CC BY
20
УДК 624.19:625.1
ДУВАНСКИЙ А.В., ст.науч.сотрудник (ДП «Донецкий Промстройниипроект»).
Определение усилий в конструкциях тоннелей глубокого заложения в массиве с тектоническими нарушениями
Введение
Постановка задачи
Современное железнодорожное строительство требует создания большого числа искусственных сооружений. В инженерных работах, связанных с монтажом и строительством тоннелей, широко используются новые технологии и материалы. Применение новой высокопроизводительной техники позволяет выполнять их за более короткий период, что позволяет сокращать сроки ввода объектов в эксплуатацию. Наиболее показательным примером освоения инновационных технологий является использование передовой высокопроизводительной горнопроходческой техники.
Такой техникой являются горные машины, так называемой щитовой проходки. С помощью такой технологии можно устраивать сборную обделку из любых материалов (железобетон, металл). Данная технология основана на использовании специального металлического проходческого щита, размер которого соответствует необходимой величине тоннеля, устраиваемого в массиве различного сложения.
Однако недостаточно точное определение напряженно-деформируемого состояния конструкций тоннелей расположенных в массиве, где преобладают тектонические процессы, может привести к выходу тоннелей из эксплуатации.
Тектонические процессы приводят к деформациям массива с образованием участков со складками и разрывами, что ведет к нарастанию горизонтальных и вертикальных напряжений, оказывающих дополнительное нагружение на конструкции прокладываемых тоннелей.
Учитывая недостаточную изученность вопроса строительства тоннелей в зонах тектонических нарушений, необходимо использовать методики позволяющие учесть нагрузки от тектонических воздействий и определить усилия в обделочных кольцах с целью обеспечения безопасного строительства и длительного срока эксплуатации подземных сооружений.
Основные материалы работы
Определение усилий в обделке от тектонических воздействий напрямую связано с определением величин нагрузок, вызванных этим воздействием. Для этого, необходимо воспользоваться каким либо из методов определения напряженного состояния массива [1], с целью установления величин напряжений, преобладающих в массиве с тектоническими нарушениями.
Наиболее перспективными на сегодняшний день являются аналитические методы определения напряжений в массиве. При использовании этих методов реализуются модели массива с любым видом нарушения, где достаточно просто определить величины напряжений.
В результате установления напряженного состояния массива можно найти,
как плоское напряженное состояние мас-уи &и
сива - 2 , х , так и пространственное
уи уи <
напряженное состояние - 2 , х , у .
Использование плоских расчетных моделей массива с нарушениями [2], приводит к менее трудоемким, эффективным
процессам и достаточным для определения главных нагрузочных факторов, вызванных тектоникой.
Используя гравитационную теорию [3] можно установить величины напряжений в массиве, сформированные собственным весом:
< = У ><у = КФ»
(1)
где у- средний удельный вес грунтов, составляющих массив до исследуемой точки;
И - глубина заложения исследуемой точки массива;
К у =
1 — V
коэффициент бокового
давления.
Для дальнейшего определения конкретных величин тектонических напряжений достаточно вычесть из напряжений, полученных путем исследования, теоретические напряжения, полученных в формуле (1):
т и г
О = О — о
1, X, у 1, X , у 1, X, у
(2)
где о1ху - тектонические напряжения;
и
о1ху - напряжения, определенные в массиве в результате исследований;
г
о1ху - напряжения в массиве вызванные весом грунта.
Полученные тектонические напряжения далее можно учесть при расчетах обделок тоннелей с помощью известных методов расчета в различных постановках с применением выведенных формул [4]. Однако, учитывая развитие современных расчетных комплексов, основанных на методе конечных элементов (МКЭ), целесообразно осуществлять реализацию взаимовлияния грунтового массива с обделкой посредствам упругих (линейных) расчетных схем.
Использование расчетных инженерных программных комплексов, основанных на МКЭ, позволяет моделировать массив и обделку путем создания континуальных и дискретных схем в упругой, упругопластической или вязкопластиче-ской постановках. Однако, использование континуальных схем, в которых массив моделируется сплошной средой, является неудобным, ввиду сложности реализации горного давления. Так, при создании в массиве напряжений от собственного веса на обделку тоннеля глубокого заложения приходится давление всего массива (1), расположенного над обделкой. Такое давление, является сомнительным, так как установлено [4], что горное давление формируется сводом обрушения, возникающим при прохождении выработки.
Поэтому, для упрощения расчетов целесообразно использовать дискретные расчетные схемы. Использование таких схем довольно распространено при расчете обделок тоннелей. Усовершенствование таких схем выполнено при разработке методики учета дополнительных воздействий на обделку, расположенную в подрабатываемом массиве [5]. На рис. 1а приведена дискретная схема с основными действующими нагрузками, которые будут воздействовать на обделку тоннеля, расположенного в массиве с тектоническими нарушениями.
Основное преимущество адаптации дискретных схем при расчетах обделок тоннелей состоит в использовании стержневых элементов, которые реализованы во всех современных инженерных расчетных программных комплексах. С помощью таких элементов можно достаточно просто моделировать податливость при сдвиге или обжатии, так как применяется дифференциальное уравнение стержня [6], модифицированное с учетом сдвигов, для которого общее решение дается в трансцендентных функциях Корноухова [7], что является важным при задаче стержневого элемента в любом положении. При
V
этом стержневые конечные элементы реализуют точное решение.
Концевые сечения упругой части стержня могут различными способами прикрепляться к узлам конструкции или к концам жестких вставок, так как для этих сечений предусматривается возможность снятия связи стержня по любой степени свободы, связанной с координатами Х1 У1
21. Снятие связи, соответствующей линейной степени свободы, обеспечивает проскальзывание, снятие угловой связи -свободный поворот (цилиндрический шарнир). При этом программа контролирует, чтобы комбинация снятых связей не приводила к геометрической изменяемости (с учетом используемого признака типа схемы).
а)
||| ||| || у у у у
ГШ 1111ГПТПТП4-
б)
Р^соза^
элементы
л™
в) , . . , ,
/РГеОвШ
р;
_ РГсояси -
Рис. 1. Нагрузочная схема взаимодействия обделки с грунтовым массивом в зонах тектонических нарушений: а) общая схема; б) передача нагрузки от веса грунта; в) передача нагрузки от тектонических воздействий
На стержень допускается задание разнообразных местных нагрузок, действующих как в местной системе координат Xi Yi Zi, так и в общей системе координат Х, Y, Z.
Универсальный конечный элемент может работать со всеми признаками типа схемы, применяемыми при расчете конструкций.
Поэтому использование дискретных схем достаточно точно позволяет отразить работу обделки и массива при создании модели с учетом всех правил теории механики подземных сооружений.
В предложенной схеме можно создать как горное давление, найденное с помощью формул (1) (рис. 1б), так и тектонические воздействия в виде приведенных нагрузок, соответствующих найденным напряжениям s J, sTx (2) (рис. 1в),
задаваемые на упругие элементы, моделирующие массив.
Расчет по предложенной методике можно выполнить при помощи отечественных программ Scad, Лира, реализующих метод перемещений в форме МКЭ.
Взаимодействие конструкции и грунта в такой расчетной схеме моделируется упругими связями, длина которых lui, lvi, определяется в зависимости от размеров зоны активного давления. Действующие нагрузки передают на связи продольными силами ui, vi. В результате упругой работы последних выполняется поджатие на соответствующие величины Alui, Alvi опорных узлов. Происходящие деформации в элементах, моделирующих грунт, зависят от заданных характеристик ErF. Последующие деформации и усилия в конструкции обделки образуются путем передачи деформаций с грунтовых элементов через контактные узлы. Соответственно величина деформации обделки и величины возникающих усилий зависят от жесткости обделки [5].
На рис. 2 показаны усилия в обделке тоннеля, вызванные горным давлением и тектоникой. Расчетное сечения нагрузок
выбрано для тоннеля, расположенного на глубине 50м в грунтах с физико-механическими характеристиками - y = 19,3кН/м2, Е = 20МПа, ц = 0,35. Обделка принята железобетонной с диаметром ё=6м и толщиной Ь=300мм (Донецкий Метрополитен). При формировании горного давления учитывалось, что свод обрушения в активной зоне выработке образуется на расстоянии 2R от центра обделки тоннеля, и составляет величины нагрузок соответствующие выражениям:
qZ = g • 2Ro6 (3)
qX = 1 -гг • 2Ro6 (4)
Величины тектонических напряжений приняты в пределах, установленных для разрывных нарушений aTz = 2 ^ 5qTz, al = 10 ^ 16qX [8]. В дальнейшем преобразование их в нагрузки происходит в соответствии с рис. 1в
На рис. 2а показаны усилия в монолитной железобетонной обделке тоннеля, полученные от сочетания горных и тектонических нагрузок.
На рис. 2б показаны усилия в сборной железобетонной обделке от сочетания горных и тектонических нагрузок. Реализация стыков блоков обделки выполнена шарнирами, которые расположены в центре каждой четверти обделки.
На рис. 2в показаны усилия в сборной железобетонной обделке от сочетания горных и тектонических нагрузок. Реализация стыков блоков обделки выполнена шарнирами, которые расположены в начале и конце каждой четверти обделки.
Полученные результаты дают возможность оценить величины усилий при применении различных типов обделок, а также оценить данный подход к учету влияния тектоники с применением современных инженерных программных комплексов. Следует отметить приблизительный учет тектонических нагрузок при определении усилий в обделках разных ти-
пов. Для установления конкретных вели- использовать специальные методики [1,2]. чин тектонических нагрузок необходимо
Рис. 2. Эпюры усилий в различных типах обделки тоннеля от сочетания горных и тектонических нагрузок, полученных по результатам расчета в дискретной схеме: а) в монолитной железобетонной обделке; б) в сборной железобетонной обделке со стыками, расположенными в центрах четвертей обделки; в) в сборной железобетонной обделке со стыками, расположенными в начале и конце четвертей обделки
Выводы
1. Дискретные схемы, используемые для нахождения усилий в обделке, обеспечивают достаточную точность расчетов, а также имеют определенные преимущества перед методами, основанными на континуальных схемах ввиду малых трудозатрат. Так, благодаря частичной дис-
кретизации расчетной схемы, появляется возможность рассчитывать сборные конструкции, учитывать образование пластических шарниров и оценивать устойчивость обделок. Вместе с тем, ввиду сложности математического аппарата механики деформируемого твердого тела, применяемого для описания напряженно-деформированного состояния породного
массива, дискретные схемы наиболее удобны.
2. Приведенные результаты показывают, что усилия имеют значительные величины при учете тектонических воздействий.
3. Приведенные результаты показывают нецелесообразность использования монолитных железобетонных обделок при строительстве тоннелей в массиве с тектоническими нарушениями.
4. Использование приведенной методики для расчетов обделки тоннеля в массиве с тектоническими нарушениями позволит оптимизировать применение сборных железобетонных обделок.
5. Оптимальное расположение блоков в обделочном кольце приведет к снижению усилий (моментов), что приводит к экономии на затратах, выделяемых на арматурные изделия обделки.
Список литературы
1. Дуванский А.В. Определение влияния тектонических напряжений на тоннели глубокого заложения, расположенные в нарушенном массиве: материалы международной научно-практической конференции. [Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития - 2012]; 212 октября 2012г. - Одесса: КУПРИЕНКО - с.67-75. ISSN 2224-0187.
2. Дуванский А.В. Концепция формирования тектонических напряжений, воздействующих на протяженные подземные сооружения закрытого способа работ/ Дуванский А.В. // Свгг ГЕОТЕХНИКИ - Москва: Метропроект. -1936. - № 24. - С. 17 - 23.;
3. Динник А.Н. Устойчивость упругих систем / Динник А.Н. и др. - Москва, изд-во АН СССР - 1950 - 120c.;
4. Булычев Н.С. Проектирование и расчет крепи капитальных выработок / Булычев Н.С., Фотиева Н.Н., Стрельцов Е.В. - Москва: Недра - 1986. - 288с.;
5. Розенвассер Г.Р. Несущая способность сборных обделок коммуникационных тоннелей при их совместной работе с грунтовым массивом / Розенвассер Г.Р. и др. // Подземное и шахтное строительство. - М.: Стройиздат, 1991. - №2. - С. 25 -26.
6. Тимошенко С.П. Курс теории упругости / Тимошенко С.П. - Киев: Науко-ва думка - 1972.-508с.;
7. Корноухов Н.В. Прочность и устойчивость стержневых систем. Упругие рамы, фермы и комбинированные системы / Корноухов Н.В. - Москва: Госстрой-издат, 1949. - 378с.
8. Гавриленко Ю.Н. Особенности численного моделирования сдвижения массива горных пород и земной поверхности при наличии разрывных тектонических нарушений / Известия Донецкого института // Гавриленко Ю.Н. - Донецк. -1995. - №1 - с.44-46.
Аннотации:
Викладаегься недостатньо вивчене питання визначення зусиль в оброблення ввд тектошчних навантажень при проектуванш i будавнищга туне-лiв переважно закрытого способу робгт, в масивах з тектошчними порушеннями.
Ключов1 слова: тектошчш порушення, ту-нель, оброблення, тектошче-ськие навантаження, зусилля.
Излагается недостаточно изученный вопрос определения усилий в обделках от тектонических нагрузок при проектировании и строительстве тоннелей преимущественно закрытого способа работ, в массивах с тектоническими нарушениями.
Ключевые слова: тектонические нарушения, тоннель, обделка, тектонические нагрузки, усилия.
Insufficiently studied question of definition of best efforts in tunnel casing from tectonic loadings is stated at design and construction of tunnels of mainly closed way of works, in massifs with tectonic violations.
Keywords: tectonic violations, tunnel, tunnel casing, tectonic loadings, best efforts
