CC BY
11
УДК 622.272
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПРОСАДКИ ДНЕВНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ПРОХОДКЕ ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТОК
В.И. Сарычев, А.В.Поляков, П.Н. Чеботарев, К.В. Демин
Рассмотрены причины возникновения проседаний дневной поверхности в результате проведения подземных выработок, а также различные методы их оценки. В частности, среди эмпирических методов был выделен метод, основанный на использовании функции ошибки Гаусса. Также представлены расчеты устойчивости забоя и оценки давления в нем грунта при проходке тоннелей с использованием тонне -лепроходческих механизированных комплексов.
Ключевые слова: подземные выработки, деформация дневной поверхности, прогнозирование, устойчивость забоя, давление грунта.
Многие поверхностные и подземные сооружения вокруг неглубоких, мягких грунтовых тоннелей в урбанизированных районах предусматривают ведение строительных работ очень деликатным способом из-за влияния деформации грунта, которые обязательно должны контролироваться на предмет соответствия допустимым значениям. Следует прогнозировать краткосрочные и долгосрочные деформации земной поверхности и поверхности грунта и планировать меры предосторожности для недопущения любого ущерба существующим сооружениям.
Основные факторы, влияющие на деформации дневной поверхности, это состояние грунта, технические факторы, а также способ ведения работ по разрушению горных пород и строительству тоннеля. Для выяснения состояния грунта необходимо провести тщательные исследования на рабочем участке. Особенно важно с точки зрения деформаций определение жесткости грунта. Технические параметры, влияющие на деформации грунта, включают длину и геометрию тоннеля, наличие соседних выработок и т.п. Метод строительства выбирается на основе характеристик участка и технических ограничений проекта (безопасность и экономичность) и должен планироваться таким образом, чтобы движение грунта было ограничено до приемлемого уровня. Способ разрушения горных пород, стабилизация и поддержка забоя, производительность работ по проходке, жесткость системы поддержки, последовательность ведения работ по разрушению и улучшение грунта (вмещающих пород) оказывают существенное влияние на его деформации в процессе осуществления работ [1 - 6].
Основной причиной проседания дневной поверхности является конвергенция земли в тоннель после проведения выработки, изменяющей напряженное состояние в горном массиве, который, стремясь к новому равновесному состоянию, деформируется. Конвергенция грунта также известна как потеря грунта или потеря объема при сближении стенок выра-
ботки. При этом объем оседаемого грунта на поверхности обычно считается равным потерям грунта (объема) внутри тоннеля.
Потери грунта можно классифицировать как радиальные потери вокруг периферии тоннеля и осевые (торцевые) потери на поверхности забоя. Можно минимизировать потери на поверхности забоя при механическом разрушении забоя по закрытому принципу работы путем стабилизации давления в забое. Потери почвы обычно больше в гранулированных почвах, чем в сплоченных почвах для аналогичных строительных условий. Ширина расчетного желоба по обе стороны от оси тоннеля шире в случае когезионных почв, что означает более низкое максимальное проседание при одинаковом количестве потерь грунта.
Краткосрочная просадка происходит в течение (или по истечении) нескольких дней или чаще нескольких недель ведения горнопроходческих работ вследствие преобладания влажного грунта. Долгосрочная просадка в основном обусловлена ползучестью, перераспределением напряжений и уплотнением грунта после дренирования подземных вод и уменьшения порового давления воды в грунте. Естественным образом данный процесс может протекать от нескольких месяцев до нескольких лет до достижения уровня стабилизации. В сухих грунтах долгосрочная просадка проявляется несильно.
В настоящее время существует три основных подхода к прогнозированию проседания в процессе строительства тоннелей:
1) численные методы, как, например, метод конечных элементов;
2) аналитические методы;
3) полутеоретические (эмпирические) методы [7, 8].
Обычно рекомендуется применять более одного из указанных подходов для прогнозирования просадки дневной поверхности. Основываясь на проведенных расчетах, определяется уровень и факторы риска и предпринимаются меры для их устранения. Расчетная схема представлена на рис. 1, из которого видно, что кривая просадки по форме напоминает кривую нормального гауссового распределения, а максимум совпадает с вертикальной осью выработки.
Начальная (краткосрочная) максимальная просадка дневной поверхности (м) для единственного тоннеля определяется по формуле
Г 9 \
Я 2
5тах = 0,0125 • К •
(1)
где К - коэффициент потерь объема, который представляет собой отношение объема (или площади) конвергированного грунта к удельному объему разрушенной горной массы на единицу длины проходки (или площади поперечного сечения забоя); Яд - радиус выработки, м; г - точка перегиба кривой просадки, в которой наблюдается ее экстремум, причем кривая симметрична относительно оси выработки в поперечном сечении, а также
предполагается, что просадка уменьшается на расстоянии 3/ от центральной оси, то есть эффект просадки наблюдается на общем расстоянии 6/, м.
Рис. 1. Расчетная схема проседания дневной поверхности: S - кривая теоретической просадки (кривая нормального гауссового
распределения); - расстояние от дневной поверхности до центральной оси выработки; Б - диаметр тоннеля
Значение / может быть определено для когезионных грунтов из выражения
г = 0,5 • , (2)
где 20 - расстояние от дневной поверхности до центральной оси выработки, м.
Для определения коэффициента потерь объема предложена эмпирическая зависимость от коэффициента устойчивости N и пригодная для применения в случае стабилизации давления в забое
К = 0,87 • ехр(0,26 • Ы) . (3)
Уменьшение вертикального 5V и горизонтального диаметров (м) тоннеля за счет упругого снятия напряжения после выемки грунта составит
(1 -V2 )
¿V = Ds-(3+ ); (4)
(1 -V2)
= ^-(3), (5)
где V - коэффициент Пуассона грунта; Es - модуль Юнга влажного грунта; О и он - вертикальное и горизонтальное земное давление, кПа; Ds - диаметр выработки, м.
Удельный объем осевшего грунта или площадь под кривой Гаусса (м3/м или м2) определяются интегрированием теоретической кривой Гаусса
^ = 5тах • 1 . (6)
Тогда максимальную начальную просадку можно вычислить по формуле [9]
5тах = " . (7) I • V 2П
Максимальный объем конвергенции грунта может быть определен из выражения
^ = П•(4 -), (8)
4 (4
где Dsegm - наружный диаметр сегментов тоннеля (труб), м.
В уравнение (8) также можно ввести значения уменьшения размеров выработки, полученные по формулам (4) и (5). Тогда значение объема конвергенции грунта будет немного меньше.
Просадку поверхности на заданном расстоянии х от центральной оси выработки или экстремума функции просадки следует определять по формуле
5 _ 5тах ' ехР
- х
V 2?
V 21 У
(9)
Уравнение (9) является функцией кривой Гаусса [7].
Расчет устойчивости забоя
Оценка устойчивости забоя выработки является важным аспектом проектирования туннеля. Когда невозможно обеспечить устойчивость забоя в естественных условиях, необходимо осуществлять дорогостоящие мероприятия по его укреплению [10].
Устойчивость забоя можно оценить коэффициентом устойчивости N определяемого по формуле (10) для когезионных грунтов и если его значение не больше 4, то забой является устойчивым:
м = г (ю)
Си
где озиг - давление на дневную поверхность, кПа; уь - насыпной удельный вес грунта, кН/м3; Н - расстояние от дневной поверхности до верхней точки выработки, м; Rs - радиус выработки, м; о/- давление в забое, кПа; Си -сцепление грунта, кПа.
Другой метод проверки устойчивости забоя основан на определе нии критического значения сцепления грунта
°зит + УЬ •(Ь + %
Cu_сг , (11)
Ncr
где ЫсГ - критическое значение коэффициента устойчивости, которое определяется по графикам (рис. 2).
'О
8
л 2, UDS
'А 1 \=\ 0.5
~ ко 2,0
_\ ос
0 12 3 h/Ds
Рис. 2. Графики к определению критического значения коэффициента устойчивости для заданных технических параметров: L - длина головной секции щитовой машины
Если полученное значение критического сцепления больше заданного сцепления грунта, то забой неустойчив.
Верхний (против пучения грунта) и нижний (против обрушения забоя) пределы давления забоя могут быть определены из следующего выражения:
°f =°sur + Yb ■(h + RS)±Ncr ■ Cu ■ (12)
Допустимое значение давления в забое можно принять, разделив значение сцепления грунта на коэффициент безопасности, равный 1,5 - 2.
Оценка давления грунта в забое
Международная тоннелестроительная ассоциация (англ. ITA - The International Tunneling Association) утверждает, что если глубина вскрышных пород превышает два диаметра выработки, то для оценки вертикального и горизонтального давления на выработку следует учитывать высоту ее дуги [11]. В условиях сухих пород данное значение определяется по формуле
Yb
1 - e
h0 =
K0 • tg
+ а
sur
Yb
(13)
где Ко - боковое давление грунта в состоянии покоя (можно принять это значение равным 1,0); 5 - угол трения грунтовой призмы изгиба грунта (можно принять равным внутреннему углу трения грунта ф), град.; е - параметр, учитывающий условия нагружения; Ьз - полуширина призмы изгиба грунта, м, которая определяется по формуле
п ф 8 " 4 ) ■
bS = RS • ctg
(14)
Величина e вычисляется из выражения
e = exp
h
-K) • tg (S)--
V
(15)
Предполагается, что вертикальное земное давление на корону выработки ov и горизонтальное земное давление по оси выработки следует определять, выбирая максимум из значений двойного диаметра выработки 2- DS или величины ho.
av = max (Xb ■ ho ; 2 • Ds ■ yb); (16)
ah = K0 (av + Yb ■ ), (17)
где Хь - коэффициент бокового давления грунта [12].
Давление в камере ог, которое должно быть применено для уравновешивания давления забоя, следует принимать равным горизонтальному земному давлению плюс запас прочности (примерно 20 кПа).
Если тоннель строится ниже уровня грунтовых вод, то вместо насыпного удельного веса грунта следует принимать в расчетах удельный вес пульпы (обводненного грунта), а к земному давлению прибавлять гидростатическое давление.
Список литературы
1. Мазеин С.В. Разработка математических моделей для прогнозных осадок дневной поверхности по данным контроля грунта и технологических показателей ТПМК // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2009. № 2. С. 98-109.
2. Мазеин С.В., Потапов М. А. Анализ параметров современных щитов с разным типом пригруза, применяемых в метростроении с минимальными осадками городской поверхности // Сб. докл. науч.-техн. конф. Тоннельной ассоциации России. 2010-2011. С. 58 - 59.
3. Богомолова О.А., Жиделев А.В. Влияние параметров подземной выработки на величину осадки дневной поверхности подрабатываемой территории // Construction and Geotechnics. 2020. Т. 11. № 2. С. 5-18.
4. Закоришенный А.Н., Немков С.А., Файзрахманов Н.Г. Опыт применения отечественных кондиционеров грунта при проходке тоннеля метрополитена в изменяющихся горно-гидрогеологических условиях // Промышленное и гражданское строительство. 2010. №1. С. 37 - 40.
5. Воробьев Л.А., Чеботаев В.В. Определение давления пригруза при проходке тоннелей щитами с пеногрунтовым или бентонитовым креплением забоя // Сб. науч. тр. междунар. научно-практич. конф. «Тоннельное» строительство России и стран СНГ в начале века: опыт и перспективы. ТАР, 2002. С. 122 - 129.
6. Макаревич Г.В. Щиты с грунто- и гидропригрузом. Преимущества и недостатки работы на ТПМК с различными пригрузами забоя // Метро и тоннели. 2004. №1. С. 22-25.
7. Методы оценки осадок при проходке тоннелей с использованием тоннелепроходческих механизированных комплексов / И.А. Гуськов, Е.А. Пестрякова, С.С. Харитонов, Е.Ю. Титов // Интернет-журнал «Транспортные сооружения», 2019. №3. https://t-s.today/PDF/18SATS319.pdf.
8. Карасев М.А., Беляков Н.А. Прогноз деформаций земной поверхности при строительстве станций метрополитена в твердых глинах // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2016. Вып. 1. С. 139-155.
9. Протосеня А.Г., Беляков Н.А., Ктхай До Нго Разработка метода прогноза давления пригруза забоя и осадок земной поверхности при строительстве тоннелей механизированными проходческими комплексами // Записки Горного института. 2015. Т. 211. С. 53-63.
10. Oreste P. Evaluation of the Tunnel Face Stability through a Ground Stress Analysis with a Hemi-spherical Geometry Approximation // American Journal of Applied Sciences. Dec 2014. №11. Р. 1995-2003.
11. Schmidt B. A method of estimating surface settlement above tunnels constructed in soft ground // Canadian Geotechnical Journal. 1999. Т. 20. С. 1122. ^
12. СТО НОСТРОЙ 2.27.19-2011. Освоение подземного строительства. Сооружение тоннелей тоннелепроходческими механизированными комплексами с использованием высокоточной обделки.
Сарычев Владимир Иванович, д-р техн. наук, проф., zhabin.tula@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Поляков Андрей Вячеславович, д-р техн. наук, инженер-эксперт, polyakoff-an@mail.ru, Россия, Москва, ООО «Единый консалтинговый холдинг»,
Чеботарев Павел Николаевич, канд. техн. наук, доц., cheb-84@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Демин Вячеслав Константинович, канд. техн. наук, доц., vkdemin@,gmail. com, Россия, Тула, Тульский государственный университет
PREDICTION OF DAILY SURFACE SUBSIDENCE DURING UNDERGROUND
EXCAVATION
V.I. Sarychev, A.V. Polyakov, P.N. Chebotarev, V.K. Demin
The article discusses the causes of subsidence of the daytime surface as a result of underground workings, as well as various methods of their assessment. In particular, among the empirical methods, a method based on the use of the Gaussian error function was singled out. Calculations of the stability of the face and estimates of the pressure of the soil in it when tunneling using tunnel-tunneling mechanized complexes are also presented.
Key words: underground workings, deformation of the day surface, forecasting, downhole stability, soil pressure.
Sarychev Vladimir Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, zhabin.tula@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Polyakov Andrey Vyacheslavovich, doctor of technical sciences, expert engineer, polyakoff-an@,mail.ru, Russia, Tula, limited liability company (LLC) «Unified Consulting Holding»,
Chebotarev Pavel Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, cheb84@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Demin Vyacheslav Konstantinovich, candidate of technical sciences, docent, vkdemin@,gmail. com, Russia, Tula, Tula State University
Reference
1. Mazein S.V. Development of mathematical models for predictive precipitation of the daytime surface according to soil control data and technological indicators of TPMK // Mining information and analytical bulletin. 2009. No. 2. pp. 98-109.
2. Mazein S.V., Potapov M. A. Analysis of the parameters of modern shields with different types of cargo used in metro construction with minimal precipitation of the urban surface // Collection of dokl. scientific and technical conf. Tunnel Association of Russia. 2010-2011. pp. 58-59.
3. Bogomolova O.A., Zhidelev A.V. The influence of the parameters of underground mining on the amount of precipitation of the daily surface of the moonlit area // Construction and Geotechnics. 2020. Vol. 11. No. 2. pp. 5-18.
4. Zakorishenny A.N., Nemkov S.A., Fayzrakhmanov N.G. Experience of using domestic soil conditioners during sinking metro tunnels in changing mining and hydrogeological conditions // Industrial and civil construction. 2010. No. 1. pp. 37 - 40.
5. Vorobyev L.A., Chebotaev V.V. Determination of the loading pressure when tunneling with shields with foam-ground or bentonite face mounting // Sb. nauch. tr. international
scientific and practical conference. Tunnel construction in Russia and CIS countries at the beginning of the century: experience and prospects. TAR, 2002. pp. 122 - 129.
6. Makarevich G.V. Shields with ground and hydraulic cargo. Advantages and disadvantages of working at TPMK with various face loads // Metro and tunnels. 2004. No. 1. pp. 22-25.
7. Methods of sediment assessment when tunneling using tunnel-boring mechanized complexes / I.A. Guskov, E.A. Pestryakova, S.S. Kharitonov, E.Yu. Titov // Online magazine "Transport Facilities", 2019. No. 3. https://t-s.today/PDF/18SATS319.pdf .
8. Karasev M.A., Belyakov N.A. Forecast of deformations of the Earth's surface during the construction of metro stations in hard clays // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2016. Issue 1. pp. 139-155.
9. Protosenya A.G., Belyakov N.A., Kthai Do Ngo Development of a method for predicting the pressure of face loading and precipitation of the Earth's surface during the construction of tunnels by mechanized tunneling complexes // Notes of the Mining Institute. 2015. Volume 211. pp. 53-63.
10. Oreste P. Evaluation of the Tunnel Face Stability through a Ground Stress Analysis with a Hemi-spherical Geometry Approximation // American Journal of Applied Sciences. Dec 2014. No.11. p. 1995-2003.
11. Schmidt B. A method of estimating surface settlement above tunnels constructed in soft ground // Canadian Geotechnical Journal. 1999. Vol. 20. pp. 11-22.
12. STO NOSTRA 2.27.19-2011. Development of underground construction. Construction of tunnels by tunneling mechanized complexes using high-precision lining.
