня напряжений, который завершается их стабилизацией. Величина напряжений после их стабилизации составляет 12 и 16 МПа в точках 4 и 5 соответственно.
Анализируя полученные зависимости в целом заметим, что в результате моделирования подтверждено, что близко расположенная поверхность оказывает большое влияние на асимметрию распределения напряжений в арках временного крепления тоннеля. Помимо этого, отметим, что в штроссовой части сечения величина возникающих напряжений меньше величины этих напряжений в калоттной части в среднем в 2-2,5 раза.
Перейдем ко второму этапу исследования временной крепи - исследованию напряженно-деформированного состояния чернового бетона временной крепи.
р аскр ыти кал ОТТЕ I 2 1 1 Р аск£ ыти е шт росс ы
/ 3 по раскрытия итроссы
1 аскр ытие СЄЧ€ —-—— пгтрс НИИ ссы
£Г й ЕЕ 1 1 5
V і 1 1 Д-
- 1
]0 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Этап строительства
Рис. 5. Графикразвития напряжений в арках временной крепи:
1 - свод, т.1;2 - левый бок тоннеля, т.2; 3 - правый бок тоннеля, т. 3; 4 - левый низ бока тоннеля, т. 4; 5 - правый низ бока тоннеля, т. 5
Прежде чем перейти к детальному рассмотрению формирования напряжений в одном из сечений временной крепи по черновому бетону, отметим, что на пространственную картину распределения напряжений в ней места расположения арок оказывали сильное воздействие, именно, в местах установки арок формируются зоны локальной концентрации напряжений сжатия. Здесь их значения повышаются в 3-4 раза.
Отметим, что анализ производился по величине главных сжимающих напряжений, действующих на внутреннем контуре бетонной затяжки. Для этого выбирались участки затяжки, расположенные посередине между арками крепи, а расположение характеристических точек на контуре в сечении совпадает с представленным на рис. 4.
На рис. 6 приведен график развития сжимающих напряжений в бетоне временного крепления по мере выполнения проходки тоннеля.
Анализируя данные кривые развития напряжений в бетоне временной обделки, необходимо отметить схожесть характера развития напряже-
ний, за вычетом нескольких нюансов с характером развития напряжений в арках временной крепи, представленным на рис. 5.
На начальном этапе формирования сжимающих напряжений в бетоне временной крепи в своде (точка 1) и боках (точки 2 и 3) происходит достаточно резкий их рост, уменьшающий свою интенсивность по мере удаления забоя от рассматриваемой точки. В конце концов график развития напряжений в обоих точках стабилизируется, т.е. возникает первый уровень устоявшихся напряжений при раскрытии калотты. В этот период напряжения здесь составляют для свода (точки 1) и боков (точки 2 и 3) бетона временного крепления 1,2 МПа, 2,3 МПа и 2,8 МПа соответственно. Следует отметить, что на протяжении всего этапа раскрытия калоттной части сечения тоннеля величина сжимающих напряжений в боках бетона временного крепления превышает их величину в своде. При этом совершенно ясно прослеживается влияние рельефа земной поверхности на распределение напряжений в бетоне крепи тоннеля.
После начала раскрытия штроссовой части сечения тоннеля сжимающие напряжения в боках бетона временного крепления сначала возрастают и в результате этого роста достигают своего абсолютного максимума (2,8 и 3,9 МПа соответственно для точек 2 и 3). Далее по мере приближения забоя нижнего уступа к рассматриваемому сечению, напряжения сжатия начинают уменьшаться. Этот процесс продолжается до тех пор, пока штроссовая часть сечения тоннеля не будет раскрыта в этом сечении. С этого момента в точке 2 возобновляется процесс роста напряжений, а в точке 3 снижение их уровня продолжается, но с гораздо меньшей интенсивностью. В дальнейшем величина сжимающих напряжений по мере удаления забоя нижнего уступа стабилизируется в обеих точках боков тоннеля, т.е. возникает второй уровень устоявшихся напряжений. В данном случае он составит 0,4 и 0,8 МПа для точек 2 и 3 соответственно.
В своде (точка 1) картина развития обстоит несколько проще, чем в боках бетона временного крепления (точки 2 и 3). Здесь отсутствует участок спада напряжений, а их рост наблюдается от начала этапа раскрытия штроссы до момента удаления забоя нижнего уступа на достаточное расстояние. В своде второй уровень установившихся напряжений составит порядка 1,5 МПа.
Развитие сжимающих напряжений в нижней части бетона временного крепления (точки 4 и 5) протекает аналогично развитию напряжений в своде выработки. Здесь установившийся уровень напряжений составляет 1,1 и 1,5 МПа соответственно для точек 4 и 5.
По результатам анализа напряженного состояния чернового бетона временной крепи можно заключить, что его формирование, также как и для арок, происходит в условиях значительного влияния рельефа земной поверхности и в конечном итоге выражается в виде сильной асимметрии картины распределения напряжений.
Рис. 6. Графикразвития сжимающих напряжений в бетоне временной
крепи
Также нужно отметить, что величина напряжений в черновом бетоне штроссовой части сечения тоннеля здесь практически равна величине напряжений в калоттной части сечения, что отличается от картины, наблюдаемой в арках. Вероятно, так проявляется пространственное влияние арок как жесткого элемента армирования на конечное распределение напряжений во временной крепи как единой конструкции.
В конечном итоге можно заключить следующее. Учет основных технологических этапов при прогнозе напряженно-деформированного состояния конструкций временного крепления позволяет получать более достоверные результаты при выполнении их расчета. На основании полученных результатов можно сделать вывод, что, по крайней мере в штроссовой части арок временного крепления, существует возможность для выполнения оптимизации параметров её конструкции. Например, при креплении штроссовой части сечения тоннеля можно использовать сегменты арок меньшего по номеру двутаврового профиля, чем в сегментах, из которых собирается арка в калоттной части временной крепи.
При расчете параметров временного крепления прогноз напряжено-деформированного состояния чернового бетона следует выполнять с учетом сильного влияния арок, как элементов жесткого армирования, на пространственный характер его формирования. В местах установки арок в бетоне временной крепи наблюдаются локальные концентрации напряжений, в 3-4 раза превосходящих по величине их средние значения.
Также необходимо отметить, что в предложенной к рассмотрению модели, параметры которой выбраны в качестве усредненных для тоннелей, подверженных влиянию рельефа земной поверхности, конструкция временной крепи с достаточно большим запасом удовлетворяет требованиям прочности. Учитывая данный факт, можно сказать, что расчет постоянной обделки, возводимой под защитой временного крепления, необходимо выполнять с обязательным учетом его сдерживающего влияния.
Список литературы
1. Беляков Н.А. Геомеханическое обоснование параметров крепления железнодорожных тоннелей в условиях Северного Кавказа // Записки горного института. 2010. Т.186. С. 99-103.
2. Протосеня А.Г., Беляков Н.А. Геомеханическое обоснование вариантов последовательности выполнения горнопроходческих работ при реконструкции двухпутных железнодорожных тоннелей в условиях Северного Кавказа // Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения: труды 7-й Межрегиональной научно-практической конференции 810 апреля 2009 г. Филиал СПГГИ (ТУ) «Воркутинский горный институт». Воркута, 2009. Т.1. С. 150-155.
A.G. Protosenya, N.A.Belyakov
PREDICTION OF RAILROAD TUNNEL’S TEMPORARY SUPPORT STRESS-STRAIN CONDITION WITH TAKING INTO ACCOUNT OF EARTH SURFACE LOCAL TOPOGRAPHY
The technique of transport tunnel’s temporary support stress-strain condition prediction is adduced. This technique allows to take into account main technological features of the tunnel drilling process and volumetric nature of temporary lining structure behavior. Technique is based on numerical analysis with finite-elements method.
Key words: tunnel, stress, modeling, temporary support, permanent lining, strain.
Получено 20.04.11
УДК 628.472.38
Д.О. Прохоров, канд. техн. наук, доц., 33-42-44, dp@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
КАРЬЕР-ПОЛИГОН ТБО - ПЕРСПЕКТИВНОЕ КОМПЛЕКСНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
Рассмотрена возможность организации комплексного производства по добыче известняка и переработке и утилизации твердых бытовых отходов с последующей полноценной рекультивацией земель, нарушенных горнымиработами.
Ключевые слова: открытые горные работы, карьер, полигон, твердые бытовые отходы, рекультивация.
Отработанные карьеры по добыче нерудных строительных материалов часто используются как свалки твердых промышленных и бытовых отходов. Обычно это происходит с теми карьерами, на которых должным образом не была произведена рекультивация нарушенных горными работами земель в связи с нехваткой закладочного материала. Часть таких
