CC BY
42
нята на уровне 7 м. Этим же экскаватором производятся добычные работы нижним черпанием с размещением рудных песков на кровле рудного пласта в виде аккумулирующего склада. Основная толща вскрыши высотой до 40 м отрабатывается роторным экскаватором в комплексе с отвалообразователем. Ширина заходки составляет 70-80 м. Высота внутреннего отвала при ав = 230 достигает 35-40 м. С учетом Формирования зимних запасов ширина рабочей зоны ^ равна 280-300 м. Для таких условий эксплуатации целесообразно принять роторный экскаватор СРС-2400 в комплексе с перегружателем и отвалообразователем 0ШР-5000/190, которые обеспечивают раскрытие рабочей зоны карьера на ши-
рину 311 м. Участки массива с коэффициентами вскыши более 4,4 м3/м3 (до 20%) отрабатываются одноковшовыми экскаваторами в комплексе с автотранспортом. Поскольку здесь залегают чернозем и потенциально плодородные породы, используют их для заключительного процесса рекультивации внутреннего отвала.
Основные элементы описанной технологии апробированы на действующих карьерах Вольногорского горно-металлургического комбината. Размещение выемочно-отвального оборудования в рабочей зоне карьера позволит отказаться от эксплуатации системы конвейерных линий в карьере и на внутреннем отвале, что экономически довольно эффективно.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ --------------------------------------------
Дриженко А.Ю. — профессор, доктор технических наук, Национальная горная академия Украины. Воловик В.П. — инженер, ГАК "Укрполиметаллы".
© С.В. Анциферов, 2003
УЛК 621.9
С.В. Анциферов
РАСЧЕТ ОБЛЕЛОК ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ КРУГОВЫХ ТОННЕЛЕЙ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ, СООРУЖАЕМЫХ С ПРИМЕНЕНИЕМ УКРЕПИТЕЛЬНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ*
азвитие коммунального хозяйства крупных совре-
Рых городов, совершенствование их транспорт -и иных систем связано с интенсивным освоени-подземного пространства, которое требует строительства тоннелей различного назначения. Необходимость сохранения существующей городской застройки, культурных и исторических памятников, уменьшения объемов строительных работ на поверхности, снижения стоимости работ во многих случаях делает целесообразным сооружение тоннелей мелкого заложения закрытым (горным) способом. Современные городские подземные сооружения часто включают параллельные тоннели, испытывающие как взаимное влияние, так и влияние земной поверхности, а также действие веса зданий и сооружений на поверхности, при этом в сложных геологических и инженерных условиях проводятся мероприятия по упрочнению массива грунта (пород) вокруг тоннелей, например, с помощью укрепительной цементации, что, естественно, приводит к изменению напряженного состояния системы “обделки тоннелей—массив грунта”.
В настоящее время имеются аналитические методы расчета обделок одиночных круговых тоннелей мелкого заложения, не испытывающих влияния близко расположенных подземных сооружений, на действие собственного веса грунта, внешнего давления грунтовых вод, веса зданий и сооружений на поверхности, как существовавших до проведения тоннеля, так и возводимых вблизи уже построенного тоннеля [1], на действие нагрузок от подвижного транспорта [2] и на сейсмические воздействия землетрясений [3]. Методы основаны на исследовании взаимодействия подземных конструкций и массива грунта (пород) как элементов единой деформируемой системы и на решениях соответствующих плоских контактных задач для кольца, моделирующего обделку, подкрепляющего отверстие в весомой полубесконечной линейно-деформируемой или вязкоупругой (в рамках теории линейной наследственной ползучести) среде, моделирующей массив грунта. Аналогичные методы разработаны для расчета обделок параллельных взаимовлияющих круговых тоннелей мелкого заложения на статические нагрузки [4] и на сейсмические воздействия [5]. Однако учет влияния укрепительной цементации может быть выполнен только при расчете обделок одиночных тоннелей [6, 7]. В связи с этим в настоящей работе предлагается аналитический метод расчета обделок комплекса параллельных круговых тоннелей мелкого заложения, сооружаемых с применением
*Работа поддержана грантом Совета программы поддержки ведущих научных школ № 00-15-98522.
Таблица 1
НОРМАЛЬНЫЕ ТАНГЕНЦИАЛЬНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ (МПА), ВОЗНИКАЮЩИЕ В ТОЧКАХ КОНТУРОВ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ ОБАЕЛОК ТОННЕЛЕЙ
Угол в, Верхний тоннель Нижний тоннель
Собственный вес грунта Нагрузка на поверхности Собственный вес грунта Нагрузка на поверхности
град. С учетом Без цемен- С учетом Без цемен- С учетом це- Без цемен- С учетом це- Без цемен-
цементации тации цементации тации ментации тации ментации тации
0 -2.533 -2.996 -2.246 -2.468 -4.878 -5.547 -2.050 -2.326
15 -2.176 -2.560 -1.478 -1.542 -4.114 -4.620 -1.362 -1.416
30 -1.468 -1.687 -.500 -0.336 -2.832 -3.076 -0.370 -0.150
45 -.617 -.634 0.435 0.841 -1.454 -1.430 0.664 1.112
60 .165 .337 1.094 1.678 -.363 -.132 1.430 1.970
75 .708 1.014 1.310 1.926 .258 .616 1.667 2.130
90 .902 1.256 1.002 1.467 .445 .846 1.267 1.533
105 .708 1.014 0.213 0.373 .258 .616 0.354 0.390
120 .165 .337 -0.852 -1.050 -.363 -.132 -0.764 -0.922
135 -.617 -.634 -1.850 -2.335 -1.454 -1.430 -1.727 -2.009
150 -1.468 -1.687 -2.440 -3.047 -2.832 -3.076 -2.263 -2.583
165 -2.176 -2.560 -2.455 -2.987 -4.114 -4.620 -2.256 -2.530
180 -2.533 -2.996 -1.943 -2.234 -4.878 -5.547 -1.757 -1.912
195 -2.403 -2.833 -1.098 -1.061 -4.834 -5.493 -0.933 -0.928
210 -1.806 -2.088 -0.158 0.196 -3.947 -4.401 -0.006 0.163
225 -.944 -.998 0.669 1.228 -2.462 -2.565 0.801 1.101
240 -.132 .068 1.223 1.803 -.833 -.547 1.311 1.678
255 .383 .792 1.379 1.803 .420 1.007 1.417 1.773
270 .547 1.038 1.063 1.242 .889 1.589 1.099 1.364
285 .383 .792 0.301 0.261 .420 1.007 0.426 0.537
300 -.132 .068 -0.726 -.904 -.833 -.547 -0.453 -0.530
315 -.944 -.998 -1.724 -1.980 -2.462 -2.565 -1.335 -1.589
330 -1.806 -2.088 -2.406 -2.704 -3.947 -4.401 -2.002 -2.375
345 -2.403 -2.833 -2.591 -2.887 -4.834 -5.493 -2.273 -2.660
укрепительной цементации или нагнетания в массив других скрепляющих растворов, осуществляемого с поверхности или из забоев выработок.
Предлагаемый метод расчета основан на аналитических решениях соответствующих плоских контактных задач теории упругости для весомой линей-но-деформируемой полубесконечной среды, моделирующей массив грунта (пород), ослабленной конечным числом произвольно расположенных круговых отверстий разных радиусов, подкрепленных двуслойными кольцами (внутренние слои моделируют обделки тоннелей, наружные - зоны укрепленных пород вокруг выработок). Общая расчетная схема приведена на рис. 1.
Здесь весомая полубесконечная однородная изотропная линейно-деформируемая среда S0, механические свойства которой характеризуются модулем деформации Е0 и коэффициентом Пуассона у0, ограниченная прямой £0 и окружностями Цу (у = 1,..., Ы) радиусами Я0 у (у = 1,..., Ы) , моделирует массива грунта(пород).
Слои двуслойных колец Бту (т = 1,2; у = 1,..., N) из материалов с деформационными характеристиками Ет у , Ут у (т = 1,2;у = 1,...,Ы) моделируют соответственно укрепленные зоны грунта (т = 1) и обделки тоннелей (т = 2), расположенных на глуби-
нах Ну (у = 1,...,N) , отсчитываемых от центров, помещенных в точках 2 у = Ху + 1Уу (/ = 1,...,N) .
Среда Б0 и слои колец Бт у. (т = 1,2;у = 1,...,N) деформируются совместно, то есть на линиях контакта Ьту (т = 0,1;у = 1,...,N) выполняются условия непрерывности векторов смещений и полных напряжений. Внутренние контуры колец Ь2 у
(у = 1,..., N) свободны от действия внешних сил.
Действие собственного веса грунта моделируется наличием в среде £0 начальных напряжений, определяемых формулами:
ст^0)(0) =-у(Н - у), сг(°т =-Ху(Н - у), = 0 , (1)
где у - удельный вес грунта, X - коэффициент бокового давления грунта в ненарушенном массиве.
Действие веса здания или сооружения на поверхности моделируется вертикальной нагрузкой интенсивности Р , равномерно распределенной на части а0 < х < Ь0 прямолинейной границы полуплоскости £0.
Ограниченный размер поверхностной нагрузки в направлении осей тоннелей приближенно учитывается введением в результаты расчета корректирующих множителей к у (у = 1,..., N) , получаемых для
каждой обделки как отношение максимального вертикального напряжения, возникающего в сплошной
н
1 г 1 ' Г г 1 1 Л Г Г г 1 г 1 г ч Г ч Г 1 1 л
‘1 ///// '////, 3 а0 » V//// /////////// Ь0 ///////У ►
р
К
полуплоскости на уровне верхней точки свода соответствующего тоннеля при действии нагрузки ограниченной ширины 2а к тому же напряжению, обусловленному действием бесконечной нагрузки, соответствующей условиям плоской деформации. Формулы для определения этих коэффициентов имеют вид:
п
(
arctgA/ -
Л
1+А2
где
А =
(2)
(3)
а
Здесь рассматриваются два случая - когда новое здание возводится вблизи уже существующих тоннелей и когда здание было возведено до проходки тоннелей. В последнем случае перемещения основания, произошедшие до сооружения тоннелей, исключаются из граничных условия задачи, связывающих смещения.
Для приближенного учета влияния расстояний
I,
(, = 1,...,N) между сооружаемой в каждом тоннеле обделкой и забоем соответствующей выработки в результаты расчета обделок на действие собственного веса грунта и веса зданий, существовавших до проведения тоннелей, вводятся корректирующие коэффициенты, определяемые по эмпирическим формулам, полученным на основе численного моделирования методом конечных элементов [8]:
а* = 0.6exp(-1.38^j. /Я0,) (, = 1,...,N).
Описанные задачи теории упругости решены с использованием теории аналитических функций комплексного переменного [9], аппарата ского продолжения комплексных потенциалов, рактеризующих напряженно-деформированное состояние нижней полуплоскости вне отверстий, раниченных окружностями Ц. (, = 1,...,М) , в верхнюю полуплоскость [10] и метода решения задач для бесконечной среды, ослабленной конечным числом круговых отверстий, подкрепленных многослойными кольцами [11]. Такой подход позволил решить
Рис. 1. Общая расчетная схема
сматриваемые задачи с помощью итерационного процесса [1], в ждом приближении которого пользуется замкнутое решение дачи для кольца, подкрепляющего отверстие в полной плоскости, при граничных условиях, содержащих некоторые дополнительные члены, отражающие влияние остальных отверстий и прямолинейной цы полуплоскости. Эти члены представляются в форме рядов рана, неизвестные коэффициенты которых уточняются на каждом ге итераций.
Влияние реологических свойств грунтов учитывается на основе теории линейной наследственной ползучести с применением метода переменных модулей, согласно которому деформационные
ристики грунта, входящие в решение задач теории ругости, представляются как функции времени. ние последовательности поведения тоннелей может быть учтено таким же образом, как в работе [10].
Ниже приводится пример расчета обделок двух одинаковых параллельных тоннелей, расположенных друг под другом, на действие собственного веса грунта и веса здания, возведенного после сооружения тоннелей. Исходные данные приняты следующими: Н1 = 8 м, х1 = х2 = 0, у1 = 0 , у1 =-10 м,
*1 1 = *1 2 = 2,8 м, Я21 = Я2 2 = 2,5 м,
2 = 0, 54 , а* = а2* = 1, Е0 = 100 МПа,
у0 = 0, 35 , Е1 1 = Е1 2 = 250 МПа, у1 1 =у1 2 = 0, 3 ,
Е2 1 = Е2 2 = 23000 МПа, У2Л = у2,2 = 0 , 2 , Р = 0,075 МПа,
а0 =-5 м, Ь0 = 25 м, 2а = 60 м.
В приведенной ниже таблице приведены расчетные значения нормальных тангенциальных напряжений (гв (в МПа), возникающих соответственно на внутренних и наружных контурах поперечного сечения верхнего и нижнего тоннелей от действия собственного веса грунта и нагрузки на поверхности, моделирующей вес здания. Для сравнения в этой же таблице даны напряжения, получаемые в случае отсутствия зоны укрепленного грунта. Угол 0 в поперечном сечении обделок каждого из тонн^йей отсчитывается от горизонтали против хода часовой стрелки.
Разработанный метод расчета и основанная на нем компьютерная программа позволяют определять напряженное состояние и оценивать несущую способность каждой из обделок комплекса параллельных круговых тоннелей мелкого заложения при действии основных видов статических нагрузок с учетом как влияния земной поверхности и остальных тоннелей, так и влияния укрепления грунта путем нагнетания скрепляющих растворов с поверхности или из забоя выработок
*0,1 = *0,2 = 4 м
у = 0,017 МН/м3,
2
1. Fotieva N.N, Bulychev N.S. and Sammal A.S, (1996), Design of shallow tunnel linings. Proceedings of the 1SRM International Symposium Eurock'96, pp. 677-680.
2. Fotieva N.N, Bulychev N.S. and Sammal A.S, Designing shallow tunnel linings upon the action of moving surface loads. Proc. of the Int. Symp. on Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground - 1S-Tokyo'99, Tokyo/ Japan/19-21 July 1999/ Balkema,2000, p.369-372.
3. Fotieva N.N, A.S. Sammal, N.S. Bulychev, J. V Lemos, A. Vieira, L.R. Sousa Designing shallow tunnel linings under seismic effects. Proc. of the Int. Conf. on Computer Methods and Advances in Geomechanics, 7-12, 2001, Tuscon, Arizona, USA, A.A. Bal-kema, p. 1087-1091.
4. Фотиева H.H, Саммаль А.С, Анциферов C.B. Расчет обделок параллельных взаимовлияющих круговых тоннелей мелкого заложения. Проблемы подземного строительства
в XX1 веке. Труды Международной конференции, Тула, 2002, с. 194-201.
5. Фотиева Н.Н, Саммаль А.С, Булычев Н.С. Расчет обделок параллельных круговых тоннелей мелкого заложения на сейсмические воздействия. Тоннельное строительство России и стран СНГ в начале века: опыт и перспективы. Труды Международной Научно-практической конференции. Россия, Москва, 28-31 октября 2002 г., - С. 362-366.
6. Fotieva N.N, Bulychev N.S, Antziferova L.N. Designing multi-layer lining of shallow Tunnels. Proceedings of the World Tunnel Congress'98 on Tunnels and Metropolises Sao Paulo/Brazil/25-30
April,1998,A.A.Balkema/ Rotter-
dam/Brookfield/1998, p.293-298
7. Фотиева H.H, Анциферова Л.Н, Булычев ^.С.Расчет обделок тоннелей мелкого заложения, сооружаемых с применением укрепительной цементации пород. Труды Международной конференции “Подзем-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ный город: геотехнология и архитектура”, Россия, Санкт-Петербург, 8-10 сентября 1998 г., С. 253-258.
8. Bulychev N.S, Fotieva N.N, Fowe/l R.J. The stress-strain state of tunnel linings and the surrounding rock mass in the vicinity of a tunnel face. Proc. of Underground Construction 2001 Int. Symposium, 18-20 Sept. 2001, p. 439-448.
9. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. - М., Наука, 1966.
10. Араманович И.Г. Распределение напряжений в упругой полуплоскости, ослабленной подкрепленным круговым отверстием. Доклада АН СССР, № 104 (3), 1955, с. 372375.
11.Фотиева Н.Н., Козлов А.Н. Расчет крепи параллельных выработок в сейсмических районах. - М., Недра, 1992.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Анциферов C.B. - Тульский государственный университет.
© А.С. Саммаль, Н.Н. Фотиева, П.В. Леев, 2003
УЛК 622.28
А.С. Саммаль, Н.Н. Фотиева, П.В. Леев
ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ПОРОЛ ВОКРУГ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ПРИ ТЕКТОНИЧЕСКИХ И СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЗЛЕЙСТВИЯХ*
Одним из путей оценки устойчивости пород вокруг горных выработок является подход, предложенный в работе [1], согласно которому в качестве критерия для отнесения выработки к той или иной категории устойчивости принимается максимальный размер (по нормали к контуру попе-
речного сечения выработки) так называемой условной зоны неупругих деформаций, то есть области, в которой напряжения, полученные из решения соответствующей плоской задачи теории упругости, не удовлетворяют условию прочности Кулона -
Мора. В настоящей работе этот подход развивается в направлении учета влияния технологической неоднородности пород, то есть изменения их деформационных и прочностных характеристик с удалением от поверхности выработки, вызываемого ослаблением массива вокруг выработки вследствие буровзрывных работ, инъекционного упрочнения пород путем нагнетания скрепляющих растворов и т.п. Это влия-
*Работа поддержана грантом РФФИ № 01-05-б4027.
