Расчет оседаний ТПМК под собственным весом в слабых грунтах Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

© A.A. Скворцов, 2012

УДК 69.035 A.A. Скворцов

РАСЧЕТ ОСЕДАНИЙ ТПМК ПОД СОБСТВЕННЫМ ВЕСОМ В СДАБЫХ ГРУНТАХ

Рассмотрена задача о деформировании грунтового основания под ТПМК при его проходке в слабых грунтовых массива.

Ключевые слова: ТПМК, грунтовый массив, вес ТПМК, деформации, оседания.

В настоящее время в крупных городах широко применяется технология строительства коллекторов различного назначения с помощью современных тоннелепроходче-ских механизированных комплексов (ТПМК). Их применение обусловлено наименьшими оседаниями поверхности и деформаций окружающего массива в целом, что является весьма важной задачей для городов с плотной городской застройкой. Тем не менее, как и любые горные работы, проходка коллектора вызывает деформации грунтового массива [1].

Практика отечественного и зарубежного тоннелестроение [2, 3] показывает, что для обеспечения проходки коллектора по заданной траектории необходимо обеспечивать определенный угол «задира» головной части ТПМК относительно проектируемой трассы коллектора, что достигается повышением усилий домкратов находящихся в лотковой части щита.

В целях минимизации оседаний щита и следования траектории проходки, управление ТПМК осуществляется под специальным углом наклона, называемым углом тангажа. Вес ТПК может достигать 20000 кН и вся нагрузка распределяется на грунтовое основание, находящееся под лотковой частью щита, которое деформируется, что приводит к осыпанию грунта в шелыге выработки, перебора

грунта ротором и как следствие оседанию поверхности.

Определение смещений грунта под воздействием собственного веса щита невозможно без решения задачи о размерах сжимаемой толщи, аналогичная задача решается при расчете оснований по деформациям при проектировании фундаментов. В данном случае размер сжимаемой толщи определяется как расстояние от лотка ТПК до нижней границы расчетной области.

По аналогии со СНиП 2.02.01— 83 [4] в была введена поправка на вес грунта залегающего выше лотка ТПК, т.е. считается дополнительная нагрузка от веса щита под его лотком, как дополнительная нагрузка от веса фундамента на этой глубине. Расчетная схема приведена на рис. 1, где „.о

0,2 = .СТ п

CT у —CT

н

п

где о — полные вертикальные напряжения на глубине 2 от поверхности; о2° — вертикальное напряжение от собственного веса грунта на глубине 2 от поверхности; он0 — вертикальное напряжение от собственного веса грунта на глубине заложения лотка щита.

На приведенном выше рисунке: Б — внешний диаметр ТПМК, Н — глубина заложения ТПМК, 2 — глубина

исследуемого слоя, oz

полные вер-391

Рис. 1. Расчетная схема

тикальные напряжения на глубине 2 от поверхности; о20 — вертикальное напряжение от собственного веса грунта на глубине 2 от поверхности; он0 — вертикальное напряжение от собственного веса грунта на глубине заложения лотка ТПК.

Удельный вес кластера рассчитывается на погонный метр в объеме шита вычислялся по формуле

С! • 3

У =-г >

п • г

где з — ускорение свободного падения, 10 м/с2; С1 — масса шита на погонный метр, т/м; г — внешний радиус ТПК, м.

Для определения глубины сжимаемой толши была разработана расчетная схема, в которой учитывались основные физико-механические свойства

грунтового массива, его напластование и основные характеристики шитовых тоннелепроходческих комплексов. Таким образом, в расчетную схему входят следуюшие параметры: уф — объемный вес грунта, кН/м3; Е — модуль деформации грунта, МПа; ^ — мошность /-ого слоя грунта, м; С — вес головной части ТПК, кН; Ь — длина головной части ТПК, м; Б — внешний диаметр головной части ТПК, м;

В качестве примера рассчитана глубина сжимаемой толши (ГСТ) от собственного веса шита при следую-ших исходных данных: Е=10 МПа, у=0,3, угр=17 кН/м3, ф=30 с=0 кПа; глубина проходки ТПК Н=10 м, Э=3 м; вес ТПК составляет 210 т, длина шита (Ь) составляет 3 метра, следовательно в1=70 т/м, Э=7,1 м2, отсюда следует, что вес кластера у=98,6 кН/м3.

Результаты расчета глубины сжимаемой толши представлены на рис. 2.

Размер сжимаемой толши в данном случае составил: 2=21 м (абсолютная отметка границы сжимаемой толши) — 13 м (абсолютная отметка лотка ТПК) = 8 м.

Серия расчетов показала, что глубина сжимаемой толши не зависит от глубины заложения шита и является функцией следуюшего вида:

Рис. 2. а — распределение вертикальных напряжений в грунтовом массиве; б — Распределение отношения дополнительных вертикальных напряжений к вертикальным начальным напряжениям

Y rp

Zyi • h H + D

Y =

G = G 4

S L n • D2'

H = 0,47 • D •

Y r

Конечная формула для определения величины проседания ТПМК под собственным весом включает в себя описанные выше параметры, а именно: удельный вес перекрываюшего грунтового массива; вес, диаметр и длина ТПМК; модуль деформации подстилаюшего грунта.

и = ^ • Н5-10-3,

где Не — глубина сжимаемой толши, м; п— осадка шита, мм; Б — внешний диаметр головной части ТПМК, м; С — вес головной части ТПМК, кН; С1 — вес одного погонного метра головной части ТПМК, кН/м; Ь — длина головной части ТПМК, м; и Ь\ — объ-

емный вес /-ого слоя грунта и мош-ность слоя соответственно; угр — усредненный по мошности объемный вес грунта, кН/м3.

Полученный в результате вычисления оседания применяются с целью определения угла тангажа (град.) (поднятие головной части) по формуле:

9 = arcsin | L

где и1 — оседание шита под собственным весом, м; Ь — длина головной части ТПМК, м.

Определение угла тангажа позволяет удерживать шит на правильной траектории и избежать «клевание» или «задира» ТПМК, что минимизирует фактор перебора грунта ротором и в результате обеспечит наименее про-садочное выполнение строительных работ.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Баклашов И.В., Мукаев И.Р., Скворцов А.А. Горный информационно-аналитический бюллетень «Определение параметров мульды сдвижения грунтового массива при подработке его строящимся тоннелем» № 2, М., 2011 г. — С. 265—267.

2. Thomas Kasper, Gunther Meschke. Tunnelling and Underground Space Technology 21. 2006. — P. 160—171.

3. Kazuhito Komiya, Kenichi Soga, Hirokazu Akagi, Toshiyuki Hagiwara, Maclcm D. Bolton, Siols and foundations Vol. 39, No. 3, June 1999, p. 37-52.

4. СНиП 2.02.01-83. Основания зданий и сооружений, и'.'-'^

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Скворцов Алексей Александрович — аспирант, e-mail: [email protected], Московский государственный горный университет.